Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 9
1.1 Развитие представлений о кинетике и механизмах альдольной конденсации 9
1.2 Реакционная способность исходных компонентов конденсации 29
1.2.1 Основный катализ 30
1.2.2 Кислотный катализ 31
1.3 Каталитические системы для осуществления альдольной конденсации 32
1.3.1 Оксиды и гидроксиды металлов 32
1.3.2 Соли металлов 37
1.3.3 Галогенсодержащие соединения 39
1.3.4 Азотсодержащие катализаторы 40
1.3.5 Бифункциональные катализаторы 48
1.4 Промышленные способы получения акролеина 57
1.4.1 Окисление пропилена 57
1.4.2 Парофазная альдольно-кротоновая конденсация ацетальдегида и формальдегида 60
1.4.3 Жидкофазная конденсация ацетальдегида и формальдегида 61
1.5 Выводы 64
Глава 2. Экспериментальная часть 66
2.1 Используемые реактивы 66
2.2 Физико-химические методы исследования и условия их применения 66
2.2.1 Газожидкостная хроматография 67
2.2.2 Хромато-масс-спектрометрия 67
2.3 Методики проведения экспериментов 68
2.3.1 Получение сложноэфирныхпроизводных линейных аминокислот 68
2.3.2 Получение сложноэфирных производных циклических аминокислот 69
2.3.3 Получение бензоилзамещенных производных линейных аминокислот 70
2.3.4 Получение бензоилзамещенных производных циклических аминокислот 70
2.4 Проведение реакции кросс-конденсации ацетальдегида, пропионового альдегида и формальдегида 71
2.5 Проведение реакции гомо-конденсации формальдегида, ацетальдегида и пропионового альдегида 72
Глава 3. Общие закономерности протекания реакции 73
Глава 4. Подбор оптимальных условий для изучения альдольной конденсации 84
4.1 Выбор формы исходных соединений 84
4.2 Влияние растворителя 85
4.3 Влияние температуры реакции 88
4.4 Влияние концентрации исходных соединений 89
Глава 5. Катализаторы 91
5.1 Неорганические соединения 91
5.2 Амины 93
5.3 Азотистые основания 98
5.4 Соли азотистых оснований 101
5.5 Ионные жидкости 103
5.6 Соли аминов 104
5.7 Аминокислоты и производные аминокислот 107
Глава 6. Гомо-конденсация ацетальдегида 115
Глава 7. Альдольная конденсация с участием пропионового альдегида 119
Глава 8. Механизм влияния кислотных и основных групп катализатора на селективность 121
ГЛАВА 9. Синтетические возможности альдольной конденсации 128
Выводы к диссертации 132
Список литературы 133
- Реакционная способность исходных компонентов конденсации
- Газожидкостная хроматография
- Влияние температуры реакции
- Ионные жидкости
Реакционная способность исходных компонентов конденсации
Электрофильная атака катиона иминия направлена преимущественно на более замещенный -углеродный атом енола. Современная модификация реакции Манниха основывается на использовании борных или силиловых эфиров енолов. Винилоксибораны получаются при взаимодействии кетонов с диалкилборилтрифторметансульфонатом в присутствии третичного амина [38-39]. Калнин в 1928 г. [40] установил, что, в то время как ангидрид – основной участник в реакции, вместо натриевой соли карбоновой кислоты можно использовать другие основания, например, карбонат или фосфат натрия, триэтиламин, пиридин. Таким образом, ангидрид в этой реакции является псевдокислотным аддуктом, а соль – оснвным катализатором. Протон из ангидрида переходит к аниону соли, а анион ангидрида присоединяется к карбонильной группе альдегида. Реакции присоединения Н–N к связи С=О и обратимое образование азометинов, оксимов, арилгидразонов и семикарбазонов представляют собой примеры альдольной конденсации, так как в результате присоединения образуются карбиноламины или их N-окси- или N-аминопроизводные. Реакции сопровождаются дегидратацией простых или замещенных карбиноламинов с образованием дважды конденсированных продуктов. Последовательность реакций, так же как и в альдольной конденсации полностью обратима.
Альдольная конденсация часто протекает по общему механизму присоединения Лэпуорта. Известно, что для альдольной конденсации характерна обратимость, на примере превращения ацетона в диацетоновый спирт, и на ряде других равновесных реакций, включающих простые альдоли типа изобутиральдоля (Рисунок 1.12).
Эти реакции присоединения экзотермичны, и поэтому термодинамически предпочтительнее применение низких температур. Во всех случаях бывает трудно установить существование равновесия, так как многие альдоли и кетолы легко дегидратируются в ,-ненасыщенные карбонильные соединения. Например, ацетальдегид превращается в кротоновый альдегид, диацетоновый спирт – в окись мезитила. Кроме того, часто многие альдоли и кетолы реагируют с карбонильными соединениями с образованием высших альдолей и кетолов или же продуктов их дальнейшей дегидратации, например: ацетальдоль димеризуется в октальдоль, а диацетоновый спирт превращается в форон.
Альдольная реакция катализируется различными реагентами, основными катализаторами являются различные основания. Не касаясь вторичных и побочных процессов, присоединение ацетальдегида к формальдегиду при катализе основаниями может быть описано следующей схемой (Рисунок 1.13). О
Концентрация формальдегида в этом уравнении отсутствует. Это означает, что на медленной стадии расходуется только ацетальдегид, а формальдегид расходуется на следующей, быстрой стадии. Это совпадает с общим механизмом Лэдуорта: вторая прямая стадия присоединения оказывается быстрее, по сравнению с обратной первоначальной стадией ионизации [41].
Иные соотношения между скоростями отдельных стадий наблюдаются в случае кетолизации ацетона в водно-щелочной среде, если предположить следующий механизм реакции (Рисунок 1.14) О
Скорость декетолизации диацетонового спирта не зависит от концентрации ацетона. Это означает, что анион СН3СОСН2 реагирует с молекулой воды быстрее, чем с ацетоном; в противном случае, последний процесс замедлял бы декетолизацию. Следовательно, скорость декетолизации определяется либо первой стадией, либо второй. Однако первая стадия, состоящая в перемещении протона между атомами кислорода, не может определить скорость всей реакции. Из скорости декетолизации и константы равновесия вычисляется скорость кетолизации ацетона. Она составляет около 0,001 скорости йодирования или равной ей скорости дейтерирования ацетона, то есть реакций, скорости которых определяются скоростью первой стадии кетолизации [42]. Таким образом, вторая стадии кетолизации протекает медленнее, чем первая. Очевидно, что вторая стадия определяет как скорость кетолизации, так и скорость декетолизации. Если бы кинетика кетолизации была измерена непосредственно, то она выражалась бы уравнением третьего порядка: r = k C2ацетон CОН (1.3).
Альдолизация ацетальдегида в водном растворе щелочи является промежуточным звеном между этими двумя кинетическими случаями. Впервые она была исследована Беллом [43], который установил, что кинетика реакции описывается уравнением второго порядка. Бенхоффер и Вальтере [44] показали, что если реакцию проводить в дейтерированной воде, то дейтерий не захватывается субстратом. Оба эти результата можно принять, если допустить, что вторая стадия прямой реакции проходит достаточно быстро, чтобы предупредить обратное течение первой стадии (на которой мог присоединиться дейтерий), и таким образом, скорость процесса контролируется первой стадией прямой реакции. Если порядок реакции является промежуточным между вторым и третьим и не носит общего характера, то данный порядок по ацетальдегиду в таком случае является приближенным, и имеет тенденцию уменьшаться с увеличением концентрации ацетальдегида. Кроме того, хотя дейтерий от тяжелой воды при очень высоких концентрациях ацетальдегида не присоединяется, при понижении концентрации ацетальдегида присоединение дейтерия происходит с большей скоростью. Снижение концентрации ацетальдегида будет замедлять скорость второй прямой стадии по сравнению со скоростью первой прямой или первой обратной стадий, и в результате функция лимитирующей стадии будет все больше переходить от первой к второй стадии прямой реакции. Беллу [45] при использовании буферов удалось полностью показать плавный переход контролирующей скорости от одной к другой стадии, а также наблюдать реакцию, довольно хорошо описываемую уравнением третьего порядка:
Газожидкостная хроматография
Кислотно-основные свойства и строение исходных компонентов, каталитических интермедиатов, растворителей, существенно влияют на взаимодействие альдегидов. Реакция альдольной конденсации, катализируется соединениями, обладающими кислотными или основными свойствами, вне зависимости от выбранного катализатора конденсация протекает в две стадии. На первой из них - образуется енолят-ионы, которые подобно другим карбанионам (RCC ; CN ) способны обратимо присоединяться к карбонильной группе альдегидов и кетонов [56-58]. Эта реакция является общей для всех альдегидов, имеющих, по крайней мере, один атом водорода при -углеродном атоме. В последующей стадии происходит присоединение енолят-иона к альдегиду с образованием -гидрокcиальдегида (3-гидроксиальдегида), получившего тривиальное название альдоль [59].
Одними из наиболее используемых оснвных катализаторов в реакциях альдольной конденсации, являются гидрооксиды щелочных или щелочноземельных металлов. Ионообменные смолы и соединения на их основе используются несколько реже, хотя их применение также приводит к образованию продуктов конденсации.
В кислотном катализе серная и соляная кислоты являются наиболее часто применяемыми кислотными катализаторами. При этом спирты или водно-спиртовые системы обычно используются как растворители, хотя для низкомолекулярных альдегидов и кетонов используют иные протонные растворители, либо же проводят реакцию без таковых.
Все реакции альдольной конденсации, как правило, обратимы, однако равновесие не всегда смещено в сторону образования продукта. Поэтому необходимо учитывать влияние катализатора и экспериментальных условий на константу равновесия данного процесса, а также на селективность образования продуктов. Также имеет большое значение в реакции конденсации реакционная способность исходных соединений, в первую очередь, вступающих в роли акцептора. В частности, в реакциях катализируемых рядом кислот предпочтительней формирование этиленовой двойной связи, сопряженной с фенильной или другой ненасыщенной группой. На успешное протекание процесса помимо катализатора и оптимальных условий влияние оказывает непрерывное разделение полученных продуктов на стадии их формирования, либо после необратимой стадии дегидратации [60].
В классических условиях енолят-ион, принимающий участие в альдольной конденсации, генерируется из карбонильного соединения при отщеплении протона с помощью гидроксид-иона в водной или водно-спиртовой среде [61].
Так, например, пропаналь при обработке водным раствором гидроксида натрия в течение 5 часов образует 3-гидрокси-2-метилпентаналь с 55-60% выходом, а ацетальдегид дает альдоль с 50%-ным выходом (Рисунок 1.21).
В первой стадии образуется енолят-ион. Равновесная концентрация енолят-иона мала и редко превышает 1-3 %, поскольку рКа альдегида 17-18, а рКа воды 15,7. Присоединение енолят-иона к карбонильной группе неионизированной молекулы альдегида во второй стадии определяет скорость всего процесса. Дегидратация альдоля в ,-ненасыщенный альдегид также катализируется основанием и протекает с промежуточным образованием енолят-иона из альдоля (Рисунок 1.23):
Схема реакции альдольной конденсации ацетальдегида и гептаналя Основопологающим является влияние параметров реакции на ее протекание: температура, мольное соотношения ацетальдегида и гептаналя, природа растворителя (гексан, толуол, этанол). Сравнительное исследование эффективности катализаторов было выполнено в оптимальных условиях реакции, а именно, при температуре 373 K, соотношение: ацетальдегид : гептаналь – 2:1, этанол : реагенты – 5:1. Смешанный оксид Мg(Аl)О, является эффективным катализатором при образовании 2-ноненаля, за счет различной природы активных участков смешанного оксида.
Группа исследователей [68] осуществила синтез псевдоиона (Ps) посредством альдольной конденсации цитраля и ацетона с использованием катализаторов на основе MgO, содержащего на своей поверхности ионы щелочных металлов. Щелочные металлы (М), включая Li, Na, K, и Cs, нанесенные на поверхность MgO в мольных отношениях М : Mg менее 0,01 значительно улучшают каталитическое действие. Изначально используемые активаторы, ввиду большого ионного радиуса, чем у лития, блокировали поры катализатора MgO, уменьшая тем самым и активную площадь, и как следствие – активность катализатора. Добавление в каталитическую систему лития увеличивает выход псевдоинов (Рисунок 1.26). о2"
Влияние температуры реакции
Хроматограф «Кристалл 2000М», капиллярная колонка ZB-5 (Zebron), длина колонки 30 м, диаметр 0,32 мм, толщина фазы 0,50 мкм, детектор пламенно-ионизационный. Условия детектирования: линейная скорость газа носителя -25 см/с, температура ПИД – 250С. Анализы реакционных растворов проводили в температурном режиме – 70С (5 мин.), далее нагрев со скоростью 15С/мин. до 250С и выдерживание при 250 С на протяжении 10 мин. Температура инжектора: 250С, температура интерфейса: 260С. Газ-носитель: гелий. Линейная скорость газа-носителя: 25 см/c. Результаты обрабатывали с помощью программы «Хроматек-Аналитик», версия 2.5. Для количественного расчета в качестве внутреннего стандарта использовали н-гептан
Хромато-масс-спектрометрия. ГХ-МС на приборе «Agilent Technologies 6890GC» с масс-селективным детектором 5973 MS, капиллярной колонкой HP-5MS. Температурный режим: 70С (5 мин.), далее нагрев со скоростью 15С/мин. до 250С и выдерживание при 250С на протяжении 10 мин. Температура инжектора: 250С, температура интерфейса – 260С. Газ-носитель: гелий. Линейная скорость газа-носителя: 25 см/c.
Получение сложноэфирных производных линейных аминокислот
Этиловый эфир аминокислоты получали при взаимодействии аминокислоты с тионилхлоридом в этаноле. При этом сначала образуется хлорангидрид кислоты, который реагирует с этанолом, используемым в качестве растворителя, с образованием сложного эфира. Образующийся HCl взаимодействует с аминогруппой.
К суспензии 1 г глицина (1 г лейцина, 1 г -аминокапроновой кислоты) в 10 мл (4,11 мл, 5,22 мл) абсолютизированного этанола осторожно прибавляли 2,38 г (0,98 г, 1,17 г) тионилхлорида с такой скоростью, чтобы реакционная смесь слабо кипела (реакцию проводили в вытяжном шкафу для поглощения выделяемых HCl и SO2). Схема установки представляет собой соединенные двухголовые колбы через склянку Дрекселя (Рисунок 2.1). далее по тексту в скобках указаны массы и объемы навесок для реакций с участием лейцина и -аминокапроновой кислоты Газообразный хлороводород образовывался при взаимодействии NaCl с серной кислотой. При прохождении склянки Дрекселя, заполненной серной кислотой, из хлороводорода удалялась лишняя влага. После процедуры осушения хлороводород поступет в реакционную колбу. Реакционную массу после окончания реакции кипятили с обратным холодильником в течение 2 ч.
После этого растворитель удаляли на роторном вакуумном испарителе в вытяжном шкафу, а остаток растворяли в 5,33 мл (2,19 мл, 3,15 мл) этанола. Гидрохлорид глицинэтилового эфира (гидрохлорид лейцинэтилового эфира, этилого эфира -аминокапроновой кислоты гидрохлорид) высаживали прибавлением 3,33 мл (1,37 мл, 2,05 мл) эфира, который затем удаляли на роторном вакуумном испарителе. После промывания эфиром и сушки над Р2О5 в течение двух дней получили 1,7 г (3,1 г, 2,5 г) продукта в виде бесцветных кристаллов. Перекристаллизация продукта из смеси этанол-эфир приводила к выделению вещества в виде бесцветных игл [232].
Получение сложноэфирных производных циклических аминокислот
Этиловый эфир аминокислоты циклического строения получали при взаимодействии аминокислоты с тионилхлоридом в этаноле. При этом сначала образуется хлорангидрид кислоты, который реагирует с этанолом, используемым в качестве растворителя, с образованием сложного эфира. Образующийся хлороводород связывается аминогруппой.
К суспензии 1 г пролина в 10 мл абсолютизированого этанола осторожно прибавляли 2,38 г тионилхлорида с такой скоростью, чтобы реакционная смесь слабо кипела (реакцию проводили в вытяжном шкафу для поглощения выделяемых HCl и SO2). Реакционную массу после окончания реакции кипятили с обратным холодильником 2 часа. После этого растворитель упаривали с помощью роторного вакуумного испарителя в вытяжном шкафу, а остаток растворяли в 5,33 мл этанола. Гидрохлорид пролинэтилового эфира высаживали прибавлением примерно 3,33 мл эфира и отгоняли растворитель. После промывания эфиром и сушки над Р2О5 в течение двух дней получили 1,7 г продукта в виде бесцветных кристаллов. Перекристаллизация из смеси этанол-эфир дала продукт в виде бесцветных игл [232].
Глицин 1 г (-аминокапроновая кислота – 2 г; лейцин – 1 г) растворили в 7,99 мл (9,15 мл; 7,99 мл) 2М гидроксида натрия и охладили до 0С. К бензоилхлориду 1,87 г (2,14 г; 1,87 г) прибавляли одновременно десятью равными порциями 7,99 мл (9,15 мл; 7,99 мл) 2М раствор гидроксида натрия с интервалом в 3 мин при энергичном перемешивании. Поддерживали рН раствора в интервале 7-14, для его регулирования добавляли NaOH.
По окончании прибавления растворов реагентов, смесь перемешивали 15 мин при комнатной температуре и затем при охлаждении льдом подкисляли 2,66 мл HClконц (3,05 мл; 2,66 мл). Смесь оставляли на 2 часа в ледяной бане, затем фильтровали, а остаток на фильтре несколько раз промывали ледяной водой и перекристаллизовывали из смеси этанол-эфир в
L-пролин 1 г растворяли в 5,21 мл 2М гидроксида натрия и затем охлаждали до 0С. Бензоилхлорид 1,22 г и 5,21 мл 2М гидроксида натрия прибавляли одновременно десятью равными порциями с интервалом в 3 мин при энергичном перемешивании. Поддерживали рН раствора в интервале 7-14, для его регулирования добавляли NaOH.
По окончании прибавления растворов реагентов, смесь перемешивали 15 мин при комнатной температуре и затем при охлаждении льдом подкисляли HClконц (1,74 мл). Смесь оставляли на 2 часа в ледяной бане, затем фильтровали, а остаток на фильтре несколько раз промывали ледяной водой и перекристаллизовывали из смеси этанол-эфир в соотношении 1:1 [232].
Ионные жидкости
Ввиду того, что ацетальдегид и формальдегид обладают близкой активностью, в реакции кросс-конденсации не удаётся достичь высокой селективности. При использовании основных катализаторов основная часть молекул ацетальдегида превращается в карбанионные частицы (еноляты), а формальдегид, в свою очередь, выступает в качестве основного субстрата. В связи с этим селективность процесса образования акролеина будет снижаться, так как часть неактивированных молекул ацетальдегида будет реагировать с карбанионными частицами, выступая в качестве конкурирующего субстрата.
В реакции также протекает гомо-конденсации ацетальдегида с образованием продуктов реакции последовательной конденсации ацетальдегида - полиеналей (Рисунок 8.4).
Скорость реакции определяется электронной плотностью на -атоме углерода. Активация субстрата также зависит от электронной плотности на -атоме углерода. Поскольку в 2-бутенале метильный фрагмент и наличие двойной связи значительно повышают электронную плотность, то именно он будет наиболее активным субстратом в данной реакции, однако на начальном этапе, когда его концентрация низкая, протекает преимущественно реакция гомо-взаимодействия ацетальдегида, что и отражается на выходе продуктов реакции.
При высоких значениях конверсии ацетальдегида количество 2-бутеналя снижается, а количество более тяжелых продуктов последовательной конденсации увеличивается, так при конверсии ацетальдегида приближающейся к 100 % выход 2-бутеналя и более тяжелого продукта 2,4,6-октатриеналя составляет 4 % и 81,3 % соответственно.
Образование 2-этил-2-бутеналя наблюдается в незначительных количествах, так как реакция преимущественно протекает по 1 схеме, ввиду того, что более выгодно образование енольной формы ацетальдегида, так как енольная форма ацетальдегида будет более стабилизированной. Разветвленная енольная форма в дальнейших реакциях не участвует.
Также имеет место гомо-конденсация формальдегида по механизму реакции Бутлерова в присутствии основания (Рисунок 8.6).
При наличии в системе с формальдегидом ацетальдегида, происходит более предпочтительный механизм активации последнего. Продукт гомо-конденсации формальдегида в такой системе практически не образуется, что было подтверждено анализом состава продуктов реакции методом деривативной хроматографии.
В кислотно-основном катализа более выражен механизм активации молекулы ацетальдегида, по сравнению с молекулой формальдегида, поэтому возникла задача подбора катализатора, в присутствии которого активация ацетальдегида и формальдегида осуществлялась бы по разным типам. В качестве таких соединений могут выступать соли аминов, что и было подтверждено экспериментально. При диссоциации соли, ацетальдегид переходит в енольную форму. В енаминовую форму может переходить как формальдегид, так и ацетальдегид
На основании анализа литературных и экспериментальных данных предложен механизм кросс-альдольной конденсации ацетальдегида с формальдегидом в присутствии аминов и солей аминов происходит через образование иминиевой соли (15) – продукта взаимодействия карбонильного компонента (4) (формальдегида) и аминного компонента (14) (различных аминов). Полученный иминевый катион (19) затем реагирует с енольной формой (17) второй молекулы ацетальдегида, формированию которой способствует кислая среда. Необходимым условием для протекания реакции по предложенному механизму является наличие в субстрате атома водорода в -положении, по отношению к активирующей функциональной группе
Каталитическая реакция по представленному механизму может протекать, только в кислой среде, необходимой для протонирования атома кислорода. Поэтому, он описывает системы, где в качестве катализаторов используются соли аминов, например гидрохлориды. При использовании третичных аминов данная реакция протекает по механизму основного катализа, в этом случае амин выступает в роли основания. В реакции происходит образование депротонированной формы ацетальдегида с отрицательно заряженным атомом углерода в -положении, которая образуется в результате отрыва протона под действием основания.
Для альдольной кросс-конденсации ацетальдегида с формальдегидом в присутствии аминонокислот может быть предложен механизм, в котором происходит через образование иминиевых солей – продуктов взаимодействия карбонильного компонента (формальдегид или ацетальдегид) и аминокислот линейного, либо циклического строения. Иминиевые катионы реагирует с енольной формой молекулы ацетальдегида, формированию которой способствует кислая среда. Необходимым условием реализации процесса в рамках предложенного механизма является наличие в субстрате атома водорода в -положении по отношению к активирующей функциональной группе. Реакционная способность иминиевого катиона повышается в стабилизирующих его полярных растворителях (Рисунок 8.8).
По данному механизму альдольная конденсация может протекать по двум направлениям. Если в качестве карбонильного компонента выступает формальдегид, реализуется кросс-конденсация, и продуктом реакции будет акролеин. В противном случае наблюдается гомо-конденсация двух молекул ацетальдегида. Формирование циклических переходных состояний на стадии переноса протона определяется селективностью реакции.
Таким образом, можно прогнозировать активность каталитических систем для смещения реакции в сторону кросс-процесса.
Катализ реакции солями аминов выглядит предпочтительней, чем аминокислотами, ввиду того, что функциональные группы в молекуле жестко не связаны, что позволяет проводить активацию субстратов по разным направлениям различными типам активации, а для аминокислот определяющим фактором является диссоциация. Из представленного механизма активации видно, что чем выше будет основность соли амина, тем лучше будет, протекает образование енаминов из формальдегида, и, следовательно, выше будет селективность реакции.
Сложноэфирные производные аминокислот лучше катализируют реакцию, чем сами аминокислоты, ввиду того, что в аминокислотах предпочтительнее активируется формальдегид, что, в конечном счете, негативно сказывается на выходе основного продукта.
