Содержание к диссертации
Введение
Элементоорганические соединения, перспективные для синтеза высших моноэфиров гликолей из циклических ацеталей
1.1 Закономерности восстановительного алкилирования циклических ацеталей магнийорганическими соединениями
1.2 Закономерности взаимодействия циклических ацеталей с простейшими алюминийорганическими соединениями .
1.3 Синтез алюминациклопентанов с участием комплексов циркония 21
1.4 Превращения циклических алюминийорганических соединений 27
Обсуждение результатов 35
2.1. Восстановительное алкилирование 1,3-диоксоланов алюминациклопентанами
2.2 Восстановительное алкилирование 1,3-диоксанов алюминацикло- пентанами .
2.3. Взаимодействие 1,3-диоксацикланов с ацетиленовыми алюминийорганическими соединениями
Экспериментальная Часть 70
3.1. Синтез и подготовка исходных материалов 70
3.2. Методы анализа количественных и качественных закономерностей
3.3. Взаимодействие циклических ацеталей и кеталей с высшими 76 алюминийорганическими соединениями
Выводы 91
Список литературы
- Закономерности взаимодействия циклических ацеталей с простейшими алюминийорганическими соединениями
- Синтез алюминациклопентанов с участием комплексов циркония
- Восстановительное алкилирование 1,3-диоксанов алюминацикло- пентанами
- Методы анализа количественных и качественных закономерностей
Введение к работе
Циклические ацетали легко доступны на базе дешевого нефтехимического сырья и находят широкое применение в промышленности [1], в частности в качестве моющих средств, стабилизаторов для различных полимеров, растворителей, антикоррозийных добавок и др [2, 3]. Повышенный интерес к исследованию химии и технологии циклических ацеталей вызван не только их разнообразным практическим использованием, но и хорошими возможностями их применения в качестве модельных соединений в решении проблем теоретической химии и стереохимии. Различные превращения циклоацетального фрагмента открывают новые пути синтеза важных классов органических соединений.
Особенный интерес представляет изучение реакций циклических ацеталей с алюминийорганическими соединениями (АОС) [4, 5, 6]. Известно, что некоторые АОС эффективно восстанавливают ацетали и кетали этиленгликоля до соответствующих моноэфиров [7], которые находят широкое применение в синтезе биологически активных соединений. В связи с этим изучение реакции расщепления циклических ацеталей различными АОС, оценка влияния катализаторов на направление реакции, разработка методов синтеза оксиэфиров различного строения является актуальной задачей.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательской работы НИИ «Малотоннажных химических продуктов и реактивов» НТП Минобразования РФ ПТ. 203.03.01.003 «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», приказ Минобразования РФ от 15.08.2000 №2443, и приказом Минобразования РФ от 12.09.2000 №2617 «Об объявлении конкурса проектов по научно-технической программе. Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» на 2001-2002 годы, и в соответствии с проектом Федеральной целевой программы «Государственная
4 поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки», направление 1.5/2001 грант №425. Цель работы.
Изучение взаимодействия 1,3-диоксацикланов с высшими АОС различного строения.
Подбор эффективных катализаторов и активирующих добавок, позволяющих осуществлять взаимодействие 1,3-диоксацикланов с высшими АОС в мягких условиях с высокой селективностью.
Определение влияния структуры высших АОС на активность и селективность их взаимодействия с 1,3-диоксацикланами.
Научная новизна.
Впервые осуществлена реакция 1,3-диоксацикланов с высшими циклическими и непредельными АОС, синтезированными на основе продуктов нефтехимии.
Систематически изучено активирующее действие комплексов переходных металлов на восстановительное алкилирование и алкинилирование 1,3-диоксацикланов алюминациклопентанами и ал кинилдиал кил аланами.
Оценено влияние строения АОС и 1,3-диоксацикланов на их реакционную способность.
Установлено, что в 1-этил-3-«-гексилалюминациклопентане при взаимодействии с циклическими кеталями селективно расщепляется стерически наименее затрудненная эндоциклическая А1-С - связь, тогда как при переходе к циклическим ацеталям региоселективность процесса понижается.
Впервые осуществлено восстановительное алкинилирование 1,3-
диоксацикланов алкинилдиалкилаланами. Показано, что в
алкинилдиалкилаланах алкинильная группа более активна по отношению к
1,3-диоксацикланам, чем алкильная.
5 Практическая ценность работы.
В результате проведенных исследований разработан селективный метод синтеза пропаргильных моноэфиров гликолей, который предложен для препаративного синтеза, в частности в НИИ Реактив.
В Уфимском Государственном Нефтяном Техническом Университете проведены лабораторные испытания синтезированных ацетиленовых моноэфиров, в результате которых установлено, что данные вещества являются эффективными добавками к ингибитору сероводородной коррозии.
Апробация работы.
Результаты исследования доложены на научной конференции, посвященной 70-летию со дня рождения академика В. А. Коптюга «Современные проблемы органической химии» (Новосибирск, 2001), конференции молодых ученых «Молодые ученые Волго-Уральского региона на рубеже веков» (Уфа, 2001), XIV Международной научно-технической конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии» (Уфа, 2001), Международной конференции «Органический синтез в новом столетии» (С. - Петербург, 2002), V молодежной научной школе-конференции по органической химии (Екатеринбург 2002), I Всероссийской научной INTERNET-конференции «Интеграция науки и высшего образования в области био- и органической химии, и механики многофазных систем» (Уфа 2002), XVI Международной научно-технической конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии» (Уфа, 2003).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 статьи и 7 тезисов докладов на конференциях.
литературный обзор
Закономерности взаимодействия циклических ацеталей с простейшими алюминийорганическими соединениями
Циклические формали устойчивы к действию реактивов Гриньра в изученных условиях. С накоплением алкильных заместителей в положении 2 наблюдается ускорение реакции и повышение выхода целлозольвов[10, 11]. Такая закономерность находится в согласии с данными о влиянии заместителей на реакцию гидролиза 1,3-Диоксацикланов, а также на их расщепление галогенацилами и обусловлена, по-видимому, сходными причинами: изменением электронной плотности на кислородных атомах, являющихся объектами первичной электрофильной атаки, и степенью устойчивости промежуточного карбоксониего иона. Эта закономерность тоже не согласуется с представлениями о первичной нуклеофильной атаке атома С2, так как в таком случае донорные заместители в положении 2 должны были бы замедлять процесс. Облегчение реакции с увеличением числа донорной силы заместителей в положении 2 свидетельствует, что связь С -О разрывается раньше, чем образуется новая связь С -R (R - радикал МОС).
Объем алкильных групп в реактивах Гриньяра отражается на ходе реакции только в том случае, если в диоксолановом кольце уже имеются довольно объемистые заместители [9].
По сравнению с предельными МОС, легко расщепляющими связь С-О циклических ацеталей и кеталей, винилмагнийбромид по отношению к данным объектам оказался менее реакционноспособным реагентом. Так, 2-метил-2-этил-1,3-диоксолан начинает реагировать с винилмагнийбромидом (схема 2) только в относительно жестких условиях (120 С, ксилол). $-Оксиалкиловые эфиры этиленовых спиртов получаются с выходом 10%. В реакцию вводили 2-метил-2-бутил- 2,4-диметил-2-этил-, 2,4,5-триметил-2-этил-1,3-диоксоланы. Непредельные Р-оксиалкиловые эфиры не удалось выделить в случае 2-метил- и 2-пропил-4-метил-1,3-диоксоланов, т.е. и здесь остаются в силе выводы о снижении реакционной способности 1,3-диоксоланов по мере ослабления донорных свойств заместителей в положении 2. .0 + Mg о он H,CXR H3c b 3 R R = H, C2H5, C3H7, C4H9; R = CH3; R = CH3 Схема 2 Расщепление циклических ацеталей магнийбромацетиленом сопровождается побочными процессами. Как правило, образуется сложная смесь, содержащая, по данным ГЖХ и ИК-спектроскопии, наряду с ожидаемыми ацетиленовыми эфирами различные продукты их циклизации, а также предельные оксиэфиры, соответствующие размыканию диоксоланового цикла исходными реактивами Гриньяра [10, 11].
Закономерности взаимодействия циклических ацеталей с простейшими алюминийорганическими соединениями.
Одним из наиболее доступных и дешевых реагентов для расщепления циклических ацеталей являются алюминийорганические соединения, которые производятся в широком масштабе для нужд полимерной промышленности, а также являются полупродуктами в процессе синтеза высших жирных спиртов. В органическом синтезе восстановление карбонилсодержащих соединений АОС применяется весьма часто, вследствие их высокой активности, стерео- и хемоселективности.
В то же время процессу восстановления циклических ацеталей теми же реагентами уделяется все еще мало внимания, причем круг используемых АОС ограничен простейшими промышленными продуктами - (z -Bu AlH, (z-Bu)3Al, Et3Al, Ме3А1.
Циклические ацетали и кетали при 70-80С гладко восстанавливаются диизобутилалюминийгидридом и диэтилалюминийгидридом в соответствующие алюминаты, дающие при гидролизе оксиэфиры (схема 3) Переход от пятичленного цикла к шестичленному гетероциклу ацеталей и кеталей не приводит к значительному изменению их реакционной способности.
Исход реакции диалкилалюминийгидридов с циклическими ацеталями и кеталями зависит, главным образом, от температурных условий. При температурах порядка 20С и ниже большинство ацеталей и кеталей не реагируют с АОС, что позволяет использовать их в качестве эффективных защитных групп при восстановлении кетонов и сложных эфиров.
2-Метил-1,3-диоксолан полностью восстанавливается в 2-этоксиэтанол действием эквимолярного количества хлоралана в эфире, тогда при соотношении диоксолан: А1Н2С1=2:1 гидрогенолиз проходит только на 50% (схема 4).
Схема 4 В последнем случае, промежуточный 2-этоксигидроалюминийхлорид, образующийся из половины взятого 2-метил-2,3-диоксолана, даже имея гидридный ион, не реагирует с оставшимся диоксоланом, в связи с тем, что образование внутримолекулярного комплекса кислота Льюиса - основание, более предпочтительно, чем межмолекулярное комплексообразование со второй молекулой диоксолана (схема 5) [13].
Синтез алюминациклопентанов с участием комплексов циркония
К концу 80-х годов в литературе практически отсутствовали сведения о возможности препаративного синтеза стабильных трех- и пятичленных алюминииорганических соединений. Первое сообщение о региоселективном синтезе ранее не описанных пятичленных алюминииорганических соединений - алюминациклопентанов (АЦП) появилось лишь в 1989 году [36].
Впоследствии было показано, что реакция имеет общий характер и позволяет, синтезировать в одну стадию пятичленные алюминийорганические соединения практически с количественными выходами (схема 24), исходя из крупнотоннажных продуктов нефтехимии (Et3Al и терминальных олефинов - являющихся доступным нефтехимическим сырьем). Разработанная реакция получила название "каталитическое цикло-алюминирование" непредельных соединений, и в настоящее время она широко изучается в отечественных научных центрах [37,38].
Наряду с алкилзамещенными олефинами в реакцию цикло-алюминирования вступают О-, N-, S-содержащие олефины, а также норборнены с образованием соответствующих алюминациклопентанов [39, 40]. Гетероатомные заместители в молекулах исходных олефинов образуют за счет неподеленной пары электронов на атомах О, N или S внутримолекулярные донорно-акцепторные связи с атомом А1, давая комплексы. Не исключено, что аллильная двойная связь также участвует в формировании координационной сферы алюминия. Циклоалюминирование норборненов проходит строго избирательно с формированием пятичленных металлоциклов экзо-конфигурации [39]. При циклоалюминировании норборнадиена во взаимодействие с Et3Al вовлекаются обе двойные связи, что приводит к полициклическим алюминииорганическим соединениям (схема 25), построенным только из пятичленных углеродных и металлосодержащих циклов.
Схема 25 При замене Et3Al в реакции каталитического циклоалюминирования на высшие алюминийорганические соединения (схема 26) наблюдается образование исключительно дгранс-3,4-дизамещенных алюминацикло-пентанов [41, 42].
В условиях реакции наряду с т/%шс-3,4-диалкилзамещенными алюминациклопентанами в каждом опыте образуются в пределах 5-12% 2,4-диалкилзамещенные алюминациклопентаны, которые в результате внутримолекулярного р-гидридного переноса под действием центрального атома катализатора превращаются в -алкенилаланы (схема 27), а после гидролиза в -олефины.
Схема Реакция циклоалюминирования а-олефинов, позволяющая получать гарамс-3,4-диалкилзамещенные алюминациклопентаны, стала более доступной при замене высших триалкилаланов на дигалогеналаны. Суть нового подхода к конструированию замещенных алюминациклопентанов, в отличие от ранее разработанных методов [36, 39], заключается в генерировании in situ "Cp2Zr" восстановлением Cp2ZrCl2 с помощью Mg, активированного RAlCb в тетрагидрофуране. Данный подход позволяет получать из а-олефинов, дигалогеналанов и металлического магния, выступающего в качестве акцептора ионов галогена, соответствующие 1 алкил-, 1-алкокси-, 1-диалкиламино-, 1-галоген- транс-3,4 диалкилзамещенные алюминациклопентаны с выходами 70-90% с участием каталитических количеств Cp2ZrCb или ZrCl4 [43, 44] (схема 28).
Структура замещенных алюминациклопентанов, положение заместителей и их конфигурация устанавливались спектральными методами [45-48], а также химическими превращениями.
Недавно [49, 50] осуществлено катализируемое Cp2ZrCb циклоалюминирование фуллерена Сбо с помощью ЕізАІ, при этом были получены металлоорганические производные углеродного кластера, содержащие алюминациклопентановые фрагменты. При проведении реакции С6о с Et3Al (Сбо : А1 = 1 : 30) в толуоле (-22 С, 36 ч) образуются металлоорганические кластеры, содержащие два алюминациклопентановых фрагмента с общим выходом 80% (схема 29). При соотношении С6о : [А1], равном 1 : 300, удается ввести в молекулу Сбо до 12 алюминациклопентановых фрагментов.
Восстановительное алкилирование 1,3-диоксанов алюминацикло- пентанами
Ключевой стадией нового способа получения 4-метилнонанола-1 -рацемического аналога полового феромона мучного хрущака (схема 37) является реакция алюминациклопентана с ортоформиатом. Образующийся при этом с выходом 55% 1,1-диэтокси-4-метилнонан является удобным синтоном для получения 4-метилнонанола-1. При последующей обработке 1,1-диэтокси-4-метилнонана 5%-ным раствором соляной кислоты, с выходом 80% образуется 4-метилнониловый альдегид, дальнейшее восстановление которого боргидридом натрия приводит к целевому продукту - 4-метилнонанолу-1 с общим выходом 30%.
Алюминациклопентаны вступают в реакцию с эфирами муравьиной кислоты с селективным образованием после гидролиза реакционной массы 3 (н-алкил)-циклопентанолов с выходами 75 % (схема 38). Механизм образования циклопентанолов, предусматривает формирование интермедиатного карбкатиона у opmo-эфирного углеродного атома алюминийорганического соединения, стабилизация которого сопровождается внутримолекулярной скелетной изомеризацией с образованием циклопентансодержащих алкоксидов алюминия, гидролиз которых приводит к целевым продуктам.
Алюминациклопентаны вступают в реакцию с эфирами органических кислот (уксусная, пропионовая) или хлор- и бромангидридами уксусной кислоты с образованием 1,3-диалкилциклопентанолов, в том числе полициклических (схема 39).
Реакция трднс-3,4-диалкилзамещенных алюминациклопентанов с эфирами карбоновых кислот приводит к циклопентанолам с сохранением конфигурации алкильных заместителей (схема 40).
Разработанный способ получения вторичных спиртов через стадию формирования АЦП имеет общий характер. В дальнейшем в реакцию с 1-этил-3-(н-алкил)алюминациклопентанами были вовлечены алкил-, шо-алкил-и арилзамещенные альдегиды, приводящие к спиртам выходами 75-85 %.
Аналогичным образом АЦП достаточно активно реагирует и с кетонами различной структуры, давая соответствующие третичные спирты. Реакция алкил- и фенилзамещенных кетонов с 1-этил-3-(н-гексил)алюминациклопентаном приводит к региоизомерным третичным спиртам в соотношении 3:2 с общим выходом 80 % (схема 41).
Схема 41 Присоединение карбонильной группы происходит преимущественно с участием связи А1-С, наиболее удаленной от алкильного заместителя в исходном алюминациклопентане. Региоселективность реакции значительно повышается для алюминациклопентанов, содержащих объемные заместители при одном из углеродных атомов, связанных с атомом А1.
В реакцию с карбонильными соединениями были также вовлечены АЦП с симметрично расположенными заместителями (схема 42). На примере взаимодействия транс-3,4-ди(н-бутил)алюминациклопентана с альдегидами в углеводородных растворителях показана возможность синтеза диастереомерных вторичных спиртов.
Разработанный способ открывает путь к синтезу вторичных и третичных спиртов различной структуры из олефинов, альдегидов и кетонов через стадию получения in situ алюминациклопентанов.
Схема 42 Таким образом, из литературного обзора следует, что взаимодействие циклических ацеталей с алюминийорганическими реагентами приводит к полифункциональным соединениям, имеющим большое значение в органическом синтезе. Изучение расщепления циклических ацеталей под действием алюминийорганических соединений является важной проблемой органической химии. До сих пор не выяснено влияние катализаторов на данный процесс в полной мере. Важной задачей современной металлорганической химии является изучение каталитического восстановительного расщепления и восстановительного алкилирования ацеталей. О реакциях же ацеталей с алкилалюминийгалоидами и высшими алюминийтриалкилами имеются единичные сообщения. Актуальной задачей является разработка методов расщепления алюминийорганических соединений такого устойчивого к действию металлорганических соединений, как 1,3-ДИОКсолан. Из материалов литературного обзора следует, что алюминийорганические реагенты, в частности апюминацоклопентаны, могут быть легко получены из доступных веществ и благодаря высокой реакционной способности представляют значительный интерес в плане их использования в тонком органическом синтезе. В то же время время реакции этих реагентов с циклическими ацеталями практически не исследованы. В этой связи важным и актуальным является изучение превращений циклических ацеталеи под действием данных алюминииорганических соединений.
В соответствии с приведенными литературными данными реакции циклических ацеталеи с АОС представляют значительный интерес, как в теоретическом плане, так и в аспекте синтеза моноэфиров гликолей -крупнотоннажных продуктов нефтехимии.
Представляется важным и целесообразным углубить и расширить известные представления о действии АОС на циклические ацетали, в частности, использовать в реакциях алюминациклопентаны. Последние находят все более широкое применение в синтезе нетривиальных мономеров и гетероатомных соединений из нефтехимического сырья.
Также в задачу работы входит вовлечение в реакцию с циклическими ацеталями АОС, содержащих алкинильный структурный фрагмент. Это позволит в одну стадию получать ненасыщенные моноэфиры, представляющие значительный интерес благодаря наличию в молекуле двух функциональных групп (кратная связь и гидроксильная группа).
Решение этих задач позволит существенно расширить область применения 1,3-диоксацикланов и АОС в органическом и нефтехимическом синтезе.
Методы анализа количественных и качественных закономерностей
В данной главе рассмотрены методы синтеза и выделения целлозоль-вов, приведены условия анализов методами газожидкостной хроматографии и хромато-масс-спектроскопии, ЯМР Н и 13С спектроскопии.
Для осуществления реакций использовались коммерческие растворы Et3AI, (г-Ви)зАІ, (z-Bu AlH и этилалюминийдихлорида, произведенные на Редкинском опытном заводе. Все опыты с применением алюминийорганиче-ских соединений проводили в атмосфере сухого аргона.
Растворители, использованные в реакциях, широко применяются в органической химии. В связи с тем, что алюминийорганические соединения реагируют с кислородом воздуха и водой со взрывом, особая тщательность требуется при очистке и подготовке растворителей. Линейные углеводороды, бензол, тетрагидрофуран и диэтиловый эфир в атмосфере аргона кипятили над натриевой проволкой и перегоняли над LiAlH4. Толуол очищали, используя бензофенокетил, эффективно удаляющий воду и 02 из растворителей. Толуол кипятили не менее 1 часа над металлическим натрием в атмосфере аргона, после чего к смеси добавили твердый бензофенон в количестве необходимом для образования раствора глубокого сине-фиолетового цвета. Перегонкой в атмосфере аргона получали растворитель, свободный от кислорода и воды. Хлоруглеводороды перегоняли над Р2О5 в атмосфере аргона [93, 94]. Хранение очищенных растворителей осуществляли в сосудах Шленка в атмосфере аргона.
При проведении реакций использовали следующие катализаторы: Ni(acac)2 марки «ч», ZrCl4 порошок марки «ЦрХ4-2».
К раствору 6 г NiCl2-6H20 в 30 мл воды при перемешивании добавляли раствор 5 г ацетилацетона в 15 мл метанола и к образующийся смеси, затем прибавляли раствор 4.1 г ацетата натрия в 20 мл воды. Раствор с осадком нагревали на песчаной бане до закипания, и после охлаждения оставляли на сутки в холодильнике. Выделившийся осадок отделяли фильтрованием с отсасыванием и сушли 2-4 ч при 1 мм. рт. ст. и 60С. Для приготовления безводного светло-зеленого ацетилацетоната никеля полученный продукт два раза перекристализовывали из метанола, после чего сушли 4-6 ч при 1 мм. рт. ст. и 100С [95]. Выход до 60%, т. пл. 227-228С. 1,3-Диоксолан, 2-изопропил-1,3-диоксолан, 2,2-диметил-1,3-диоксо-лан, 4-метил-2-фенил-1,3-диоксан, 2-фенил-1,3-диоксолан, 4-хлорметил-1,3-диоксолан и 1,4-диоксоспиро[4,5]декан были получены по известным методикам [3], перегнаны над NaOH в токе аргона и хранились в инертной атмосфере.
В трехгорлую круглодонную колбу снабженную ловушкой Дина-Старка, обратным холодильником и магнитной мешалкой загружали 37.5 г (0.25 моля) свежеперегнанного бензальдегида и 19.86 г ( 0.32 моля) этиленг-ликоля в 160 мл бензола прибавляли 5% моль, концентрированной серной кислоты. Реакционную массу кипятили при интенсивном перемешивании до прекращения выделения воды. Затем приливали 100-150 мл эфира, промывали 250 мл 10% КОН и 200 мл воды, органический слой отделяли, сушили MgS04 и упаривали на водоструйном насосе. После перегонки в вакууме по 72 лучили бесцветную жидкость 2-фенил-1,3-диоксалан (2) с выходом 80%. Т. кип. = 75С при 3 мм. рт. ст. [96].
К раствору свежеперегнанного бензальдегида (160 г) и 150 г глицерина в 200 мл бензола прибавляли 1 г концентрированной серной кислоты. Реакционную массу кипятили с ловушкой Дина-Старка при интенсивном перемешивании в течение 6 часов до прекращения выделения воды. Затем приливали 100-150 мл эфира, промывали 250 мл 10% КОН и 200 мл воды, органический слой отделяли, водный слой экстрагировали еще 100 мл эфира. Органический слой упаривали на водоструйном насосе, сушили MgSO, . После перегонки в вакууме получили смесь 2-фенил-4-гидроксиметил-1,3-диоксолана (45) и 2-фенил-5-гидрокси-1,3-диоксана (46) с выходом 90%. Т. кип. = 146-148С при 4 мм. рт. ст. [97].
В трехгорлую колбу с обратным холодильником, капельной воронкой и магнитной мешалкой поместили 20 ммоль октена-1 затем добавили при перемешивании 5% моль катализатора Cp2ZrCl2. После растворения катализатора при перемешивании добавили по каплям 20 ммоль ТЭА. Затем смесь перемешивали 8-10 часов.
Контроль за конверсией субстратов осуществляли с помощью отбора пробы, которую разбавляли эфиром и гидролизовали водой и 10% раствором НС1. Эфирный слой отделяли, сушили MgS04. упаривали растворитель и остаток анализировали методом ГЖХ, определяя содержание октена-1 или 3-метилдекана [98]. Ввход АОС 1 составил 98%.
