Содержание к диссертации
Введение
1. Методы синтеза оцр-арнлалкенов, взаимодействием альдегидов с СН-кислотамн 7
1.1 Альдольные реакции с участием альдегидов и кетонов 8
1.2 Конденсация, родственные альдолыше конденсации 13
1.3 Конденсация Кневепагеля и родственные реакции 15
1.4 Получение ненасыщяшых нитросоединений 17
1.5 Области практического применения а арилалкенов 19
2. Синтез производных м-феноксистирола 23
2.1 Синтез 1-(м-феноксифенил)-2-нитроалкенов 27
2.2 Синтез 1-ацил-2-(м-феноксифенил)-алкенов 34
2.3 Синтез 2,2-ди-замещенных м-феноксистиролов, взаимодействием м-ФБА с диэтилмалонатом и циклогексаноном 38
2.4 Синтез функционально замещенных м-феноксистиролов, взаимодействием м-ФБА с эфирами ацетоуксусной кислоты 40
3. Термодинамика и кинетические закономерности процесса конденсации м-ФБА с СН-кислотамн 46
3.1 Исследование равновесия процесса конденсации м-ФБА с СН-кислотами 46
3.2 Кинетика процесса конденсации м-ФБА с СН-кислотами 51
4. Химические превращения пропзводпых м-фснокснстирола 65
4.1 Бромирование -замещенных м-феноксистиролов по двойной связи 65
4.2 Взаимодействие 1-ацил-2-(м-феноксифенил)алкенов с фенилгидразином и метиламином 66
5. Область практического использования спптезнрованных соединений 71
5.1 Прогноз биологической активности Р-замещенных производных м-феноксистирола 71
5.2 Прогноз свойств Р-замещенных производных м-феноксистирола, как активных добавок к полимерным и резиновым композициям 75
6. Экспериментальная часть 77
6.1 Физико-химические методы исследования и анализа, аппаратура 77
6.2 Исходные реагенты и растворители 77
6.3 Выбор метода анализа реакционных масс 78
6.4 Общая методика синтеза р-замещенных м-феноксистиролов 78
6.5 Методика синтеза Р-замещенных м-феноксшштростиролов 79
6.6 Методика синтеза 1-ацил-2-(м-феноксифенил)алкенов 80
6.7 Методика синтеза 2,2-дизамещеных м-феноксинитростиролов 82
6.8 Методика синтеза функционально замещенных м-феноксинитростиролов 83
6.9 Методики синтеза производных Р-замещенных м-феноксинитростиролов 86
6.10 Обработка результатов кинетических исследований 91
Выводы 95
Список литературных источников 96
Приложение I 110
- Конденсация Кневепагеля и родственные реакции
- Синтез 2,2-ди-замещенных м-феноксистиролов, взаимодействием м-ФБА с диэтилмалонатом и циклогексаноном
- Кинетика процесса конденсации м-ФБА с СН-кислотами
- Взаимодействие 1-ацил-2-(м-феноксифенил)алкенов с фенилгидразином и метиламином
Введение к работе
Производные стирола применяются во многих областях как полупродукты и товарные продукты в органическом синтезе, в качестве растворителей в машиностроительной, деревообрабатывающей, лакокрасочной промышленности, в парфюмерной и медицинской промышленности. р-Замещенные - а-нитростиролы, содержащие в молекуле при кратной связи нитро- и карбонильную группы, являются электронодефицитными субстратами для получения биологически активных а-аминокетонов и а-аминокислот. Возможность образования гетероциклов реакцией непредельных соединений с диазопроизводными также расширяет возможность практического применения соединений, полученных конденсацией карбонильных соединений с СН-кислотами.
Особое внимание в последнее время привлекают имины и гидразоны, полученные на основе м-феноксибензальдегида (м-ФБА), которые проявляют свойства биологически-активных веществ, а также стабилизаторов, светостабилизаторов и термостабилизаторов ПВХ, противостарителей вулканизации каучуков.
В то же время в литературе сведения о производных р-замещенных этенил-3-феноксибензола (р-замещенных производных м-феноксистирола) ограничены и общие подходы к синтезу этих соединений отсутствуют, не изучалась термодинамика и кинетика их образования.
В связи с этим, целью данной работы явилась разработка
эффективных методов синтеза р-замещенных производных м-
феноксистирола конденсацией м-ФБА с СН-кислотами различного строения и изучение термодинамических и кинетических закономерностей их образования.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
S разработать эффективные методы синтеза производных м-
феноксистирола с различными заместителями у р-углеродного атома
взаимодействием м-ФБА с СН-кислотами. S установить оптимальные каталитические системы, обеспечивающие
высокую скорость и селективность процесса конденсации S изучить термодинамику и кинетику процесса конденсации м-ФБА с
СН-кислотами
V установить оптимальные параметры процесса синтеза производных м-
феноксистирола.
Научная новизна,
В результате выполненных исследований получены следующие научные результаты:
S разработаны эффективные методы синтеза Р-замещенных производных
м-феноксистирола конденсацией м-ФБА с СН-кислотами S впервые показано, что для синтеза производных м-фенокситирола с
высокой скоростью и хорошим выходом необходимо использовать
каталитическую систему, состоящую из оснований с органическими
кислотами;
V впервые определена константа равновесия процесса конденсации м-
феноксибензальдегида с ацетофеноном в каталитической системе:
основание - органическая кислота;
S изучена кинетика процесса конденсации м-ФБА с СН-кислотами в
присутствии каталитической системы:основание:органическая кислота. S показано, что синтезированные р-феноксистиролы обладают высокой
реакционной способностью в реакциях с бромом, аминами и
гидразинами. S для синтезированных соединений прогнозируется широкий спектр
медико-биологической активности, а также свойства активных добавок
к эластомерам и полимерным композициям.
Практическая ценность работ.
Разработаны эффективные методы синтеза нового ряда р-замещенных производных м-феноксистирола Установлены оптимальные каталитические
5 системы и параметры технологического режима, обеспечивающие высокий выход целевых продуктов (83-85%). Изучены химические свойства полученных соединений в реакции бромирования и конденсации по карбонильной группе. Вычислительный прогноз позволяет рекомендовать полученные производные м-феноксистирола на испытания биологической активности и активных добавок в качестве светостабилизаторов полиэтиленов. Разработаны технологические приемы синтеза и выделения м-(феноксифенил)-а-алкенов, которые могут быть использованы для проведения процесса конденсации других ароматических и алифатических альдегидов с СН-кислотами.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: V-VI Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2000-2001), VII Международной научно-практической конференции «Наукоемкие химические технологии - 2001» (Ярославль, 2001), VIII Международной научно-практической конференции «Наукоемкие химические технологии - 2002» (Уфа, 2002), X Международной научно-практической конференции «Наукоемкие химические технологии - 2004» (Волгоград, 2004), на 37-41 межвузовских научно-практических конференциях ВолгГТУ (Волгоград, 2000-2004).
Публикация результатов.
По теме диссертации опубликовано две статьи в журнале «Химическая
промышленность», 5 статей в сборнике научных трудов ВолгГТУ «Химия и
технология элементоорганических мономеров и полимерных материалов»,
5 тезисов научных докладов. Получено два патента:
V способ получения замещенных 3-м-феноксифенил-1-фенил-2-пропен-1-
онов S способ получения 1-м-феноксифенил-2-нитроалкенов
Объем и структура работы.
Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы из источников и приложения,
содержит 31 таблицу, и проиллюстрирована 25 рисунками.
В первой главе дан анализ литературных сведений по синтезу, свойствам и применению замещенных стиролов. Вторая глава посвящена разработке методов синтеза р-производных м-феноксистирола. Третья глава посвящена изучению равновесия и кинетических закономерностей процессов конденсации м-феноксибензальдегида с СН-кислотами. В четвертой главе представлено изучение химических превращений Р-производных м-феноксистирола. Пятая глава посвящена исследованию области практического применения полученных соединений. В шестой главе приводится описание экспериментов.
Работа выполнена на кафедре "Технология органического и нефтехимического синтеза" Волгоградского государственного технического университета под руководством доктора химических наук, профессора Попова Ю.В. и кандидата химических наук, доцента Корчагиной Т.К.
7 1 МЕТОДЫ СИНТЕЗА а,р-АРИЛАЛКЕНОВ,
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ АЛЬДЕГИДОВ С СН-КИСЛОТАМИ
(Обзор литературы)
Одним из самых распространенных методов образования двойной связи в молекуле органического соединения является реакция карбонильных соединений с СН-кислотами. К СН-кислотам можно отнести практически все органические соединения с углеродными фрагментами, способными депротонироваться под действием оснований. Образованию карбаниона способствует наличие групп, способных перераспределять образующийся отрицательный заряд по всей молекуле органического соединения [1].
Присутствие функциональных групп, которые способствуют делокализации отрицательного заряда карбаниона на более электроотрицательные атомы, такие как кислород, вызывают очень сильное увеличение кислотности связи С-Н. К функциональным группам, оказывающим сильное стабилизирующее влияние, принадлежат карбонильная, нитро-, сульфонил- и цианогруппы [2,3,4]. С синтетической точки зрения такая способность к генерированию углеродных анионов, стабилизированных электроноакцепторными группами, оказывается очень важной [5,6].
Общим названием для реакций присоединения углеродных псевдокислот (С-Н-кислот) к карбонильным соединениям является термин альдолъные реакции (алъдолъные присоединения) [7]. Если получившееся оксисоединение в ходе дальнейшей реакции подвергается дегидратации, переходя в а, р - ненасыщенное карбонильное соединение, то говорят об алъдолъной конденсации. Соединение с реакционноспособной карбонильной группой называют карбонильной компонентой, а соединение, из которого образуется карбанион,—метиленовой компонентой.
Скорость альдольных реакций как правило возрастает с увеличением положительного заряда на карбонильном атоме углерода и с увеличением основности аниона СН-кислоты [8]. Так, например, сильноосновный бензилнатрий, полученный из толуола и натрия в присутствии следов перекиси натрия, реагирует даже с малоактивной двуокисью углерода при — 70 С практически мгновенно,
количественно давая фенилуксусную кислоту [1].
В качестве карбонильной компоненты могут использоваться альдегиды и кетоны, в качестве метиленовой компоненты — альдегиды, кетоны, сложные эфиры, нитросоединения, нитрилы И.Т.Д.
1.1 Альдольные реакции с участием альдегидов и кетонов
Под влиянием разбавленного основания или разбавленной кислоты две молекулы альдегида или кетона могут соединиться с образованием оксиальдегида или оксикетона по общей схеме [9,10]:
е е н R
разб. Н, или ОН _, _,„ I I _ „
2 R-CH—С—Н —к : *- R-CH—С С С-Н
I II I I I II
R О R ОН R О
В определенных условиях продукт реакции может подвергаться дальнейшим превращениям, а именно, дегидратации с образованием непредельного соединения. Эта дегидратация протекает легко благодаря кислому характеру атома водорода у а-углеродного атома и вследствие того, что продукт содержит сопряженную систему двойных связей.
Исследованию механизма катализируемой основаниями аьдольной конденсации посвящены работы Ингольда [11], Белла [12,13], Патаи, Израэли [14,15] и ряда других авторов [16,17]. Ими было установлено, что реакция имеет обратимый характер [18] и начинается с образования енолят-иона СН-кислоты, который является нуклеофилом. Карбонильная группа альдегида в большинстве случаев легко подвергается нуклеофильной атаке. Следующая стадия этого процесса представляет собой атаку енолят-иона по карбонильной группе молекулы альдегида, продуктом которой является алкоксид-ион. На тертьей стадии происходит протонирование алоксид - иона водой, давая конечный продукт реакции - альдоль. Одновременно регенерируется катализатор - гидроксид-ион. Эта стадия осуществляется потому, что алкоксид-ион является более сильным основанием, чем гидроксид-ион. Все эти стадии иллюстрирует механизм образования 3-оксибутаналя из ацетальдегида [19].
e G
сщ—сно ~Н - есн2-с-н - н2с< + н2о
о н
сн3—сно +есн2—с-н ^он ^ сн3~сн-сн2—с-н
о он о
В катализируемой кислотами альдольной конденсации по мнению
авторов [16] имеются две ключевые стадии. Первая - представляет собой
превращение кето-формы альдегида в енольную форму:
R-CH2-CH=0 ^ Н ^ R-CH=CH-OH
На второй стадии енол атакует протонированную карбонильную группу альдегида. Протонирование альдегида важно потому, что в результате на карбонильной группе оказывается положительный заряд, что в свою очередь увеличивает реакционную способность карбонильной группы в отношении атаки двойной связи енола. В общем виде процесс представлен следующей
схемой:
н ф
сн3—сн=о ^ ** сн2=сн-он + н3о
о СН2=СН-ОН ф
СН3—СН=0 -» П ** СН3—СН=ОН =5?====ib сн3—сн-сн2—сн=о + н3о
он Альдоль при действии разбавленной кислоты отщепляет воду даже при
комнатной температуре. Следовательно, реакцию, катализируемую кислотой,
практически невозможно остановить на стадии Р-оксиальдегида. Альдольная
конденсация ацетальдегида, катализируемая кислотами, дает в качестве
конечного продукта 2-бутеналь.
но сн3-сн-сн2-сн=о ^5 ^ » сн3-сн=сн—сн=о
он Значение константы равновесия альдольных присоединений не всегда благоприятно для образования продукта присоединения, как, например, в случае ациклических кетонов. Для завершения реакции при неблагоприятном значении константы равновесия, например при самоконденсации ацетона, разработаны особые методы. Реакцию проводят в экстракторе Сокслета в при-
сутствии нерастворимого основного катализатора — гидроксида бария,
помещенного в гильзу. Для стадии дегидратации константа равновесия сильно сдвинута в сторону образования продуктов реакции. Если в условиях реакции возможна дегидратация, то это направление может стать главным для всей реакции, даже если константа равновесия не благоприятствует стадии присоединения [20].
Значительные трудности, возникающие при синтетическом использовании альдольной конденсации альдегидов, состоят в том, что и исходный, и конечный продукты часто очень склонны к побочным реакциям, включая полимеризацию. Однако тщательный выбор условий во многих случаях, обеспечивает успех [21].
Одним из наиболее важных случаев смешанной конденсации является взаимодействие ароматических альдегидов с алифатическими кетонами или альдегидами [22,23]. Ароматические альдегиды играют роль карбонильной компоненты, так как не способны к образованию енола или енолята с потерей а-водородного атома. Дегидратация оказывается выгодной, так как приводит к образованию двойной связи, сопряженной и с карбонильной группой, и с ароматическим кольцом:
о он R о RO
AiCH=0 + RCH,CR «, - АгСН CHCR » ArCH=C-CR
Известно много примеров реакций конденсации ароматических альдегидов, катализируемых как кислотой, так и основанием. К этому типу смешанной альдольной конденсации относится конденсация Кляйзена— Шмидта [24].
Как легкость осуществления реакции элиминирования, так и ее направление обусловлены тем, что получающийся алкен особенно устойчив, поскольку двойная углерод - углеродная связь сопряжена в нем с двойной связью углерод—кислород карбонильной группы [25].
При нагревании с основанием альдоли отщепляют воду, давая, непредельные альдегиды. Эта дегидратация протекает легко:
благодаря кислому характеру атома водорода у а-углеродного атома;
вследствие того, что продукт содержит сопряженную систему двойных связей.
Дегидратации 3-оксибутаналя в 3-бутенальпротекает по схеме:
-сн2-сн—сн2—с=о t/H2 » -сн2—сн=сн-с=о
он н н
альдоль непредельный альдегид
Направление альдольных конденсаций зависит от условий проведения реакций.
СНзО О
рьсн=с—ссн3 « НС1 рнсно+сн3сосн2сНз NaOH > PhCH=CH-CCH2CH3
Так при катализе основанием бензальдегид реагирует с бутаноном-2 по метильной группе, в условиях кислотного катализа реакционным центром становится метиленовая группа [26]. В указанных условиях не удается выделить промежуточные образующиеся альдоли, однако эти соединения можно получить иными способами [27,28]. Их свойства иллюстрируют следующие уравнения:
он о о о
PhCHCH2CCH2CH3 — - PhCH=CHCCH2CH3 +PhCHO + СН3СН2ССН3
он сн3 о о
рь - сн - сн - с - сн3 Na н » рьсн=о + сн3сн2ссн3
Как видно, под действием основания разветвленный изомер не дегидратируется, а претерпевает ретроальдольный распад. В этом, по-видимому, и состоит причина преимущественного образования линейных продуктов конденсации в условиях основного катализа. В условиях кислотного катализа оба изомерных альдоля способны дегидратироваться в соответствующие еноны по схеме:
ОН О О О
I II ип II >>
PhCHCH2CCH2CH3 —: PhCH=CHCCH2CH3 +рьсн=о + сн3сн2ссн3
он сн3о н3с о о
Ph - СН - СН - С - СН3 —НС1 » PhCH=t - CCH3 + PhCH=0 + СН3СН2ССН3
12 При этом, основным продуктом кислото-катализируемой альдольной
конденсации является разветвленный изомер, образующийся из
термодинамически более устойчивого енола, содержащего наибольшее число
заместителей у двойной связи [29,30].
ОН ОН
Н I I
сн3сосн2сн3 *- сн3с=снсн3 + сн2=ссн2сн3
(основной продукт) (минорный продукт)
ОН ОН СН30
снЛснсн, + phCH0 -^=2-^ рьІн-Ін-Існ,
он сн3о сн3 о
рьін-ін-1!:сн3 быстро> рьсн-Ьн-бснз
Селективность смешанной альдольной конденсации повышается, если
проводить ее в присутствии соли металла, способного образовывать комплекс с
альдолем. Например, добавление к смеси фенилацетона и бутиральдегида ZnCb
[31,32,33] приводит к увеличению выхода продукта альдольной реакции до
54%.
В качестве оснований в реакции альдольной конденсации применяют
спиртовые растворы щелочных металлов [34,35], окись алюминия [36,37],
соли переходных металлов - Со, Ті, Fe, Mg, Zn [38,39,40(7, 30, 34)].
Кислотными катализаторами могут быть НС1, хлорокись фосфора, хлористый
тионил [41,42] и другие. В качестве растворителей используются протонные
полярные растворители - спирты [43,44,45].
Известно большое число именных конденсаций, родственных альдольной
конденсации (например, реакция Перкина, Кнёвенагеля, Дебнера, Клайзена,
Дикмана) [46,47,48]. Все они включают стадию атаки карбаниона СН-кислоты
по карбонильной группе. При этом можно использовать различные основания
— едкий натр, этилат натрия, ацетат натрия, амины — и широко варьировать
природу СН-кислоты (альдегиды, кетоны, ангидриды кислот, сложные эфиры).
13 1.2 Конденсации, родственные альдольной конденсации
Одним из примеров реакций, родственных альдольной конденсации, является конденсация Перкина [49], включающая присоединение ангидридов кислот к ароматическим альдегидам в присутствии оснований с образованием ненасыщенных кислот. В качестве основания в этой реакции чаще всего используют натриевую соль соответствующей карбоновой кислоты. Конденсация Перкина применима лишь для ароматических альдегидов, не подвергающихся самоконденсации в присутствии основных катализаторов.
Присоединение протекает таким образом, что а-углеродный атом ангидрида образует связь с углеродом карбонильной группы ароматического альдегида [49,50]. В реакционной смеси образующийся р-оксиангидрид претерпевает две реакции: отщепление воды и гидролиз ангидрида. Конденсация Перкина является удобным методом синтеза замещенных коричных кислот [51].
В 1954 г. Г. Виттиг опубликовал метод синтеза алкенов из карбонильных соединений и фосфоранов [52,53,54]:
R . R' , R
>С=0 + (C6H5)3P=C-R - -9-9-11 ** -C-C-R + (С6Н5)3РО
вОФР(С6Н5)з
илид бетаин окись трифенилфосфина
Основная стадия в этом синтезе состоит в нуклеофильной атаке фосфорана по карбонильному кислороду, приводящей к бетаину, который претерпевает элиминирование, как правило, с образованием продукта реакции, например [48,55]:
(СбН5)2С=0 + (С6Н5)3Р=СН2 *~ (С6Н5)2С-СН2 ^ (С6Н5)2С=СН2
метилен q p(C6H«)i
бензофенон трифенилфосфоран 1,1-дифенилэтилен
С6Н5СНО + С6Н5СН=СН-СН=Р(С6Н5)3 ^ СбН5СН-СН-СН=СН-СбН5 *~
ЄІФР(С6Н5)3
^ С6Н5-СН=Н-СН=СН-С6Н5
1,4-ди фенилбутадиен-1,3
Реакцию проводят в мягких условиях, и положение образующейся двойной углерод - углеродной связи не вызывает сомнений. Карбонильное соединение может содержать различные заместители, то же относится и к фосфорану.
Синтез фосфоранов — двухстадийный процесс, включающий алкилирование фосфина алкилгалогенидом и депротонирование соли фосфинов основанием по схеме:
R - СН( R ) - X + (С6Н5)3Р *- (С6Н5)з?- СН( R* )Q- R «2=32.
трифенилфосфин фосфониевая соль X
—*4C6H5)3P = C(R>R + основание :Н ил ид
В реакции применяют различные основания, главным образом
алкоголяты и металлоорганические соединения, и различные растворители.
Классическим примером реакций рассматриваемого типа является
самоконденсация сложных эфиров под действием оснований [33, 56]:
о Є
RCH2COOR + RO ^ ^ RCHCOOR + ROH
RCHCOOR ГС=0 ^ RCH -С—О * RCHCR
V^R
OR COOR V.OR' COOR
RCHCR + RO RC = CR + ROH
I I
COOR COOR
Все стадии, за исключением последней, обратимы. Необратимость стадии
енолизации обусловлена наличием двух электроноакцепторных заместителей в
продукте конденсации. Высокая СН-кислотность продукта позволяет
проводить конденсацию «нацело», используя эквимолярное количество
основания [57,58]. Чтобы исключить переэтерификацию, в качестве основания
обычно используют алкоголят спирта, который использовался при получении
сложного эфира [59,60].
15 13 Конденсация Кпевенагеля и родственные реакции
Для препаративных целей широко используется конденсация кетонов и
альдегидов с р-дикарбонильными соединениями и другими СН-кислотами, содержащими два электроноакцепторных заместителя, например с эфирами и нитрилами малоновой и циануксусной кислот [19,61,62,63]. Продуктами реакции являются функционализованные алкены - ценные синтоны для органического синтеза. Конденсации Кневенагеля, протекающие с участием сильных СН-кислот, катализируются даже слабыми основаниями, например аминами [20,48]. Тем самым сводится к минимуму самоконденсация карбонильной компоненты, требующая применения более сильных оснований.
В качестве СН-кислот могут использоваться не только эфиры
циануксусной или малоновой кислот, но и сами кислоты [52]. В этом случае
реакции обычно сопровождаются декарбоксилированием. Во многих случаях
стадии декарбоксилирования и элиминирования протекают синхронно [7,64]:
о (он
R-C-R + СН2(С00Н)2 » R2C-CHCOOH *~ R2C=CHCOOH
є» Реакции конденсации, сопровождающихся декарбоксилированием, часто
проводят в пиридине, при этом пиридиниевый ион катализует
декарбоксилирование арилиденмалоновых кислот [7,37].
AiCH-CHCOOH
fie 0\ АЛ№СНСООН
*N С=0
Реакцию Кневенагеля обычно проводят в полярных органических растворителях (например, в EtOH или ТГФ) хорошо сольватирующих анионы СН-кислоты и способствующих дегидратации альдолей. Недавно опубликованы результаты исследования конденсации Кневенагеля в растворах солей имидазолия с фторсодержащими анионами [65], относящихся к влагоустойчивым ионным жидкостям второго поколения. Применение этого типа растворителей позволило сократить время реакции и повысить выходы
продуктов. В данном случае роль катализатора выполняла сама ионная жидкость. Рядом авторов [66] в качестве такой ионной жидкости исследовалась смесь тетрафторбората 1-бутил-3-метиламидозолия([Втіт] [BF4]) и/или [Рір][ОАс] в каталитических количествах в модельной реакции бензальдегида с метилацетоацетатом. Соль [Bmim] [BF4] обладала невысокой каталитической активностью, в то время, как смесь солей [Bmim] [BF4] и [Pip][OAc] оказалась активной в данной реакции, выход продукта реакции увеличился до 85%. Вероятно, соли [Bmim] [BF4] и [Pip][OAc] дополняют друг друга в условиях реакции: [Pip] [ОАс] играет роль основания, a [Bmim] [BF4] стабилизирует анион СН-кислоты.
Близкой по механизму к альдольной конденсации и конденсации Кневенагеля является реакция Манниха, в которой роль карбонильной компоненты играют иминиевые интермедиаты, образующиеся из карбонильного соединения и амина. Это реакция, протекающая в слабо кислой среде, приводит к а-алкилированию кетонов и альдегидов диалкиламинометильными группами [67]:
О О CH2N(CH3fc
RCCH2R + СН2=0 + HN(CH3)2 » R-C-CHR
Реакция является достаточно общей для альдегидов и кетонов, имеющих, по крайней мере, один способный к енолизации атом водорода.
При вовлечении в реакцию первичных аминов могут образовываться гетероциклические соединения:
С2Н5
СН3СН2 9 CHjCH;)
СН3ООССН-С-СНСООСН3 + СН20 + CHjNHz + А К
СООНзС I J ССООСН3
NCH3 Продукты конденсации Манниха используют в органическом синтезе, например, для получения а-метиленкарбонильных соединений:
CH2N(CH3h J"*
(СНз^СНСНСНЮ ^ ^ (СН^Н-С-СНО
В качестве катализаторов в реакции Кневенагеля и родственных реакций применяют амины [29], буферные растворы [68], алкоголяты щелочных металлов [69]. В качестве растворителей чаще всего используются протонные полярные растворители — спирты [70].
17 1.4. Получение ненасыщенных нитросоединенин
Нитроалкены и продукты их химических превращений широко используются
для получения различных классов органических соединений (а-, у-аминокислот,
пятичленных гетероциклов и др.) находящих практическое применение в качестве
пестицидов, лекарственных препаратов, пластификаторов [71].
Впервые конденсация бензальдегида с нитроэтаном и нитрометаном была
открыта в 1883 году Б. Прибсом [72]. В качестве катализатора он использовал
хлористый цинк. Реакция протекает по схеме:
QHjCHO + RCIbNOa ZnCh ) СбН5СН=аШ02
Большинство дальнейших работ было связано с поиском новых более
эффективных катализаторов синтеза нитростиролов. Так, Тиле и Буво
предложили использовать в качестве катализаторов спиртовые растворы
щелочей и алкоголятов щелочных металлов, что позволило синтезировать
большое количество ароматических и гетероциклических непредельных
соединений [73,74]. Данные авторы предлагают следующий механизм
образования нитростиролов:
RCHO + CH3NO2 > [RCH(OH)CH = NOO]~Na+ >
> [RCH(OH)CH2N02] > RCH = CHN02 +Н20
Ароматический альдегид и нитрометан в спирте при охлаждении под влиянием щелочных катализаторов образуют соль нитроспирта, которая при подкислении разбавленным раствором минеральной кислоты превращается в Р-нитроалкен.
Было найдено [75,76], что щелочные катализаторы пригодны лишь для реакций ароматических альдегидов исключительно с нитрометаном. Так, при взаимодействии тетрахлорбензальдегида с нитрометаном в среде метанола с эквимолекулярным количеством гидроксида натрия образуется соответствующий 1-2,3,5,6-тетрахлорфенил-2-нитроэтен [77]. Также было отмечено [78], что выход целевого продукта растет при использовании избытка основания. Щелочные катализаторы неэффективны, если в пара-положении
ароматического альдегида находятся гидроксильные группы.
Кновенагелем было предложено использование в качестве катализаторов синтеза Р-нитростиролов первичных аминов [79,80], что позволило ввести в реакцию другие нитропарафины.
В качестве первичных аминов использовались метиламин, этиламин, ароматические амины [48], пиперидин [81]. Лернер [80] предложил использовать для синтеза ненасыщенных нитросоединений ароматического ряда этилендиамин. В его работе приводится большое число примеров, когда выходы продуктов реакции составляли около 95 %. Взаимодействие ароматических альдегидов с первичными нитросоединениями в присутствии первичных аминов сразу приводит к Р-нитростиролам.
Реакцию, как правило, проводят при комнатной температуре, причем продолжительность реакции колеблется от трех до десяти суток. Для сокращения времени реакции было предложено вести реакцию при температуре 60-70С в течении 8 часов используя в качестве катализатора амиламин [82]. Однако бензальдегид вместо р-нитростирола дал продукт взаимодействия двух молей бензальдегида с нитрометаном [83,84].
В качестве катализатора синтеза р-нитростиролов было предложено использовать ацетат аммония в ледяной уксусной кислоте [85,86]. Так, при взаимодействии 6-бромветрального альдегида с нитрометаном, при использовании в качестве катализатора ацетата аммония в среде ледяной уксусной кислоты образуется 2-бром-4,5-диметокси-р-нитростирол [87]. Преимущество этого метода заключалось в том, что при нагревании подавлялась реакция полимеризации р-нитростиролов.
С использованием соединений с мечеными атомами, были получены [a-d] и [p-d] нитростиролы. Первые - при использовании в качестве катализатора ацетата аммония в среде уксусной кислоты, вторые - при использовании в качестве катализатора-гидроокиси натрия в метаноле [87].
В литературе [26] описан способ образования производных нитростирола взаимодействием ароматических альдегидов с нитрометаном при
использовании в качестве катализатора комплекса ацетата 2-х валентного
кобальта с 2,2-бипиридином в среде диметилформамида. При этом выход продуктов достигает 81-87%.
Кроме того, катализаторами могут служить такие соединения основного характера, как карбонаты щелочных металлов и бикарбонаты [45].
В качестве побочных продуктов иногда образуются динитросоединения, в результате присоединения нитропарафина к нитроолефину.
Известно, что конденсация нитроацетона с ароматическими и гетероциклическими альдегидами под действием щелочи приводит к несопряженным нитроалкенам [88,89]. Предложен новый метод синтеза серии сопряженных нитроэтенов ароматического ряда прямым алкенилированием нитроацетона бензальдегидом и его аналогами в условиях кислотного катализа. В качестве катализаторов использовались: хлорокись фосфора, хлористый тионил, w-толуолсульфокислота, хлористый водород в спирте [90]. Реакция протекает по схеме:
+ H3C-C-CH2N02 ^ R2-^ Л-СНА=С-С-СНз
Н 0 ^ (/ 0
R1 - Н; R2 - Н, ОСН3, N(CH3)2 R'=OCH3;R2 = OH
Данный способ позволяет получать соединения с большим выходом и в мягких условиях.
Анализ литературных данных показал, что взаимодействие альдегидов с различными СН-кислотами происходит при катализе как щелочными, так и кислотными агентами. Выбор оптимального катализатора определяется строением альдегида и СН-кислоты. Влияние различных каталитических систем на конденсацию м-феноксибензальдегида с СН-кислотами ранее не изучалось.
1.5 Области практического применения а,р - арнлалкенов
Ряд лекарственных препаратов и биологически активных веществ содержат в своем составе стирольный фрагмент. Например, циминаль — п-
нитро-а-хлоркоричный альдегид - применяется для заживления ран [91].
«г
N0]
Цилипол, комбинированный препарат, содержащий циминаль, димексид и полиэтиленоксид, используется как антибактериальное средство [92].
В последнее время внимание исследователей привлекают
многофункциональные электронодефицитные непредельные соединения [91]. К ним относятся арил(гетерил) нитроалкены с сопряженной двойной связью, содержащие у атома углерода при кратной связи одновременно две электроноакцепторные группы - нитро- и циано-, нитро - и карбонильную-, нитро- и сложноэфирную [93]
Соответствующие галоидсодержащие нитроалкены используются в качестве действующего вещества гербецидных препаратов, использующихся для избирательного подавления сорняков при выращивании сахарного тростника и кукурузы [77].
Сопряженные ацетилнитростиролы — непредельные нитро-предшественники биологически активных а-аминокислот и аминокетонов также широко используются в органическом синтезе.
Исследования, проводимые в ВолгТУ, выявили высокую фунгицидную активность у соединений, содержащих в своей структуре м-феноксифенильную группу. Проведенный вычислительный прогноз а,р - ненасыщенных альдегидов и кетонов, содержащих м-феноксистирольный радикал [94,95,96] показал, что для всех соединений подобной структуры следует ожидать способности подавлять рост различных простейших микроорганизмов (вирусов, бактерий и грибков) и атипичных опухолевых клеток. Присутствие м-феноксистирольного фрагмента в молекулах а,р — ненасыщенных альдегидов и кетонов способствует проявлению противоопухолевой, противолейкозной, противогриппозной, антигерпесвирусной и туберкулостатической активностей [97,98,99].
Установлено, что м-феноксибензальдимины, содержащие в своем составе
м-феноксистирольный фрагмент проявляют свойства стабилизаторов
термоокислительных процессов, промоторов адгезии и вулканизующих агентов
[98,99]. Имины, полученные на основе а,р - ненасыщенных альдегидов,
содержащих м-феноксистирольный фрагмент проявляют свойства
стабилизаторов, светостабилизаторов и термостабилизаторов
поливинилхлорида и полиэтилена. Они проявляют свойства антипперенов полистирола, стабилизаторов замещенных полиэтиленов, а также замедлителей вулканизации резиновых смесей. Ненасыщенные имины, имеющие в своем составе м-феноксифенильную группу, защищают резины от теплового разрушения, протекающего под воздействием различных факторов: тепла, атмосферного кислорода и озона, солнечной радиации и механических напряжений [98]. являются эффективными ингибиторами кислотной коррозии, превосходящими известные аналоги [91,95,100].
Кроме того, известно, что азометиновые соединения в составе резиновых смесей являются ингредиентами полифункционального действия. Они проявляют свойства ускорителей вулканизации, противостарителей, термостабилизаторов и промоторов адгезии [101].
Наличие двух сопряженных связей в молекуле а,р - ненасыщенных иминов, а также наличие в иминах подвижного атома водорода увеличивает вероятность взаимодействия их с активным кислородсодержащим радикалом окисляющегося углеводорода каучука, образующегося при длительном действии температуры и действии многократных деформаций. Это увеличивает вероятность обрыва окислительной цепи и снижает скорость окисления каучука, т.е. увеличивает теплостойкость вулканизатов. Кроме того, присутствие в молекулах иминов нескольких фенильных групп, обладающих отрицательным индуктивным эффектом и способностью образовывать феноксильные радикалы, позволяет замедлять окисление вулканизованных материалов.
22 Таким образом, функциональные производные стирола имеют важное
практическое значение. В частности, перспективы использования имеют
производные м-феноксистирола, содержащие функциональные группы
(карбонльные, алкоксикарбонильные, нитро- и другие группы) у терминального
атома углерода двойной связи. В связи с этим, назрела необходимость в
разработке эффективных методов синтеза указанных соединений.
23 2 СИНТЕЗ ПРОИЗВОДНЫХ м-ФЕНОКСИСТИРОЛА
Как следует из литературного обзора, одним из наиболее простых и общих методов получения производных стирола являются реакции конденсации ароматических альдегидов с СН-кислотами [102-104].
В связи с этим, для получения искомых производных м-феноксистирола нами была выбрана реакция м-ФБА (1) с СН-кислотами различного строения: нитроалканами (нитрометан (2а), нитроэтан (2Ь), нитропропан (2с)), кетонами (ацетофенон (2d), замещенные ацетофеноны (2е-g), метилтретбутилкетон (2j), метилизобутилкетон (2к)), р-дикарбонильными соединениями (этиловый и метиловый эфиры ацетоуксусной кислоты (2h, 2i)), диэтилмалонатом (21).
—R-
+ HP
R=H;R'-C(0)Pb (<>) R-Br;R--C(0)Ph(e)
4*-о
R-ftR'-CXOXMjCOiQ (h) R-H;R=aO)Bu' 0)
R-COjEt R'«C(0)Me (i) R-ltR'-CtOJBu" (I)
R = C2H5;R-=N02(c) R = CI; R'- C(0)Ph (0 R-IfcR-QOCHjCOzMe (n) R= R-COja (1)
R-N02;R-=C(0)№(g) R-CC^Me R'-QO)Me (o)
На первом этапе наших исследований реакции проводили по известной методике [74,105]: в среде метанола, при комнатной температуре (20 С), мольном соотношении м-ФБА : СН-кислота = 1,0 : 1,0, концентрации м-ФБА равной 3,0 моль/дм3, с использованием в качестве катализатора 30% водного раствора метиламина (10% мольн.) по отношению к исходным реагентам.
Оказалось, что в этих условиях, выход р-замещенных производных м-феноксистирола (4а-о) не превысил 5-46%. Выходы и физико-химические свойства продуктов представлены в таблице 2.1.
Выходы и физико-химические свойства р-замещенных производных м-феноксистирола
Таблица 2.1
« » »
Структура полученных соединений подтверждалась ЯМР 'Н-, ИК-спектроскопией, масс-спекторометрией (см.раздел 6) и элементным анализом, чистота соединений - методом жидкостной хроматографии.
Как видно из таблицы 2.1, наименьший выход целевого продукта (5-6%) наблюдался при взаимодействии м-ФБА с наиболее слабыми СН-кислотами - кетонами (ацетофенон, метилтретбутилкетон). Наибольший (43 - 46%) - в реакциях с наиболее сильными СН-кислотами (нитроэтаном и малоновым эфиром). Реакции бензальдегида с указанными СН-кислотами в аналогичных условиях привели к образованию продуктов конденсации с большими выходами, соответственно 74% и 75% (Рис.2.1). Очевидно, м-ФБА (1) обладает меньшей реакционной способностью в реакциях с СН-кислотами по сравнению с бензальдегидом.
*
о-
г-*-"т
Г ' Т
80-г 70-60-50-40 4 30 о5 20 10-tt
т г
4?
О м-ФБА
Рис. 2.1 Зависимость выхода стирол о в от природы СН-кислот и субстратов
Поэтому, для решения поставленных задач на первом этапе нашего исследования необходимо было найти более эффективные условия проведения реакций, включающие применение новых каталитических систем.
27 2.1 Синтез 1-(м-феноксифенил)-2-нитроалкенов
С этой целью нами была детально исследована конденсация м-ФБА (1) с нитроэтаном (2Ь), в условиях, приведенных в работе [74].
По данным жидкостной хроматографии в реакционной массе наряду с исходными веществами были обнаружены, по крайней мере, три продукта: Ы-метил-2-м-феноксифенилимин (5), 1-(м-феноксифенил)-1-гидрокси-2-нитропропан (ЗЬ) и 1-(м-феноксифенил)-2-нитропропен (4Ь) (рис. 2.2).
— ' ' 1 ?.гі
г. ее
> 1J.B1
Рис. 2.2 Хроматограмма реакционной массы процесса конденсации
м-ФБА с нитроэтаном
Время удерживания, мин - Вещество 9.81 - м-ФБА (1)
15.10 - N-метил-м-феноксибензальдимин (5) 17.00 - 1 -(м-феноксифенил)-1-1 идрокси-2-нитропропан (3b) 20.61 - 1-(м-феноксифенил)-2-нитропроіісн (4b)
Строение 1-(м-феноксифенил)-2-нитропропена (4Ь) доказано методами ЯМР'Н и масс - спектрометрии, данными элементного анализа. Структура N-метил-м-феноксибензальдимина (5), образующегося в результате реакции в незначительных количествах, была подтверждена методом масс-спектрометрии (N'T 255) и элементного анализа.
1-м-Феноксифенил-1-гидрокси-2-нитрорпопан (ЗЬ) в чистом виде выделить не удалось из-за его высокой лабильности, поэтому его строение было доказано химическим путем: синтезом из 1-(м-феноксифенил)-2-нитропропена (4Ь). Продукт гидролиза последнего согласно данным ЯМР'Н-спектросокопии и ГЖХ оказался идентичен промежуточному продукту конденсации м-ФБА с нитроэтаном (ЗЬ).
На основании общих представлений о реакциях конденсации такого рода [86,91], данных по хроматографии и масс-спектрометрии образование 1-(м-феноксифенил)-2-нитропропена (4Ь) можно описать следующей схемой:
^Nr ^vch—ch-no, I I он сн,
СН—CH-NO,
I I
OH CHj
Следует отметить, что содержание 1-(м-феноксифенил)-1-гидрокси-2-нитропропана (ЗЬ) в реакционной смеси после завершения процесса конденсации составляло 10-12%, 1-(м-феноксифенил)-2-нитропропена (4Ь) -45-46% (рис. 2.2).
Образование в ходе реакции N-метил-м-феноксибензальдимина (5), вероятно, связано с тем, что исследуемый в качестве катализатора метиламин в указанных условиях достаточно легко вступает в реакцию с м-ФБА (1) по схеме:
Н3С NH2
М-метил-2-м-феноксифенилііиин
+ н2о
Конденсация Кневепагеля и родственные реакции
Для препаративных целей широко используется конденсация кетонов и альдегидов с р-дикарбонильными соединениями и другими СН-кислотами, содержащими два электроноакцепторных заместителя, например с эфирами и нитрилами малоновой и циануксусной кислот [19,61,62,63]. Продуктами реакции являются функционализованные алкены - ценные синтоны для органического синтеза. Конденсации Кневенагеля, протекающие с участием сильных СН-кислот, катализируются даже слабыми основаниями, например аминами [20,48]. Тем самым сводится к минимуму самоконденсация карбонильной компоненты, требующая применения более сильных оснований. В качестве СН-кислот могут использоваться не только эфиры циануксусной или малоновой кислот, но и сами кислоты [52]. В этом случае реакции обычно сопровождаются декарбоксилированием. Во многих случаях стадии декарбоксилирования и элиминирования протекают синхронно [7,64]: Реакции конденсации, сопровождающихся декарбоксилированием, часто проводят в пиридине, при этом пиридиниевый ион катализует декарбоксилирование арилиденмалоновых кислот [7,37]. Реакцию Кневенагеля обычно проводят в полярных органических растворителях (например, в EtOH или ТГФ) хорошо сольватирующих анионы СН-кислоты и способствующих дегидратации альдолей. Недавно опубликованы результаты исследования конденсации Кневенагеля в растворах солей имидазолия с фторсодержащими анионами [65], относящихся к влагоустойчивым ионным жидкостям второго поколения.
Применение этого типа растворителей позволило сократить время реакции и повысить выходы продуктов. В данном случае роль катализатора выполняла сама ионная жидкость. Рядом авторов [66] в качестве такой ионной жидкости исследовалась смесь тетрафторбората 1-бутил-3-метиламидозолия([Втіт] [BF4]) и/или [Рір][ОАс] в каталитических количествах в модельной реакции бензальдегида с метилацетоацетатом. Соль [Bmim] [BF4] обладала невысокой каталитической активностью, в то время, как смесь солей [Bmim] [BF4] и [Pip][OAc] оказалась активной в данной реакции, выход продукта реакции увеличился до 85%. Вероятно, соли [Bmim] [BF4] и [Pip][OAc] дополняют друг друга в условиях реакции: [Pip] [ОАс] играет роль основания, a [Bmim] [BF4] стабилизирует анион СН-кислоты. Близкой по механизму к альдольной конденсации и конденсации Кневенагеля является реакция Манниха, в которой роль карбонильной компоненты играют иминиевые интермедиаты, образующиеся из карбонильного соединения и амина. Это реакция, протекающая в слабо кислой среде, приводит к а-алкилированию кетонов и альдегидов диалкиламинометильными группами [67]: Реакция является достаточно общей для альдегидов и кетонов, имеющих, по крайней мере, один способный к енолизации атом водорода. При вовлечении в реакцию первичных аминов могут образовываться гетероциклические соединения: NCH3 Продукты конденсации Манниха используют в органическом синтезе, например, для получения а-метиленкарбонильных соединений: В качестве катализаторов в реакции Кневенагеля и родственных реакций применяют амины [29], буферные растворы [68], алкоголяты щелочных металлов [69]. В качестве растворителей чаще всего используются протонные полярные растворители — спирты [70]. Нитроалкены и продукты их химических превращений широко используются для получения различных классов органических соединений (а-, у-аминокислот, пятичленных гетероциклов и др.) находящих практическое применение в качестве пестицидов, лекарственных препаратов, пластификаторов [71].
Впервые конденсация бензальдегида с нитроэтаном и нитрометаном была открыта в 1883 году Б. Прибсом [72]. В качестве катализатора он использовал хлористый цинк. Реакция протекает по схеме: Большинство дальнейших работ было связано с поиском новых более эффективных катализаторов синтеза нитростиролов. Так, Тиле и Буво предложили использовать в качестве катализаторов спиртовые растворы щелочей и алкоголятов щелочных металлов, что позволило синтезировать большое количество ароматических и гетероциклических непредельных соединений [73,74]. Данные авторы предлагают следующий механизм образования нитростиролов: Ароматический альдегид и нитрометан в спирте при охлаждении под влиянием щелочных катализаторов образуют соль нитроспирта, которая при подкислении разбавленным раствором минеральной кислоты превращается в Р-нитроалкен. Было найдено [75,76], что щелочные катализаторы пригодны лишь для реакций ароматических альдегидов исключительно с нитрометаном. Так, при взаимодействии тетрахлорбензальдегида с нитрометаном в среде метанола с эквимолекулярным количеством гидроксида натрия образуется соответствующий 1-2,3,5,6-тетрахлорфенил-2-нитроэтен [77]. Также было отмечено [78], что выход целевого продукта растет при использовании избытка основания. Щелочные катализаторы неэффективны, если в пара-положении ароматического альдегида находятся гидроксильные группы. Кновенагелем было предложено использование в качестве катализаторов синтеза Р-нитростиролов первичных аминов [79,80], что позволило ввести в реакцию другие нитропарафины. В качестве первичных аминов использовались метиламин, этиламин, ароматические амины [48], пиперидин [81]. Лернер [80] предложил использовать для синтеза ненасыщенных нитросоединений ароматического ряда этилендиамин. В его работе приводится большое число примеров, когда выходы продуктов реакции составляли около 95 %. Взаимодействие ароматических альдегидов с первичными нитросоединениями в присутствии первичных аминов сразу приводит к Р-нитростиролам. Реакцию, как правило, проводят при комнатной температуре, причем продолжительность реакции колеблется от трех до десяти суток. Для сокращения времени реакции было предложено вести реакцию при температуре 60-70С в течении 8 часов используя в качестве катализатора амиламин [82]. Однако бензальдегид вместо р-нитростирола дал продукт взаимодействия двух молей бензальдегида с нитрометаном [83,84]. В качестве катализатора синтеза р-нитростиролов было предложено использовать ацетат аммония в ледяной уксусной кислоте [85,86]. Так, при взаимодействии 6-бромветрального альдегида с нитрометаном, при использовании в качестве катализатора ацетата аммония в среде ледяной уксусной кислоты образуется 2-бром-4,5-диметокси-р-нитростирол [87]. Преимущество этого метода заключалось в том, что при нагревании подавлялась реакция полимеризации р-нитростиролов.
Синтез 2,2-ди-замещенных м-феноксистиролов, взаимодействием м-ФБА с диэтилмалонатом и циклогексаноном
Как известно [121-125], диэтилмалонат (21) и циклогексанон (2т) ОТНОСЯТСЯ к СН-кислотам средней силы. Их взаимодействие с м-ФБА (1) протекает аналогично исследованным ранее реакциям последнего с нитроэтаном (2 Ь) и ацетофеноном (2 d), по следующим схемам:
но имеет, как оказалось, свои особенности. При проведении конденсации м-ФБА (1) с диэтилмалонатом (21) и циклогексаноном (2т) в системе ГЪ1ДА-2АсОН-ДМФА, нами были получены соответственно: 1-(м-феноксифенил)-2,2-бис(этоксикарбонил) (41) и (м-феноксифенил)циклогексилиден-2-он-метан (4т) с выходами 72% и 65%. Несколько более высокий выход соединений 4 1,т был достигнут при использовании каталитической системы пиперидин - АсОН - ДМФА (78% и 69%) (таблица 2.4). Использование других оснований приводит к снижению выходов продуктов конденсации. Нами также было изучено влияние природы растворителя на выходы соединений (41,т) под действием ацетата пиперидина ([Pip] [ОАс]) (таблица2.5). Как оказалось, наибольшие выходы продуктов (4I,m) наблюдаются при проведении процесса в среде СНСЬ (85 и 82 % соответственно). Таким образом, оптимальными условиями конденсации м-ФБА (1) с диэтилмалонатом (21) и циклогексаноном (2т) являются следующие: продолжительность реакции - 12 часов, концентрация м-ФБА - 3,0 моль/дм , соотношение м-ФБА:СН-кислота = 1 : 1.2, температура - 40С, концентрация [Pip][OAc] - 0,3 моль/дм3, растворитель - хлороформ. Согласно литературным данным [126-129], этилацетоацетат (h) взаимодействует с бензальдегидом (соотношение 1:1.2) при температуре 5-10С в течении 24 часов в метаноле в присутствии пиперидина с образованием бензилиденацетоуксусного эфира. Нами показано, что м-ФБА (1) взаимодействует с этилацетоацетатом (2h) в указанных условиях более сложным образом. По окончании реакции в реакционной массе по данным жидкостной хроматографии нами было обнаружено четыре продукта соответствующие протеканию реакции с участием метальной и метиленовой групп СН-кислоты (рис 2.9). преобладает альдоль 3h, так как кинетически он легче образуется [20,130]. Однако, по мере протекания реакции заметно возрастает доля альдоля Зі, как термодинамически более выгодного [62,79].
Кротонизация альдолей 3h и Зі приводит к образованию кетоэфиров 4h и 4І. После завершения реакции в реакционной массе были обнаружены соединения Зі, 4i, 3h и 4h в соотношении 20%, 48% , 5 % и 24% соответственно. Общий выход кетоэфиров 4h и 4i составил 68%. При повышении температуры до 40 С альдоли 3h и Зі уже через 12 часов практически исчезают, и реакционная масса состоит только из продуктов 4і и 4h в соотношении 85:15 при общем выходе кетоэфиров 84%. С целью определения влияния среды на общий выход изомеров 4h и 4i и их соотношение нами были использованы растворители разной природы: полярные апротонные (диметилформамид, диметилсульфоксид), неполярные апротонные (бензол, CCI4) и полярные протонные (метанол, этанол) (таблица 2.6). Оказалось, что наибольшая доля кетоэфира 4І (85%) достигается в среде полярных протонных растворителей (этаноле и метаноле), наименьшая (76-79%) - при проведении реакции в неполярных апротонных растворителях (бензол, ССЦ). Следует отметить, что максимальный общий выход кетоэфиров 4h,i (88%) наблюдается при использовании полярных апротонных растворителей (диметилформамида и диметилсульфоксида).
Взаимодействие м-ФБА (1) с метил ацетоацетатом (2п) с использованием в качестве катализатора пиперидина в метаноле, в тех же условиях, привело к образованию соответствующих кетоэфиров 4о и 4п с общим выходом 86 % при соотношении изомеров 4o:4n = 88:12. Таким образом, при использовании в качестве каталитической системы пиперидина в метаноле при температуре 40С выход кетоэфира 4i составил 71% (при общем выходе кетоэфиров 84%), а кетоэфира 4о - 76% (при общем выходе кетоэфиров 86%). Ранее нами было показано, что применение каталитических систем основание-кислота существенным образом влияет на скорость образования и выход целевых продуктов процесса конденсации м-ФБА (1) с СН-кислотами. Можно было ожидать, что применение таких каталитических систем в реакции м-ФБА (1) с этилацетоацетатом (2h) окажет также существенное влияние не только на скорость образования и общий выход кетоэфиров 4h и 4Ї, но и на их соотношение. Для проверки этого предположения нами был изучен процесс конденсации м-ФБА (1) с этилацетоацетатом (2h) в каталитической системе пиперидин : АсОН в среде диметилформамида при температуре 5-Ю С в течение 12 часов.
Действительно, при проведении конденсации с использованием данной каталитической системы относительная доля кетоэфира 4h в реакционной массе через 12 часов после начала реакции увеличилась до 61%, а кетоэфира 4i уменьшилась до 39% при общем выходе 90%. Таким образом, использование каталитической системы [Pip] : [АсОН] в среде ДМФА в реакции м-ФБА (1) с этилацетоацетатом (2h) приводит к изменению соотношения кетоэфиров в пользу неразветвленного кетоэфира 4h.
Кинетика процесса конденсации м-ФБА с СН-кислотами
Как известно [79], реакции Кневенагеля и его разновидности протекают в основном под действием основных катализаторов, в качестве которых используются основания, аммиак, первичные, вторичные, третичные амины, анионообменные смолы, аминокислоты и.т.д. В литературе отсутствуют сведения о кинетических закономерностях процесса конденсации м-ФБА (1) с СН-кислотами (2а-п) в присутствии каталитических систем - основание: кислота. В связи с этим нами впервые были изучены кинетические закономерности процесса конденсации м-ФБА (1) на примере его взаимодействия с ацетофеноном (2d) и нитроэтаном (2Ь) в присутствии каталитических систем: 2NaOH - СН3СН(ОН)СООН и NH2CH2)6NH2 - 2АсОН соответственно. Процесс конденсации м-ФБА (1) с СН-кислотами (а-n) в общем случае можно описать следующей схемой [1,20]: ВН- протонированное основание.
Применение принципа стационарности [135] позволяет получить общее уравнение для скорости образования целевых продуктов: В зависимости от строения реагентов и их реакционной способности с м-ФБА (1) можно было бы ожидать два варианта в развитии этого процесса конденсации [51,135]. При k_,[BH]»k2[ C = 0] уравнение для скорости процесса конденсации м-ФБА (1) с СН-кислотами (2а-п) буде иметь вид: где, кзф=Кк2ІС4/[ВН] - эффективная константа скорости процесса конденсации; K=ki/k.i — константа равновесия стадии (а). В этом случае самой медленной стадией превращения будет атака анионом СН-кислоты карбонильного атома углерода альдегида (стадия b), а скорость процесса конденсации м-ФБА (1) с СН-кислотами (2а-п) будет зависеть как от концентрации м-ФБА(1), так и от концентрации СН-кислоты. Второй предельный случай при взаимодействии м-ФБА (1) с СН-кислотами (2а-п), вероятно, будет возможен, если к2[ С = 0] к_,[вн] и тогда: При этих условиях образование аниона СН-кислоты (стадия а) является самой медленной стадией превращения, которая определяет общую скорость процесса конденсации, то есть, скорость процесса конденсации м-ФБА (1) с СН-кислотами (2а-п) будет зависеть от концентрации СН-кислоты.. Для определения вида кинетического уравнения, который будет описывать взаимодействие процесса конденсации м-ФБА (1) с СН-кислотами (2а-п), воспользовались дифференциальным методом Вант-Гоффа в сочетании с методом разбавления Оствальда. Формальный псевдопорядок процесса по каждому компоненту определяли графическим методом Вант-Гоффа [113,133]. Учитывая возможность протекания побочных реакций при конденсации м-ФБА (1) с СН-кислотами (2а-п), начальную скорость процесса определяли по скорости накопления м-феноксистиролов. Кинетические кривые накопления м-феноксистиролов описывали полиномами четвертой степени, и, после дифференцирования последних, получали значение начальной скорости процесса при т =0. Кинетика процесса конденсации м-ФБА (1) с ацетофеноном (2d) изучалась в среде 1,4-диоксана, при температуре 40 С с использованием каталитической системы: NaOH: СНзСН(ОН)СООН =2:1. На рис. 3.4 и 3.5 представлены кинетические кривые накопления 1-бензил-2-(м-феноксифенил)этена (4d), а в таблице 3.3 значения начальных скоростей процесса конденсации м-ФБА (1) с ацетофеноном (2d)
Взаимодействие 1-ацил-2-(м-феноксифенил)алкенов с фенилгидразином и метиламином
Нами показано, что 1-(м-феноксифенил)-2-нитроалкены (4а-с) взаимодействуют с бромом в среде ЧХУ, при температуре 0+5 С, в течение двух часов с образованием бромпроизводных (9а) - (9с) с выходом 91-93% по схеме: Полученные соединения представляют собой твердые кристаллические вещества от белого до светло-желтого цвета, очистка которых осуществлялась перекристаллизацией из гексана (таблица 4.1). Индивидуальность новых соединений подтверждена данными жидкостной хроматографии, состав и строение - ИК-, ЯМР Н-спектроскопией, масс-спектрометрией (см. раздел 6). Р-Замещенные производные м-феноксистирола (4dj,i,n), содержащие в Р-положении карбонильные и сложноэфирные группы, также легко присоединяют бром в указанных условиях, давая дибромпроизводные (9dJ,i,n) по общей схеме: Полученные дибромалканы представляют собой белые кристаллические вещества (таблица 4.1). Выход 1-(м-феноксифенил)-1,2-дибромарилалканов составил 91-96%. Взаимодействие Р-замещенных производных м-феноксистирола (4d j,n) с фенилгидразином (10) было изучено на примере 1-(м-феноксифенил)-3-третбутилпропен-3-она (4j), 1-(м-феноксифенил)-3-фенилпропен-3-она (4d) и кетоэфира (4п) в соответствии со схемами [93,146,149]: Конденсацию вели в массе реагентов, при мольном соотношении Р-замещенных производных м-феноксистирола (4dj,n) : фенилгидразин (10) = 1:1.2. Смешение реагентов осуществляли при комнатной температуре, медленно (в течение 0.5 часа) вводя фенилгидразин в реакционную массу. Реакция начиналась уже при комнатной температуре и сопровождалась значительным вьщелением тепла(температура реакционной смеси поднималась на 30-35С. Для завершения реакции реакционную массу выдерживали при комнатной температуре в течение двух часов. Синтезированные гидразоны (lldj,n) представляют собой светло-желтые кристаллические вещества, очистку которых осуществляли перекристаллизацией (таблица 4.2). Содержание основного вещества в синтезированных гидразонах (lldj,n) определяли методом жидкостной хроматографии, строение - ЯМР Н-, ИК- спектроскопией и масс-пектрометрией (см. раздел 6). Выход продуктов составил 94-95%. Нами также была проведена реакция метиламина с 1-(м-феноксифенил)-3-третбутилпропен-3-она (4j), 1-(м-феноксифенил)-3-фенилпропен-3-она (4d) по схеме: Реакцию 1-(м-феноксифенил)-3-третбутилпропен-3-она (4j), 1-(м-феноксифенил)-3-фенилпропен-3-она (4d) с метиламином (12) в соотношении 1:10 при температуре 25С в течение 75 часов.
Выпавший осадок очищали перекристаллизацией. Физико-химические свойства полученных иминов представлены в таблице 4.2. Реакция м-феноксифенилиденацетоуксусного эфира (4i) с метиламином (12) в аналогичных условиях, как оказалось, протекает по двум направлениям по эфирной группе с образованием амида м-феноксифенилиденацетоуксусной кислоты (14І) и по карбонильной группе с образованием продукта (15І) по схеме: Соотношение продуктов 14і: 15і в реакционной массе составило 30:70 при общем выходе 93%. После разделения этих веществ дробной перекристаллизацией эти продукты были выделены в чистом виде (таблица 4.2). Структура доказана данными ИК-спектроскопии, масс-, ЯМР Н-спектрометрии. Таким образом, полученные нами, Р-замещенные производные м-феноксистирола (4а-4п) легко присоединяют бром по двойной связи, давая устойчивые дибром производные, а карбонильная группа сопряженная с двойной связью Р-замещенных производных м-феноксистирола оказалась высоко реакционноспособной в реакциях с фенилгидразином (10) и метиламином (11) , давая соответствующие гидразоны и имины. Это открывает новые перспективы по использованию р-замещенных производных м-феноксистирола, как исходных веществ в целенаправленных синтезах полезных продуктов органического синтеза.
Предыдущие исследования на кафедре ТОНС выявили высокую фунгицидную активность у ароматических соединений, содержащих в своей структуре м-феноксифенильный радикал. Установлено, что азометиновые соединения проявляют свойства стабилизаторов термоокислительных процессов, промоторов адгезии и вулканизующих агентов, являются эффективными ингибиторами кислотной коррозии, превосходящими известные аналоги. Поэтому, можно предположить, что введение в молекулы непредельных альдегидов и кетонов м-феноксифенильного радикала позволит открыть новые области практического использования, в том числе и применение полученных соединений в качестве биологически активных веществ.
Похожие диссертации на Закономерности процесса получения b-замещенных этенил-3-феноксибензола из м-феноксибензальдегида и сн-кислот
