Michihiro Fujii the REACTION of PHENOLS and PHENYL ETHERS
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Ph.D. Chemistry Michihiro Fujii THE REACTION OF PHENOLS AND PHENYL ETHERS WITH CHLORINE K>NOXIDE ABSTRACT Phenol" ~resol" E.-cresol and anisole were each reacted with chlorine monoxide in carbon tetrachloride. From the main reaction" good yields ot chlorinated products were obtained. The minor reaction ot aU phenols ws chlorohydroxylation" and" in additicu" phenyl-phenyl coupling in the case ot E-cresol. The minor reaction ot anis ole was demethylation" and the demethylated products in turn gave the same type ot reaction products as !rom phenols. Electron spin resonance spectroscopy" and evidence ob tained by using diphenylpicrylhydrazt~ as an indicator" as well as the nature ot the products have suggested that the reaction prvceeds by a tree-radical mechanism" and such mechanisœ were accordingly proposed and discussed. Among the reaction products isolated" 2-chloro-4a,,9b dihydro-8,9b-dimethyl-3(4H)-dibenzoturanone, 2-chloro-4-hydroxy~ methyl-2,5-cyclohexadienone" 3-chloro-5,5 1-dimethylbiphenyl-2,21- diol and 2-chloro-4-methylresorcinol were new compounds. Ph.D. M.Fujii "Reactions of Chlorine Monoxide with Phenols & Their Ethers" THE REACTION OF PHENOLS AND PHENfi. ETHERS WITH CHLORINE MONOXIDE Michihiro Fuji! B.Sc. (Cl1emistry); M.Sc. (Org. Cham.) A thesis submitted to the Faculty of Graduate Studies and Research in partial fulfilment of the requirements for the degree of- v. Doctor of Philosophy Deparlment of Chemistry MCGill University Montreal September 1969 ® Michihiro Fujii 1970 • ACKNOWLEOOEMENTS The author wishes to express his sincere and deep gratitude to Dr. H.I. Bolker, Research Director, for his invaluab1e guidance, assistance and encouragement throughout the investigation and preparation of the thesis • Acknow1edgements are also extended to: Fellow members of the Organic Chemist17 SectiQn of the Pulp and Paper Research Institute of Canada for their advice and co-operation at ail times; Drs. D. Bowman and H. Falle for their assistance in e1ectron spin resonance experiments; MCGill University for a demonstratorship during 1967-68; The Pulp and Paper Research Institute ot Canada for a P.P.R.I.C. studentship trom 1968 to date. TABLE OF CONTENTS Page GENERAL INTRODUCTION ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 1 HISTORICAL INTRODUCTION •••••••••••••••••••••••••••••••••••• 4 Chlorine Monoxide •••••••••••••••••••••••••••••••••••• 5 Reaction of Organic Compounds with Chlorine Monoxide.. 7 Chlorination of Phenols and their Ethers ••••••••••••• 12 1. Ch1orination b.r hypochlorous acid ••••••••••••• 12 2. Chlorination b.r !,-buty1 hypochlorite •••••••••• 13 3. Chlorination by m1ecular ch10rine •••••••••••• 15 4. Chlorination by suJ.1'ur.v1 chloride ••••••••••••• 18 RESULTS AND DISCUSSION ••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 20 Identification of Reaction Products •••••••••••••••••• 21 1. Reaction products t'rom phenol and chlorine mnoxide •••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 21 2. Reaction products from p'-creso1 and ch10rine monoxide....................................... 23 3. The products from the reaction of 2,-creso1 with chlorine mnoxide ••••••••••••••••••••••••••••• 47 4. The products from the reaction of anisole with chlorine mnoxide ••••••••••••••••••••••••••••• 48 Reaction Mechanisms •••••••••••••••••••••••••••••••••• 52 Evidence of free-radicals •••••••••••••••••••••••• 52 The reaction of phenol and cresols ••••••••••••••• 59 The ortho:para ratios •••••••••••••••••••••••••••• 60 The. formation of oxygenated products ••••••••••••• 61 The reaction of aniso1e •••••••••••••••••••••••••• 62 - ii - Page EXPERll-ŒNTAL ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 67 Preparation of chlorine monoxide •••••••••••••••••••••• 68 Reaction of P.heno1 with chlorine monoxide ••••••••••••• 69 Isolation of ~ andR-chloropheno1 •••••••••••••••••••• 69 Isolation of 2 1 4- and 216-dich1oropheno1 •••••••••••••• 70 Quantitative analysis of ~-chloropheno11 ~-ch1oro- ppeno11 214-dichloropheno1 and 216-dichloropheno1 ••••• 70 Separation of each component from the water extract.... 71 Identification of 2-ch1ororesorcino1 •••••••••••••••••• 71 Identification of 4-chlororesorcino1 •••••••••••••••••• 72 S,ynthesis of 2-ch1ororesorcino1 ....................... 72 3,ynthesis of 4-chlororesorcino1 ....................... 73 Reaction of ~-creso1 •••••••••••••••••••••••••••••••••• 73 Separation and identification of each component in the sodium hydroxide-so1ub1e products from ~-creso1 ••••••• 74 1. 2-Chloro-~-cresol ••••••••••••••••••••••••••••• 74 2. 2,6-Dich1oro-~-creso1 ••••••••••••••••••••••••• 74 3. 3,3'-Dichloro-5,5'-dimethy1biphenyl-2,2'-diol •• 75 4. 3-Chloro-5-5'-dimethy1biphenyl-212'-diol •••••• 75 5. 5,5'-Dimethylbiphenyl-2,2'-dio1 ••••••••••••••• 76 Synthesis of 2-chloro-~-cresol •••••••••••••••••••••••• 76 Synthesis of 2,6-dichloro-~-cresol •••••••••••••••••••• 77 Isolation of 2-chloro-4a,9b-dihydro-8,9b-dimeth.vl- 3(4H)-dibenzofuranone ••.•••••••••••••••••••••••••••••. 77 c_ - iii - Separation of components of the water extracts from reaction of ~-cresol ••••••••••••••••••••••••• ~......... 78 1. 2-Chloro-4~ethylresorcinol •••••••••••••••••••• 78 2. 3-Chloro-5-methylcatechol •••••••••••••••••••••• 78 3. 2-Chloro-4-hydroxy-4-m.ethyl-2,5-cyclohexadienone 79 Treatment of 2-chloro-4-hydroxy-4-methyl-2,5-cyclo- hexadienone with dilute sulfuric acid •••••••••••••••••• 79 Synthesis of 2-chloro-5-methylhydroquinone ••••••••••••• 80 Reaction of ~-cresol with chlorine monoxide •••••••••••• 81 Separation of products !.rom carbon tetrachloride soluble portion of reaction products from ~-cresol.............. 81 1. 6-Chloro~-cresol .............................. 81 2. 4-Ch1oro~-cresol •••••••••••••••••••••••••••••• 82 3. 4,6-Dichloro~-cresol •••••••••••••••••••••••••• 82 Synthesis of 4-chloro~-cresol ••••••••••••••••••••••••• 82 Synthesis of 4,6-dichloro~-cresol ••••••••••••••••••••• 82 ISola"t3.>on:af 2-chloro-4-methylresorcinol from the water extracts of products from ~-cresol ••••••••••••••••••••• 83 Reaction of anisole with chlorine monoxide ••••••••••••• 83 Gas chromatography of the carbon tetrachloride soluble portion of the anisole reaction proçlucts •• :............ 84 Separation of components from the water-soluble products fram anisole ••••••••••••••••••••••••••••••••• 85 1. Chlorobydroquinone •••••••••••••••••••••••••••• 85 2. 2,4-Dichlororesorcinol •••••••••••••••••••••••• 86 3. 2,4,6-Trichlorophenol ••••••••••••••••••••••••• 87 - iv- !3w. Synthesis ot chlorohydroqudnone •••••••••••••••••••••• 87 S,ynthesis ot 2,4-dichlororesorcinol •••••••••••••••••• 87 Detection ot chlororesorcinols in the reaction products trom ~ and ~-chlorophenol with chlorine monoxide ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 88 Reaction ot hydroquinone wi1h chlorine monoxide ••••••• 88 Reaction ot resorcinol with chlorine monoxide •••••••• 88 Electron spin resonance experiments on the reaction mixtures ot phenols and anisole with chlorine mon- oxide •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 89 Free-radical detection with diphenylpicr,ylhydra~l ••• 89 References ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 90 CLAIMS TO ORIGINAL HESEARCH •••••••••••••••••••••••••••••••• 94 - v- LIST OF FIGURES 1. Reaction products (with yields) 1'rom phenol: and chlorine monoxide •••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 22 2. Reaction products (with yields) 1'rom p-cresol and chlorine monoxide •••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 24- In1'rared spectrum 01' 5,5'-dimethylbiphenyl-2,2'-diol ••• Z7 P.m.r. spectrum 01' 5,5'-dimethylbiphenyl-2,2'-diol ••••• 28 P.m.r. spectrum 01' 3,3'-dichloro-5,5 t -dimethylb1phenyl- 2,2' -diol •..•••••••.••...••••••••.•••..•.•••.•.•..••••. z:J 6. In1'rared 8pectrum 01' 3-chloro-5,5'-dimethylbiphenyl- 2,2'-diol •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 30 7. P.m.r. spectrum 01' 3-chloro-5,5 '-dimethylbipb~DI'l-2,2'- diol ..•..••••.....•.....••..•••••...••..•••.•..•..•..•. 32 8. Maas spectrum 01' 3-chloro-5,5'-dimethylb1phenyl-2,2'- diol ................................................... 33 9. In1'rared spectrum 01' 2-chloro-4a,9b-dihydro-8,9b-di- methyl-3(4H)-dibenzo1'uranone ••••••••••••••••••••••• 0... 34 10. P.m.r. spectrum 01' 2-chloro-4a,9b-dihydro-8,9b-dimethyl- 3(4H)-dibenzo1'uranone •••••••••••••••••••••••••••••••••• 36 il. Mass spectrum 01' 2-chloro-4a,9b-dihydro-8,9b-dimethyl- 3(4H)-dibenzo1'uranone •••••••••••••••••••••••••••••••••• 38 12. Ultra-violet spectrum 01' 2-chloro-4a,9b-dihydro-8,9b- dimethyl-3(4H)-dl,benzofuranone ••••••••••••••••••••••••• 39 13. Infrared spectrum of 2-chloro-4-methylresorcinol •••••••• 41 14. In1'rared spectrum of 3-chloro-5-methylcatechol •••••••••• 42 15. Infrared spectrum of 2-chloro-4-hydroxy-4-methyl- 2,5-cyclohexadienone ••••••••••••••••••••••••••••••• 44 16. Maas spectrum of 2-chloro-4-hydroxy-4-methyl-2,5- cyclohexadienone.................................... 45 17. P.m.r. spectrwn of 2-chloro-4-hydroxy-4-methyl-2,5- cyclohexadienone ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 46 18. Reaction products (with yields) from .Q.-cresol and chlorine monoxide •••••••••••••••••••••••••••••••••• 49 19. Reaction products (with yields) frorn anis ole and chlorine monoxide .................................. 51 20. E.s .r. spectrum of the secondary free-radical pro duced b.Y the reaction of ~-cresol with chlorine JDOnonde ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 55 - vii - LIST OF TABLES 1. Coupling constants in the p.m.r. spectrum of 2- chloro-4a,9b-dihydro-8,9b-dimethyl-3(4H)-di- benzofuranone ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 35 2. Retention t:4nes and Rf values of chlorophenols