Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Синтез фурановых производных из растительного сырья. Обзор литературы 11
1.1. 5-гидроксиметилфурфурол - многоцелевой полупродукт органического синтеза 11
1.2. Синтез галогенпроизводных 5-гидроксиметилфурфурола из природных углеводов
1.2.1. 5-Хлорметилфурфурол 14
1.2.2. 5-Бромметилфурфурол 17
1.2.3. 5-Фторметилфурфурол 20
1.3. Синтез фурановых кислот и альдегидов из 5-гидроксиметилфурфурола
1.3.1. 2,5-Фурандикарбоновая кислота 21
1.3.2. 2,5-Диформилфуран 26
1.3.3. 5-Формилфуран-2-карбоновая и 5-гидроксиметилфуран-2-карбоновая кислоты 1.4. Биотоплива на основе фурановых соединений 31
1.5. Синтез алкилфурфуриловых эфиров 32
1.6. Постановка задачи 35
ГЛАВА 2. Экспериментальная часть 37
2.1. Реактивы 37
2.2. Приборы и методы исследования 38
2.3. Методики получения исследуемых веществ
2.3.1. 5-Гидроксиметилфурфурол 38
2.3.2. 5-Бромметилфурфурол 39
2.3.3. 5-Хлорметилфурфурол 39
2.3.4. 5-Фторметилфурфурол
2.3.5. Семикарбазоны 5-хлор-, 5-бром-, и 5 гидроксиметилфурфуролов 40
2.4. Окисление 5-гидроксиметилфурфурола 41
2.5. Приготовление катализаторов гидрирования 42
2.6. Гидрирование 5-бутоксиметилфуфурола 43
2.7. Получение алкилфурфуриловых эфиров и определение их октановых чисел 44
ГЛАВА 3. Синтез и исследование галогенпроизводных 5-гидрокси метилфурфурола 45
3.1. Взаимодействие 5-бромметилфурфурола с фторидом серебра 45
3.2. Синтез 5-фторметилфурфурола с использованием краун-эфиров в качестве катализаторов межфазного переноса 52
3.3. Синтез и исследование семикарбазонов 5-гидрокси-, 5-хлор-, и 5 бромметилфурфуролов 57
ГЛАВА 4. Исследование процессов окисления 5-гидроксиметилфур фурола 61
ГЛАВА 5. Каталитическое гидрирование 5-бутоксиметилфурфурола 65
5.1. Термопревращения 5-бутоксиметилфурфурола 65
5.2. Гидрирование 5-бутоксиметилфурфурола на медьсодержащих катализаторах 67
5.3. Гидрирование 5-бутоксиметилфурфурола на палладиевых катализаторах 79
ГЛАВА 6. Синтез и изучение антидетонационных свойств простых эфиров фурфурилового спирта 87
Заключение 90
Выводы 93
Список сокращений 94
Список литературы
- Синтез фурановых кислот и альдегидов из 5-гидроксиметилфурфурола
- Семикарбазоны 5-хлор-, 5-бром-, и 5 гидроксиметилфурфуролов
- Синтез 5-фторметилфурфурола с использованием краун-эфиров в качестве катализаторов межфазного переноса
- Гидрирование 5-бутоксиметилфурфурола на палладиевых катализаторах
Введение к работе
Актуальность проблемы. Прогнозируемое истощение ископаемых ресурсов определяет необходимость развития методов переработки возобновляемых источников сырья. Каталитические превращения компонентов биомассы в различные химические соединения широко исследуются в последнее время. Продукты переработки углеводов, являющихся основой биомассы представляют собой перспективные химические соединения с широким спектром областей применения. Особый интерес представляют реакционноспособные фурановые соединения, которые находят применение во многих отраслях химической промышленности. Ряд фурановых соединений может быть получен прямо из исходного углеводного сырья, а другие - только через некоторые полупродукты. Одним из таких полупродуктов является «соединение-платформа» - 5-гидроксиметилфурфурол (5-ГМФ). 5-Гидроксиметилфурфурол рассматривают как прекурсор для производства фурановых полиэфиров, полиамидов и полиуретанов, бензольные аналоги которых в настоящее время получают переработкой нефти.
Помимо полимерных материалов, 5-гидроксиметилфурфурол может быть использован для получения ряда других не менее значимых химических соединений, например, простых и сложных эфиров, галогенпроизводных, фурановых кислот и альдегидов.
В последнее время широко исследуются процессы окисления 5-гидроксиметилфурфурола и его этерификации. Особое внимание уделяют получению 2,5-фурандикарбоновой кислоты, поскольку продукт ее сополимеризации с этиленгликолем сравним с полиэтилентерефталатом (а по некоторым параметрам и превосходит его). Некоторые фурановые соединения (например, 2-метил- и 2,5-диметилфуран) обладают высокими октановыми числами и рассматриваются как перспективные добавки к бензинам. К числу таких соединений так же относятся алкилфурфуриловые эфиры. На сегодняшний день описан ряд методов получения таких веществ. Однако большинство методов представляет собой довольно трудоемкие процессы, требующие дорогостоящих реагентов. Поэтому разработка менее затратных методов получения алкилфурфуриловых эфиров, а так же поиск альтернативных высокооктановых соединений является актуальной задачей.
Практически все описанные в литературе методы синтеза простых эфиров фурановых соединений используют в качестве субстрата фурфурилгалогениды и галогенпроизводные 5-гидроксиметилфурфурола. Галогенпроизводные 5-гидроксиметилфурфурола могут быть получены напрямую из углеводов с высокими выходами. Благодаря их высокой реакционной способности они могут быть удобными полупродуктами органического синтеза.
Так же стоит отметить, что соединения, содержащие в своей структуре фурановое кольцо, могут обладать биологической активностью. Некоторые из них используются в качестве фармацевтических препаратов.
Таким образом, тематика исследований, направленных на получение и изучение свойств новых производных 5-гидроксиметилфурфурола, активно разрабатывается в настоящее время, но многие перспективные соединения этого ряда либо не синтезированы (например, 5-фторметилфурфурол (5-ФМФ)), либо не имеют эффективных методов синтеза (фурфуриловые эфиры, 2,5-фурандикарбоновая кислота), либо не охарактеризованы их важные свойства (биологическая активность, антидетонационные свойства). Именно это и определяет актуальность работы.
Связь темы с планами работ Института. Работа выполнена в соответствии с планами НИР Института химии и химической технологии СО РАН по программе фундаментальных научных исследований (ФНИ) государственных академий наук на 2013-2020 годы, Проект V.46.4.2. «Создание фундаментальных основ интегрированных процессов глубокой переработки лигноцеллюлозной биомассы в востребованные химические продукты и функциональные материалы с новыми свойствами», а также гранта № 13-03-00754 Российского фонда фундаментальных исследований «Новые высокооктановые компоненты бензинов из растительных углеводов и технологии их получения».
Цель настоящей работы заключается в разработке новых методов синтеза и исследовании фурановых соединений, получаемых из 5-гидроксиметилфурфурола.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
Разработка методов получения 5-фторметилфурфурола реакциями нуклеофильного замещения в молекулах 5-хлор- и 5-бромметилфурфуролов.
-
Синтез семикарбазонов 5-гидрокси-, 5-хлор-, 5-бромметилфурфуролов и изучение бактерицидной активности семикарбазона 5-хлорметилфурфурола в сравнении с его структурным аналогом фурацилином.
-
Разработка метода окисления 5-гидроксиметилфурфурола концентрированной азотной кислотой.
-
Изучение процессов каталитического гидрирования 5-бутоксиметил-фурфурола.
-
Определение октановых чисел пропилфурфур илового и бутилфурфурилового эфиров.
Методология и методы. Для решения поставленных задач использовали традиционную методологию исследования, заключающуюся в его поэтапном последовательном планировании на основе получаемых результатов. В работе
применяли широко распространенные методы синтеза (кислотно-каталитическая конверсия, каталитическое гидрирование) и физико-химические методы исследования (ЯМР спектроскопия, ГХ-МС).
Научная новизна. Показано, что при взаимодействии 5-бромметилфурфурола (5-БМФ) с фторидом серебра в основном образуются продукты алкилирования 5-бромметилфурфурола растворителями (метанолом и толуолом), а 5-фторметилфурфурол образуется в качестве побочного продукта.
Установлены кинетические закономерности образования 5-фторметил-фурфурола в процессах нуклеофильного замещения в галогеналкилфурфуролах. Впервые синтезирован 5-фторметилфурфурол и установлены его физико-химические характеристики.
Показано, что при окислении 5-гидроксиметилфурфурола
концентрированной азотной кислотой образуется смесь 2,5-фурандикарбоновой, 5-формилфуран-2-карбоновой кислот и 2,5-диформилфурана, суммарный выход которых вдвое превышает выход данных продуктов аналогичного процесса окисления 5-хлорметилфурфурола.
Установлены основные физико-химические закономерности каталитического гидрирования 5-бутоксиметилфурфурола. Показано, что в процессах каталитического гидрирования 5-бутоксиметилфурфурола в бутаноле важную роль играет образование его дибутилацеталя. Гидрированию подвергается и 5-бутоксиметилфурфурол, и его ацеталь. В зависимости от природы катализатора, протекают процессы гидрогенолиза и миграции заместителей, а также гидрирования фуранового кольца. Основными продуктами процесса гидрирования в среде бутанола являются: 2,5-дибутоксиметилфурфурол, 2,5-диметилфуран, 1,1-дибутоксибутан, 2,5-дибутоксиметилфуран. В среде тетрагидрофурана в качестве основных продуктов образуются 2,5-диметилфуран и 2,5-диметил-тетр аги др о фур ан.
Впервые изучены антидетонационные свойства пропилфурфурилового и бутилфурфурилового эфиров.
Синтезированы семикарбазоны 5-гидрокси-, 5-хлор- и 5-бромметилфурфурола. Установлено, что антибактериальная активность семикарбазона 5-хлорметилфурфурола (5-ХМФ) превышает активность фурацилина в отношении синегнойной палочки (Pseudomonas aeruginosa).
Практическая значимость. Разработан эффективный метод получения 5-фторметилфурфурола и установлены его физико-химические свойства. Показано, что галогенметилфурфурольные аналоги фурацилина обладают антибактериальной активностью в отношении Pseudomonas aeruginosa. Показана возможность получения алкилфурфуриловых эфиров гидрогенолизом соответствующих
ацеталей фурфурола. Показана возможность использования бутилфурфурилового и пропилфурфурилового эфиров в качестве антидетонационных присадок к бензинам. Автор выносит на защиту:
-
Закономерности образования 5-фторметилфурфурола в процессах нуклеофильного замещения в галогеналкилфурфуролах.
-
Результаты исследования процесса окисления 5-гидроксиметилфурфурола концентрированной азотной кислотой.
-
Закономерности процесса каталитического гидрирования 5-бутоксиметил-фурфурола.
-
Результаты исследования антидетонационных свойств алкилфурфуриловых эфиров.
-
Результаты исследования биологической активности семикарбазона 5-хлометилфурфурола.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях: «Конференция молодых ученых ИХХТ СО РАН» (Красноярск, 2012, 2013, 2014); III, IV Всероссийская научная молодежная школа-конференция «Химия под знаком СИГМА: исследования, инновации, технологии» (Омск, 2012, 2014); II Международная Казахстанско-Российская конференция по химии и химической технологии (Караганда, 2012); XII Международная научная конференция "Интеллект и наука" (Железногорск, 2012); Всероссийская научно-практическая конференция «Лесной и химический комплексы - проблемы и решения», СибГТУ, (Красноярск, 2012, 2013); III Международная научная конференция «Техническая химия. От теории к практике» (Пермь, 2012); XXIII Российская молодежная научная конференция «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Екатеринбург, 2013); VIII Всероссийская научная конференция «Химия и технология растительных веществ» (Калининград, 2013); IX Международная научно-практическая конференция «Научният потенциал на света» (София, 2013). X международная научно-практическая конференция "Perspektywiczne opracowania s^ nauka^ і technikami - 2014" (Польша, 2014); X Международная научно-практическая конференция «Актуальные научные достижения - 2014» (Чехия, 2014).
Публикации: Основные результаты диссертационной работы изложены в 22 научных публикациях, в том числе в 6 статьях в журналах из перечня ВАК. Получен патент РФ.
Личный вклад. Все эксперименты, анализ результатов и подготовка публикаций выполнены лично автором или при его участии.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, выводов, списка сокращений и списка литературы. Работа изложена на 110 страницах, включает 28 рисунков, 11 таблиц. Список литературы содержит 148 наименований.
Синтез фурановых кислот и альдегидов из 5-гидроксиметилфурфурола
Первые упоминания о 5-гидроксиметилфурфуроле были опубликованы в 1895 году Dull [41] и Kiermayer [10], которые независимо друг от друга обнаружили и идентифицировали данное соединение [39].
Долгое время, исследуя превращения углеводов в 5-гидроксиметилфурфурол, в качестве катализаторов использовали серную кислоту и хлороводород. Примером такой работы является исследование Wolfrom et. al. [42], где изучали дегидратацию глюкозы (0,05 М) в присутствии хлороводорода (рН 6,5; 4,3; 2,0) при температуре 100 С. Концентрацию образующегося 5-ГМФ контролировали спектрофотометрически. В этих условиях максимальная концентрация целевого продукта достигалась по истечении 15 - 17 ч. Однако, количественно выход 5-ГМФ в статье не описан.
В [43] Kuster et. al. описали процесс получения 5-ГМФ из фруктозы (0,25 - 1,0 М водные растворы) при температуре 95 С с концентрацией НС1 0,25 - 2 М. Выходы 5-ГМФ при этом достигали 30 % при селективности равной 60 %. В [44] Kuster исследовал влияние количества воды в системе на процесс дегидратации фруктозы. Было установлено, что добавление полиэтиленгликоля (PEG-600) в качестве сорастворителя увеличивает скорость процесса. Максимальные выходы 5-ГМФ достигали 70 % при 86 % конверсии и использовании 70 % водного раствора PEG-600. В той же серии публикаций [45] Kuster и Temmink описали процесс дегидратации фруктозы при 175 С под давлением 5 МПа с использованием в качестве катализатора муравьиной кислоты. Выходы 5-ГМФ достигали 50 - 60 % с селективностью 80 - 100 % (концентрация фруктозы - 0,25 М) при рН 3 в течение часа.
На сегодняшний день предложено большое число способов получения 5-ГМФ из углеводов. Среди разработанных методов встречаются и такие, где используются нетривиальные катализаторы. Например, Hansen и др. [46] исследовали влияние добавок борной кислоты и различных солей на дегидратацию гексоз в 5-гидроксиметилфурфурол. Процесс проводили в запаянной трубке, выдерживающей давление до 2 МПа. В трубку загружали 30 масс. % сахарозы и заданное количество В(ОН)3. В экспериментах с органическим экстрагентом, соотношение экстрагент : вода составляло 4:1, соответственно. Процесс проводили при 150 С в течение 45 минут. Наилучший выход был достигнут в присутствии добавок MgCl2. Выход достигал 52 %, однако отношение [5-ГМФ]МИБК: [5-ГМФ]ад в этом случае составляло - 1:1, т.е. 5-ГМФ имеет низкое значение коэффициента распределения в системе метилизобутилкетон - вода.
Разработаны подходы, позволяющие получать 5-ГМФ с выходами свыше 90 %. Так например, Шимизу и др. [47] описали метод получения 5-ГМФ из фруктозы. Процесс проводили в трубчатом стеклянном реакторе (100 мл), концентрацией фруктозы 0,019 М. Наибольшие выходы (100 %) достигались в течение 2 ч при использовании в качестве катализатора Amberlist-15 в виде гранул (диаметр частиц - 0,50 - 0,71 мм) и порошка (диаметр частиц - 0,053 - 0,15).
Однако для наработки необходимых количеств был выбран другой подход с использованием гидросульфата натрия и серной кислоты, процесс протекает при 100 С в течение 1 часа с последующей нейтрализацией гидрокарбонатом натрия и экстракцией этилацетатом [48]. Выходы в данном случае достигают 60 - 70 мол. %, тем не менее этот метод проще для воспроизведении в лаборатории и позволяет быстро получить требуемое количество целевого продукта. 1.2. Гидрирование 5-бутоксиметилфурфурола на палладиевых катализаторах
Галогенпроизводные 5-гидроксиметилфурфурола, благодаря своей высокой реакционной способности, могут выступать в качестве интермедиатов для синтеза различных химических соединений фуранового ряда [49].
На сегодняшний день разработано множество способов получения 5-хлор- и 5-бромметилфурфуролов из таких исходных веществ, как: фруктоза [11], глюкоза [28], целлюлоза [50], крахмал [51], сахароза [52] и др.
В литературе описаны различные подходы к синтезу 5-хлорметилфуфрурола с использованием различного исходного сырья в различных условиях.
Так, например, в [53] представлены способы получения 5-ХМФ из фруктозы, сахарозы, глюкозы, галактозы, сорбозы в системе вода - НС1 -органический растворитель (толуол, СС14) с использованием ПАВ (цетилтриметиламмоний хлорид, лаурилбензилсульфонат натрия, лаурат натрия, тетрабутиламмоний бромид, лаурилдиметилбетаин). ПАВы образуют мицеллярную систему, подавляя процессы осмолення и облегчая дальнейшую обработку. Авторы [53] объясняют это тем, что ПАВ изолируют 5-ХМФ от катализатора и углевода, тем самым стабилизируя раствор 5-ХМФ. Хлорирующим агентом и катализатором выступает НС1. Температура процесса не превышала 50 С, время варьировалось от 300 до 540 минут.
Семикарбазоны 5-хлор-, 5-бром-, и 5 гидроксиметилфурфуролов
Разработка методов получения биотоплив и ценных химических соединений из растительной биомассы - важнейший тренд развития современной химической промышленности. Продукты такого типа получают либо биохимическими методами (этанол, бутанол и др.), либо химическими (продукты пиролиза, гидролиза и др.). Кислотно-каталитические процессы превращения углеводов характеризуются сравнительно большими скоростями по сравнению с ферментативными, а по сравнению с процессами пиролиза - узким набором продуктов. В основном это 5-гидроксиметилфурфурол, левулиновая (4-кетопентановая) кислота и фурфурол из пентозных углеводов.
Биотоплива на основе фурфурола, весьма доступного продукта кислотно-каталитической конверсии пентозных углеводов, только начинают разрабатываться [109]. Синтезирован этилфурфуриловый эфир и определены его октановые числа (04) (04 = ПО) [ПО]. Один из наиболее перспективных продуктов гидрирования фурфурола, 2-метилфуран, в смеси с бензином успешно прошел дорожные испытания (90000 км) [111].
Каталитическим гидрированием 5-гидроксиметилфурфурола и его эфиров получают перспективные добавки к бензинам (2,5-диметилфуран, октановое число 119) [111, 112] и дизельным топливам (бутиллевулинат, бутилвалероат). Разрабатываются современные методы получения 5-этоксиметилфурфурола [113].
Для гидрирования 5-ГМФ в 2,5-диметилфуран используют медно-рутениевые катализаторы на углеродном носителе [112]. Катализатор Ru/C приводит к образованию в основном продуктов гидрирования фуранового кольца, катализатор CuCr04 быстро дезактивируется. Гидрирование раствора 5-гидроксиметилфурфурола в бутаноле-1 на медно-рутениевом катализаторе с атомным соотношением 3:1 при 180 С приводит к максимальному выходу диметилфурана - селективность образования диметилфурана - 71%, фурфурилового спирта 4% и других продуктов 20% при конверсии 5-гидроксиметилфурфурола 52% [111]. В ряде других статей в качестве катализаторов гидрирования использовали также палладиевые и медные катализаторы [114-117]. В работе [118] рассмотрены Ru и R11O2 в качестве катализаторов гидрировании 5-гидроксиметилфурфурола в 2,5-диметилфуран.
Новыми продуктами переработки фруктозы в спиртовых средах являются 5-алкоксиметилфурфуролы, например, 5-бутоксиметилфурфурол [119], получаемый в присутствии концентрированных водных растворов гидросульфата натрия в качестве катализатора. Возможности каталитического гидрирования 5-бутоксиметилфурфурола в продукты топливного назначения до последнего времени не исследованы.
В настоящее время известно множество работ по получению простых эфиров фурановых соединений, однако большинство из них направлены на получение алкоксиметилфурфуролов и, зачастую, эти процессы реализуются с использованием 5-галогенметилфурфуролов в качестве исходных веществ. Информации о получении эфиров фурфурилового спирта значительно меньше и в большинстве случаев эти эфиры получают взаимодействием спиртов с алкилгалогенидами. Синтез соединений такого типа является интересным направлением, поскольку некоторые из них обладают высокими октановыми числами и могут быть использованы в качестве антидетонационных добавок к бензинам.
Вельский и др. в [120] предложили метод синтеза монофурфуриловых эфиров путем взаимодействия алкоголята фурфурилового спирта и 2-хлорпропанола-1 (или 2-хлорэтанола) в толуоле, при температуре 100 С. Продолжительность процесса составляла 4 часа. Выходы полученных 3-(фуран-2-илметокси)-пропанола-1 и 2-(фуран-2-илметокси)-этанола достигали 70 %. В дальнейшем полученные эфиры гидрировали в тетрагидрофуране с использованием Ni-Al катализатора при начальном давлении водорода 15 МПа и температуре 100 - 130 С с получением соответствующих тетрагидрофурфуриловых эфиров гликолей.
В [121] описан способ получения этоксиметилфурфурола из сахарозы и глюкозы, растворенных в водно-этанольном растворе серной кислоты (10 %-ом), в проточном реакторе при 195 С. Результатом процесса была смесь 5-ГМФ и этоксиметилфурфурола. Как для сахарозы, так и для глюкозы селективность превышала 90 %, однако конверсия не превышала 25 %.
В [122] описан способ получения метилфурфурилового эфира. Фурфуриловый спирт и метилиодид смешивали и порционно добавляли измельченный гидроксид калия, поддерживая температуру реакционной смеси в интервале 20 - 25 С. Процесс продолжался 6 ч. Выход полученного эфира достигал 66 %.
Несколько работ по получению фурфуриловых эфиров было сделано Zanetti. Каждый из предложенных им методов предполагает два этапа. Первый этап - это получение а-фурфурилгалогенида (а-фурфурил бромид a [123] и а-фурфурилиодида [124]), затем получение самих эфиров, используя полученные а-фурфурилгалогениды. Используя а-фурфурилиодид, были получены следующие эфиры: метилфурфуриловый (выход - 27 %), этилфурфуриловый (выход - 23 %), н-пропилфурфуриловый (выход - 28 %), фурфурилфурфуриловый (выход - 42 %). Используя а-фурфур ил бромид, были получены следующие эфиры: н-бутил фурфур иловый (выход - 70 %), изобутилфурфуриловый (выход - 70 %), н-гептилфурфуриловый (выход - 73 %), аллилфурфуриловый (выход - 70 %), бензилфурфуриловый (выход - 76 %), фурфурилфурфуриловый (выход - 67 %). Выходы полученных эфиров рассчитаны в расчете на соответствующий а-фурфурилгалогенид.
Kirner в своей работе [125] исследовал получение эфиров фурфурилового спирта с использованием а-фурфурилхлорида. В результате были получены следующие эфиры: метилфурфуриловый, этилфурфуриловый, н-пропилфурфуриловый, н-бутилфурфуриловый, аллилфурфуриловый, бензилфурфуриловый и фурфурилфурфуриловый с выходами от 30 до 55 %.
Однако, несмотря на то, что в описанных выше методах есть такие, которые позволяют получить эфир с высоким выходом (эфиры, полученные из а-фурфурилбромида), методы описанные Zanetti и Kirner, сложны в исполнении и требуют весьма дорогостоящих реагентов (галогениды фосфора и тионилхлорид).
Поэтому для наработки препаративных количеств пропилфурфурилового и бутилфурфурилового эфиров в качестве наиболее перспективного был выбран метод [126]. В колбе смешивают фурфуриловый спирт, пропилиодид и гидроксид калия. Затем колбу разогревают на водяной бане до прекращения бурного выделения газов. После чего добавляют еще пропил иодида и гидроксида натрия и продолжают нагревание (-80 С). Выходы пропилфурфурилового эфира достигали 40 - 50 %.
Синтез 5-фторметилфурфурола с использованием краун-эфиров в качестве катализаторов межфазного переноса
В среде водного метанола 5-фторметилфурфурол образуется в количестве 1-3 массовых процентов от общего количества продуктов реакции. Вероятый механизм протекания реакции - SN1, однако суждения в данном вопросе неоднозначны [134, 135]. Ионы серебра повышают подвижность бромид-ионов в качестве уходящей группы. Образование карбкатиона протекает быстро (гетеролитический распад с образованием карбкатиона). После чего все имеющиеся в растворе нуклеофильные агенты атакуют карбокатион, и это обусловливает широкий набор продуктов.
В протонных растворителях фторид-ион является слабым нуклеофилом из-за сильной сольватации и малого радиуса [136]. В результате этого более активными нуклеофилами являются вода и метанол, поэтому в качестве основных продуктов образуются 5-метокси- и 5-гидроксиметилфурфуролы. Чтобы устранить мешающие нуклеофилы, были использованы обезвоженный фторид серебра и раствор 5-бромметилфурфурола в безводном толуоле. В этих условиях выпадение бромида серебра протекает достаточно быстро с заметным разогревом реакционной гетерогенной смеси. Хроматограмма раствора продуктов в толуоле приведена на рис. 3. Идентифицировано 5 веществ: 5-гидроксиметилфурфурол, 5-фторметилфурфурол, 4-(5 -метилен фурфурил)-5-гидроксиметилфурфурол (или аналогичный 3-изомер) и два изомера (орто- и пара-) алкилированного 5-гидроксиметилфурфуролом толуола. , 5-Гидроксиметилфурфурол
На рис. 4 приведены масс-спектр 4-(5 -метиленфурфурил)-5-гидроксиметилфурфурола и схема его расщепления. Масс-спектры изомеров алкилированного 5-гидроксиметилфурфуролом толуола представлены на рис. 5-6. На рис. 7 - схема расщепления одного из этих изомеров.
Масс-спектры анализируемых соединений имеют молекулярные ионы, соответствующие их предполагаемой молекулярной массе. На рис. 7 приведена схема расщепления под действием электронного пучка молекул пара-изомера алкилированного 5-гидроксиметилфурфуролом толуола. Орто-изомер может распадаться аналогично. 100 109 a SO 123
Схема расщепления пара-изомера алкилированного 5-гидроксиметилфурфуролом толуола. Таким образом, полученные результаты показывают, что при взаимодействии 5-бромметилфурфурола с фторидом серебра 5-фторметилфурфурол образуется, но с малыми выходами (до 10 %). Низкий выход целевого продукта обусловлен относительно низкой нуклеофильностью фторид-иона по сравнению с другими компонентами раствора - метанолом, толуолом и 5-БМФ. Для преодоления этого препятствия и разработки препаративного метода синтеза и выделения 5-фторметилфурфурола нами использован подход, включающий краун-эфиры для межфазного переноса фторид-иона из твердой фазы в раствор, не содержащий активных нуклеофилов.
Синтез 5-фторметилфурфурола с использованием краун-эфиров в качестве катализаторов межфазного переноса
Взаимодействие 5-бромметилфурфуролов с гидрофторидом калия в присутствии дибензо-24-краун-8. Краун-эфиры широко применяются для катализа межфазного переноса в процессах синтеза различных фтор производных [134, 137]. В таких процессах ацетонитрил является распространенным и удобным апротонным растворителем:
На рисунке 8 представлена зависимость концентраций исходного реагента, 5-бромметилфурфурола, и продукта (5-фторметилфурфурла) от времени в системе 5-БМФ - KHF2 - дибензо-24-краун-8. Процесс протекает довольно медленно, в течение 40 час при 80 С (температура кипения растворителя), что может быть связано с низкой дисперсностью твердофазного гидрофторида калия. Это предположение подтверждается тем, что увеличение молярного соотношения краун-эфир - 5-БМФ с 1:8 до 1:5 почти не оказывало эффекта на скорость реакции.
Зависимость концентраций от времени в процессе синтеза 5-фтометилфурфурола из 5-бромметилфурфурола. Концентрация дибензо-24-краун-8 - 0,01 М. Температура 80 С. (1) - концентрация 5-БМФ (начальная концентрация - 0,052 М); (2) концентрация 5-ФМФ; (3) - суммарная концентрация 5-БМФ и 5-ФМФ.
Период полупревращения 5-БМФ составляет около 35 ч. После этого накопление 5-ФМФ практически прекращалась, а концентрация 5-БМФ продолжала уменьшаться. Максимальный выход продукта достигал 40 - 50 мол. %, а селективность процесса при конверсии менее 50 % приближалась к 90 -100 %. Взаимодействие 5-галогенметилфурфуролов с гидрофторидом калия в присутствии 18-краун-6. Зависимость концентраций субстрата и продукта от продолжительности реакции 5-БМФ с гидрофторидом калия в присутствии 18-краун-6 представлена на рисунке 9.
Зависимость концентраций от времени в процессе синтеза 5-фтометилфурфурола из 5-бромметилфурфурола. Концентрация 18-краун-6 - 0,01 М. Температура 80 С. (1) - концентрация 5-БМФ (начальная концентрация - 0,052 М); (2) концентрация 5-ФМФ; (3) - суммарная концентрация 5-БМФ и 5-ФМФ.
В одинаковых условиях период полупревращения 5-БМФ в присутствии 18-краун-6 в 6-7 раз меньше по сравнению с процессом в присутствии дибензо-24-крауна-8. 18-краун-6 действует как лиганд для катионов различных металлов со специфическим сродством к катиону калия и, вероятно, это сродство является причиной относительно высокой скорости и селективности данного процесса. Максимальные выходы 5-ФМФ из 5-БМФ в присутствии 18-краун-6 заметно превышали таковые под действием дибензо-24-крауна-8 и достигали 60 мол. %.
5-Хлорметилфурфурол - реагент более доступный по сравнению с 5-бромметилфурфуролом, и по этой причине его использование в качестве исходного реагента для синтеза фторпроизводного представляет определенный интерес. 5-ХМФ оказался менее активным субстратом для синтеза 5-фторметилфурфурола. На рис. 10 представлена кинетика расходования 5-ХМФ и накопления 5-ФМФ. Период полупревращения 5-ХМФ составляет приблизительно 20 ч, что вдвое превышает аналогичный показатель для 5-БМФ, а максимальные выходы 5-ФМФ не превышали 40 мол. %.
Гидрирование 5-бутоксиметилфурфурола на палладиевых катализаторах
В результате проделанной работы установлено, что 5-фторметилфурфурол может быть получен реакциями нуклеофильного замещения галогена в молекулах 5-хлор- и 5-бромметилфурфуролов. Однако, присутствие более сильных, по сравнению с фторид ионом, нуклеофилов значительно снижает селективность по целевому продукту и приводит к образованию продуктов взаимодействия этих нуклеофилов с исходным 5-галогенметилфурфуролом. По этой причине выходы 5-фторметилфурфурола как в среде водного метанола, так и толуола, не превышали 10 мол. %.
Чтобы устранить возможность протекания побочных реакций был разработан метод получения 5-фторметилфурфурола путем взаимодействия 5-галогенметилфурфуролов с гидрофторидом калия в среде ацетонитрила, с использованием катализаторов межфазного переноса - краун-эфиров. Из изученных краун-эфиров размер внутримолекулярной полости 18-крауна-6 являлся более подходящим для иона калия в сравнении с дибензо-24-крауном-8. Поэтому большие выходы 5-фторметилфурфурола при использовании 18-краун-6 (60 мол.%) можно объяснить большей эффективностью межфазного переноса. Выходы целевого продукта при использовании дибензо-24-крауна-8 достигали 40 мол. %. 5-Хлорметилфурфурол, как и ожидалось, оказался менее эффективен в данном процессе. Выход 5-фторметилфурфурола из 5-хлорметилфурфурола в тех же условиях, с использованием 18-крауна-6 достигали только 40 мол. %. 5-Фторметилфурфурол выделен в чистом виде, его структура подтверждена методами ЯМР спектроскопии ( Н и 19F) и хромато-масс-спектрометрии.
5-Галогенметилфурфуролы как и 5-гидроксиметилфурфурол использовали для получения соответствующих семикарбазонов. Известно множество лекарственных препаратов, содержащих в своей структуре фторид ион (флюкостат, ципрофлоксацин) и фурановое кольцо (фурадонин, нифурпиринол). Семикарбазоны 5-галоген- и 5-гидроксиметилфурфуролов представляют собой структурные аналоги семикарбазона 5-нитрофурфурола (фурацилина), в котором нитрогруппа замещена на галогенметильную или гидроксиметильную группу, поэтому можно было ожидать, что такие соединения также будут обладать бактерицидной активностью. Так, были синтезированы семикарбазоны 5-хлор-, 5-бром-, и 5-гидроксиметилфурфуролов. Семикарбазон 5-хлорметилфурфурола был исследован на бактерицидную активность, результаты показали, что он обладает большей активностью в отношении синегнойной палочки в сравнении с фурацилином.
Рассмотренные литературные данные по получению фурановых кислот и альдегидов показывают, что большинство разработанных методов трудновоспроизводимы в лабораторных условия и малопригодны для препаративного синтеза данных веществ. Это объясняется тем, что во многих предложенных методах требуется специфическое оборудование, процессы проводят при повышенных давлениях кислорода, нередко расход окислителя в сотни раз превышает загрузки субстрата, и используются разбавленные растворы исходных веществ (0,05 - 0,15 М).
Предложенный нами процесс окисления 5-ГМФ концентрированной азотной кислотой не дает столь высокий выход ФДКК, однако, в сравнении с предложенными гетерогенно-катилитическими методами, данный подход отличается простотой, воспроизводимостью и может быть использован для получения препаративных количеств ФДКК в лабораторных условиях.
Еще одним перспективным направлением переработки фурановых соединений является получение на их основе высокооктановых компонентов бензинов (2,5-диметилфуран, этоксиметилфуран октановые числа 119 и ПО, соответственно). Нами изучены антидетонационные свойства пропил- и бутилфурфуриловых эфиров (113 и 97, соответственно), а также процесс каталитическое гидрирования 5-бутоксиметилфурфурола.
Гидрирование 5-бутоксиметилфурфурола изучено на Pd, Си и Ru/Cu катализаторах в среде н-бутанола и тетрагидрофурана. Установлено, что гидрирование 5-бутоксиметилфурфурола может протекать через стадию образования его бутилацеталя, который образуется и без катализаторов.
При использовании палладиевых катализаторов протекают процессы гидрирования фуранового кольца и миграции заместителей. Обнаружены продукты гидрирования ди бутил ацетальной группировки -2,5-дибутоксиметилтетрагидрофуран и его изомер. Какой-либо доминирующий продукт в рассматриваемой системе отсутствует.
Высокое содержание дибутилацеталей в составе продуктов гидрирования в бутаноле (38 - 54 %) показывает, что, возможно, сравнительно объемная и тяжелая дибутилацетальная группировка стабилизирует гидрируемую молекулу и в результате выход регистрируемых продуктов гидрирования 5-бутоксиметилфурфурола в бутаноле оказывается значительно выше по сравнению с процессом в тетрагидрофуране.