Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 10
1.1. Жидкофазное каталитическое гидрирование ароматических нитросоединений (АНС) 10
1.1.1. Условия, обеспечивающие селективное проведение процесса 10
1.1.1.1. Катализаторы для восстановления АНС 12
1.1.1.2. Влияние растворителя на скорость и селективность восстановления 17
1.1.2. Механизм каталитического восстановления АНС 19
1.1.2.1. Промежуточные и побочные продукты восстановления 19
1.1.2.2. Адсорбция и катализ на переходных металлах 22
1.2. Восстановление 1-замещённых 2,4-динитробензолов 27
1.2.1. Способы восстановления динитросоединений (ДНС) 27
1.2.2. Жидкофазное каталитическое восстановление ДНС 28
1.2.2.1. Влияние катализатора на восстановление ДНС 28
1.2.2.2. Влияние растворителя на восстановление ДНС 30
1.2.2.3. Влияние заместителя на восстановление ДНС 31
1.3. Восстановление азотсодержащих гетероцшоїических соединений 34
1.3.1. Способы восстановления ненасыщенных гетероциклов 35
1.3.2. Деструктивные процессы при взаимодействии гетероциклов с восстанавливающими агентами 39
1.3.3. Селективное восстановление нитрогруппы в присутствии гетероциклов 42
1.3.4. Получение соединений с тетрагидрохинолиновым циклом 44
2. Химическая часть 50
2.1. Восстановление замещённых 8~окси-, нитро-, аминохиыолинов 50
2.2. Синтез замещённых пиперазинов и оксазинов на основе 1,2,3,4-тетрагидрохинолинов 62
2.3. Жидкофазное каталитическое восстановление галоген- и гетероциклсодержащих ароматических нитросоединений 69
2.3.1. Синтез и изомерия ароматических производных З-морфолино-Ш-5-пиразолона 70
2.3.2. Способ получения ароматических аминов, содержащих кето-метиленовую (-метиновую) группы 76
2.3.3. Распределение таутомерных форм нитро- и аминосоединений, содержащих кето-метиленовую (-метиновую) группу 80
2.3.4. Получение диметил-5-(3-амино-4-хлорфенилсульфонамидо) изофталата и синтез новых гетероциклсодержащих сульфамидных соединений на его основе 85
2.3.5. Гидрогенизационный синтез ароматических аминокислот, содержащих атомы галогенов и гетероциклические фрагменты 87
2.3.6. Совмещённый синтез гетероциклсодержащих ароматических аминосоединений 91
2.4. Закономерности восстановления Ьзамещённых 2,4-динитробензолов 93
2.5. Применение замещённых 1,2,3,4-тетрагидро-8-оксихнолинов 102
2.5.1. Оценка эффективности связывания катионов тяжелых металлов 1,2,3,4-тетрагидро-8-оксихинолином и 8-оксихинолином в водном растворе 102
2.5.2. Сравнительное исследование противомикробной активности 1,2,3,4-тетрагидро-8-оксихинолинов 104
3. Экспериментальная часть 108
3.1. Исходные вещества, растворители 108
3.2. Методики получения 110
3.2.1. Общая методика жидкофазного каталитического восстановления 110
3.3. Методика изучения способности осаждения ионов тяжёлых металлов 115
3.4. Методика изучения противомикробной активности 115
3.5. Методы аналитического контроля 116
3.6. Идентификация синтезированных соединений 118
Выводы 133
Литература 135
Приложение
- Влияние растворителя на скорость и селективность восстановления
- Деструктивные процессы при взаимодействии гетероциклов с восстанавливающими агентами
- Способ получения ароматических аминов, содержащих кето-метиленовую (-метиновую) группы
- Общая методика жидкофазного каталитического восстановления
Введение к работе
Актуальность проблемы. Замещённые ароматические амины, нитроаминосоединения и гетероциклсодержащие ароматические соединения, используются для получения искусственных красителей [1,2], фотоматериалов [3-5], термостойких полимеров [6-&], компонентов ракетного топлива [9], биологически активных веществ и лекарственных препаратов [2,9,10-13].
Одним из наиболее перспективных методов получения замещённых ароматических аминов является жидкофазное каталитическое восстановление соответствующих нитро соединений молекулярным водородом [14], обладающее рядом преимуществ: высокой селективностью, экологичностью, легко поддаётся механизации и автоматизации [15]. Исходные ароматические нитро соединения могут содержать легко уходящие, восстанавливаемые группы и гетероциклические фрагменты. Важной задачей является разработка способов, обеспечивающих селективное восстановление нитрогруппы с сохранением других фрагментов молекулы.
В последнее время немаловажное значение приобретают
восстановленные гетероциклические формы, как вещества, потенциально обладающие биологической активностью [16-19]. Поэтому перед современной наукой, наряду с селективным восстановлением нитрогруппы, стоит другая не менее сложная и актуальная задача - восстановление гетероциклов.
Решение двух вышеозначенных проблем тесно связано с выбором условий восстановления: активного и, в то же время, избирательного катализатора; оптимальной температуры процесса; растворителя, обеспечивающего высокую растворимость продуктов реакции, а, следовательно, производительность процесса. Немаловажную роль в повышении эффективности и малоотходности технологии играет
возможность многократного использования катализатора и растворителя (рециклинг).
Данная работа является частью научных исследований, проводимых на
кафедре общей и биоорганической химии Ярославского государственного
университета им. П. Г. Демидова по тематическому плану МО РФ (тема
«Теоретические основы, общие методы получения и свойства
полифункциональных ароматических соединений многоцелевого
назначения», 2001-2005 гг.), научным исследованиям высшей школы (тема
«Теоретические основы и общие методы получения азот- и
галогенсодержащих полифункциональных ароматических соединений
многоцелевого назначения», 2001-2002 гг.), гранту Минобразования РФ ГР-
225 (тема «Влияние особенностей механизма протонирования анион-
радикалов 1 -замещёняых-2,4-динитробензолов на ориентацию
восстановления одной из нитрогрупп», 2001-2002 гг.) и гранту
Минобразования РФ для аспирантов ГРА-350 (тема «Селективное
каталитическое восстановление нитро- и полинитрозамещённых
ароматических и гетероциклических соединений, содержащих
высокореакционнослособные функциональные группы», 2003-2004 гг.).
Цели работы:
Исследование каталитического восстановления молекулярным водородом замещённых 8-окси-(нитро-)хинолинов, изучение свойств полученных соединений.
Разработка высокоселективного способа получения ароматических амино со единений, содержащих атомы галогенов, гетероциклические фрагменты, исследование их строения.
Получение нитроанилинов каталитическим восстановлением одной нитрогруппы в полинитро соединениях.
Научная новизна. Настоящая работа показывает новые возможности селективного гидрирования с использованием гетерогенных катализаторов.
Впервые комплексно изучены закономерности восстановления замещённых 8-оксихинолинов в присутствии нанесённых платиновых, палладиевых катализаторов. С целью повышения селективности восстановления галогенсодержащих 8-оксихинолинов предложен оригинальный способ, включающий использование в качестве новой каталитической системы комплексов исходных соединений с ионами металлов. Получен ряд не описанных ранее дигалогенпроизводных 1,2,3,4-тетрагидро-8-оксихинолина.
Предложены новые направления применения замещённых тетрагидрооксихинолинов, включающие использование их в качестве бинуклеофильных реагентов в синтезе новых соединений азинового ряда, комплексообразователей с ионами металлов, биологически активных соединений, обладающих бактериостатическими свойствами.
Усовершенствован способ получения ароматических
аминосоединений, содержащих кето-метиленовую (-метиновую) группы (выбраны катализатор и растворитель, обеспечивающие максимальную селективность процесса и минимальное количество отходов).
Получен ряд новых ароматических производных З-морфолино-Щ-5-диразолона. С помощью комплекса современных спектральных методов анализа изучено соотношение изомерных форм метилиденпроизводных пиразолона.
Разработан новый эффективный способ совмещённого синтеза, включающего протекание в одном реакторе нуклео фильного замещения и восстановления.
В ходе исследований синтезировано и идентифицировано с помощью современных физико-химических методов анализа 40 ранее не описанных в литературе соединений.
Практическая ценность работы. В ходе исследований синтезирован большой ряд полифунщиональных ароматических и гетероциклических соединений. Для большинства из них на основе доступного сырья
разработаны и усовершенствованы методы синтеза, обеспечивающие высокие выходы и степень чистоты.
Синтезированные соединения, содержащие кето-метиленовую (метиновую-) группы являются синтонами в производстве органических красителей, цветных кинофотоматериалов (ДХЗТОС, г. Долгопрудный). Получен ряд новых гетероциклсодержащих аминокислот, сульфамидных соединений, бензилиденпиразолонов перспективных в качестве фармакологических препаратов и органических красителей.
На основе 1,2,3,4-тетрагидро-8-оксихинолина получены замещённые азины, функционализацией которых синтезированы гексазоцикланы-флуорофоры, перспективные для использования в качестве активных сред жидких и твердых лазеров, сцинтилляторов, для индикации жесткого излучения, трансформации коротковолнового излучения в длинноволновое при передаче информации по волоконно-оптическим линиям связи, для увеличения мощности солнечных батарей, защиты ценных бумаг, изготовления рекламных щитов и т.д. (ИНЭОС РАН, г. Москва).
Изучена способность 1,2,3,4~тетрагидро-8-оксихинолина к комплексовбразованию (ИХНР РАН, г, Иваново). Соединения данного ряда могут находить применение для извлечения ионов тяжёлых металлов из сточных вод, в аналитической химии, а также для получения новых металлокомплексных соединений. Последние могут быть использованы в качестве катализаторов гидрирования, а также как новые антибактериальные агенты и антиоксиданты.
Апробация работы. Результаты работы доложены на Третьем
Всероссийском симпозиуме по органической химии «Стратегия и тактика
органического синтеза», Ярославль, 3-6 марта 2001; Всероссийской научной
конференции, посвященной 200-летию Ярославского государственного
университета им. П. Г. Демидова, Ярославль, 30-31 октября 2001; IX
Международной конференции «Проблемы сольватации и
комплексообразования в растворах», Плес, 2004; X Международной научно-технической конференции «Наукоёмкие химические технологии - 2004», Волгоград, 7-10 сентября 2004; XVII Международной научно-технической конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии» г. Уфа, 12-14 октября 2004, и др.
Публикации. По теме работы опубликовано 7 статей, из которых 4 - в центральной печати, 7 тезисов докладов на российских и международных научных конференциях.
Положения, выносимые на защиту:
закономерности каталитического гидрирования замещённых 8-окси-(иитро-) хинолинов и модификация восстановленных соединений реакцией нуклеофильного замещения;
эффективные методы получения практически значимых ароматических амино с о единений, содержащих легко уходящие атомы галогенов и способные к восстановлению гетероциклические фрагменты;
общие закономерности и факторы, влияющие на селективность каталитического восстановления 1-замещённых 2,4-динитросо единений.
Структура и объём работы. Диссертация изложена на 153 страницах, состоит из введения, трёх глав и списка литературы. Библиографический список - 225 работ.
*'
Влияние растворителя на скорость и селективность восстановления
Явным преимуществом перед никелем и палладием при восстановлении галогенсодержащих АНС обладают платиновые катализаторы. Высокая активность и избирательность платиновых катализаторов связана с наличием оптимальной формы водорода, а следовательно, и более прочной связи Pt-H. На платине, в отличие от никеля и палладия, обнаружен лишь адсорбированный водород (в виде атомов), который делится на слабо- (более реакционно способный) и прочностносвязанный [37,46]. Относительно высокая энергия связи Ме-И обеспечивает высокую стабильность работы платиновых катализаторов при восстановлении прочноадсорбируемых нитр осо единений и галогенсодержащих АНС [37]. Поэтому даже добавка незначительных количеств платины к металлам, характеризуемым слабой энергией связи с водородом (например, рений), приводит к активизации последних [21, 14].
Активность катализатора значительно возрастает при нанесении металла на носитель [21]. Увеличение скорости реакции при использовании носителя объясняется тем, что активная поверхность металла значительно увеличивается. Одними из наиболее часто применяемых носителей для металлов платиновой группы являются активированный уголь и оксид алюминия [50-52]. Следует отметить, что снижение процентного содержания металла на носителе повышает селективность процесса восстановления [38,53]. Например, при уменьшении концентрации палладия на оксиде алюминия с 5 до 0.5 % доля слабосвязанного водорода растёт от незначительной величины до 30 %, а доля прочносвязанного уменьшается до 70 %. Средний размер кристаллов растёт от 5 до 24 А (в случае палладия кристаллы размером меньше 10-15 А практически не содержат растворённого водорода, и палладий ведёт . себя как платина). Это обстоятельство существенно повышает селективность восстановления [32]. Поэтому регулирование размера частиц металла, а также дисперсности распределения активного компонента в катализаторе при нанесении приводит к улучшению свойств катализаторов. При низком содержании Pt и Pd на оксиде алюминия (0.1-0.5 %) на каждом атоме металла адсорбируется несколько атомов водорода. Оксид алюминия значительно увеличивает скорость процесса для соединений, восстановление которых лимитируется активацией водорода, например, нитробензола. Этот эффект проявляется даже при использовании механической смеси частиц металла и оксида алюминия [38].
Влияние растворителя на восстановление АНС Для восстановления АНС в качестве растворителей используют воду, органические растворители (ДМФА, низшие предельные спирты и др.), различные бинарные смеси, кислоты и основания [54,55]. Используемый растворитель должен обеспечивать хорошую растворимость реагирующих веществ - нитросоединения и водорода. Свойства растворителя существенно влияют на скорость процесса гидрирования. Обычно она максимальна в спиртах и резко падает, если в качестве среды используются апротонные биполярные растворители, например, ДМФА [13]. Авторами [53,56] отмечается, что при переходе от ДМФА к смешанным растворителям, содержащим воду и гидроксид натрия, скорость восстановления нитрогруппы увеличивается.
Обширные исследования по изучению влияния растворителя на скорость жидкофазного гидрирования [38,57] позволили установить основные факторы, определяющие изменение скорости и механизма реакции при изменении состава или природы растворителя. Растворитель влияет на скорость реакции в основном за счёт трёх факторов: 1) изменения концентрации молекул нитропродукта на поверхности катализатора за счёт сольватации и конкурентной адсорбции между молекулами субстрата и растворителем за активные центры катализатора; 2) изменения концентрации водорода в жидкой фазе; 3) изменения эффективного коэффициента диффузии водорода в порах катализатора.
Для слабо адсорбирующихся соединений влияние природы растворителя проявляется прежде всего в изменении энергии связи водорода с поверхностью катализатора. По энергии связи водорода с поверхностью катализатора растворители можно расположить в следующий ряд: водные растворы оснований вода этанол водные растворы кислот [32]. Для лрочноадсорбирующихся соединений необходимо подобрать растворитель, изменяющий коэффициент распределения непредельного соединения между поверхностью и раствором. Чем выше растворимость вещества в растворителе, тем меньше будет его адсорбция на поверхности, и восстановление будет протекать активнее. Например, авторами [58] исследовано влияние состава смешанного растворителя пропанол-2-вода на скорость восстановления 2-нитрофенола на никеле Ренея. Скорость реакции проходит через максимум при 35-40 вес. % спирта. Увеличение констант скорости в этой области связано с изменением концентрации молекул нитропродукта на поверхности катализатора. При указанной концентрации спирта сольватация молекул нитропродукта будет минимальной, а плотность упаковки их на поверхности будет наибольшей.
В работах [59,60] исследовано влияние растворителя на селективность восстановления галогенсодержащих нитросоединений. Например, установлено, что селективность процесса восстановления п-хлорнитробензола в спиртах возрастает с увеличением молекулярного веса и адсорбционной способности растворителя. Это объясняется тем, что адсорбция растворителя на активных центрах катализатора увеличивается в ряду спиртов, в результате чего усиливается тормозящее действие растворителя на гадродегалогенирование. Для селективного восстановления галогенсодержащих нитробензолов наиболее приемлемы сильноадсорбирующиеся растворители [53]. Вообще, многочисленные экспериментальные данные [38,59] свидетельствуют об отсутствии устойчивых корреляций между скоростью и селективностью гидрирования и физико-химическими константами растворителя. Поэтому степень влияния растворителя на характеристики гидрирования может быть установлена в основном экспериментальным путём.
Деструктивные процессы при взаимодействии гетероциклов с восстанавливающими агентами
Необходимо выделить по меньшей мере четыре фактора, определяющих влияние заместителей на восстановление ДНС. Одним из них является электронная природа заместителя. При сопоставлении соотношений форм орто и пара для анион-радикалов с близкими по объёму, но отличающимися по электронной природе заместителями (ОСН3) СН3, О) отмечается, что с увеличением электронодонорного характера заместителя уменьшается стабильность формы пара по отношению к форме орто [120].
Другим важным фактором является объём заместителя. Установлено [121], что в ряду заместителей F, CI, Вг, I растёт образование продукта электровосстановления пара-нитрогруппы. Растёт также выход продукта восстановления пара-нитрогруппы при сравнении пар других динитробензолов с близкими по электронной природе группами (ОСЫз, ОС2Н5, ОС3Н7) при росте объёма заместителя. Увеличение объёма заместителя уменьшает стабильность формы орто по отношению к форме пара, видимо, вследствие выведения орто-нитрогруппы из плоскости ароматического кольца и нарушения сопряжения между этими фрагментами.
Третьим существенным фактором является способность заместителя образовывать внутримолекулярную водородную связь с орто-нитрогруппой [120]. Действительно, из сравнения данных по соотношению форм орто и пара для анион-радикалов с заместителями ОН и ОСН3, близкими по своим электронодонорным свойствам, у которых только первый образует внутримолекулярную водородную связь, следует, что рассматриваемый фактор стабилизирует форму орто.
Четвёртый фактор - заряд заместителя. Наличие в орто-положении к нитрогруппе отрицательно заряженного заместителя, например О", должно препятствовать локализации на ней спиновой плотности в силу возникновения сильного кулоновского отталкивания. Для положительно заряженного заместителя следует ожидать обратного эффекта - повышенной стабилизации формы орто. Этим, по-видимому, и обусловлено существование анион-радикала 2,4-динитродиэтиланилиния только в форме орто. Поскольку анион-радикалы являются ключевыми промежуточными частицами реаісций восстановления замещённых 2,4-динитробензолов, то влияние заместителя на ориентацию протекания этого процесса может определяться его влиянием на соотношение форм орто и пара [120]. Данные, иллюстрирующие эти два типа влияния заместителей, сопоставлены в табл. 2.
Данные табл. 2 свидетельствуют о наличии соответствия между влиянием заместителя X на направление частичного восстановления замещённых 2,4-динитро бензолов, с одной стороны, и на соотношение форм орто и пара соответствующих анион-радикалов — с другой. Наличие несоответствия в количественном плане может указывать на то, что направление частичного восстановления определяется не только соотношением форм орто и пара анион-радикалов восстанавливаемых соединений, но и соотношением основностей или скоростей протонирования этих форм. Следует отметить мнение некоторых авторов, что механизм каталитического гидрирования аналогичен механизму химического и электрохимического восстановления ДНС [32,122]. Поэтому следует ожидать аналогичного ориентирующего влияния различных факторов в условиях каталитического гидрирования замещенных ароматических ДНС. Таким образом, селективность восстановления одной из нитрогрупп в 1 -замещённых ДНС определяется, главным образом, ориентирующим влиянием заместителей на электронное строение промежуточных частиц.
Восстановление азотсодержащих гетероциклических соединений В настоящее время весьма перспективна химия гетероциклических соединений - веществ, обладающих потенциальной биологической активностью. Важное место среди этих соединений занимают ароматические аминосоединения, содержащие гетероциклы с ненасыщенными С-С и C-N -связями. Они сами потенциально биологически активны и, кроме того, способны к дальнейшей функционализации. Важным аспектом получения этих соединений является в большинстве случаев необходимость сохранения гетероциклических фрагментов при восстановлении нитрогруппы. Поэтому селективность восстановления нитр осо единений может быть связана не только с исключением накопления промежуточных продуктов, но и с возможными гидрогенизационными деструктивными изменениями присутствующих в структуре способных к восстановлению гетероциклов. Восстановление гетероциклических фрагментов может происходить либо с сохранением цикла, либо сопровождаться деструктивными процессами, связанными с разрывом цикла.
Способы восстановления ненасыщенных гетероциклов Восстановление гетероциклов происходит при использовании некоторых химических методов восстановления, а также жидкофазном каталитическом гидрировании. В качестве примера действия восстанавливающих гетероциклы агентов можно привести восстановление индиго до 2,2 -бис-индола цинком в уксусной кислоте или уксусном ангидриде в атмосфере аргона или водорода. При восстановлении оловом и железом образуется преимущественно 3 -ацетокси-2,2 -бис-индол [123]. Индол и акридин в результате действия NaCNBH3 и Et20 BF3 в кипящем метаноле превращаются в дигидропроизводные [124].
На процесс восстановления решающее влияние оказывают условия проведения реакции. Восстановительные преобразования гетероциклических фрагментов могут касаться и связанных с ними ненасыщенных функциональных групп. Так, при восстановлении сукцинимида в зависимости от природы восстанавливающего агента образуется пиррол 1, пирролидин 2 или пирролидон 3 [125] (Схема 5):
Отсюда следует, что метод каталитического гидрирования позволяет получать соединения, в некоторых случаях отличные от других методов восстановления.
Исследовано гидрирование азотсодержащих гетероциклов в присутствии карбонилов и карбонилфосфитных комплексов различных металлов [126]. Например, пиридин в присутствии кобальта превращается в смесь N-формил и метилпиридина при 200 С и давлении эквимолярной смеси окиси углерода и водорода 41 МПа. При более низком давлении (21.3 МПа) получены дигидропроизводные 2-метил- и 2-фенилиндола. В обоих случаях кобальт вводился в реакционную смесь в виде металла или солей. Показано [126], что карбонильные и карбонилфосфиновые комплексы способствуют преимущественному гидрированию гетерокольца в би- и полициклических азотсодержащих гетероциклах.
Способ получения ароматических аминов, содержащих кето-метиленовую (-метиновую) группы
Соединения, содержащие восстановленные гетероциклы, часто представляют не меньший интерес, а зачастую обладают новыми, весьма полезными свойствами по сравнению с невосстановленными исходными веществами [131-137]. Поэтому восстановление гетероциклов представляется актуальной задачей. Среди множества гетероциклических форм большое значение имеют соединения, содержащие хинолиыовый цикл - хинолин и его производные. Одним из способов получения соединений с тетрагидрохинолиновым циклом является циклизация (замыкание цикла). Метод находит широкое применение. Например, 1,2,3,4-тетрагидроХинолин образуется при пиролизе солянокислого о-(-у-аминопропил)-анилина. Аналоги 1,2,3,4 тетрагидрохинолина образуются с хорошими выходами при нагревании о-алкилформамидов с 1-хлор-З-бромпропаном [153]. В публикациях [154-155] сообщается, что 8-оксихинолины и 1,2,3,4-тетрагидро-8-оксихинолины могут быть получены циклизацией 0-2,4-динитрофенилоксимов 2-(3-гидроксифенил) этилкетонов.
Другим наиболее распространённым методом является восстановление гетероциклических фрагментов. С этой целью, как и при восстановлении нитрогруппы используются различные восстанавливающие агенты. Здесь следует отметить восстановительное алкилирование гетероциклических систем, обладающих ненасыщенными связями. Так, при действии на хинолин 38 карбоновых кислот и боргидрида натрия могут быть получены алкильные производные тетрагидрохинолина 39 [156] (Схема 18):
При помощи цианоборгидрида натрия восстановительным аминированием альдегидов получают 2,3-дизамещённые 1,2,3,4-тетрагидрохинолины [158]. Региоселективиое восстаыовлеыие хинолинов в 1,2,3,4-тетрагидропроизводные осуществляют с использованием борогидрида цинка [159]. Восстановление хинолинов до соответствующих 1,2,3,4-тетрагидропроизводных осуществляестя с помощью сочетания NaCNBH3 и Et20 BF3 в кипящем метаноле [124]. В качестве восстанавливающего агента для превращения 8-оксихинолина предложено также использовать циклогексан в кислотной системе CF3S03H-SbF5, при этом продуктом восстановления выступает 5,6,7,8,-тетрагидрохинолин [160], т.е. наблюдается селективное восстановление ароматического кольца в 8-оксихинолине. Реакция протекает с образованием N-протонированной формы 5-аза-4-гидрокси-1-нафтолиниевого иона. Последующее добавление циклогексана приводит к О, N- депротонированной форме 8-аза-1-тетраиона и через 90 минут - к N-протонированной форме 5,6,7,8-тетрагидрохинолина. При выливании кислотного раствора соли в воду выделяют 5,6,7,8-тетрагидрохино лин.
Представляет интерес восстановление метильного производного хинолина, так называемого хинальдина. Восстановлением 8 нитрохинальдина железным порошком в разбавленной уксусной кислоте синтезируют 8-аминохинальдин [161]. Общий выход продукта достигает 76-82 %. При восстановлении 8-аминохинальдина натрием в спирте получают 8-амино-1,2,3,4-тетрагидрохинальдин с выходом 70 % [162].
Однако несомненный интерес представляет каталитическое гидрирование хинолинов. При восстановлении хинолина каталитически активированным водородом может образоваться 1,2,3,4-тетрагидрохинолин и 5,6,7,8-тетрагидрохинолин или декагидрохинолин [163]. На лёгкость и течение этой реакции иногда влияют природа и положение присутствующих заместителей. При восстановлении хинолина в присутствии скелетного никелевого катализатора в спирте при комнатной температуре и под давлением 0.1-0.3 МПа образуется 1,2,3,4-тетрагидрохинолин. Для восстановления пиридинового кольца менее активными никелевыми катализаторами необходимы более высокие температуры и давления. Так, с обычным скелетным никелем 1,2,3,4-тетрагидрохинолин был получен при 60 и давлении 13 МПа, а при этом же давлении и температуре 180 образовывался декагидрохинолин. При 210 С был выделен 5,6,7,8-тетрагидрохинолин с выходом 1 %. Таким образом, основным продуктом восстановления является 1,2,3,4-тетрагидрохинолин.
В качестве активаторов гидрирования хинолина используют также металлокомплексные катализаторы. Хинолин [130] гидрируется в присутствии ацетилацетоната кобальта, активированного A1R3 (где R — алкил или алкоксил), с образованием 78 % 1,2,3,4-тетрагидрохино лина, 9 % 5,6,7,8-тетрагидрохинолина и 2 % декагидрохинолина (отношение кобальт/алюминий равно 10, давление Н2 равно 6,8 МПа, 90-100 С). В тех же условиях в присутствии диэтилсульфида образуется лишь 17 % 1,2,3,4-тетрагидрохинолина.
В работах [164,165] указывается, что комплексы родия с антраниловой кислотой, N-фенил антраниловой кислотой, L-тирозином, аспарагиновой кислотой, оксимом а-пиперидиноацетофенона катализируют гидрирование пиридина и хинолина. Обработка комплекса ШіС13Руз (где Ру-пиридин) борогидридом натрия в диметилформамиде приводит к образованию Ру2ДМФА ШіСІ2ВН4 [166,167]. Комплекс способен катализировать восстановление пиридина в пиперидин и хинолина в 1,2,3,4-тетрагидрохинолин; реакция протекает в мягких условиях с невысокими скоростями. Изохинолин и индол не восстанавливаются. Гидрирование, как полагают, начинается с переноса водорода [168] (Схема 19). Далее следует присоединение водорода к гидропиридиновому комплексу. Гидрирование хинолина с использованием металл о фталоцианиновых катализаторов при температурах 300-400 С и давлении 20 МПа осуществляется селективно с образованием 1,2,3,4-тетрагидрохинолина [169].
Общая методика жидкофазного каталитического восстановления
Известно, что скорость восстановления определяется не только природой используемого катализатора, но в значительной степени зависит и от структуры исходного субстрата. Известно, что до норные заместители в молекулах нитробензолов снижают адсорбционную способность и скорость гидрирования, а акцепторные оказывают противоположное действие [173-175].
Нами исследована реакционная способность хинолинов с использованием следующих условий: 95 С, Рн2 = 2.5 МПа, пропанол-2, [С]0 = 0.3 моль/л, катализатор 2 % Р1УАІ2О3, взятый в количестве 10% по отношению к массе исходного соединения. По реакционной способности исследуемые структуры можно расположить в следующий ряд: хинолин (ху2 — 5.8 ч) 2-метил-8-оксихинолиы (ті/2 = 4.1 ч) 8-оксихинолин (ti/2 = 3.1 ч) 5 хлор-8-оксихинолин (т. 1/2 = 2,5 ч) 5,7-дибром-8-оксихинолин (%ш 1.6 ч) = 5,7-дихлор-8-оксихинолин (TJ/2 = 1.5 ч). Период полупревращения в реакции гидрирования определяли по моменту поглощения теоретически необходимого количества водорода. Следует отметить, что появление акцепторных заместителей - атомов галогена - в молекуле оксина приводит к ускорению гидрирования, что говорит о наличии аналогичных закономерностей, по сравнению с восстановлением нитробензолов. Присутствие двух атомов галогена ещё более повышает реакционную способность. Этим, по-видимому, и объясняется возможность восстановления дигалогеноксихинолинов на низкопроцентном платиновом катализаторе. Однако появление донорного заместителя (гидроксогруппа) в положении 8 (у оксихинолинов) не снижает, а увеличивает реакционную способность по сравнению с хинолином. Этот эффект объясняется, вероятно, высокой способностью 8-оксихинолинов к лигандообразованию. 8 Оксихинолин образует комплекс хелатного типа, в котором металл более прочно связан с лигандом, чем в нехелатированном [176,177].
8-Оксихинолин, обладающий более высокими лигандообразующими свойствами, чем хинолин, активнее адсорбируется, поэтому обладает более высокой реакционной способностью. Адсорбция при гидрировании хинолинов, по-видимому, сопровождается лигандообразованием с частичным переносом электронов от металла к лиганду, т.е. образованием так называемых дативных связей при обратном смещении электронов с d орбиталей металла на разрыхляющую тс-орбиталь ароматического лиганда [74,75]. Далее частично заряженный субстрат взаимодействует на поверхности катализатора с протонами или положительно поляризованными молекулами водорода [71]. Атомы галогена в оксихинолинах увеличивают акцепторные свойства субстрата, что способствует переносу электронов от атома металла и активации процесса гидрирования в целом. В связи с изменением места расположения гидроксогруппы, 5,7-дихлор 4-оксихинолин, 4-оксихинолин не являются активными комплексообразователями хелатного типа [176]. В выбранных нами условиях их восстановление не протекает вообще. Появление объёмного заместителя метильнои группы - в положении 2 оказывает стерическое препятствие комплексообразованию [176], в итоге наблюдается существенное снижение скорости гидрирования 2-метил-8-оксихинолина, по сравнению с 8- оксихинолином. Эти факты являются дополнительным свидетельством участия комплексообразования в процессах гидрирования хинолинов. Учитывая высокую способность 8-оксихинолинов к образованию комплексов с ионами металлов, нами в качестве альтернативной каталитической системы были использованы комплексы ряда металлов и исходных оксихинолинов, взятых в нестехиометрическом соотношении. Реакцию проводили при 95 С, Рн2 = 2.5 МПа, [С]0 = 0.3 моль/л.
Проведённые предварительные исследования показали полное отсутствие каталитической активности комплексов меди с 8-оксихинолином: реакция восстановления последнего не протекает. Следует отметить появление металлической меди в реакционной массе. Применение ионов никеля показало крайне низкую активность комплексов данного металла в реакции восстановления 8-оксихинолина: реакция протекает до конца в течение 30 ч. 1,2,3,4-Тетрагидро-8-оксихинолин был выделен с выходом 74 %. Высокая активность в реакции восстановления 8-оксихинолина была отмечена при добавлении водных растворов платинохлористоводородной кислоты и хлорида палладия. В результате получен 1,2,3,4-тетрагидро-8-оксихинолин с выходом 88 %. Время реакции составляет 3-3.5 ч.
Визуальный осмотр реакционной массы показал исчезновение зеленого осадка металлокомплексов оксихинолина и появление темно-серого платинового или черного палладиевого. На основе этого нами сделано предположение, что происходит предварительное восстановление ионов в комплексах до нейтральных атомов [71,75,86], которые в свою очередь агрегируются в высокоактивные в реакции гидрирования кластеры [86]. Предположительно образование атомов металлов осуществляется согласно следующей схеме 23: О предварительном формировании каталитически активной формы свидетельствует факт отсутствия видимого поглощения водорода в начальные 10-15 минут. Прерывание реакции в момент окончания периода формирования катализатора показывает присутствие металлов в восстановленной форме, а также следовых количеств тетрагидрооксихинолина, установленных методом ТСХ. После этого периода реакция гидрирования оксихинолинов протекает достаточно активно. Предложенным нами новым способом получены также целевые соединения 26, 2в. При гидрировании галогенсодержащих соединений высокодисперсные платина и палладий проявили неодинаковую селективность.
Особенно следует отметить, что на высокодисперсной платине с выходом 85-87% был получен 5-хлор-7-йод-8-окси-1,2,3,4-тетрагидрохинолин 2з, что невозможно было осуществить в присутствии 0.5 Pt/Al203, а также повышен выход бромсодержащего тетрагидрохинолина 2ж с 78 до 89 %. Высокодисперсный платиновый катализатор использовали 3-4 раза без существенного снижения активности процесса, выхода и чистоты целевых соединений. Следует отметить, что при повторном использовании катализатора отсутствовал индукционный период, что является дополнительным свидетельством участия восстановленной формы металлов в каталитическом процессе.
![Синтез и модификация 3a,4,5,9b-тетрагидро-3H-циклопента[c]хинолинов](/i/i/4499/466121.png "Синтез и модификация 3a,4,5,9b-тетрагидро-3H-циклопента[c]хинолинов Крайнова, Гульназ Фаизовна")
