Содержание к диссертации
Введение
1. Реакция Принс а 10
1.1. Реакция Принса с участием алкилолефинов 10
1.2. Реакция Принса с участием заглещенных олешинов 17
1.3. Реакция Принса с участием циклоолефннов и.соединений терпенового ряда. Стереохимия реакции 25
1.4. Механизм и кинетика реакции Принса 27
1.5. Реакция Принса с участием гомологов и производных формальдегида и кетонов. Сопряженная реакция Принса 33
2. Реакция Принса с участием дигидро- и алкенилтетрагидропиранов, их производных и аналогов 38
2.1. Конденсация 4-метил-5,6-дигидро-сЯ-пирана с формальдегидом в условиях реакции Принса 38
2.1.1. Основные продукты взаимодействия 4-метил-5,6-дигидро-оС-пирана с формальдегидом 38
2.1.2. Влияние условий проведения конденсации 4-метил-5,6-дигидро-01-пирана с формальдегидом на выход и состав продуктов 51
2.1.3. Кинетика конденсации 4-метил-5,6-дигидро-(Х-пирана с формальдегидом в условиях реакции Принса 55
2.1.4. Аномальное поведение 4-метил-5,6-дигидро-о(-пирана в реакции Принса 62
2.1.5. Сопряженная реакция Принса с участием 4-метил-5,6-дигидро-о(-пирана, алифатических альдегидов и кетонов 70
2.2. Взаимодействие 4-мєтилентетрагидропирана с формальдегидом и его гомологами 80
2.2.1. Взаимодействие 4-метилеитетрагидропирана с формальдегидом и ацетальдегидом 80
2.2.2. Взаимодействие 4-метилентетрагидропирана с альдегідами в условиях сопряженной реаіщии Принса 88
3. Экспериментальная часть 91
3.1. Характеристика исходных реагентов 91
3.2. Синтез исходных веществ 94
3.3. Изучение взаимодействия 4-метил-5,6-дигидро-(Х-пирана с алифатическими альдегидами в условиях реакции Принса 96
3.4. Взаимодействие 4-метилентетрагидропирана с альдегидами 103
3.5. Взаимодействие производных и аналогов 4-ме-тил-5,6-дигидро-01-пирана с формальдегидом 104
3.6. Сопряженная реакция Принса с участием 4-ме-тпл-5,6-дигвдро-0С-пирана.и 4-метилентетрагидропирана и алифатических альдегидов 107
3.7. Сопряженная реакция Принса с участием 4-ме-тил-5,6-дкгпдро-Л-пирата с алифатическими кетонами 107
Выводы 110
- Реакция Принса с участием заглещенных олешинов
- Реакция Принса с участием дигидро- и алкенилтетрагидропиранов, их производных и аналогов
- Изучение взаимодействия 4-метил-5,6-дигидро-(Х-пирана с алифатическими альдегидами в условиях реакции Принса
- Сопряженная реакция Принса с участием 4-ме-тпл-5,6-дигвдро-0С-пирана.и 4-метилентетрагидропирана и алифатических альдегидов
Введение к работе
Актуальность темы. Реакция Принса, заключающаяся в кислотно-катализируемой конденсации олефинов с альдегидами, интересна как в теоретическом, так и практическом плане. Её отличают доступность сырья, "мягкие" условия проведения и широкий ассортимент получаемых продуктов. В первую очередь это 1,3-диоксаны и диолы, моно- и диэфиры последних, ненасыщенные и галоидированные спирты и др. Кроме того, полифункциональный характер указанных соединений допускает самые различные варианты их модификации. Поэтому конденсация олефинов с альдегидами представляется удобным методом получения разнообразных кислородсодержащих соединений с широким спектром полезных свойств.
Несмотря на определенные успехи, достигнутые в изучении реакции Принса, некоторые вопросы остаются нерешенными до настоящего времени. Это относится прежде всего к стереохимии и механизму реакции, в частности, применительно к олефинам циклического строения. Указанные аспекты несомненно являются важнейшими для понимания сути реакции, а циклоолефины - наиболее удобными объектами для исследований подобного рода.
В связи с изложенным изучение реакции Принса на примере конденсации ненасыщенных циклических эфиров с формальдегидом и его гомологами, как имеющие важное практическое и теоретическое значение, актуально.
Работа проводилась в соответствии с Комплексной научно-технической программой Минвуза РСФСР по теме ГР 0I83003689I "Разработка лабораторных методов получения новых реактивов".
Цель работы. Цель работы заключалась в изучении реакции Принса применительно к 4-метил-5,6-дигидро-й-пирану (I,a), а также его изомеру с экзоциклической двойной связью и в разработке _ 7 - удобных методов синтеза кислородсодержащих гетероциклов на этой основе.
Научная новизна. Исследованием реакции дигидропирана 1,а с формальдегидом в присутствии серной кислоты установлено образование 1,3-диола с аномально высоким выходом. При замене гетероатома, заместителя при двойной связи или альдегида преимущественно образуются продукты I,3-диоксановой структуры - цис-транс-изомеры бициклов. 4. 0] декана. Кинетическими исследованиями показано, что аномальное поведение дигидропирана І,а в реакции объясняется преимущественным образованием транс-диола в условиях термодинамического контроля. Установлено также, что общий порядок решщии меняется от 2 к 3 в зависимости от концентрации формальдегида. Это обусловлено участием в конденсации не только гидратированной молекулы формальдегида - метиленгликоля, но и его олигомерных форм.
Проведение конденсации в среде уксусной кислоты приводит к ацетатам изомерных ненасыщенных спиртов и 1,3-диола. Омыление указанных соединений, гидролиз и ацетолиз 2,4,8-триоксабиціжло[4.4.0]-деканов, ацеталирование 1,3-диолов протекают стереоспецифично.
Сопряженная реакция Принса с участием дигидропирана 1,а и алифатических альдегидов приводит к цис-транс-изомерам З-алкил-1-метил-2,4,8-тріюксабіщикло[4.4.0]дєкана (П). Показано, что содержание цис-изомера возрастает с увеличением длины алкильного заместителя, что является важным моментом при интерпретации стерео-селективного цис-присоединения нуклеофила в реакции Принса. Вовлечением в реакцию олефина с экзоциклической двойной связью - 4-мети-лентетрагидропирана (Ш) - наряду с I,3-диоксановыми получены и пи-рановые структуры.
На примере взаимодействия дигидропирана 1,а с алифатическими кетонами в условиях сопряженной реакции Принса впервые показана возможность одностадийного синтеза 2,2-дизамещенных I,3-диоксано- вых структур, являющихся ценными реагентами для синтеза 1,3-бифункциональных соединений вследствие их высокой реакционной способности.
Практическая ценность работы. В результате проведенных исследований разработаны доступные способы получения триоксабицикло-[4.4.0]деканов, 1,3-диолов, ненасыщенных спиртов, а также их мо-но- и диэфиров и других соединений на основе крупнотоннажных побочных продуктов синтеза изопрена из изобутилена и формальдегида-дигидропирана 1,а и тетрагидропирана Ш. Указанные соединения могут быть использованы как для получения ценных в практическом отношении продуктов (1,3-диенов, 1,3-диолов, ненасыщенных спиртов и т.д.), так и в качестве реагентов для синтеза различных кислородсодержащих гетероциклов.
В рамках Комплексной научно-технической программы "Реактив1' разработаны и утверждены лабораторные методики и технические условия на 7 соединений указанного ряда, намеченные к реализации через НПО "Союзреактив".
Часть синтезированных соединений подготовлена к экспозиции на выставке "Комплексная научно-техническая программа "Реактив" -народному хозяйству", которая состоится осенью 1984 года на ВДНХ СССР.
Структура диссертации. Диссертация состоит из трех глав. В первой главе - литературном обзоре - рассмотрены литературные данные по вовлечению в реакцию Принса замещенных олефинов, различных альдегидов и катализаторов, приведены также данные по кинетике и стереохимии реакции. Литературный обзор охватывает основные публикации до декабря 1983 года.
Во второй главе представлены результаты экспериментов и их обсуждение.
В третьей главе описаны свойства и методики получения исход- - 9 -ных реагентов, а также методики проведения экспериментов.
В конце диссертации приведена библиография, которая включает 148 ссылок.
Работа изложена на 140 страницах, включая II таблиц и 25 рисунков.
Реакция Принса с участием заглещенных олешинов
При рассмотрении взаимодействия алкилолефинов с формальдегидом указывалось, что наличие электронодонорных заместителей при двойной связи повышает реакционную способность олефина в реакции Принса. Естественным было бы предположить, что соединения с элек-троноакцепторными заместителями будут вести себя в этой реакции достаточно инертно. Действительно, галоидзамещенные олефины взаимо действуют с формальдегидом в жестких условиях, а соответствующие 1,3-диоксаны образуются с относительно низкими выходами[453 . Моногалоидзамещенные олефины могут взаимодействовать с образованием галоидзамещенных 1,3-диоксанов[45] . Полигалоидпроизводные олефинов реагируют с образованием галоидированных кислот и их эфи- ров[б4] : В литературе описано взаимодействие З-цианопропена-1 с формальдегидом [65, 66]. Оказалось, что формальдегид в достаточно концентрированных растворах катализатора (серная и фосфорная кислоты) реагирует преимущественно с циано-группой, а не двойной связью[65] Однако в работе[66] показано, что в разбавленных растворах серной кислоты формальдегид может присоединяться и по двойной связи 3-цианопропена-1. Ненасыщенные спирты и сложные эфиры реагируют с формальдегидом в присутствии кислотных катализаторов, но в этом случае возникают определенные трудности с идентификацией продуктов взаимодействия вследствие дальнейших превращений гидроксилсодеряащих соединений с альдегидом&I,56]. Из продуктов конденсации ненасыщенных спиртов, сложных эфи-ров или кислот удалось получить дигидро- и тетрагидропираны и их производные, содержащие гидроксильную группу. Б частности,, взаимодействием 4-метилпентен-4-ола-2 с ацетальдегидом в концентрированной серной кислоте получены 2,4,6-триметил-5,6-дигидро-сИ-пи-ран (40$) и 4-гидрокси-2,4,6-триметилтетрагидропиран (Ы%)[67]. Аналогичные продукты образуются при взашлодействии бутен-3-ола-І с рядом альдегидов. Использованием в качестве катализатора соляной кислоты получены 4-хлортетрагидропираиы[22,68] . Интересно отметить, что нагреванием З-карбоксипропена-1 с параформальдегидом в системе НОАс - HjjSOtj получен 3-гидрокси-тетрагидрофуран (62$)[б9].
Попытка использования в качестве катализатора катионообменную смолу "Амберлист 15" привела к образованию 3-ацетокситетрагидрофурана (12$) и 4-ацетоксиметил-1,3-диок-сана (14$) [31]. Последующие исследования ненасыщенных карбонильных соединений с альдегидами проводились с целью выяснения состава высококи-пящих побочных продуктов, образующихся при промышленном синтезе изопрена [і]. Установлено, что побочные продукты конденсации изо-бутилена с формальдегідом обусловлены в основном взаимодействием ненасыщенных спиртов С НдОН с формальдегидом. Последние, будучи бифункциональными соединениями, могут образовать как 1,3-диоксаны, так и ненасыщенные ациклические формали и полуформали: Подчеркивается, что образование ацеталей является обратимым процессом, а конденсация олеюинов с формальдегидом практически необратима. Б соответствии с этим 2-метилбутен-1-ол-4 должен полностью превращаться в З-метилпентатриол-1,3,5 или 4-гидроксиэтил-4-метил-1,3-диоксан. Действительно, в продуктах реакции не обнаружено и следов формален ненасыщенных спиртов [52І. Количественные исследования относительной реакционной способности практически не проводились. Имеется лишь едішственная работа [7(3 , авторы которой определили относительные реакционные способности З-метилбутен-2-ола-І, З-метилбутен-3-ола-І ж 3-метилбутен-1-ола-З, относящиеся как 10,0 : 2,6 : 1,0. Причины уменьшения скорости реакции тленно в этой последовательности видимо те же, что и в случае алкилолефинов. Они связаны с уменьшением числа метильных групп у карбениевого центра активного комплексаИ : При взаимодействии арилолефинов с формальдегидом в основном образуются соответствующие I,о -диоксаныр 3-35,40,44.47,71,72]. В реакцию вовлекался достаточно широкий круг соединений [47]. Наиболее изученными объектами являются стирол и его производные [45,46]. Б качестве катализатора конденсации широко используется серная кислота, позволяющая получать 1,3-диоксановые структуры с выходами до 97,8$[44,72,73] . Однако наиболее удачным катализатором является, видимо, катионообменная смола&3-35,74,75]. Так, выход 4-фенил-1,3-диоксана при конденсации стирола с формальдегидом в присутствии катионообменной смолы КУ-2 достигает 98,7$[74]. Следует отметить, что в последнее время исследуется возможность взаимодействия арилолефинов с альдегидами с использованием солей платины, палладия, осмия, иридия и рутения в качестве катализатора[40]. Ранее упоминалось, что проведение реакции с использованием уксусной кислоты преимущественно приводит к ацетатам 1,3-диолов. Действительно, конденсация стирола с формальдегидом в присутствии смеси серной и уксусной кислот дает диацетат Зч енилпропандиола-1,3 и некоторое количество 4-фенил-1,3-диоксана[53] : Хеслинг выяснил 77], что образующиеся в результате конденсации стирола с формальдегидом в системе НОАс- Н О циклические формали могут играть роль доноров формальдегида. Интересно отметить, что конденсация (Х-метилстирола с формальдегидом в зависимости от условий проведения реакции могут быть получены 4-метил-4-фенил-І,3-дііоіссан, Зч$енилбутандиол-1,3 или 4-фенил-5,6-дигидро- 0(-пиран [45] .
Реакционная способность арилолефинов меняется обычным образом, то есть повышается при наличии у реакционного центра заместителя с +J-эффектом. Единственная попытка вовлечения в реакцию Принса двойной связи самого ароматического кольца на примере нафталина привела к сочетанию ароматических колец, соединенных эфирными и ацетальными связями j0]. Изучение конденсации сопряженных диенов с формальдегидом начато относительно недавно [78]. Геллин с сотрудниками провели наиболее тщательное исследование взаимодействия бутадиена с формальдегидом [79] . Ими предложены две схемы образования продуктов реакции: Схема А отображает результат присоединения формальдегида к бутадиену в положения 1,2 и 1,4. Внутримолекулярная дегидратация образующихся пентандиолов приводит к 5,6-дигидро-о -пирану (ІУ). На схеме Б представлены пути дальнешего превращения ненасыщенного диола, приводящие к образованию 2,4,8-триоксабицикло[4.4.0]дека-на (У,а), 5 (1,3-диоксанил-4)-1,3--диоксана и З-гидроксиметил-4-ги-дрокситетрагидропирана. В патентной литературе описана возможность селективного получения ІУ, 4-винил-І,3-диоксана и У,а в зависимости от соотношения диен - формальдегид (1:1,1:2,1:3 соответственно)[80] . Взаимодействие изопрена с формальдегидом протекает по ещё более сложной схеме, чем в случае бутадиена6 3 Основными продуктами реакции являются 4-винил-4-метил-1,3-диоксан и 1,а, образующиеся параллельно из З-метилбутен-3-ола-І. Последующие превращения диоксана и пирана приводят к образованию продуктов более сложного строения: 5-(4-метил-І,3-диоксанііл-4)-І,3-диоксану и геометрическим изомерам І-метил-2,4,8-триоксабицшиіо[4.4.0]декана (У,б) и соответствующих диоловОШ. Бутадиен, изопрен и пилерилен взаимодействуют с формальдегидом также в присутствии соляной кислоты [82}. Из бутадиена образуется 4-винил-І,3-диоксан, З-хлорметил-4-хлортетрагидропиран и фор-мали изомерных ненасыщенных хлоргидринов. В небольших количествах выделен У,а. Изопрен и пиперилен в этих условиях главным образом гидрохлорируются с образованием изомерных хлорпентенов. Достаточно эффективным катализатором конденсации бутадиена и его метилзамещенных производных с формальдегидом и уксусным альдегидом оказался катионит КУ-2 [83] . Кроме указанных диенов в реакцию Принса вовлекались 2-фенил-бутадиен-1,3, циклопентадиен и дициклопентадиен [45] . Во всех случаях образовывались соответсвующие 1,3-диоксановые структуры.
Реакция Принса с участием дигидро- и алкенилтетрагидропиранов, их производных и аналогов
Ранее указывалось-, что в качестве объекта исследования наїли выбраны дигидро-, тетрагвдропираїш и их производные, что обусловлено следующими причинами. Во-первых, реакция Принса с участием ненасыщенных циклических соединений является удобным объектом для изучения стереохимических особенностей её протекания. Большой интерес представляло также сравнение поведения в реакции Принса олешинов с эндо- и экзо-циклической двойной связью. Во-вторых, использованные нами в качестве модельных объектов пираны 1,а и Ш составляют основу крупнотоннажного побочного продукта синтеза изопрена по "диоксановому" методу [I] . Таким образом, наши исследования явились в какой-то мере поиском путей наиболее рационального использования данных продуктов. 2.1. Конденсация 4-метил-5,6-дигидро-01-пирана (1,а) с формальдегидом в условиях реакции Принса 2.І.І. Основные продукты взаимодействия 4-метил-5,6-дигидро-сИ-пи-рана (1,а) с формальдегидом В соответствии с общей схемой реакции Принса[I] при конденсации дигидропирана 1,а с формальдегидом молено ожидать образования соответствующих I,3-диоксановых структур, 1,3-диолов и ненасыщенных спиртов: Действительно, в работе[99] сообщается о получении геометрических изомеров 3-гидроксиметил-4-гидрокси-4-метилтетраги,дропирана (УП ,а) (53$) и бициклодекана У,б (14$). Более тщательное изучение состава реакционной смеси позволило нам [141] выделить один из ожидаемых ненасыщенных спиртов - 3-гидроксиметил-4-метил-3,6-дигидро-оИ-пиран (УШ,а) (5%). Остальные изомеры ненасыщенного спирта образуются, видимо, в незначительных количествах. С выходом менее 1% получен продукт гидратации исходного пирана - 4-гидрокси-4-метіиітетрагидро пиран (ХП). Практически к тем же результатам приводит использование в качестве катализатора катионообменной смолы КУ-2. Главным его достоинством является существенное упрощение методики конденсации [142,143,148]. При взаимодействии дигидропирана 1,а с формальдегидом в среде уксусной кислоты образуется смесь ацетатов ненасыщенного спирта -З-ацетокстлетил-4-метил-3,6- (Ж,б) и 5,6-(УШ,в)-дигидропиранов и 3-ацетоксиметил-4-атдетокси-4-глетилтетрагидропиран (УП,б)[і4Ї] : Омылением ацетатов водно-спиртовым раствором щелочи получены ди-гидропиранол УШ,а и диол УП,а. Побочные продукты конденсации дигидропирана 1,а с формальдегидом в присутствии серной кислоты исследовались хромато-масс-спек-трометрическим методом. Б литературном обзоре отмечалось (см. стр. 13), что побочные продукты реакции Принса условно подразделены на три группы. Рассмотрение с этой точки зрения состава побочных продуктов несошіенно представляет большую ценность для уточнения реакционной схемы.
Поскольку знание направления фрагментации даже отдельных элементов структуры существенно облегчает анализ, нами предварительно рассмотрены масс-спектрый бипдклодекана У,б и диола УП,а. Следует отметить, что за исключением работы[102], где без обсуждения приведены сокращенные масс-спектры подобных соединений, какие-либо сведения по данному вопросу в литературе отсутствуют. Геометрические изомеры диола УП,а весьма неустойчивы в условиях действия электронного удара, что подтверждается низкой интенсивностью молекулярных ионов (0,1 и 0,3%).535 Основное направление фрагментации цис-изомера обусловлено расщеплением связей 3,4 и 4,5 пиранового цикла с образованием иона Qj (Wi/Z 45), имеющего максимальную интенсивность (рис. 2.1). В случае распада транс-диола наиболее заметен ион (Wl/Z 101) Это характерное отличие изомеров объясняется образованием ещё одного фрагмента Ф-j-g (Wl/2 101) путем отщепления СНд- и CHgO-rpynn, а также большим содержанием иона с №. /Н 83 в спектре транс-диола (39,8 и 7,3%) соответственно (рис. 2.2). Естественно, что масс-спектр транс-диола содержит в основном фрагмент (Bjg, а для цис-изомера более характерен Ф . Образующиеся наряду с последним осколкш Фд и Ф4 подробно обсуждены в работе [123]. Характерным отличием масс-спектров цис- и транс-изомеров би-циклодекана У,б является различная интенсивность фрагментов Ф-j-g (6,8 и 0,1$) и Ф17 (21,0 и 3,5$). По всей видимости, это обусловлено особенностями строения, которые и определяют направление элиминирования: в случае цис-У,б отщепление QkjO Ц» W/Z 128) и СБд-группы ($17» Wl/Z ИЗ), а для транс-изомера У,б - СНд-(Ф-j-g, т/2 143) и СЕ О-групп (Ф7). Дальнейший распад иона Ф- происходит, видимо, в соответствии с данными работы[102]. Такті образом, в результате анализа спектров изомеров УП,а и У,б удалось выяснить, что наряду с общими направлениями распада изомеров тлеются и существенные отличия. Характерные особенности фрагментации изомеров изученных соединений представлены в табл. 2.2. Наиболее вероятной структурой двух соединений с массой 158 (соотношение 5:1), обнаруженных в высококипящих фракциях, следует признать экзо- и эндо-9-гидрокси-9-метил-3,7-диоксабицикло-[3.3.1]нонан (IX). Они образуются в результате взаимодействия дигидропиранола УШ,а с формальдегидом по следующей схеме: Таким образом установлено, что побочные продукты взаимодействия дигидропирана 1,а с формальдегидом - эндо- и экзо-изомеры бициклононана IX, геометрические изомеры трициклотридекана XI и соединение X - обусловлены вторичной реакцией Принса ненасыщенных соединений, образующихся в ходе реакции. Это означает, что они относятся ко второй группе побочных продуктов реакции Принса. 2.1.2. Влияние условии проведения конденсации 4-метил-5,6-ди-гидро-01 -пирата (1,а) с формальдегидом на выход и состав продуктов Одними из существенных факторов, влияющих на реакцию Принса, являются температура проведения конденсации, концентрация катализатора, соотношение исходных реагентов и продолжительность конденсации.
Наїли была предпринята попытка селективного синтеза основных продуктов взаимодействия дигидропирана 1,а с формальдегидом варьированием указанных параметров (табл. 2.3, рис. 2.8-2.II). В оптимальных условиях выход бициклодекана У,б составил 43,5$, диола УП,а - 51,4$, дигидропиранола УШ,а - 12,9$. Зависимость выхода продуктов реакции от условий проведенії неоднозначна, о чем свидетельствуют данные, приведенные в табл. 2.3 и на рис. 2.8-2.II. Ото объясняется, видимо, сложностью процессов образования продуктов конденсации. Зависимость выходов соединений У,б; УП,а и Ж,а от температуры проведения конденсации изменяется сходным образом (рис. 2.8, 2.9 и 2.11).-В целом выход этих продуктов увеличивается с увеличением температуры конденсации от 60 до 80. Дальнейшее её повышение приводит к усложнению характера кривых зависимости выхода продукта реакции от времени. Использование температур выше 80 при конденсации дигидропирана 1,а с формальдегидом в присутствии серной кислоты является, видимо, нецелесообразным. Действительно, в этих условиях основные продукты реакции образуются с невысокими выходами. Очевидно, что при проведении реакции при температуре ниже 80 образование продуктов происходит в основном в условиях кинетического контроля. Дальнейшее повышение температуры обуславливает преимущественную роль термодинамических факторов, в частности, взаимопревращений основных продуктов реаіщии, в резуль- тате которых система стремится к равновесию. Особый интерес представляет рассмотрение зависимости выхода транс-бщиклодекана У,б от времени (рис. 2.10). Из представленных данных следует, что в начальный момент реакции (5-15 мин) преимущественно образуется этот продукт с выходом до 18% [144] . Б дальнейшем его содержание в реакционной смеси убывает, что связано с гидролизом до соответствующего диола УП,а (табл. 2.6). Следовательно, хотя бы часть диола образуется не непосредственно из ди-гидропирана 1,а, а из бициклодекана У,б. Это вполне согласуется с представлением о параллельно-последовательном образовании 1,3-диоксановых структур как непосредственно из олефина, так; и из 1,3-диола. 2.1.3. Кинетика конденсации 4-метил-5,6-дигидро-оі-пирана (1,а) с формальдегидом в условиях реакции Принса8.
Изучение взаимодействия 4-метил-5,6-дигидро-(Х-пирана с алифатическими альдегидами в условиях реакции Принса
В трехгорлую колбу, снабженную мешалкой, обратным холодильником и капельной воронкой, поместили 60 мл (0,56 моль) пирана Ш в й значения химических сдвигов приведены в б-шкале, м.д.; спектры сняты В.Н.Домрачевым на приборе " TesPa-BS- iS?-B " с рабочей частотой 80 МГц, "внутренний" стандарт - ГЭДС 187 мл четыреххлористого углерода и при интенсивном перемешивании медленно (5,5 часа) прибавляли по каплям 33 мл (0,56 моль) брома, растворенного в 187 мл четыреххлористого углерода. Реакционную смесь охлаждали льдом, поддерживая температуру около 0. Полученную светло-желтую массу обрабатывали раствором соды, отделяли органическую фазу и сушили сульфатом магния. Растворитель упаривали Е вакууме водоструйного насоса, остаток перегоняли, отбирая 115 г (80/0 4-бром-4-брошетилтетрагидропирана (ХУЛ) при 80-85(2 мм рт. ст.);Нтч 1,5460; d 1,7880. Полученные физико-химические константы хорошо согласуются с данными работы [138]. К 16 г (0,06 моль) полученного дибромида ХУЛ прибавляли спиртовий раствор 3,4 г едкого кали и нагревали 3 часа на кипящей водяной бане с обратным холодильником. После охлаждения реакционной смеси отфильтровали осадок (4 г) и промыли водой до нейтральной среды. Органическую фазу отделяли и сушили сульфатом магния. Было выделено 0,6 г (10$) 4-метилен-3,4-дигидро-оі-пирана (ХУШ) с т. кип. 77-79; Ир0 1,4620. При 83-90(20-мм рт.ст.) отогналось 6,4 г (60$) дигидропирана 1,6 с Vl 1,5162; СІц 1,4236. ПМР-спектр пиранаХУШ (в СС14): 2,3(4Н,м,СН2=С, СН2-С=С); 3,5 (2Н,т,СН20); 4,6(IH,c,CII=C); 7,1(1Н,с,С=СН0). ПМР-спектр дигидропирана 1,6 (в СС14): 2,5(4Н,м,СН2&Г,СН2-С=С); 4,0(4Н,м,СІІ20); 6,3(111,т,СН=С). 1-Метилциклогексен синтезировали по методике, описанной в работе [140]. 3.3. Изучение взаимодействия 4-метил-5,6-дигддро-сИ-пирана (1,а) с алифатическими альдегидами в условиях реакции %инса 3.3.1. Выделение основных продуктов взаимодействия 4-метил-5,6 дигидро-(Х-пирана (1,а) с формальдегидом В трехгорлую колбу, снабженную механической мешалкой, обратным холодильником и термометром помещали 500 гдл (8 молей) водного раствора формальдегида и I моль раствора серной кислоты. Затем при перемешивании прибавляли 98 г (I моль) дигидропирана 1,а и термостатировали при 70. Гетерогенная реакционная смесь гомогенизировалась в течение 3-4 минут. Продолжительность реакции контролировалась путем периодического отбора проб и анализа на содержание формальдегидаСЕ27]. Было найдено, что реакция завершается в течение 2,5 часов. За это время израсходовался весь взятый диги-дропиран 1,а и 1,5 моля формальдегида. По охлаждении реакционную смесь обрабатывали газообразным аммиаком (5-Ю мин). Этот процесс сопровождался расслаиванием жидкости на органическую и водную фазы. Последнюю экстрагировали 3 х 100 мл диэтилового эфира, экс- тракты объединяли и сушили сульфатом магния. После упаривания эфира органические фазы объединяли. Было получено 130 г неочищенного органического вещества.
Дальнейшее выделение продуктов реакции осуществляли с помощью вакуумных перегонок. При исследовании легкокипящих фракций было выделено незначительное количество «л тетрагидропиранола ХП (1%) с т.кип. 93(20 мм рт.ст.); И-п 1,4551. ПМР-спектр тетрагидропиранола ХП (в CCI ): I,I8(3H,c,CHg); 1,53(4Н,кв,СН2); ЗД9(1Н,с,0Н); 3,55-3,73(4Н,м,СН20). По данным ГЖХ-анализа фракция, выкипающая в интервале 80-123(10 мм рт.ст.) представляла собой смесь цис-транс-изомеров бициклодекана У,б в соотношении 4:1. В результате многократных вакуумных перегонок было выделено 12,6 г {8%) фракции с т.кип. 83-85(10 мм рт.ст.);Мд 1,4725; идентифицированной по ПМР-спек-тру как цис-бициклодекан У,б. ПМР-спектр цис-бщиклодекана У, б (в CGI4): 1,3(ЗН,с,CBQ ); І,5-І,8(ЗН,м,СН,СН2); 3,5-3,8(6Н,м,СН20); 4,8(2Н,кв,0СЫ20). Транс-бициклодекан У,б выделяли из смеси изомеров на колонке с окисью алюминия по Брокману (длина 35 см), используя в качестве элюента смесь хлороформ - гексан (4:1). Было получено 9,5 г (6$) белого кристаллического вещества с т.пл. 64. Следующая фракция с т.кип. 71-73(4 мм рт.ст.);ц 1,4838; 6,4 т(Ъ%) была идентифицирована по данным ГШР-спектроскопии как дигидропиранол УШ,а. ПМР-спектр дигидропиранола УШ,а (в ССЇ ): 1,65(ЗН,с,CHg); 1,81-2,23(ЗН,м,СН,СН20Н); 2,94(1Н,с,0Н); 3,56-3 ,92(4Н,м,СН20); 5,40(1Н,м,СН=С). Фракция с т.кип. 138-145 (2 мм рт.ст.);И.т) 1,4859 содерна-ла по данным ГЕХ-анализа в основном 2 соединения. После суточного выдерживания при 5 выпал кристаллический осадок, очищенный двухкратной перекристаллизацией из ацетона. Получено 73 г { 50%) транс-изомера диола УП,а с т.пл. 108-110. ПМР-спектр транс-диола Л1,а (в СС14): I,25(3H,c,CHg); 1,57-І,73(ЗН,м,СН,СН2); 1,81-2,03(2Н,м,СН20Н); 3,28(1Н,т,СН20Н); 3,83-(1Н,с,0Н); 3,49-3,91(4Н,м,СН20). Цис-изомер диола УП,а выделяли колоночной хроматографией по методу, описанному выше. Было получено 7,3 г (5/0 продукта с т. кип. І4І-І42(2 мм рт.ст.); Yijf 1,4859. . ПМР-спектр цис-диола УП,а (в CCI4): 1,29(ЗН,с,СН3); 1,56(ЗН, м,СН,СН2); 2,01(2Н,м,СН20Н); 3,69(411,м,СН20); 3,75(Ш,с,Ш20Н); 3,98(1Н,с,0Н). Физико-химические константы и ПМР-спектры изомеров У,б и УП,а хорошо согласуются с данными, приведенными в работе[99].
Аналогичные результаты были получены при взаимодействии ди-гидропирана 1,а с формальдегидом в присутствии катионообменной смолы КУ-2. Цис-диол УП,а был получен также встречным синтезом из цис- -бициклодекана У,б. К 33,6 г (0,2 моля) соединения У,б при интенсивном перемешивании прибавляли по каплям смесь 32 мл (0,3 моля) уксусного ангидрида и 0,03 мл (0,001 моля) концентрированной серной кислоты. Окраска жидкости изменялась от светло-желтой до темно-красной. Маїссішальная температура, которая достигается за счет саморазогревания, 32. Реакционную смесь нагревали ещё 1,5 часа на кипящей водяной бане, затем шщкость нейтрализовали бикарбонатом натрия. Неорганический осадок отфильтровали и отогнали непро-реагировавшие исходные вещества в вакууме водоструйного насоса. Остаток подвергали вакуумной ректификации. Получено 32 г (62$) пирана ХШ с т.кип. 202-208(10 мм рт.ст.); Пъ 1,4626;СЦ 1,0231. ЇШР-спектр пирана ХШ (в СС14): 1,33(ЗН,с,СН3); 1,98(6Н,с, СН30); 1,55-1,90(ЗН,м,СН,СН2); 3,53-4,20(6Н,м,СН20); 5,25(4Н,с, осн2о). К раствору 0,08 г (0,002 моля) натрия в 40 мл (0,99 моль) метанола прибавили 20 г (0,08 моля) соединения ХШ. Смесь нагревали на водяной бане, отгоняя при 57-70 смесь метилового эфира уксусной кислоты и метанола. Вязкий остаток нейтрализовали расчетным количеством уксусной кислоты и перегоняли в вакууме. Было получено 6,0 г (60$) цис-диола УП,а с т.кип. I4I-I42,5(4 мм рт.ст. ); 20 Пъ 1,4859. 3.3.2. Изучение состава побочных продуктов взаимодействия 4-метил-5,6-дигидро-сИ,-пирана (1,а) с шормальдегидом в присутствии серной кислоты С целью исследования побочных продуктов взаимодействия диги-дропирана I,а с формальдегидом в условиях реакции Принса отбирались фракции, выкипающие выше 142(2 мм рт.ст.). Хромато-масс-спектрометрический анализ проводили на приборе фирмы " FinnioaJt" модели 4021 со стеклянной капиллярной колонкой 50 м х 0,32 мі (фаза 6Е"5 S7L) в режиме линейного программирования температуры с 50 до 220 (5 град/мин). Температура в испарителе поддерживалась 280-300, в качестве газа-носителя использовали гелий . (I мл/мин). Время сканирования масс-спектра -I сек; энергия электронов 68-70 эв; ускоряющее напряжение 950 В; температура источника ионов 250; ток эмиссии 0,2-0,5 мА.
Сопряженная реакция Принса с участием 4-ме-тпл-5,6-дигвдро-0С-пирана.и 4-метилентетрагидропирана и алифатических альдегидов
В двухгорлую колбу, снабженную мешалкой и обратным холодильником загружали 0,34 моля дигидропирана 1,а, 0,34 моля алифатического кетона, 0,17 молей водного раствора формальдегида (35-37%) и 3,4 мл 96%-ной серной кислоты. Реакционную смесь кипятили при перемешивании в течение 3 часов. По охлаждении обрабатывали газообразным аммиаком (5-Ю мин), разделяли органическую и водную фазы, последнюю экстрагировали диэтиловым эфиром 3 х 50 мл. Эфирные вытяжки объединяли с органической фазой и сушили сульфатом магния. . После упаривания растворителя получали около 30 г продукта, который разбавляли гексаном 1:1 и в течение часа кипятили с металлическим натрием. Образовавшийся шлам отфильтровали, фильтрат встряхивали с раствором бисульфита натрия. Затем отделяли органическую фазу и и вторично осушали сульфатом магния. Продукты реакции выделяли колоночной хроматографией на окиси алюминия (по Брокману) элюирова-нием в последовательности гексан-хлороформ-ацетон. Целевые соединения - бициклодеканы ХІУ,а - практически полностью выделяются в смеси с гексаном или хлороформом. Чистоту продуктов реакции оценивали методом тонкослойной хроматографии на окиси алюминия, используя в качестве элюентов смеси хлороформ - гексан 4:1 или 2:1 и бензол - этанол 9:1. 3.7.2. Взаимодействие 4-метил-5,6-дигидро-о1-пирана (1,а) с метил- этилкетоном в условиях сопряженной реакции Принса под повышенным давлением В стальной автоклав (200 сиг), снабженный магнитной мешалкой, помещали 37,4 мл (0,34 моля) дигидропирана 1,а, 8,6 мл (0,34 моля) метилэтилкетона, 14,7 мл (0,17 моля) водного раствора формальдегида и 3,4 мл 96%-ной серной кислоты. Реакционную смесь нагревали при перемешивании в течение часа, поддерживая температуру 125. После обработки обычным образом (раздел 3.3.1) было получено 31,8 г вещества. В результате его фракционирования под вакуумом выделено 6,5 г (15$) дигидропиранола УШ,а с т.кип. 82,5-87 (5,5 мм рт.ст.); ЦП? 1,4825. ИК-спектр дигидропиранола УШ,а (тонкий слой)й: 950,1200 (С-О-С); 1590,1680(С=С); 3200-3400 см"1(ОН). Фракция с т.кип. 88-91,5(5,5 мм рт.ст.) закристаллизовалась при стоянии в течение суток при 5. Осадок перекристаллизовали -из" ацетона. Получено 3,1 г (10$) вещества с т.ил. 108-110. Его физи-зико-химические константы, а также результаты ГЖХ-анализа с ис- ИК-спектр записан на приборе UR -20 пользованием образца с заведомо известным строением позволили идентифицировать его как транс-диол УП,а. 3.7.3. Изучение влияния условий проведения реакции на выход продуктов взаимодействия метил-б.б-дигидро-оС-пирана (1,а) с метилэтилкетоном В стеклянную ампулу помещали расчетные количества дигидропи-рана (1,а), метилэтилкетона, водного раствора формальдегида и серной кислоты. Необходимую температуру поддерживали с помощью термостата, снабженного встряхивающим устройством. По истечении определенного промежутка времени ампулу охлаждали и нейтрализовали катализатор газообразным аммиаком.
Уротропин, образующийся при взаимодействии шормальдеггща с аммиаком, отфильтровывали и отбрасывали. Состав реакционной смеси исследовали методом ГЕХ, используя в качестве "внутреннего" эталона глицерин. ГЕХ-анализы проводили на приборе ЛХМ-8 ВД с пламенно-ионизационным детектором в режиме программирования температуры от 160 до 220 (6 град/мин). Скорость диаграмной ленты составляла 600 мм/ч, Б качестве неподвижной жидкой фазы использовали силиконовый эластомер ХЕ-60 (5% масс.) на хромат он е W-AW-HMDS (ФР 0Д6-0,25 мм). Скорость подачи газа-носителя (азот) составляла 30 мл/ мин. Температура в блоке испарителя 275, в блоке детекторов -180. Анализы проводили на колонках из нержавеющей стали размером 2000 х 3 мм. выводы 1. Исследованы некоторые аспекты реакции Принса применительно к циклическим ненасыщенным эфирам - кинетика, стереохимия, основные продукты и их равновесные превращения, влияние структурных факторов. 2. Установлено, что при конденсации 4-метил-5,6-дигидро-Обпирана с формальдегидом в водном растворе независимо от концентрации последнего с аномально высоким выходом образуется соответствующий диол в виде смеси цис- транс-изомеров. Замена формальдегида на ацетальдегид, гетероатома в пирановом цикле и варьирование заместителя при двойной связи приводит к продуктам I,3-диоксановой структуры. Аномальное поведение пирана в реакции Принса обусловлено сдвигом равновесия в системе транс-1,3-диоксан - 1,3-диол в сторо- ну последнего в условиях термодинамического контроля. 3. Показано, что изучаемая реакция имеет первый порядок по олеюину, а по формальдегиду порядок меняется от первого до второго с увеличением концентрации формальдегида в растворе. Это объясняется участием в реакции наряду с метиленгликолем его олигомерных форм. 4. Соконденсацией 4-метил-5,6-дигидро- (Х-пирана с формальдегидом и его алифатическими гомологами синтезированы цис- и трансизомеры 2-алкилзамещенных I,3-дпоксановых структур. Впервые установлено изменение стереохимического результата реакции Принса в зависимости от объема заместителя при альдегидной группе. 5. Установлено, что конденсация 4-метилентетрагидропирана с формальдегидом приводит к образованию спиропиранодиоксана в присутствии кислого катализатора и ненасыщенного спирта в его отсутствии. При замене формальдегида на ацетальдегид наряду с 1,3-диок-сановыми структурами образуются и пиранолы. Аналогичные результаты получены при соконденсации 4-метилентетрагидропирана с формальдегидом и его гомологами. 6. Впервые показана возможность вовлечения в реакцию Принса алифатических кетонов на примере взаимодействия 4-метил-5,6-ди-гидро-(Х-пирана с формальдегидом и гомологами ацетона; в результате реакции получаются цис- и транс-изомеры 2,2-диалкЕлзамещен-ных I,3-диоксанов.
