Влияние растворителей на процесс взаимодействия морфолина с винилацетиленом

АННОТАЦИЯ

В статье исследуется влияние растворителей и температуры на реакцию взаимодействия морфолина с винилацетиленом в щелочной среде. Был выбран альтернативный вариант растворителя для этой реакции. В качества катализатора использовали KOH.

ABSTRACT

The article examines the influence of solvents and temperature on the reaction of interaction of morpholine with vinyl acetylene in an alkaline medium. An alternative variant of the investigated solvent was chosen for this reaction. KOH was used as a catalyst.

Ключевые слова: ДМФА, ДМСО, КОН, N-морфолинбутадиен-2,3, катализатор, морфолин, винилацетилен, алленизация, нуклеофильный, растворитель, щелочная среда.

Keywords: DMF, DMSO, KOH, N-morpholinebutadiene-2,3, catalyst, morpholine, vinylacetylene, allenization, nucleophilic, solvent, alkaline medium.

Введение

Известно из патентных исследований [2], что гетероциклические вторичные алифатические амины считаются соединениями, обладающими сильными основными свойствами. Поэтому аллены образуются, когда вторичные амины взаимодействуют с винилацитиленом под высоким давлением в щелочной среде.

Морфолин участвует в большинстве реакций, характерных для вторичных аминов. Из-за наличия в структуре атома кислорода, оттягивающего электронную плотность от атома азота, морфолин менее нуклеофилен, чем структурно подобный вторичный амин, такой как пиперидин, который обычно используется для производства енамина [3]. Морфолин широко используется в органическом синтезе. Например, он является строительным блоком при приготовлении антибиотика линезолида, противоракового препарата гефитиниба и анальгетика-декстроморамида. Низкая себестоимость морфолина, его полярность и свойства растворителя для химических реакций позволяют его использовать не только в научных исследованиях, но и в химической промышленности. Морфолин известен как ингибитор биосинтеза эргостерола, производные которого используются в качестве сельскохозяйственных фунгицидов для обработки зерновых [4].

Применение высокоосновных каталитических сред, разработка новых принципов повышения реакционной способности нуклеофильных реагентов наряду с осуществлением важных реакций в присутствии винилацетилена приводят к созданию новых синтетических методов синтеза [1].

Цель исследования

Изучить влияние различных растворителей в реакции синтеза N-морфолинбутадиена-2,3. Выбор оптимального из вариантов в зависимости от выхода продукта.

Материалы и методы исследований

Реакцию алленизации морфолина в системах с высоким содержанием основания проводили в трехгорловой колбе, в которой были установлены: термометр, мешалка и трубка для подачи винилацетилена. Трехгорловую колбу поместили на регулируемый нагреватель. В начале реакции в колбу наливали смесь из 2,55 г КОН (15 % по массе морфолина) и 50 мл ДМСО, смесь перемешивали и нагревали при 97–100 °C, затем охлаждали до 35 °C, после чего добавляли 16,98 мл (0,2 моль) морфолина, нагревали, при достижении 60 °C через смесь пропускали винилацетилен. Через 4 ч процесс образования останавливали, смесь охлаждали, после чего из реакционной смеси перегонкой убирали растворитель, затем смесь экстрагировали эфиром, сушили сульфатом натрия и добавляли в нее ингибитор гидрохинона.

После анализа полученной смеси было определенно, что точка плавления полученного вещества, была приблизительно равна точке плавление N-морфолинбутадиен-2,3. Это указывает, что полученное вещество – N-морфолинбутадиен-2,3. Выход продукта – 6,4 г – 23 %.

Результаты исследования и обсуждение

Изучено влияние растворителей на реакцию взаимодействия морфолина с винилацетиленом. Процесс продолжался 4 ч. Полученные результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Влияние растворителя на процесс алленизации морфолина (продолжительность реакции – 4 ч)

Результаты исследования показывают, что растворитель оказывает значительное влияние на реакцию алленизации морфолина, то есть без участия растворителя образуется N-морфолинбутадиен-2,3 с выходом 2 %, а при тех же условиях, но в присутствии растворителя ДМСО выход продукта составляет уже 23 %. Для изучения влияния природы растворителя на реакцию в процессе использовали растворитель ДМФА в интервале температур 55–60 °С с содержанием катализатора 15 % (по отношению к массе морфолина). При этом выход продукта составил 9 %. Результаты влияния природы растворителя на реакцию алленизации морфолина в виде количественного выхода продуктов даны в таблице 1.

Из таблицы 1 видно, что наиболее активным из используемых растворителей в процессе реакции алленизации в щелочной среде является растворитель ДМСО по сравнению с другими. Это связано с тем, что биполярный – апротонный растворитель не только образует сильно щелочную систему с катализатором, увеличивая его срок действия, но и ускоряет нуклеофильное связывание промежуточного соединения – морфолината калия с винилацетиленом.

Рисунок 1. Кинетика процесса алленизации морфолина в присутствии различных растворителей (содержание КОН – 15 %, температура – 60 °С): 1 – без растворителя; 2 – с участием ДMФA; 3 – в растворе ДМСО

На основании анализа экспериментальных результатов можно сказать, что N-морфолинбутадиен-2,3 может образоваться без участия апротонных диполярных растворителей, но в этом случае его содержание в продукте очень низкое (2 %). В растворителе ДМФА выход продукта составил 9 % при температуре процесса 60 °С, а продолжительности реакции – 4 ч. Замена растворителя на ДМСО привела к значительному увеличению выхода N-морфолинбутадиен-2,3. В растворителе ДМСО при тех же условиях выход продукта составил 23 %. Зависимость увеличения выхода продукта (%) от типа расворителя и времени реакции графически изображена на рис. 1.

Известно, что процессы алленизации гетероциклических аминов происходят при гораздо более высоких температурах. Поэтому важно изучить влияние температуры на такие процессы. Кроме этого, необходимо изучать влияние атмосферного давления на процесс алленизации морфолина при гомогенных условиях в высокоосновных системах (КОН-ДМСО и КОН-ДМФА).

Для измерения влияния температуры на процесс алленизации использовался интервал температур от 40 до 70 °C, продолжительность реакции – от 2 до 8 ч. Максимальный выход продукта – около 31,7 % – был получен при реакции гомогенизации морфолина алленированием: температура – 70 °C, продолжительность – 4 ч, количество катализатора (KOH) – 15 %.

Выводы

В заключение можно сказать, что процесс алленизации морфолина зависит от природы и температуры растворителя. По результатам наших экспериментов было обнаружено, что из альтернативных вариантов растворителей наиболее эффективным по процентному выходу продукта оказался растворитель ДМСО. После растворение в нем морфолина реакции продолжались в течение 4 ч при 70 °С, после окончания реакции был получен продукт с выходом около 32 %. Но когда температура превышала 80 °С, выход продукта снижался. Следовательно, для комбинации морфолина и винилацетилена при атмосферном давлении в растворителе ДМСО при температуре около 70–75 °С в присутствии катализатора КОН образуется N-морфолинбутадиен-2,3 с выходом 32–34 %. В общем виде реакцию можно описать следующим образом.

Список литературы:

1. Олимов Б.Б., Ахмедов В.Н. Винилацетилен асосида фенолларнинг винил эфирлари синтези. “Замонавий ишлаб чикаришнинг мухандислик ва технологик муаммоларини инновацион ечимлари” Халкаро илмий анжуман материаллари. – Бухоро, 2019. – Б. 37–39.
2. Способ получения N-винилпирролидона // Патент России № 198339. 1967. Бюл. № 14 / Шостаковский М.Ф., Сидельковская Ф.П., Кононов Н.Ф., Заруцкий В.В. [и др.].
3. Lindsay Smith J.R., McKeer L.C., Taylor J.M. 4-Chlorination of Electron-Rich Benzenoid Compounds: 2,4-Dichloromethoxybenzene // Org. Synth.; Coll. – 1993. – Vol. 8: 167.
4. Silversmith F.E., Nickon A. Organic Chemistry // Modern Coined Terms and Their Origins Elsevier Science. – 2013. – P. 313.