Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Технология продуктов органического синтеза

Диссертационная работа:

Шпак Антон Николаевич. Закономерности процесса получения b-замещенных этенил-3-феноксибензола из м-феноксибензальдегида и сн-кислот : Дис. ... канд. хим. наук : 05.17.04 Волгоград, 2006 119 с. РГБ ОД, 61:06-2/522

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

стр.

Содержание 2

Введение 3

1. Методы синтеза оцр-арнлалкенов, взаимодействием альдегидов с
СН-кислотамн (литературный обзор)
7

  1. Альдольные реакции с участием альдегидов и кетонов 8

  2. Конденсация, родственные альдолыше конденсации 13

  3. Конденсация Кневепагеля и родственные реакции 15

  4. Получение ненасыщяшых нитросоединений 17

  5. Области практического применения а^арилалкенов 19

2. Синтез производных м-феноксистирола 23

  1. Синтез 1-(м-феноксифенил)-2-нитроалкенов 27

  2. Синтез 1-ацил-2-(м-феноксифенил)-алкенов 34

  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

  1. Бромирование ^-замещенных м-феноксистиролов по двойной связи 65

  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

  1. Физико-химические методы исследования и анализа, аппаратура 77

  2. Исходные реагенты и растворители 77

  3. Выбор метода анализа реакционных масс 78

  4. Общая методика синтеза р-замещенных м-феноксистиролов 78

  5. Методика синтеза Р-замещенных м-феноксшштростиролов 79

  6. Методика синтеза 1-ацил-2-(м-феноксифенил)алкенов 80

  7. Методика синтеза 2,2-дизамещеных м-феноксинитростиролов 82

  8. Методика синтеза функционально замещенных м-феноксинитростиролов 83

  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
Приложение II
113

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-CHС—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 КляйзенаШмидта [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 - СН3НС1 » 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
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 *~ 6Н5)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 = CHN0220

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

Подобные работы
Адамец Юрий Дмитриевич
Изучение количественных закономерностей процесса получения 2-метил-4-хлорфеноксиуксусной кислоты
Кораблева Ольга Николаевна
Синтезы производных замещенных 3-сульфобензойных, антраниловой и сульфоантраниловой кислот
Чернобровый Александр Николаевич
Разработка научных основ процесса получения 1-амино-4-метилпиперазина взаимодействием N-ди(2-хлорэтил)метиламина с водным гидразином
Ковешников Анатолий Витальевич
Разработка процесса получения бензола гидродеалкилированием ароматического кислородсодержащего сырья
Бусыгин Владимир Михайлович
Интенсификация стадии дегидратации метилфенилкарбинола в процессе совместного получения стирола и оксида пропилена
Колмакова Анна Анатольевна
Физико-химические закономерности процессов вскрытия электронного лома, содержащего благородные металлы, смесью серной и азотной кислот
Смирнов Александр Васильевич
Исследование закономерностей процесса получения волокнистых материалов из растворов полимеров аэродинамическим способом
Громов Александр Александрович
Закономерности процессов получения нитридов и оксинитридов элементов III - IV групп сжиганием порошков металлов в воздухе
Зеленский Владислав Евгеньевич
Основные закономерности процесса перемешивания трехфазных систем в аппаратах с мешалками
Мотовилов Олег Константинович
Исследование закономерностей процесса декапсуляции цист Artemia Salina и их использование при производстве молочных продуктов

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net