Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор 9
1.1. Способы получения ФЦАКК 9
1.1.1 Введение карбоксильной группы в молекулу фенилциклоалкана 10
1.1.2. Синтез циклоалифатического кольца, содержащего карбоксильную группу и фенильный заместитель, по реакции Дильса-Альдера 11
1.1.3. Введение арильного заместителя в циклоалканкарбоновые кислоты 23
1.1.4. Другие способы получения ФЦАКК 39
1.2. Изомеризация производных ФЦАКК 40
1.3. Применение ФЦАКК 44
2. Химическая часть 46
2.1 Исследование реакции алкилирования бензола непредельными циклическими дикарбоновыми кислотами и их производными 46
2.1.1 Выбор катализатора для проведения реакции алкилирования 46
2.1.2 Исследование селективности реакции алкилирования бензола ЦДК в присутствии хлористого алюминия 50
2.2 Исследование реакции изомеризации эфиров ФЦДК и ФНДК под действием оснований 51
2.3 Исследование реакции нитрования ФЦАДК и их производных 55
2.3.1. Нитрование ФЦДК и ФНДК в водной азотной кислоте 55
2.3.2. Нитрование ФЦДК и ФНДК и их производных в серной кислоте .58
2.3.3. Нитрование ФЦДК и ФНДК и их производных в уксусной кислоте 61
2.3.4. Нитрование ФЦДК и ФНДК и их производных в хлороформе 63
2.3.5. Кинетика реакции нитрования производных ФЦДК и ФНДК 65
2.3.6. Квантовохимическое исследование реакции нитрования 68
2.4. Практическое использование полученных результатов 75
2.4.1. Получение 4-НФЦДК и 4-НФНДК 75
2.4.2. Синтез замещенных имидов 4-НФЦЦК и 4-НФНДК 77
2.4.3. Получение 4-аминофенилциклоалкандикарбоновых кислот 78
2.4.4. Получение производных (1К*,28*,4К*)-4-(4-аминофенил)-циклогексан-1,2-дикарбоновой кислоты 78
3. Экспериментальная часть 82
3.1. Исходные соединения 82
3.2. Применяемые методы анализа 82
3.3. Алкилирование 83
3.3.1. Проведение реакции алкилирования бензола в присутствии серной кислоты 83
3.3.2. Проведение реакции алкилирования бензола в присутствии хлорного железа 83
3.3.3. Проведение исследования селективности реакции алкилирования бензола ЦДК в присутствии хлористого алюминия 84
3.3.4. Получение ФНДК..J 84
3.3.5. Получение ФЦДК 85
3.3.6 Получение (1R*,2S*,4R*)- 3.3.7 Получение смеси (lR*,2S*,4R*)- 3.4. Эпимеризация 86 3.4.1. Общая методика проведения реакции эпимеризации в присутствии этоксида. натрия 86 3.4.2. Общая методика проведения реакции щелочного гидролиза в присутствии гидроксида натрия 86 3.4.3. Получение (lR*,2R*;4R*)-OIOTC 86 3.5. Нитрование 87 3.5.1. Исследование селективности реакции нитрования в серной кислоте 87 3.5.2. Исследование селективности реакции в хлороформе 87 3.5.3. Проведение кинетических исследований реакции нитрования 87 3.5.4. Получение (lR*,2S*,4R*)-4-HOIOTC 89 3.5.5. Получение (IR ,2S ,4R )-4-(2-нитрофенил)циклогексан-1,2-дикарбоновой кислоты 89 3.5.6. Получение ангидрида 4-НФНДК 89 3.5.7. Получение 4-НФНДК 90 3.6. Получение 4-аминофенлциклоалкандикарбоновых кислот 91 3.6.1. Получение (IR ,2S ,4R )-4-(4-аминофенил)циклогексан-1,2-дикарбоновой кислоты 91 3.6.2. Получение (1R ,2S*,ЗR*,4S*,5S*)-5-(4-aминoфeнил)бициклo[2.2.1]-гептан-2,3-ДИкарбоновой кислоты 91 3.7. Синтезы на основе (Ж*,28*,4К.*)-4-(4-аминофенил) цикл огексан-1,2- дикарбоновой кислоты 92 3.7.1. Получение (lR*,2S*,4R*)-4-(4-aцeтaмидoфeнил)циклoгeкcaн-1,2-дикарбоновой кислоты 92 3.7.2. Получение (Ж*,28*^*)-4-{4-[([хлорацетил)амино]фенил}- циклогексан-1,2-дикарбоновой кислоты 92 3.7.3. Получение (т*,28*де*)-4-[4-(2,5-диметил~1Н-пиррол-1-ил)фенил] цикл огексан-1,2-дикарбоновой кислоты 93 3.7.4. Получение (т*,28*^*)-4-[4-(1,3-диоксо-1,3-дигидро-2Н-изоиндол-2-ил)-фенил]циклогексан-1,2-дикарбоновой кислоты 93 3.8. Общая методика получения ангидридов ФЦАДК 94 3.9. Общая методика синтезаN-замещенных имидов 4-нитрофенилциклоалкандикарбоновых кислот 96 3.10. Общая методика получения метиловых эфиров 100 3.11. Поиск а-комплексов и переходных состояний при квантовохимическом расчете процесса нитрования 101 Список принятых сокращений 103 Выводы 104 Введение к работе Актуальность проблемы. В настоящее время интенсивно развиваются исследования в области так называемых «полуароматических» полиимидов, получающихся при поликонденсации ароматических диаминов с алифатическими диангидридами. Лучшая по сравнению с ароматическими полиимидами растворимость, бесцветность, низкие диэлектрические константы, высокие температуры стеклования, умеренная термическая устойчивость, сравнимые с ароматическими полиимидами механические характеристики - эти свойства определяют потенциальные области применения указанных соединений - жидкие кристаллы, оптически нелинейные буферные слои, материалы с низкой диэлектрической проницаемостью. В данной работе рассматривается получение 4-аминофенилциклоалкандикарбоновых кислот, которые могут быть использованы в качестве мономеров для получения новых «полуароматических» полиимидов. Исследования, проведённые в рамках настоящей диссертационной работы, выполнены в соответствии с тематическими планами НИР ГОУВПО «Ярославского государственного технического университета», проводимых по заданию Федерального агентства по образованию РФ по темам: «Теоретическое исследование закономерностей, кинетики и механизма синтеза полифункциональных органических соединений многоцелевого назначения» на 2006-2007 гг. (№ 0120.0 604209) и «Разработка методов синтеза ароматических, карбо- и гетероциклических полифункциональньгх органических соединений для получения композиционных материалов с использованием нанотехнологий» 2007-2008 гг. (№ 0120.0 852836). Целью работы является создание методов синтеза новых аминофенилциклоалкандикарбоновых кислот заданного пространственного строения - мономеров для полиимидов. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи: -исследовать реакции алкилирования бензола непредельными циклическими дикарбоновыми кислотами в присутствие различных катализаторов; -изучить реакции изомеризации фенилциклоалкандикарбоновых кислот и их производных; -исследовать влияние строения фенилциклоалкандикарбоновых кислот на их реакционную способность и региоселективность в реакции нитрования с целью разработки эффективных методов синтеза нитропродуктов. Научная новизна. Впервые исследовано влияние условий проведения реакции алкилирования бензола (Ш,28)-4-циклогексен-1,2-дикарбоновой кислотой в присутствии хлористого алюминия на стереохимический состав продуктов. Впервые установлено, что диметиловый эфир (1К*,28*,ЗК*,48*,58*)-5-фенилбицикло[2.2.1]гептан-2,3-дикарбоновой кислоты способен изомеризоваться как в условиях щелочного гидролиза, так и в присутствии серной кислоты. Впервые, на основании проведенных кинетических и квантовохимических исследований реакции нитрования различных фенилциклоалкандикарбоновых кислот показано, что на скорость и региоселективность нитрования данных субстратов существенное влияние оказывает строение циклоалифатического фрагмента и пространственное расположение карбоксильных групп. Впервые показана возможность получения у-лактонов из непредельных циклических дикарбоновых кислот с использование хлорного железа в неполярном растворителе. Практическая ценность работы. Предложены методики нитрования (1R,2S ,4К)-4-фенилциклогексан-1,2-дикарбоновой кислоты и ангидрида (1К,28*,ЗК*,48*,58*)-5-фенилбицикло[2.2.1]гептан-2,3-дикарбоновой кислоты, обеспечивающие полную конверсию исходных соединений с сохранением пространственной конфигурации. Получены (1R ,2S ,4R )-4-(4-аминофенил)циклогексан-1,2-дикарбоновая кислота и ангидрид (1К*,28*,4К*)-4-(4-ацетамйдофенил)-циклогексан-1,2-дикарбоновой кислоты, на основе которых были созданы новые полиимиды. В ходе работы было синтезировано 26 не описанных в литературе органических соединения, которые являются потенциальными полупродуктами в синтезе, лекарственных препаратов, красителей, полимерных композиций. Апробация работы. Результаты работы доложены на Международной конференции «Органическая химия от Бутлерова и Бейлыптейна до современности», (Санкт-Петербург, 2006); 3-ей Международной конференции молодых ученых «Современные проблемы науки о полимерах» (Санкт-Петербург, 2007); Международной конференции по органической химии «Химия соединений с кратными углерод-углеродными связями» (Санкт-Петербург, 2008). Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи и 5 тезисов докладов конференций различных уровней, получен патент РФ. Вклад, автора. Непосредственное участие во всех этапах работы. Проведение кинетических исследований, отработка методик синтеза, наработка опытных образцов производных фенилциклоалкандикарбоновых кислот, проведение квантовохимических расчетов, обсуждение и интерпретация полученных результатов. Положения, выносимые на защиту. Влияние строения фенилциклоалкандикарбоновых кислот на скорость и региоселективность реакции их нитрования. Применение квантовохимического моделирования для определения зависимости предпочтительного пути протекания нитрования от строения циклоалифатического фрагмента и пространственного расположение карбоксильных групп. Способы создания новых аминофенилциклоалкандикарбоновых кислот заданного пространственного строения. Структура работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, химической и экспериментальной частей, выводов и списка использованной литературы. Документы, подтверждающие практическую ценность разработок, приведены в приложении. Работа изложена на 118 страницах, включает 24 таблицы, 15 рисунков. Список литературы включает 107 источников. В литературном обзоре рассмотрены различные способы получения и изомеризации фенилциклоалканкарбоновых кислот. В химической части изложены основные результаты и выводы работы. Экспериментальная часть содержит описание методик синтеза, очистки и анализа исходных веществ, промежуточных и целевых продуктов. Производные ФЦАКК довольно легко вступают в реакции изомеризации, причем условия протекания процесса очень сильно зависят от многих факторов: строения алифатического цикла, положения карбоксильной группы, наличия заместителей. Для изомеризации эфиров ФЦАКК обычно применяют алкоксиды щелочных металлов в соответствующем спирте. Изомеризация фенилциклогексан монокарбоновых кислот обычно протекает легко и приводит к образованию соединений с экваториальным расположением заместителей, так как они являются термодинамически более устойчивыми. Так эпимеризация эфиров цис- 2- и 4-фенилциклогексановых кислот в присутствие этоксида натрия приводит к тирш/с-производным [13,35]: Эпимеризация эфира /иранс-3-фенилциклогексановой кислоты в присутствие третбутилата калия приводит к смеси цис-/транс-изомеров в соотношении 85: 15 [28]: Изомеризация 4-фенилциклогексановых кислот протекает сравнительно легко. В работе [18] сообщается о термической изомеризации цис- 4-фенилциклогексановой кислоты. А в [17] изомеризацию цис-А-фенилциклогексановых кислот проводили кипячением в хлористом тиониле: Производные фенилциклогександикарбоновых кислот также могут подвергаться эпимеризации. Синтетические аспекты эпимеризации под действием этоксида натрия обсуждаются в статье [44] (табл. 1.8). Ещё более интересные результаты обнаруживаются при проведении аналогичной реакции с диметиловыми эфирами транс-ФЩЩ. 81 и 4-фенилциклогексан-1г-2-1-дикарбоновой кислот 82 в полифосфорной кислоте (ПО С, 3 ч) [51] (схема 1.60). В первом случае были получены с общим выходом 37,5% стереоизомеры 83 и 84, различающиеся положением сложноэфирной группы с соотношением 1:5. В случае диметилового эфира 4-1 фенилциклогексан-1-г-2-1;-дикарбоновой кислоты 82 это соотношение составило 5:4 при общем выходе 54%. Столь резкое увеличение z/мс-изомера с одновременным увеличением выхода позволяет предположить значительное протекание эпимеризации в продукте ацилирования, приводящее к образованию более устойчивого продукта. Гидролиз метиловых эфиров 83 и 84 проводился в 10 % растворе КОН при 50 С 3 ч. Гидролиз проходил с выходом около 90 % и не сопровождался эпимеризацией. Интересна также достаточно лёгкая изомеризация 85 и 86, приводящая к ангидриду 87. Изомеризация протекает при кипячении в уксусном ангидриде [44]: Для эпимеризации эидо-эфиров норборнанкарбоновых кислот также применяют алкоксиды щелочных металлов в соответствующем спирте [50] При этом стереохимический результат последовательного депротонирования - протонирования а-углеродного атома сложноэфирной группы определяется большей термодинамических устойчивостью экзопродуктов. Синтетические аспекты изомеризации ди-эндо-3- ароилбицикло[2.2.1]гептан-2-карбоновых кислот были рассмотрены в работе [52]. Авторами отмечается лёгкость протекания реакции изомеризации. Для гладкого протекания эпимеризации достаточно двухчасового кипячения в толуоле с небольшой добавкой триэтиламина или соляной кислоты: Авторы придают этим вопросам большое значение, так как знания об этом процессе позволяют получать изомерно чистые продукты при дальнейших превращениях. Подобная эпимеризация часто наблюдалась для аналогичных ароилциклогексанкарбоновых кислот Производные ФЦАКК находят применение в разнообразных отраслях науки и техники. Транс-4-фенилциклогексан-1-карбоновые кислоты используются для получения жидкокристаллических соединений, применяемых для создания электрооптических устройств отображения информации [17]. Нужно отметить, что на жидкокристаллические свойства соединений сильно влияет заместитель, находящиеся в пара-иояожеъши ароматического кольца. Так, например, соединения, содержащие в яяря-положении акцепторный заместитель обладают положительной диэлектрической анизотропией, хорошими температурными свойствами, малой вязкостью [7]. Интенсивно развиваются в настоящее время исследования в области так называемых "полуароматических полиимидов", получающиеся при поликонденсации ароматических диаминов с алифатическими диангидридами, обладают уникальным набором свойств. Лучшая по сравнению с ароматическими полиимидами растворимость, бесцветность, низкие диэлектрические константы, высокие температуры стеклования, умеренная термическая устойчивость, сравнимые с ароматическими полиимидами механические характеристики [54-57] - эти свойства определяют потенциальные области применения указанных соединений -жидкие кристаллы, оптически нелинейные буферные слои, материалы с низкой диэлектрической проницаемостью [58-60]. Не менее важны ФЦАКК и для синтезов биологически активных веществ и лекарственных препаратов. Так, например, продукты, полученные алкилированием бензола ЦДК и НДК [45, 51], послужили основой для синтеза гетероциклических соединений предположительно обладающих анальгетическим, психотропным, нейротропным и антиспазматическим эффектами [61-63]. Заключение Анализ литературных данных показал наличие большого количество разнообразных реакций приводящих к образованию фенилциклоалканкарбоновых кислот, причем многие из них протекают регио- и стереоселективно, приводя к индивидуальным продуктам реакции. Несмотря на это, способы получения нитро- и аминофенилциклоалкандикарбоновых кислот и вопросы, связанные с протеканием различных реакций, приводящих к изменению пространственной конфигурации указанных объектов, практически не рассмотрены. 2.1 Исследование реакции алкилирования бензола непредельными циклическими дикарбоновыми кислотами и их производными. 2.1.1 Выбор катализатора для проведения реакции алкилирования В качестве катализаторов, при проведении реакции алкилирования алкенами ароматических соединений, обычно используются концентрированная серная кислота [64], и различные кислоты Льюиса: хлорное железо [65], хлористый алюминий [43] и др. Нами была исследована возможность применения различных катализаторов в реакции алкилирования бензола (111,28)-4-циклогексен-1,2-дикарбоновой (ЦЦК) и (lR,2S,3R,4S)6H4HKJio[2.2.1]rem 5-eH-2,3-дикарбоновой (НДК) кислотами. При использовании в качестве катализатора концентрированной серной кислоты при алкилировании бензола НДК 88 был выделен лактон 89, причем продукта алкилирования 90 обнаружено не было. При нитровании в уксусной кислоте образования побочных продуктов, обнаруженных нами при нитровании водной азотной кислотой, в этих условиях не наблюдалось. Изомеризации ФНДК и ее нитропроизводных, а также реакций внутримолекулярного ацилирования ФЦДК, наблюдаемых под действием серной или фосфорной кислот [51], при нитровании в выбранных условиях также не происходило. При нитровании вышеперечисленных субстратов в уксусной кислоте 100 %-ной азотной кислотой были получены результаты, представленные в таблице 2.4. Из приведенных данных видно, что орто/пара-соотпошошъ для всех производных ФЦЦК имеет практически одинаковое значение. В случае нитрования эфира ФНДК наблюдается значительное увеличение с»р/72о-изомера. Об аномальном увеличении доли opwo-изомера сообщалось в работах по исследованию селективности нитрования фенилуксусной и фенилпропионовой кислот и их эфиров [80, 81], где орто/пара-соотношение достигало 5,7:1, и авторами было сделано предположение о существовании комплекса нитрующей частицы с карбоксильной или сложноэфирной группой, приводящее к преимущественному образованию ofwo-изомера. Это явление получило название эффекта сопровождения. Подробно эффект сопровождения был изучен на примере реакции нитрования 2-бифенилкарбоновой кислоты [82-85]. Если предположить, что наблюдаемые явления связаны с влиянием карбоксильных групп, то нитрование ФНДК должно приводить к аналогичным результатам. Однако в случае ФНДК орто/пара-соотношение оказалось значительно ниже, чем для ее эфира. Для объяснения таких отличий в протекании реакции нитрования производных ФНДК нами были проведены дополнительные исследования, в ходе которых было установлено, что отсутствие влияния карбоксильных групп в данном случае связано с образованием ангидридного цикла: Наличие ангидрида в продуктах реакции было подтверждено методом ИК-спектроскопии, а данные по кинетике ангидридизации ФНДК позволяют утверждать, что к моменту начала реакции содержание ангидрида составляло не менее 80% [86, 87]. Образование ангидрида в реакционной смеси подтверждает и тот факт, что чистый АФНДК нитруется с таким же орто/пара-соотношением. Согласно литературным данным, уксусная кислота катализирует реакцию образования ангидрида из ФНДК [87]. Учитывая эти особенности, в качестве растворителя для дальнейших исследований нами был выбран хлороформ. Ввиду плохой растворимости всех изомеров ФЦДК в хлороформе были использованы соответствующие диметиловые эфиры, так как, исходя из предыдущего опыта, ФЦДК и ее диметиловый эфир нитруются с одинаковой региоселективностью. Результаты нитрования в хлороформе представлены в таблице 2.5. Из полученных данных видно, что наибольшее орто/пара-соотношение наблюдается для ФНДК и ее диметилового эфира. Это подтверждает предположение о том, что повышенное содержание орто-изомера связано со специфическим влиянием карбоксильных групп. Для ангидридов ФТ..ГДК и ФНДК, в которых карбоксильные группы находятся в связанном состоянии, селективность практически одинаковая. А в ряду эфиров ФЦДК можно отметить незначительное снижение opmolnapa-соотношения для изомеров (1R ,2S ,4S ), (1R ,2R ,4R ) по сравнению с (IR ,2S ,4R) изомером, что очевидно также связано с влиянием карбоксильных групп. Как было показано в работах по нитрованию 2-бифенилкарбоновой кислоты [88], влияние карбоксильной группы выражалось не только в повышенном содержании орто-изомера, но и в резком увеличении скорости реакции нитрования по сравнению с другими производными бифенила. Для исследования влияния карбоксильных групп на скорость реакции нитрования ФЦАДК, была изучена кинетика нитрования ФЦДК, ФНДК и их производных. В качестве растворителя для проведения кинетических исследований была выбрана уксусная кислота, так как в ней хорошо растворяются все изучаемые субстраты. Хотя в уксусной кислоте становится невозможным изучение кинетики нитрования ФНДК, по причине протекания реакции образования ангидрида, использование в качестве растворителя хлороформа нежелательно, так как для некоторых субстратов при нитровании в хлороформе может наблюдаться нулевой порядок [1]. При изучении кинетики нитрования в уксусной кислоте важным является вопрос о молярном соотношении уксусной и азотной кислот в смеси, прибавляемой к раствору субстрата в уксусной кислоте (начальном соотношении уксусной и азотной кислот). По данным [89] азотная и уксусная кислоты могут образовывать комплекс в соотношении 1:1. В работе [2] нитрование 3,4-бифенилдикарбоновой кислоты при начальном соотношении АсОН:НЖ)з = 1:1,5 или 1:2, то есть, когда в исходной нитрующей смеси AcOH-HN03 присутствует несвязанная в комплекс азотная кислота, наблюдалось быстрое падение концентрации исходной кислоты в начальный момент времени, в то время как превышение количества уксусной кислоты над азотной не изменяло скорости нитрования по сравнению со скоростью нитрования в соотношении 1:1 и реакция шла по первому частному порядку по 3,4-бифенилдикарбоновой кислоте. Исходя из этих данных во всех опытах начальное соотношение AcOH:HN03 составляло 1:1,44. Выбор температуры и концентрации реагентов определялся требованием гомофазности реакции, условием образования только мононитрозамещенных продуктов, а также достаточной скоростью протекания процесса. На рисунке приводятся типичные кинетические кривые, полученные при нитровании диметиловых эфиров ФЦДК и ФНДК. Нитрование всех субстратов хорошо описывается кинетическим уравнением первого порядка по субстрату, что подтверждается линейной зависимостью логарифма текущей концентрации от времени (рис. 2.9). Константы скорости и орто/пара-соотношевия полученные при нитровании данных субстратов приведены в таблице 2.6. ЯМР JH спектроскопия. Спектры !Н ЯМР 5% растворов анализируемых соединений в ДМСО-сІб с внутренним стандартом ТМС записывали на приборе "Bruker MSL-300". Хромато-масс спектрометрия. Спектры электронного удара записывали на приборе GC/MS Perkin-Elmer «Clarus 500». Масс спектрометр — квадрупольный, энергия ионизации 70 эВ, температура источника ионизации 180 С, частота сканирования — 5 сканов/с, диапазон масс — 30 -500 г/моль. Настройка масс спектрометра проводилась по перфтортрибутиламину. Колонка газового хроматографа — капиллярная Elite 5MS, длина 30 м, диаметр 0,25 мм, толщина фазы 0,25 мкм. ИК-спектроскопия. ИК спектры записывались на приборе ИК-Фурье "Spectrum RXl" на пластинах КВг в вазелиновом масле. Математическая обработка спектров проводилась при помощи программы Spektrum v.5.0.1". Жидкостная хроматография. Чистоту синтезированных соединений определяли методом жидкостной хроматографии растворов в ацетонитриле на приборе Perkin Elmer "Series LS-200". Колонка С-18 с УФ детектором Газожидкостная хроматография. Хроматографический анализ проводили на хроматографе "Хром-5" с ионизационно-пламенным детектором на колонке с внутренним диаметром 3 мм и длиной 1,5 м. Жидкая фаза - 5 % SE-30 на Chromaton N-AW. Температура испарителя 260 С. Температура в термостате колонки - 200 С. Скорость газа носителя (азота) — б,3-10"7м3/сек. Тонкослойная хроматография (ТСХ) осуществлялась на пластинках "Sulifol 20IS", элюент петролейный эфир: бензол: ацетонитрил: уксусная кислота 52 : 20 : 4 : 0,1 (об.). Смесь 50 см3 бензола и 9,2 г (5 см3) концентрированной серной кислоты (d=l,84 г/см3) охлаждали в бане со льдом при перемешивании, добавляли 0,2 моль соответствующей непредельной дикарбоновой кислоты. Перемешивание продолжали в течение часа. Затем выливали на лед, избыток бензола удаляли в вакууме, а выпавший осадок фильтровали и сушили. В 3 см3 сухого бензола растворяли 0,1 г соответствующего эфира циклоалкендикарбоновой кислоты, добавляли каталитическое количество хлорного железа и кипятили 5 часов. После выливали в 15 см воды, бензольный слой отделяли и несколько раз промывали водой, затем отгоняли избыток бензола. Остаток анализировали методом хроматомасс спектрометрии. Этиловый эфир (lR ,2S ,5R )-7-oKco-6-OKca6H4HKno[3.2.1]0KTaH-2-карбоновой кислоты Этиловый эфир (1R ,3R ,6R ,7R ,9S )-5-оксо-4-оксатрицикло[4.2.1.0 ]-нонан-9-карбоновой кислоты MS: m/z (І отн., %) = 210 (3), 165 (39), 145 (62), 108 (35), 93 (68), 91 (50), К 2 см3 сухого бензола прибавляли 0,05 г ЦДК и ОД г хлористого алюминия и перемешивали в течение определенного времени при определенной температуре. Далее вся смесь выливалась в 20 см 5% раствора соляной кислоты и экстрагировалась метилизобутилкетоном. Растворитель отгонялся, и полученный осадок анализировали методом Н ЯМР спектроскопии. В трехгорлую круглодонную колбу, снабженную обратным холодильником и мешалкой, помещали 92 г (0,689 моль) хлористого алюминия и 450 см3 бензола. Реакционную смесь нагревали до 55 С и постепенно добавляли 50 г (0,274 моль) ЦДК. Через 2 ч полученную смесь выливали в воду со льдом (1000 см3) и 50 см3 36 %-ного раствора соляной кислоты. Выпавшее вещество отделяли фильтрацией и очищали переосаждением. Осадок сушили при температуре 50 С. Выход 94 %. Экстракция хлороформом из фильтрата, полученного после алкилирования, позволяет повысить общий выход до 98 %. Тпл= 174-176С. В трехгорлую« круглодонную колбу, снабженную обратным холодильником и мешалкой, помещали 83,0 г (0,63 моль) хлористого алюминия и 450 см3 (5,29 моль) бензола нагревали до 40 С и постепенно прибавляли 42,3 г (0,25 моль) ЦДК. Через 6 ч смесь охлаждали и приливали 1100 см 3,5%-ной соляной кислоты. Очищали переосаждением. Осадок сушили при температуре 50 С. Выход 82%. Экстракция хлороформом из фильтрата после алкилирования позволяет повысить общий выход до 94%. MS: m/z (І отн., %) = 248 (10), 230 (12), 202 (47), 157 (50), 143 (15), 129 (35), 115 (49), 104 Получали перекристаллизацией ФЦЦК из водной уксусной кислоты [55].ТПЛ=173-176С. Получали из фильтрата, образующегося после кристаллизации (1R ,2S ,4R )-ФЦЦК, путем полной отгонки растворителя. В 10 см абсолютного спирта растворяли 0,5 г Na. Далее прибавляли 0,2 г эфира и кипятят в течение 5 часов. Потом добавляли 25 см3 Н20 и кипятили ещё 2 часа. Полученный раствор разбавляли 50 см Н20, фильтровали и подкисляли соляной кислотой до рН=2 и оставляли на сутки. Выпавший осадок фильтровали и сушили на воздухе. 3.4.2. Общая методика проведения реакции щелочного гидролиза в присутствии гидроксида натрия В 2 г воды растворяли 0,12 г NaOH, нагревали и прибавляли к нему раствор 0,2 г эфира в 5 см3 спирта и кипятили 5 часов. Для выделения добавляли 50 см воды и подкисляли соляной кислотой до рН=2. Осадок фильтровали и сушили на воздухе. В 50 см3 абсолютного спирта растворяют 2 г Na . Далее прибавляют 1,7 г диметилового эфира (1R ,2S ,4R )-ФЦДК и кипятят в течение 5 часов. Затем добавляют 50 см3 Н20 и кипятят ещё 2 часа. Полученный раствор разбавляют 100 см Н20, фильтруют и подкисляют соляной кислотой до рН=2. Осадок фильтруют и получают 0,96 г продукта. После очистки перекристаллизацией из 60% уксусной кислоты получают 0,6 г (1R ,2R ,4R )-ФЦДК. Выход 40%. Тпл= 225-228С. В реактор,, погруженный в ледяную баню, температура которой поддерживалась в пределах 0-5С, помещали навеску субстрата (0,0011 моль), добавляли 1 см серной кислоты (d=l,84 г/см) и перемешивали до полного растворения. Затем к раствору прибавляли предварительно охлажденную смесь 2 см серной кислоты (d=l,84 г/см ) и 0,03 см (0,00072 моль) азотной кислоты (d=l,51 г/см ). Перемешивали 15 мин и выливали на лед. Экстрагировали хлороформом или метилизобутилкетоном (см. кинетические исследования). Растворитель отгоняли, а остаток растворяли в ДМСО D6 и анализировали методом !Н ЯМР. В реактор, погруженный в баню, температура которой поддерживалась в пределах 25-30С, помещали навеску субстрата (0,05 моль), добавляли 2,5 см хлороформа и перемешивали до полного растворения. Затем к раствору прибавляли смесь 2,5 см хлороформа и 0,2 см азотной кислоты (d=l,513 г/см3). Перемешивали 4 часа и выливали на лед. Экстрагировали хлороформом. Растворитель отгоняли, а остаток растворяли в ДМСО D6 и анализировали методом !Н ЯМР. В термостатируемый с точностью до ±0,5 К реактор, снабженный мешалкой, обратным водяным холодильником, термометром и термостатируемои капельной воронкой, помещали навеску нитруемого соединения и 3,3 см3 растворителя. В капельную воронку, также снабженную обратным холодильником, заливали 3,3 см растворителя и расчётное количество азотной кислоты (d=l,513r/cM3). Реактор и капельную воронку термостатировали 10 мин при температуре реакции, после чего быстро прибавляли смесь из капельной воронки в реактор. В процессе реакции отбирались пробы, которые смешивались с 5 см воды. Затем продукты реакции экстрагировались двумя порциями органического растворителя (в случае ФНДК, диметиловых эфиров ФЦДК и ФНДК и АФНДК применялся хлороформ, для ФЦДК и АФЦДК -метилизобутилкетон), который впоследствии отгонялся. Остаток растворяли в ДМСО D6 и анализировались методом Н ЯМР спектроскопии. В колбу загружали 5 г (0,019 моль) (lR ,2S ,4R )-4-(4-аминофенил)циклогексан-1,2-дикарбоновой кислоты и растворяли в 30 см уксусной кислоты. Затем прибавляли 2 см3 (0,021 моль) уксусного ангидрида и реакционную смесь оставляли на полчаса. Выпавший осадок фильтровали. Выход 89%. Тпл= 235-237С. аминофенил)циклогексан-1,2-дикарбоновой кислоты и растворяли в 30 см уксусной кислоты. При перемешивании и охлаждении порциями добавляли 0,17 см3 (0,021 моль) хлорангидрида хлоруксусной кислоты и 0,19 г (0,021 моль) ацетата натрия. Через полчаса реакционную смесь выливали в воду и фильтровали выпавший осадок. Выход 73%. Тпл= 187-189С. К раствору 5 г (0,019 моль) (lR ,2S ,4R )-4-(4-аминофенил)циклогексан-1,2-дикарбоновой кислоты в 30 см этилового спирта добавляли 2,4 г (0,021 моль) ацетонилацетона и кипятили 4 часа. Затем реакционную смесь выливали в воду, выпавший осадок фильтровали и перекристаллизовывали из смеси этиловый спирт : вода 1:1. Выход 64% Тпл= 155-160С. В круглодонную колбу, снабженную обратным холодильником, помещали 5 г (0,019 моль) (1К ,28 ,4К )-4-(4-аминофенил)циклогексан-1,2-дикарбоновой кислоты, растворенной в 30 см3 уксусной кислоты, добавляли 2,81 г (0,019 моль) фталевого ангидрида и кипятили 2 часа. Далее реакционную смесь выливали в стакан и оставляли на ночь. Выпавшие кристаллы промывали уксусной кислотой. Выход 74%. Тпл= 241-247С. Общая методика получения ангидридов ФЦАДК Метод А: В одногорлую круглодонную колбу, снабженную обратным холодильником, загружали 1 г. ФЦАДК и 4 см3 уксусного ангидрида. Реакционную смесь кипятили 2 ч. После этого, в зависимости от растворимости получаемого ангидрида, отгоняли 50...90% смеси уксусной кислоты и уксусного ангидрида. Смесь охлаждали, выпавшие кристаллы белого цвета отфильтровывали и высушивали. Метод Б: В одногорлую круглодонную колбу, снабженную обратным холодильником, загружали 1 г ФЦАДК и 4 см3 хлористого ацетила. Реакционную смесь кипятили 4 ч. После этого отгоняли избыток хлористого ацетила и выпавший осадок промывали петролейным эфиром и сушили. Характеристики полученных соединений приведены в таблице 3.2. При проведении квантовохимических расчетов использовалась программа Атрас, метод AMI, приближение газовой фазы. Для расчета а-комплекса, в качестве исходной задавали геометрию близкую классическим представлениям о нем. Затем ее оптимизировали методом Мак-Ивера (оптимизация нормы градиента энергии супермолекулы). Для нахождения переходного состояния (седловой точки) применялась следующая методика расчетов. В качестве исходной геометрии бралась геометрия соответствующего с-комплекса и рассчитывался ряд структур с постепенным удлинением связи C-N до нахождения структуры с максимальным значением общей энергии (удлинение связи проводили с шагом 0,05А). После нахождения структуры с максимальным значением общей энергии ее геометрию оптимизировали методом Мак-Ивера. При этом оптимизировали все длины связей и углы, в том числе и связь C-N. При недостаточно точном задании исходной геометрии результатом оптимизации может оказаться не седловая точка, а структура, соответствующая локальному или глобальному минимуму - а-комплекс или удаленные друг от друга субстрат и катион нитрония. Найденная структура переходного состояния проверялась с помощью решения колебательной задачи. Признаком седловой точки является присутствие одной отрицательной силовой константы. Таким образом при расчете супермолекулы (субстрат + N02 ) на профиле ППЭ были обнаружены структуры соответствующие переходным состояниям и а-комлексам. Результаты расчетов приведены в таблице 3.6. 1. Показано, что для проведения реакций алкилирования бензола непредельными циклоалифатическими кислотами в качестве катализатора возможно применение только хлористого алюминия, так как применение серной кислоты и хлорного железа приводит к образованию лактонов. 2. Установлено, что получение у лактонов из непредельных циклических дикарбоновых кислот возможно с использованием в качестве катализатора хлорного железа в среде неполярного растворителя. 3. На основании исследований стереоселективности реакции алкилирования бензола ЦДК в присутствии хлористого алюминия показано, что повышении температуры проведения реакции приводит к снижению селективности. 4. Установлено, что эпимеризация диметилового эфира (1К ,28 ,ЗК ,48 ,58 )-5-фенилбицикло[2.2.1]гептан -2,3-дикарбоновой кислоты может протекать как в присутствии этоксида натрия, так и в условиях щелочного гидролиза: в растворе гидроксида натрия. 5. Показано, что низкое орто/пара-соотиошение в случае нитрования (1К ,28 ,ЗК ,48 ,58 )-5-фенилбицикло[2.2.1]гептан -2,3-дикарбоновой кислоты в уксусной кислоте связано с отсутствием влияния карбоксильных групп, вследствие образования ангидридного цикла 6. Предложена модель, объясняющая, что увеличение орто/пара- соотношения и скорости реакции нитрования (1R ,2S ,3R ,4S ,5S )-5- фенилбицикло[2.2.1]гептан -2,3-дикарбоновой кислоты и ее диметилового эфира связано с понижением энергии активации в случае орто-атаки, вследствие электростатического взаимодействия между карбоксильными группами и атакующей частицей в переходном состоянии. 7. Разработаны эффективные методы синтеза (1R 2S 4R )-4-(4- нитрофенил)-циклогексан-1,2-дикарбоновой кислоты и (1R ,2S ,3R ,4S ,5S )- 5-(4-нитрофенил)бицикло[2.2.1]гептан -2,3-дикарбоновой кислоты и производных на их основе. 8. Синтезированы перспективные мономеры - (1R 2S 4R )-4-(4- аминофенил)-циклогексан-1,2-дикарбоновая кислота и ангидрид (1К 28 4К )-4-(4-ациламидофенил)-циклогексан-1,2-дикарбоновой кислоты и получены полимеры на их основе.Изомеризация производных ФЦАКК
Нитрование ФЦДК и ФНДК и их производных в уксусной кислоте
Применяемые методы анализа
Синтезы на основе (Ж*,28*,4К.*)-4-(4-аминофенил) цикл огексан-1,2- дикарбоновой кислоты
Похожие диссертации на Синтез, строение и реакционная способность фенилциклоалкандикарбоновых кислот и их производных
![Синтез, строение и реакции бордифторидных комплексов производных дегидрацетовой кислоты и пиридо [1,2-a] индола](/i/i/4400/477630.png "Синтез, строение и реакции бордифторидных комплексов производных дегидрацетовой кислоты и пиридо [1,2-a] индола Тамбов, Константин Викторович")