Введение к работе
гАЛЬНОСТЬ ТЕШ. Интенсивное развитие химии и технологии (содержащих соединений привело к созданию новых химических іриалов, уникальных по теплофизическим и диэлектрическим іствам, обладающих высокой термо- и морозостойкостью. В оящее время промышленные фторсодержащие соединения включают >шое количество фторопластов, каучуков, масел, смазок, ipxHocTHo-активных веществ, медицинских препаратов, средств [ты растений . Интерес исследователей к химии ортоэфиров вызван жими возможностями их практического применения, высокой [ционноЛ способностью и доступностью их синтеза на основе 'ехимического сырья . Создание на их основе удобных методов ?езэ ценных органических соединений представляется важной
1ЧЄЙ.
Рост числа публикаций по химии ортоэфиров не затронул, то, вопросов синтеза и гемолитических превращений фторсодержа-ортоэфиров. Поэтому комплексное изучение методов синтеза и шітических превращений этого класса соединений, направленное установление количественных закономерностей и определение их гетической ценности, представляется актуальной задачей, имеющей галько научный, но и'практический іштерес.
Настоящая работа выполнена в соответствии с координационным юм научно-исследовательских работ по направлению "Синтети-сая органическая химия (тонкий органический синтез)" П.2.Н.2.4. [986-1990 гг., а также планом КНТП "Реактив", выполняемой в гветствин с постановлением ГКНТ СССР от 30.10.85. № 555. э РАБОТЫ. Целью настоящей работы явилась разработка методов
4 синтеза линейных и циклических фторсодержащих ортоэфиров,изу их строения, определение активности в реакции отрыва атома водорода, строения и селективности образования радикалов, ге: руемых из фторосодержащих ортоэфиров, а также направлений их нейших гемолитических превращений.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. Впервые проведено систематическое иа дование радикальных реакций фторсодержащих ортоэфиров карбоні кислот. Методом ЭПР, в технике спиновых ловушек изучено стро< радикалов, генерируемых из этих соединений, определены абсолі константы скорости отрыва атома водорода под действием цикло-гексилоксильных радикалов. Определена реакционная способності фторсодержащих ортоэфиров в реакции отрыва атома водорода трет.-Оутоксильными радикалами. Идентифицированы продукты и г- оделены скорости гемолитических превращений фторсодержащиз ортоэфиров, инициированных дитретбутилпероксидом, выявлены специфические особенности механизма их радикьлыюй фрагментаї ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Разработаны методы получения Фторсодержащих ортоэфиров линейного и циклического строения, также фторированных карбонатов, являющихся продуктами их гемолитических превращений . Разработанные способы положены в основу семи лабораторных методик синтеза фторсодержащих ортоэфиров и карбонатов, квалификация которых'отвечает требования предъявляемым к химическим реактивам.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты диссертационной работы докладыва на Всероссийской студенческой конференции "Химия и технология химических реактивов" (Уфа, 1Э88), III Всесоюзном совещании п химическим реактивам " Состояние и перспективы развития
5 этимента химических реактивов для важнейших отраслей народного їства и научных исследований" (Ашхабад, 1989), Всесоюзном цании "Кислородсодержащие гетероциклы" (Краснодар, 1990), зесоюзном совещании по химическим реактивам (Ташкент, 1990). ЖАІЩИ. По теме диссертации опубликовано три статьи и 9 те-з докладов.
Л РАБОТЫ. Диссертация изложена на 126 страницах машинописного га и состоит из введения, обзора литературы, обсуждения льтатов, экспериментальной части и выводов. Работа содержит 10 яков, 12 таблиц, 120 литературных ссылок.
Р ЛШ'ЕГУГУРН. Рассмотрены и обсуждены методы получения эфиров карбонових ішслот, их превращения с гемолитическим разрывом и.
I. Синтез фторсодержащих ортоэфиров Ряд линейных фторсодержащих ортоэфиров получен из и>-тригндроперфторалканолов и триалкилортоформиатов:
С2Н5)3 + H(CF2)nCH2QH * H0(0C2H5)3_m(CH2(CP2)nH)m + C2Hg0H
n=2,4; m=1,2
ютно-катализируемчя переэтерификация триалкилортоформиатов
юлит, к продуктам частичного замещения - несимметричным орто-
іам. Ортоэфиры, включающие один или два фторалкильных фрагмен-
іакапливаются в реакционной смеси параллельно. .Установлено, что
>0ным способом невозможно получить фторсодержащие ортоэфиры
іетричного строения. Последние были получены взаимодействием
.ш-тригидроперфторалканолов с хлороформом в присутствии щелочи
:нсі3 + зн(ср2)псн2он + зкон — нс(0сн2(ск2)пН)3 + зксі +
п= 2,4. + НрО
Ряд циклических фторсодераащих ортоэфиров получен методом конденсации триалкилортоформиатов с 1,2-диолами'с последущей переэтерификацией образующихся 2-алкокси-1,3-диоксацикланов а, о, оьтригидроперфторалканолами.
fj + н(ОР2)гасн2он ;=. П +2 02Н50Н
їґ\)0?и5 H'XlCHg^yi
n=0,1; m=2,4 В ряду использованных катализаторов наилучшие результати достигнуты с пара-толуолсульфокислотой.
Строение синтезированных соединений подтверадено методами
т тч спектроскопии ЯМР Н, С. Физико-химические характеристики фтор-
содержащих ортоафиров приведены в таблице I.
2. Строение и селективность образования радикалов,
генерируемых из фторсодержащих ортоэфиров.
На первом этапе изучения гемолитических превращений фторсодержащих ортоэфиров осуществлено определение строения и селективности образования радикалов, генерируемых из этих соединений под действием свободнорадикального инициатора. Строение радикалов определялось методом спектроскопии ЭПР в- технике спиновых ловушек в'системах, содержащих инициатор, нитрозосоединение (спиновая ловушка) и фторсодержащий ортоэфир в инертном растворителе в отсутствии кислорода.
Система І. В экспериментах использовали систему! содержащую инициатор - пероксид третичного бутила (ПТБ), фторсодержащий
ортоэфир (АН) и спиновую ловушку (нитрозодурол) . При Уї>-фотолизе в резонаторе спектрометра бензольного раствора ПТБ и AFH в присутствии спин-ловушки по двойной N=0 связи нитрозодурола
Таблица 1 Физико-химические константы синтезированных ортоэфиров
p присоединяется радикал А , образующийся вследствие атаки молекз
субстрата трет-бутоксильными радикалами
ЦСНз)3С0]2--^» 2(СН3)3С0
(СН3)3С0 + AFH AF + (СН3)3С0Н
0=N Wl-AF
A + H30>sJkj-^% НЗаЧ^г'СН3
ЭПР-спектры спин-аддуктов В представляют собой триплет с
соотношением интенсивностей 1:1:1 компонент, образование которс обусловлено взаимодействием неспаренного электрона со спином яд N. Ыультиплетность спектра зависит от структуры образующегося спин-вддукта.
Эксперименты в данной системе показали, что из фторсодержг л"чейных ортоэфиров симметричного строения образуются только тр фторалкоксиалкильше,радикалы, а для фторсодержащих линейных ор эфиров несимметричного строения характерно образование двух тип углеродцентрированных радикалов - триалкоксиалкильного Aj и моноалкоксиалкильного к% ( табл. 2).
Из шестичленного гетероцикла X генерируется спин-аддукт 1,3-диоксан-2-ильного радикала Aj (триплет), и спин-аддукт рада кала А2 ( триплет дублетов, табл. 2).
Спектры ЭПР, записанные в присутствии 2-фторалкокси-1,3-ди оксолана и нитрозодурола представляют собой сумму трех спектров (рис. І). В результате отрыва атома водорода из второго положен даоксоланового цикла образуется спин-аддукт 1,3-диоксолан-2-ильиого радикала Aj о константой СТВ=12.95 Гс, а при отрыве и 4-го положения диоксолаяового цикла образуется спин-аддукт ради
Параметры спектров упр сшш-аддуктов радикалов, генерируемых из фторсодержапдах ортоэдмров (АН) в присутствии нитрозодурола (или 2-метил-2-нитрозопропана), Т=20 С, Оензол.
IQ кала OCH-CHgOCHOCHgtCFgJjjH с константой СТВ 6.1 Гс. Наличие в
спектре триплета дублетов с константой по водородам 2.3 Гс позволило сделать предположение о взаимодействии между є-водородом ме-тиленовой группы фторалкоксильного фрагмента и неспаренным электроном, частично локализованным на атоме кислорода нитрозогруппы по механизму водородной связи. В пользу этого говорит то, что рассчитанная по методу атом-атомных потенциалов пространственная структура названного спин-адцукта включает в себя шестичленний цикл, в котором расстояние между атомом кислорода нитрозогруппы и s-протоном метиленовой группы фторалкоксильного фрагмента 'составляет порядка 2.5 А, что характерно для водородной связи.
а возникающие радикалы AF быстро присоединяются к 2-метил-2-нитро
Система 2. Промежуточные парамагнитные частицы, образующиеся при фотохимическом разложении пероксида третичного бутила в бензольном растворе фторсодержащих ортоэфиров.фиксировали, используя в качестве спиновой ловушки 2-метил-2-нитрозопропан. Трет.-бутоксильные радикалы отрывают атомы водорода от субстрата, а возникаю зопропану:
[(СН3)3С0]2 -^ 2(СН3)3с6
(СНз^сб + AFH AF + (СНз)3С0Н
AF + 0=Н-С(СНз)3 AF-N-C(CH3)3
О*
Также .как и в случае нитрозодурола, спектры ЭПР сгаш-адцуктов В представляют собой триплет с соотношением интенсивностей компонент 1:1:1, образование которого обусловлено взаимодействиек неспаренного электрона со спином ядра N . Сверхтонкая структург
Рис.*.Спектра ЭПР спин-адлукто» радикалов, генерируемых «а 2-окта фторпвнтокси-І.З-дзоксоланз в присутствии нитрозолурола: а) экспериментальный спектр (бензол, 20 С)
сплн-адлукт радикала А,
сгоія-зллукт радикала А2
спин-адлукт радикала A-j
0) теоретпческпз спектр, полученный на ЭБЦ.
і; компонент зависит от наличия парамагнитных ядер в р-положени радикальному центру (табл.2).
Таким образом, регистрация промежуточных парамагнитных частиц, образующихся при фотохимическом разложении пероксида третичного бутила в бензольном растворе фторсодержащих ортоэф в присутствии двух различных спиновых ловушек, отличащихся сі ростью присоединения радикалов, генерируемых в системе, поаво. сделать вывод о том, что в изученных условиях направление атаї субстратов (ІІ-Х) кислородцентрированными радикалами остается неизменным.
Правильность расшифровки спектров ЭПР подтверждена синте: теоретических спектров с помощью программы симуляции спектров спин-аддуктов (рис. 1).
3. Активность фторсодержащих ортоэфиров в реакции отрыва атома водорода циклогексилоксильным радикалом,
На следующем этапе изучения гемолитических превращений фторсодержащих ортоэфиров осуществлена оценка активности связє С-Н этих соединений по отношению к циклогексилоксильному радикалу.
Известно, что в системе содержащей дициклогексилпероксі
дикарбонат (ДТШК), тритретбутилфенол (РпОН) и донор атома
водорода (АХН), в инертном растворителе (бензол) в отсутствии
кислорода термолиз ДЦПК приводит к следующим превращениям:
ДЦПК R0* + продукты ^wm^»
R0« . Г» + ПРОДУКТЫ (Йщ),
RO* + РЮН —— VW + ROH (ft,), НО' + ГпО* —» продукта (ftg), г» + РЬО* — продукты (/).
RO* + АН » к* + ROH
A* + PhO* » продукты
R - цикло-CgHyO, Ph =
Термолиз смеси в резонаторе спектрометра ЭПР приводит < распаду ДЦПК с образованием циклогексилоксильных радикалов, юторые расходуются в реакции мономолекулярного распада с образованием неактивных алкильных радикалов (^), в реакциях )брыва (ftg.ftg), а также в реакции отрыва водорода от PhOH (ftj) с образованием стабильных три-трет.буті;лфеноксильннх радикалов (PhO*) и отрыва водорода от донора А*Н (й4). СЗкорость накопления в образце регистрируемых ЭПР- спектрометром радикалов PhO' (Wpjjg.) іависит от концентрации донора водорода А% и его активности. Зная сритическую концентрацию три-трет.бутилфенола в данных условиях ^hOHljjp константу отрыва атома водорода от А?Н (ft4) определяли сак угловой коэффициент линейной зависимости параметра Ф от АН
[рис. 2).
%i0*
» ." 1 "У . й tAHHPh0HV . tPh0HlKp ' + wPhO« " 5 kn IPhOHJ + ТРНЖТ
Значения констант отрыва атома водорода от некоторых фторсо-[ержащих ортоэфиров приведены в таблице 3. Данные свидетельствуют [то активность фторсодержащих ортоэфиров в реакция отрыва ілкоксильннм радикалом при 50 С значительно ниже , чем активность іх углеводородных аналогов. Это объясняется двумя причинами: ю-первых, связи С-Н алкоксилышх фрагментов фторсодержащих
I Рис. 2 Зависимость параметра Ф от концентрации донора водорода tAFH) { HC(0C2H5)2(0CH2CF2CF2CF2CF2H). 1ДЦПК]=2,2 10~3 моль/л, [РпОШ= 4,8 Ю~2>
Ф
0.2
0.1
о.1 0.2 *ьСАу,,лА
Таблица 3.
Абсолютные константы скорости отрыва атома водорода
от субстратов АН циклогексилоксильным радикалом
(бензол, 50 С). AFH + R0* AF + ROH
"оэфиров малоактивны по отношению к алкоксилышм радикалам, и,
-вторых, наличие атомов фтора в алкоксильных фрагментах
оэфиров снижает электронную плотность на атомах кислорода и
сим образом ухудшает условия стабилизации образующихся радика-
). Наличие при ортоэфирном углероде алкоксильного заместителя,
Юилизирующего своим индуктивным эффектом генерируемый
галкоксиалкилышй радикал, приводит к увеличению константы
>рости отрыва водорода от фторсодержащего ортоэфира в 2-3 раза.
4. Гомолитические превращения фторсодержащих ортоэфиров
лішейного строения.
Исследования методом ГЖХ и ГЖ-хроматомасспектрометрии
сазали, что основными продуктами гомолитических превращений
фсодержащих ортоэфиров симметричного строения инициированных
грет-бутилпероксидом, в диапазоне температур 120-150 С являются
р )Т. бутанол, ацетон, дифторалкилкарбонаты (К Н) и фторалканы
0CH,(CFP)nH 0CH,(CP9)nH Н(С79)_СН90
юсн2(ср2)пн —.с^осн2(ср2)пн „т ){Ш- ,о-о
0CH2(CF2)nH 0CH2(CF2)nH H(CF2)nCH20
П = 2,4
В специальных экспериментах было установлено, что в
зутствии инициатора термических превращений AFH в изученном гервале температур не происходит. Начальные скорости накопления эбонатов линейно возрастают о ростом концентрации субстратов и 3 что говорит об участии одной молекулы А*Н в лимитирующей стадии экции (рис. 3).
Специфические особенности строения фторсодержащих ортоэфиров, геодящие к отличиям в прочности связей с-Н и активности герируемых из них радикалов, являются причиной отличий
16 Рис. 3. Зависимость начальной скорости накопления диокта-фторпентилкарбоната (I), дитетрафторпропилкарбоната (?) от концентрации субстрата 1,11, Т=1300, 4[AFH]= 2,0 м/л, бензол.
механизма гомолитических превращений этих соединений по сравнению с механизмом реакций их углеводородных аналогов. Кислород- и углеродцентрированные радикалы атакуют активные С-Н связи, смежные с тремя гетероатомами; образующиеся при этом триалкоксиалкильные радикалы претерпевают -элиминирование, что приводит к образованию дифторалкилкарбонвтов и фторалкильных радикалов. Последние продолжают цепь или рекомбинируют с образованием молекулярных продуктов.
Процесс радикальных превращений несимметричных ортоэфиров в жидкой фазе изучен на примере ортоэфиров (III-VI), содержащих в молекуле наряду с а,а,ш-тригидроперфторалкоксильными этоксильны фрагменты (табл. I).
' Так, в результате превращений соединений (III.V), через стад образования соотвествующего триалкоксиалкильного радикала, параллельно накапливаются симметричный и несимметричный карбонаты (рис.4).
C+jy* *
С мин
»о
T,fAVM
Рис. 4. Кинетические кривые накопления карбонатов
(Н(СР2)4СН2)2С=0 (1) и EjCC^OC (0)00
Н3ССН2ОС(0)00(CF2)2H W И (Н(С?2)2СН2)2С=0 (3),
обрааующихся в результате превращений III в присутствии
[НТВ1=0.5 м/л при 130 С в среде бензола,
[Ш)=т=г.о м/л
Рис. 5 Кинетические кривые накопления карбонатов
Н3ССН20С(0)0СН2(СР2)4Н (1), (С2Н50)2С=0 (2), образующихся в результате превращений (VI);
^0^00(0)00 (0)^ О) и (С2Н50)2С=0 (4).
образующихся в результате (IV) в присутствии
[ПТБ]=0.5 м/л при 130 С в среде бензола,
CIII]=[V1=2.0 м/л
^OOHgtCF^H ,,/00 (^11 ^НзССН2О0(0)ОСН2(0Р2: HC-OCH2(0P2)nH 2^» C-0CH2(CF2)nH -<^
4)0^0 NWHgCHg ^^(H(0F2)n0H2O>2C=O n= 2,4 Несимметричный карбонат накапливается — в 1,5 раза 6hgtj чем дифторалкоксикарбонат, но с учетом статистических факторов очевидно, что отщепление этильной и фторалкильной групп из первичного радикала (H(CF2)4CH20)2C0CH2CH3 протекав близкими скоростями.
Ортоэфиры (IV,VI), содержащие по 2 этоксильных фрагмент же образует два продукта - несимметричный карбонат и диэтилк бонат (рис.5) OCH2
НС-ОСН2СН3 -^l^'C-OCHgCHg '"OOHgCHg NiCHgCHg ^^ (НзССН20)2С=0 П - 2,4 Судя по выходу образующихся продуктов потеря этильной и фторалкоксильной групп радикалом C(0GH2(CP2)4H)<0GH2CH3)2 равновероятна. Таким образом, триалкоксиалкильные радикалы, образующие* процессе гемолитических превращений несимметричных фторсодерз ортоэфиров примерно с равной вероятностью фрагментируют с ра: одной или двух связей С-Н в положении к радикальному центру. 5. Гемолитические превращения фторсодержащих ортоэфиров циклического строения. Установлено; что радикальные превращения 2-фторялкокси-] диоксацикланов в линейные (LH) и циклические (КН) карбонаты і присутствии пероксвда трет.-бутила при 130-150 С является оС щей для пяти- и шестичленних фторсодержащих диоксацикланов. Сб^ П + снз(СН2>по!]осн2* Y 7 Y n=0,1; Rp= (CF2)2H, (CP2)4H В отсутствіпі инициатора в изученных условиях образования гтстов изомеризации не происходит. При изучении кинетики тления продуктов фрагментации 2-фторажокси-1,3-даоксацикланов установлено, что начальные скорости образования карбонатоз іно зависят от концентрацгаї субстрата и ПТБ , что характерно задпкальных не цепных реакций. Судя по продуктам реакции, в случае 2-фторалкокси-1,3-диок- юд-водородным связям С -Н. Полученные результаты обосновывают слэнов атака радикалом инициатора реализуется в основном по о юд-водородным связям С -Н. Полученные ] гвдип механизм радикальных превращений: CH2(CH2)no!JoCH2RF (L) "^=0 + CHgR1" (A|) L, A| + A*H —*— R^CHg, LH + A} A^, a| продукты рекомбинации коксиалкилыше радикалы*А1 , образущиеся под действием Ви О* іультате гомолиза С -Н связи, фрагментируют с образованием 20 циклических и линейных карбонатов. Предпочтительность каналов реакции 2а и 26 зависит от прочности разрываемой эндо- и экзоцик-лической С -0 и С4-0 углерод-кислородных связей. Результаты кинетических исследований (табл. 4) показывают, что предпочтительность образования циклического карбоната по сравнению с линейным является особенностью гомолитических превращений 2-фторалкокси-1,3-диоксоланов (VII,VIII) . В аналогичных условиях при фрагментации углеводородных аналогов - 2-алкокси-1,3-диоксоланов - циклический и линейный карбонаты накапливаются приблизительно поровну. Соотношение линейной и циклической форм карбонатов в свобод-норадикальшх превращениях шестичленних гетероциклов изменяется п сравнению с 2-фторалкокси-1,3-диоксоланами. Так, если для соединений VII,VIII характерно преимущественное накопление циклическог карбоната, то в случав 2-фторалкокси-1,3- диоксанов (IX,X) линейные и циклические карбонаты образуются приблизительно поровну. 6. Пути практического использования полученных результатов. Полученные результаты показывают, что использование гомолитических превращений линейных и циклических фторсодержащих ортоэфиров позволяет синтезировать линейные фторсодержащие карбонаты в ряде случаев труднодоступные другими способами. Предложенные способы легко осуществимы, поскольку исходными продуктами являются распространенные ортоформиаты и перекись трет.-бутила. ВЫВОДЫ I. Впервые синтезированы фторсодержащие эфиры ортокарбоновых кислот линейного и циклического строения и проведено систематическое, исследование их радикальных превращений. Таблица 4 Начальные скорости образования продуктов гомолитического превращения 2-фторапкокси-І,3-диоксаіг'кланов ШТБ1=0,5 моль/л, бензол UrN3CIl,(CP9)oH UrS)CH?(CFp)4H Данный аитгрлТури Методом Э1ЕР изучено строение радикалов, возникающих при фотолізе пероксида третичного бутила в среде линейных' фторсодержащих орто&фиров. Оппеделены константы сверхтонкого взаимодействия для спин-аддуктов радикалов,генерируемых из фторсодержащих линейных ортоэфиров симметричного и несимметричного" строения с штрозоду-ролом и 2-метил-2-нитрозопропаном. Установлено, что циклические фторсодеркащие ортоэфиры под действием трет.Сутоксильных радикалов образуют два типа углерод-центрированных радикалов. В спин-аддуктах 2-фторалкокси-1,3-да-оксан-2-ильного радикалов обнаружено образование водородной связи между є-водородом метиленовой группы фторалкоксильного фрагмента и атомом кислорода нитрозогрушш. Установлено, что отрыв атома водорода от молекулы фтороодвр-жащего ортоэфира циклогексилоксильным радикалом происходит в 7-Ю раз медленнее, чем в случае углеводородных аналогов. Определены парциальные константы скорости реакции отрыва атома водорода от ОН-овяаей фторсодержащих ортоэфиров. 5.' Установлено, что в результате свободнорадикальных превращений линейных фторсодержащих ортозфиров симметричного строения в инертн среде образуется соответствующие дифторалкилкарбонаты. Фторсодер-ікащие ортоэфиры проявляют меньшую по сравнению с углеводородными аналогами активность в гомолитической фрагментации. Процесс протекает по нецепному механизму. Лимитирующей стадией процесса является отрыв атома от молекулы, ортоэфиров. 6. Установлено,что в результате превращений линейных фторсодержащих ортоэфиров несимметричного строения параллельно накапливаются симметричный и несимметричный карбонат^ Триалкоксиалкилыше радикалы, образующиеся в процессе гомолитических превращений шсимметричных фторсодержащих ортоэфиров примерно с равной юроятностью фрагментируют с разрывом одной или двух связей С-Н в голожении к радикальному центру, '. Радикальные превращения циклических фторсодержащих ортоэфиров протекают с промежуточным образованием 2-фторалкокси-1,3-диок- :ан-2-ильного радикалов, фрагментация которых приводит к накоп- ганию циклических и линейных карбонатов. Установлено, что для !-фторалкокси-1,3-диоксоланов характерно преимущественное накоп- юние циклического карбоната. 3. На основании проведенных исследований разработаны лаборатор- ше методики получения семи новых химических реактивов.
Похожие диссертации на Получение и гомолитические превращения фторсодержащих ортоэфиров