Содержание к диссертации
Введение
Обзор литературы 7
Общие принципы и преимущества метода межфазного катализа
Типы межфазных катализаторов 12
Синтез 4-галоидметил-1,3-диоксоланов и реакции нуклеофильного замещения на их основе
Признаки биоповреждений 29
Результаты и обсуждение 42
Синтез вторичных и третичных аминов, содержащих диоксолановое кольцо
Синтез четвертичных солей аммония, содержащих один или два циклоацетальных фрагмента
Некоторые области практического применения синтезированных третичных аминов и четвертичных солей аммония, содержащих циклоацетальный фрагмент
Прогноз свойств некоторых соединений 84
Экспериментальная часть 87
Синтез и подготовка исходных материалов 87
Методика синтеза 4-хлорметил-1,3 -диоксолана 87
3 Методика синтеза а-нафтил(4-метилен-1,3-диоксоланил) амина
4 Методика синтеза дибензил-(4-метилен-1,3-диоксоланил)аммонийхлорида
5 Методика получения дибензил(4-метилен-1,3-диоксоланил)амина
6 Методика определения количественных закономерностей гексил (4-метилен-1,3-ДИОксоланил)амина
7 Методика получения мясо-пептонного агара 92
8 Методика получения мясо-пептонный бульона 92 Выводы 107 Список литературы
- Типы межфазных катализаторов
- Признаки биоповреждений
- Синтез четвертичных солей аммония, содержащих один или два циклоацетальных фрагмента
- Методика синтеза дибензил-(4-метилен-1,3-диоксоланил)аммонийхлорида
Введение к работе
Актуальность работы.
Прогресс органического синтеза во многом связан с разработкой и созданием новых селективных методов получения на основе дешевых и доступных продуктов. Среди различных классов органических соединений, привлекающих в последние пристальное внимание, одно из ведущих мест занимают циклические ацетали. Это связано с тем, что циклоацетальный фрагмент присутствует в широкой гамме органических реагентов, обладающих биологической, физиологической активностью и широко используемых в тонком органическом синтезе.
Анализ литературных данных показывает, что сведения о превращениях 4-хлорметил-1,3-диоксоциклоалканов, получение на их основе вторичных и третичных аминов, а так же четвертичных солей аммония, содержащих один или два диоксолановых кольца, а также свойства вышеперечисленных соединений противоречивы. В связи с этим существенный теоретический и прикладной интерес представляет разработка методов синтеза азотсодержащих циклических ацеталей, а также четвертичных солей аммония, содержащих циклоацетальный фрагмент.
Представляет интерес и поиск различных областей применения азотосодержащих циклических ацеталей, а также четвертичных солей аммония, полученных на их основе. Многие четвертичные соли аммония обладают выраженной способностью переноса различных анионов из водной фазы в органическую. При этом они значительно дешевле самых распространенных из коммерчески доступных краун-эфиров: 18 - краун - 6, дибензо -18-краун -6, 15 - краун -5.
Азотсодержащие производные 4-хлорметил-1,3-диоксолана обладают совокупностью ценных свойств и находят применение в качестве
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору Ягафаровой Г.Г. за неоценимую помощь в работе. эффективных ингибиторов, антиоксидантов, поверхностно-активных веществ, интермедиатов в синтезе биологически активных препаратов, флотореагентов, полупродуктов в органическом синтезе. Многие четвертичные соли аммония обладают выраженной способностью переноса различных анионов из водной фазы в органическую. Практическая ценность этих соединений определяет возрастающий интерес к теоретическим и прикладным проблемам химии циклических ацеталей. Поэтому развитие методов синтеза замещенных циклических ацеталей, получение на их основе функционально замещенных реагентов является важной актуальной задачей органической химии.
Заслуживает интереса и другая сфера применения азотсодержащих производных 4-хлорметил-1,3-диоксолана - защита древесины от биоповреждений. В настоящее время потребность промышленности в антисептиках для пиломатериалов удовлетворяется лишь частично, так как в стране их многотоннажное производство освоено лишь в узком ассортименте, а имеющийся дефицит восполняется дорогостоящими импортными аналогами. Поэтому наращивание промышленного производства ингибиторов на основе дешевого и доступного сырья, в частности циклических ацеталей, имеет важное значение.
Цель работы.
Синтез новых азотсодержащих производных 4-хлорметил-1,3-диоксолана, подбор условий (катализатор, растворитель, основание, температура), обеспечивающих высокие выходы вторичных и третичных аминов, а также четвертичных солей аммония; определение биологической активности полученных соединений для защиты древесины от биоповреждений.
Научная новизна работы.
Разработан удобный метод синтеза вторичных и третичных аминов, четвертичных солей аммония на основе 4-хлорметил-1,3-диоксолана, содержащих один или два циклоацетальных фрагмента, в условиях межфазного катализа. Определены оптимальные условия их синтеза. Предложена новая область применения полученных соединений - в качестве антисептиков для древесины. Впервые изучена биоцидность аминов на основе 4-хлорметил-1,3-диоксолана, позволяющая создавать новые антисептики. Впервые для поиска новых антисептиков и прогноза их свойств использована система компьютерного скрининга «SARD», которая показала свою эффективность.
Практическая ценность.
Выявлена новая область применения азотсодержащих циклических ацеталей на основе 4-хлорметил-1,3-диоксолана - антисептики для древесины. Разработан и запатентован антисептический препарат, включающий бензил(4-метилен-1,3-диоксоланил)амин. Результаты работы используются в учебном процессе для специальности 208, 201 (охрана окружающей среды и рациональное природных ресурсов), при чтении лекций по курсу экологическая биотехнология. Изучено влияние радикала на биоцидность полученных аминов и четвертичных солей аммония на основе 4-хлорметил-1,3-диоксолана.
Типы межфазных катализаторов
Многие четвертичные соли аммония, фосфония и арсония обладают выраженной способностью переноса различных анионов из водной фазы в органическую. Наибольшее распространение, вследствие дешевизны, доступности и простоты приготовления, получили соли тетраалкиламмония. К числу наиболее часто используемых на практике четвертичных солей этого типа относятся хлорид, бромид и гидросульфат тетрабутиламмония, хлориды триэтилбензиламмония (ТЭБАХ), триоктилметиламмония (коммерческое название (Aliquat 336), триалкил (Cg - Сю) метиламмония (Adogen 464) и трибутилбензиламмония. Четвертичные соли фосфония и токсичные арсониевые соли используются реже, главным образом, при изучении сравнительной активности межфазных катализаторов.
Недостатком четвертичных аммониевых солей является их относительно низкая термическая и химическая стабильность в присутствии щелочей, обусловленная склонностью к гоффмановскому элиминированию [6, 7].
Открытие Педерсеном комплексообразующих и сольватирующих свойств макроциклических полиэфиров (краун-эфиров) являются одним из важнейших достижений органической химии последних лет. Уникальные свойства этих соединений - специфическое комплексообразование с солями металлов и другими ионными и нейтральными органическими и неорганическими молекулами, способность переноса ионных реагентов из водной или твердой фазы в органическую, солюбилизация последних в неполярной среде и активация катионов. Результаты многочисленных работ в этой области обобщены в ряде статей и обзорах [9, 10, 29].
Наибольшее распространение в практике МФК получили следующие катализаторы: 18 - краун - 6, дибензо - 18 - краун -6, дициклогексил - 18 фаун -б и 15 - краун -5. Особый интерес для МФК представляют комплексы краун-эфиров с ионами натрия и калия, поскольку соли этих металлов являются наиболее распространенными ионными реагентами. Для комплесообразования с ионами К+ больше подходит 18-членные макроциклы, диаметр полости которых (2,6 ... 3,2 А) соответствуют диаметру иона калия (2,6бА). 15-членные краун-эфиры образуют наиболее стабильные комплексы с ионами Na . Образование липофильной краун-эфирной оболочки вокруг катиона щелочного металла позволяет растворять органические и неорганические соли в неполярной среде. При этом анион возникающей ионной пары обладает более высокой реакционной способностью за счет уменьшения катион-анионого взаимодействия . Этот эффект проявляется и в случаях, когда неорганическая соль растворима, то есть при использовании полярных апротонных растворителей [22].
В отличие от четвертичных ониевых солей краун-эфиры термически и химически стабильны, их применение ограничивается, главным образом, сложностью синтеза и высокой стоимостью. Даже самые распространенные из коммерчески доступных краун-эфиров (18 - краун - 6, дибензо -18-краун -6, 15 -краун -5) в 50 -100 раз дороже тетраалкиламмониевых солей [17, 20].
Известны случаи применения в качестве межфазных катализаторов полиэфиров с открытой цепью, нейтральных разветвленных молекул на основе бензола или 1,3,5 - триазина, полиаминов, P,S - оксидов [10, 11].
Достоинством последних систем является возможность их количественного удаления из органической среды по окончании реакции путём введения иммобилизированного на силикагеле диенофила (триазолиндиона) с последующей фильтрацией.
Способностью к межфазному переносу обладают также циклические фосфониевые и арсониевые соли:
Синтезированы четвертичные аммониевые основания на основе 4-хлорметил -1,3- диоксолана. Кватернизация третичных аминов протекает успешно в различных растворителях: ацетон, ацетонитрил, толулол, бензол, о-дихлорбензол [32,48].
Известно, что галоидметил-1,3-диоксоланы могут быть легко получены из промышленно доступного эпихлогидрина. Этим определяется интерес к введению циюіоацетального фрагмента в сложные органические молекулы с использованием этих реагентов.
Эти предложения находят подтверждение в большинстве исследований в данной области [15, 25].
В литературе имеется несколько публикаций, в которых сообщается об алкилировании неактивированной NH-связи в присутствии четвертичных аммониевых катализаторов. В присутствии водных растворов гидро-ксила калия или натрия были проалкилированы 1,3-дихлоркарбеном-2 и бензилхлоридом различные ароматические амины. При использовании в качестве катализаторов специальных четвертичных аммониевых хлоридов или ТЭБА выходы были в 2-3 раза выше [38, 52].
Также успешно было проведено циклическое бис-алкилирование первичных аминов в смеси растворителей хлороформ / этанол / вода в присутствии бензилтриаммонийметоксида. Выходы достигали 65...90%.
Возможность для эффективного применения МФК для N алкилирования гетероциклов (пиррола, индола) впервые была показана Макошей [1]. Указанные гетероциклы реагируют с ал кил- или бензилгалогенидами в присутствии 50% водного NaOH и ТЭБА и с хорошим выходом дают почти исключительно продукты N-алкилирования. Реакции интенсифицируются добавкой небольшого количества ДМСО [15]: Выход продукта составляет 80 - 88%. На основе 4-хлорметил-1,3-диоксана синтезированы 4-(R - амино)-метил-1,3-диоксаны [40, 51].
Смесь 25 ммоль исходного амина и 25 ммоль диоксана в 75 ммоль триэталамина выдерживают в запаянной стеклянной ампуле при 125 ...130 С в течение 25...30ч. По охлаждении содержимое ампулы разбавляют сухим ацетоном, отфильтровывают, осадок фильтра упаривают, из остатка выделяют продукт реакции либо перегонкой при пониженом давлении, либо хроматографированием на силикагеле.
Выход целевых продуктов реакции составляет 30 ...69% в зависимости от основности исходного амина:
Синтез производных 1,3-диоксоланов, а также азотосодержащих производных представляется нам важным в плане использования этих производных в качестве полупродуктов в органическом синтезе, а также в качестве ингибиторов коррозии, флотореагентов и др. [24, 59].
Авторы [53, 66] рекомендуют 4-аллилоксиметил и 4-децилоксиметил-1,3-диоксолан в качестве ингибитора коррозионно-механического разрушения трубных сталей.
Исследовано получение аминов и их производных, содержащих цик лоацетальный фрагмент, по реакциям 4-хлорметил-1,3-диоксолана с различными аминами в традиционных условиях и в условиях межфазного катализа.
Признаки биоповреждений
Защита от биоповреждений древесины, деревянных конструкций, сооружений и изделий осуществляется комплексно, включая мероприятия по профилактике биоповреждений путем предотвращения увлажнения древесины (обеспечение вентиляции, эффективной гидроизоляции), рационального использования ее природных защитных свойств путем подбора соответствующих пород и разработки оптимальных конструктивных решений и, наконец, применения химических средств защиты—биоцидов (в практике защиты древесины их называют антисептиками).
Химическая защита древесины от биоповреждений осуществляется в случаях применения древесины в наиболее жестких условиях, например постоянного или периодического контакта с почвой, влажной атмосферой н водой. Обработке биоцидами должно подвергаться около 5—10% всей потребляемой в промышленных целях и строительстве древесины. В результате в несколько раз увеличивается срок службы изделий и сооружений. Так, например, при правильном применении антисептировання древесины срок службы стандартных деревянных домов может в среднем увеличиться с 15 до 50 лет, шпал—с 10 до 25 лет, столбов и опор линий электропередачи и связи—с 12 до 50 лет, деревянных мостов и гидросооружении—с 10 до 40 лет, кузовов грузовых автомобилей и товарных железнодорожных вагонов — с 5 до 20 лет [74, 76].
Методы защитной обработки древесины от биоповреждений основаны на пропитке древесины жидкими антисептиками или их растворами. Существует много способов защитной пропитки древесины антисептиками, которые можно свести в две группы—пропитка путем погружения древесины в раствор, либо поверхностная обработка распылением антисептика, нанесением кистью и т. п.
При погружении древесины в жидкий антисептик или в раствор твердого антисептика происходит проникновение антисептика в поры, трещины и щели. Плотную древесину с мелкими порами предварительно накалывают на специальных станках для увеличения поглощения антисептика. Пропитку осуществляют в ваннах, заполненных раствором антисептика, в котором выдерживают древесину в течение заданного времени (от нескольких минут до нескольких суток). Более глубокую пропитку и лучшую защиту обеспечивает пропитка горячим растворителем, а затем холодным раствором антисептика. Защищаемое изделие вначале выдерживают в ванне с горячим растворителем. При нагревании находящийся в трещинах и порах древесины воздух расширяется и частично выходит. После этого горячий растворитель сливают и ванну заполняют холодным раствором антисептика, который глубоко проникает в поры благодаря вакууму, создающемуся в порах в результате сжатия воздуха при охлаждении [77].
Для повышения глубины пропитки антисептиками вакуумирование древесины проводят в специальных автоклавах. После вакуумирования в автоклав подают под давлением холодный или горячий раствор антисептика. Пропитка древесины в автоклавах под давлением, несмотря на сложность процесса и дороговизну оборудования, широко применяется в промышленных масштабах.
При отсутствии сложного оборудования и в некоторых случаях в полевых или других условиях можно применять более простые способы поверхностной обработки древесины антисептиками. Растворы наносят кистями или распылителями, пропитывают с помощью пористого носителя из подставных ванн и другими приемами. Эффективность таких упрощенных способов защиты была показана на примерах защиты от гниения древних уникальных памятников деревянной архитектуры и зодчесгва в Кижах и в других местах [88, 90].
Водорастворимые антисептики представляют твердые сыпучие порошки, которые применяют в виде водных растворов, суспензий и паст. Основные антисептики этой группы — бихромат натрия (или калия), применяемый обычно в сочетании с сульфатом меди а также фтористый и кремнефтористый натрий и аммоний, пента-хлорфенолят натрия. За рубежом распространен препарат на основе оксида меди и хромового ангидрида— селькур. При пропитке им древесины на поверхности волокон образуется слой кислого хромата меди, который плохо растворяется в воде, этим обеспечивается предохранение от вымывания антисептика в процессе эксплуатации древесины. Недостатком водорастворимых антисептиков является необходимость дополнительной операции по просушке древесины. Кроме того, просушка древесины сопровождается усадкой и образованием трещин. Некоторые водорастворимые антисептики сравнительно легко могут вымываться водой, поэтому обработанная ими древесина может применяться только в закрытых помещениях [78].
Синтез четвертичных солей аммония, содержащих один или два циклоацетальных фрагмента
В настоящее время потребность промышленности в антисептиках для пиломатериалов удовлетворяется лишь частично, так как в стране их многотоннажное производство освоено лишь в узком ассортименте, а имеющийся дефицит восполняется дорогостоящими импортными аналогами [72, 73]. Поэтому наращивание промышленного производства ингибиторов на основе дешевого и доступного сырья, в частности циклических ацеталей, имеет важное народнохозяйственное значение.
Были проведены испытания по определению способности соединений подавлять развитие микроорганизмов. Определение фунгицидной активности антисептиков для защиты древесины Сущность методов лабораторных испытаний древесины на устойчивость к воздействию плесневых грибов заключается в выдерживании обработанной древесины в условиях оптимального развития грибов на образцах с последующей оценкой фунгицидной активности [90].
Метод устанавливает наличие в защитном составе фунгицидных свойств и определяет фунгицидную активность обработанной древесины в присутствии дополнительного источника питания.
Образцы для испытания должны иметь форму пластин размером 25x25 или 50x50мм из заболонной древесины сосны, березы, липы. Образцы обра батывают исследуемым веществом, контролем служит необработанная древесина. Предварительно образцы должны быть очищены от внешних загрязнений.
Для определения фунгицидных свойств испытуемого вещества среду Чапека - Докса с агаром разливают в чашки Петри. Образцы обрабатывают исследуемым веществом, контролем служит необработанная древесина. Затем готовят суспензию спор грибов с титром 10бкл/мл. В чашки Петри вносят образцы древесины, переносят в бокс и поверхность образцов и среды заражают приготовленной суспензией спор грибов. Продолжительность испытаний с момента установления режима при определении фунгицидных свойств - 14 сут.
Антисептик обладает фунгицидными свойствами, если вокруг образца на питательной среде наблюдается ингибиторная зона (зона отсутствия развития грибов) или на поверхности или краях образца наблюдается развитие грибов, оцениваемое 0 или 1 балл по пятибальной шкале [90].
Подготовка исходных материалов. Подготовка образцов древесины. Для проведения испытания использовались образцы древесины, изготовленные из заболонной древесины сосны с размером 25x25x2 мм., образцы не имеют сучков и других пороков. Подготовка пропиточного состава. В колбе на 250 мл. готовили раствор испытуемого вещества определённой конценрации в этаноле.
Подготовка питательной среды [91]. Для выращивания грибов и последующего испытания использовалась питательная среда Чапека - Докса с агаром следующего состава: Подготовка грибов. Для испытания были использованы следующие виды грибов:
Aspergillus niger Pemcillium chryzogenum Fusarium sp.№ 56 Fusarium solani Грибы предварительно выращивались на среде Чапека - Докса. Результаты испытания
Подготовленные образцы древесины помещаются в колбы с пропиточным составом и выдерживаются в течение 1 часа при комнатной температуре. Затем вынимаются из колб и высушиваются при комнатной температуре до высыхания капель в течении 1 часа. Потом образцы обработанной древесины заражали суспензией спор грибов и поместили в чашки Петри, в которые разлита среда Чапека - Докса с агаром. Чашки Петри закрываются и помещаются в термостат, в котором поддерживается температура 25-29С.
Контролем служат непропитанные образцы древесины. Для контроля жизнеспособности применяемых грибов в чашку Петри со средой Чапека-Докса с агаром внесли суспензию спор грибов и помещали в термостат.Через 5 суток контрольные чашки Петри осматривали. Если на питательной среде развитие грибов не наблюдается, то споры грибов, использованные для заражения, считают нежизнеспособными. Испытания повторяют на новых образцах со вновь приготовленной суспензией из новой партии грибов.
Методика синтеза дибензил-(4-метилен-1,3-диоксоланил)аммонийхлорида
В трехгорлую круглодонную колбу, снабженную обратным холодильником, термометром, мешалкой, загружали 0,12 моля (22,4г) а-нафтиламина, 0,1 моля (12,2 г) 4-хлорметил-1,3-диоксолана, 0,1 моля (5,6г) КОН, приливали 100 мл диметилсульфоксида, добавляли 0,006 моля трифенилэтилфосфонийбромида (ТФЭФБ). Реакционную смесь при температуре до 80С перемешивали в течении 4 часов. После охлаждения реакционной смеси ее промывали водой, органический слой отделяли, сушили MgS04. После отгонки растворителя -диметилсульфоксида и избытка нафтиламина - остаток перегоняли под вакуумом в атмосфере азота. Выход соединения составил 49 % Ткип. = 217С
Аналогично получены вторичные, третичные амины. Характеристика соединения приведена в табл. 3.1.
В трехгорлую круглодонную колбу, снабженную мешалкой, обратным холодильником, термометром, загружали 0,1 моля (17,4 г) 4-хлорметил-1,3-диоксолана, 0,12 моля (15,1 г) дибензола и 100 мл ацетонитрила. Реакционную смесь кипятят на водяной бане до слабого кипения ацетонитрила в течении 4 часов. Реакционную смесь охлаждают до комнатной температуры, выпавшую в осадок четвертичную аммониевую соль отфильтровывают с отсасыванием на воронке Бюхнера, хорошо отжимают и помещают в колбу Вюрца, в горло которой вставлен капилляр, доходящий почти до дна колбы, а на отводную трубку надет шланг водоструйного насоса. Осадок сушат в вакууме, нагревая колбу на водяной бане, до тех пор, пока осадок не станет сыпучим. Выход 48 % Характеристика соединения приведена в табл. 3.1.
В круглодонную колбу, снабженную обратным холодильником и термометром, загружали 0,1 моль дибензиламина (6г), 0,3 моль (41 г) 4 хлорметил-1,3-диоксолана 0,1 моля (5,6г) КОН, приливали 100 мл диметилсульфоксида, добавляли 0,006 моля трифенилэтилфосфонийбромида (ТФЭФБ). Реакционную смесь нагревали в течение 12 часов при температуре 80 С. Затем реакционную смесь охлаждали и отгоняли растворитель, а выпавшее соединение перекристалл изовывали.
Количественный анализ продуктов превращения осуществляли хроматографически, методом "внутреннего стандарта". В качестве эталона брали вещество, выходящее вблизи с определенными продуктами.
Концентрация эталона выбиралась такой, чтобы высоты пиков эталона и продукта были соизмеримы. Предварительно определяли хроматографический коэффициент каждого продукта реакционной смеси. Для этого готовились калибровочные смеси из заранее полученных веществ. Калибровочный раствор смешивали с раствором эталона и анализировали. Строили линейную зависимость концентрации компонента (Сі) от отклонения высоты его пика (hi) к высоте пика эталона (Ьэ).
Типичный калибровочный график для анализа получения 4-метилен-1,3-диоксолана приводится на рис. Концентрацию каждого компонента можно определить как по калибровочному графику, так и умножением отношения hi/пэ на соответствующий калибровочный коэффициент Ki, численно равный тангенсу угла наклона калибровочной прямой.
Строго постоянные количества реакционной смеси и раствора эталона тщательно смешивали в боксе и анализировали на хроматографе. С помощью калибровочного коэффициента рассчитывали концентрацию продуктов. По данным количественного анализа строили кривые накопления продуктов реакции во времени.
Похожие диссертации на Синтез азотсодержащих циклических ацеталей на основе 4-хлорметил-1,3-диоксолана и оценка их биологической активности
