Синтез ароматических ацетиленовых спиртов с использованием катализатора трифторметилсульфоната цинка и олова

DOI: 10.32743/UniChem.2021.81.3-2.7-11

АННОТАЦИЯ

Исследованы реакции энантоселективного этинилирования циклопентанона, циклогексанона, 2-метилциклогексанона, ментона, камфора, адамантонона, уксусного альдегида, бензальдегида, циклогексанала с фенилацетиленом в присутствии стереоселективных катализаторов− Zn(OTf)₂/NEt₃/MeCN и Sn(OTf)₂/NEt₃/MeCN. Изучено влияние на выход продукта природы выбранных альдегидов их фазовых строений и оптической активности. Определено влияние на эффективное образование ацетиленовых спиртов и протекания химических реакций температуры, продолжительности реакции, растворителей, катализаторов и концентрации, количества и природы исходных веществ. С помощью теоретических закономерностей определена кинетика и механизмы реакций, а также свойства этих спиртов используя физико-химические методы на основе компьютерных программ с применением квантово-химических расчётов. Найдены наиболее оптимальные условия процесса на основе полученных результатов с целью увеличения выхода ацетиленовых спиртов, уменьшения количества побочных и промежуточных продуктов.

ABSTRACT

Cyclopentanone, cyclohexanone, 2-methylcyclohexanone, menthone, camphor, adamantonone, аcetic aldehyde, benzaldehyde and cyclohexonal stereoselective catalysts Zn(OTf)₂/NEt₃/MeCN and Sn(OTf)₂/NEt₃/MeCN with phenylacetylene reaction of enantioselective alkynilation were investiged. The nature of seluted aldehydes, spatial structure and optical activity of their molecules and impact of productivity of sequence was observed. Efficiency of formation acetylene alcohol. Efficiency and course of chemical reaction in the process of formation acetylene alcohol affection of temperature, reaction duration, solvents, catalysts and constituents, their number and nature effects, reaction kinetics and mechanisms was investigated in consequence of theoretical and chemical methods, quantum chemical calculations were determined based on modern computer technologies. Based on the results obtained to increase the acetylene alcohol production, reduce the amount of supplementary and intermediate products, the most favorable conditions were found.

Ключевые слова: фенилацетилен, ароматические ацетиленовые спирты, катализаторы, растворитель, селективность, выход продукта.

Keywords: phenylacetylene, aromatic acetylenic alcohols, catalysts, solvent, selectivity, product outlet.

В работе [1] показана возможность использования в качестве катализатора для реакций альдегидов и кетонов с ацетиленом и его производными (при обычном или повышенном давлении в интервале температуры от 0 до 10 ^оС) вместо КОН мелкоизмельченного сплава СаС₂.

Ряд ацетиленовых спиртов с достаточно высокими выходами получен реакцией ацетиленовых углеводородов типа RCºCH (R= −H или алкил с C₁−C₁₀) c карбонильными соединениями R^ICOR^II (R^I= −H, −алкил с C₁−C₁₀ или −арил с C₆−C₁₂; R^II = −алкил с С₁−С₁₀ или -арил с С₆−С₁₂, причем R^I и R^II вместе могут образовывать ­арилалкил) [2].

Синтезированы ацетиленовые спирты (54-89%), содержащие два ароматических кольца, реакцией каталитического алкинилирования в присутствии каталитических систем Sn(OTf)₂/DBU/CH₂Cl ароматических альдегидов с фенилацетиленом с участием слабого нуклеофильного основания диазобициклоундецена (DBU) и катализатора Zn(OTf)₂/Pt₂NEt/CH₂Cl₂ [3, 4].

Изучен также синтез ацетиленовых спиртов диарил кетонов с терминальными алкинами взаимноалкинилированием в присутствии комплексного катализатора на основе BINOL/Ti(OⁱPr)₄/Zn(Et)₂ в среде толуола при -30 ^оС и продолжтельности реакции 18 часов [5, 6].

В работах [7, 8] сообщается о синтезе вторичных и третичных ацетиленовых перокси- спиртов реакцией перокси- ацетиленидов лития с алифатическими, циклоалифатическими и ароматическими альдегидами и кетонами. Описан метод синтеза ранее не известных третичных бутиллития, моноацетиленида лития, 1-литийалкинов, в том числе 3-литийокси-1-литийалкинов и перокси содержащих 1-литийалкинов на 2-трет-бутилперокси-2-метилпентан-4-он. Продукты получены с выходами 60-88% [9].

Реакции синтеза ароматических ацетиленовых спиртов (I-X), основанные на взаимодействия фенилацетилена с некоторыми кетонами и альдегидами, были изучены с использованием сложной каталитической системы - Zn или Sn(OTf)₂/NEt₃/MeCN, приготовленные на основе соли трифторметил-сульфоновой кислоты с металлическим цинком или олова [10, 11].

Анализ литературных данных показывает, что на основе взаимодействия алкинов с органическими соединениями, содержащие в молекуле карбонильные и гидроксильные группы позволяют получать биологически активные ацетиленовые спирты и их производные, которые широко используются в различных отраслях промышленности. Однако недостаточно внимания уделяется использованию каталитических систем с высокой активностью в синтезе ацетиленовые спирты.

Синтез ацетиленовых спиртов, имеющих в молекуле несколько реакционных центров, получение на их основе перспективных лекарственных препаратов, их целевое применение в различных областях является актуальной задачей.

В настоящей статье также приводятся результаты исследований зарубежных и отечественных авторов, касающихся химии и технологии получения ацетиленовых спиртов.

Используя стереоселективные катализаторы − Zn(OTf)₂/NEt₃/MeCN и Sn(OTf)₂/NEt₃/MeCN, с помощью реакции фенилацетилена с некоторыми циклическими кетонами (циклопентанон, циклогексанон,
2-метилциклогексанон, ментон, камфора, адамантанон) и альдегидами (уксусный альдегид, кротоновый альдегида, циклогексанал и бензальдегид) на основе реакции нуклеофильного присоединения были синтезированы соответствующие ароматические ацетиленовые спирты:
1-(2-фенилэтинил)циклопентанол(I), 1-(2-фенилэтинил)циклогексанол (II),
2-метил-1-(2-фенилэтинил)циклогексанол (III), 2-изопропил-5-метил-1-(2-фенил-этинил)циклогексанол (IV), 1,7,7-триметил-2-(2-фенилэтинил)-бицикло[2.2.1]гептанол-2 (V) и 2-фенилэтинилтрицикло[3,3,1,0^3,7]нонанол-2 (VI) 4-фенилбутин-3-oл-2 (VII), 1-фенилгексен-4-ин-1-ол-3 (VIII), 1-цикло-гексил-3-фенилпропин-2-ол-1 (IX) и 1,3-дифенилпропин-2-ол-1 (X) [12-13].

RRʹ= _cPt (I); RRʹ= _cHe (II); RRʹ= Me_cHe (III); RRʹ= MeⁱPr_cHe (IV);

RRʹ= Me₃bicHe (V); RRʹ= _cAd (VI), R= -Me, Rʹ= Н (VII); R= -CH=CHMe, Rʹ= Н (VIII); R= -_cHe, Rʹ= Н (IX); R= -Ph, Rʹ= Н (X)

Целью исследования является синтез ароматических ацетиленовых спиртов с использованием различных каталитических систем, разработка методов синтеза, определение их структуры, физико-химических и биологических свойств.

Объектами исследования являются фенилацетилен, циклопентанон, циклогексанон, метилциклогексанон, ментон, камфора, адамантанон, уксусный альдегид, кротоновый альдегида, циклогексанал и бензальдегид, растворители, осушители, ароматические ацетиленовые спирты, сложные каталитические системы.

Влияние продолжительности реакции на процесс синтеза ароматических ацетиленовых спиртов при 60° С изучено на катализаторе Zn(OTf)₂. Увеличение выхода продукта наблюдалось при увеличении продолжительности реакции с 60 до 300 мин, а при проведении процесса в течение 420 мин. за счет частичной олигомеризации ароматических ацетиленовых спиртов, а также образования диолов, простых эфиров выход ароматических ацетиленовых спиртов уменьшается. Также отмечено, что с увеличением молекулярной массы и энергии Гиббса кетонов уменьшается общая энергия и затрудняется образование ароматических ацетиленовых спиртов.

Исследовано влияние количества катализаторов и температуры на выход ароматических ацетиленовых спиртов. По результатам эксперимента было установлено, что  при количестве катализатора 8 масс.% и температуре  60^о C, достигается максимальный выход ароматических ацетиленовых.

При проведении процесса при 120 ^оC, выход ароматических ацетиленовых спиртов снижается за счет увеличения побочных продуктов.

Следует отметить, что при содержании Zn(OTf)₂ 11 масс.% и повышении температуры от 60 до 90 ^оC выход ароматических ацетиленовых спирты резко увеличивается (I-12,7; II-11,8; III-12,3; IV-13,9; V-18,1 и VI-17,0%), а при Zn(OTf)₂ 8 масс.% выход ароматических ацетиленовых спиртов практически не меняется (I-0,7, II-1,4, IV увеличивается на -1,2, III-0,4 уменьшается, V-1,6 и VI-1,1% уменьшается).

Таким образом, на основе экспериментальных данных сделан вывод, что увеличение количества катализатора и температуры отрицательно влияет на выход ароматических ацетиленовых спиртов.

Реакции синтеза ароматических ацетиленовых спиртов в присутствии катализатора трифторметилсульфоната цинка проводили в толуоле, ацетонитриле и растворе толуол-ацетонитрил. Согласно полученным результатам, реакция оказалась эффективной, когда ее проводят в растворе ацетонитрила и были найдены наиболее оптимальные условия для проведения процесса. При проведении реакции при температуре 60 ^оC в течение 5 часов, максимальное значение выхода ароматических ацетиленовых спиртов составляет: I=86,6; II=82,0; III=78,1; IV=70,0; V=61,0 и VI=57,4%.

Реакции синтеза ароматических ацетиленовых спиртов в присутствии каталитической системы– Sn(OTf)₂/NEt₃/MeCN, при температуре 10 ^оC в течение 1 часа, максимальное значение выхода ароматических ацетиленовых спиртов составляет VII=86; VIII=84; IX=80 и X=92%.

Идентификацию полученных продуктов осуществляли методом магнитного резонанса. Ниже представлены значения спектральных характеристик для ¹H-ЯМР и ¹³С-ЯМР

1-(2-фенилэтинил)циклопентанол (I): ¹H-ЯМР (400 MHz, CDCl₃) δ 7.44-7.40 (m, 2H, Ph), 7.31-7.27 (m, 3H, Ph), 2.17 (s, 1H, OH), 2.09-2.02 (m, 4H), 1.91-1.84 (m, 2H), 1.81-1.75 (m, 2H). ¹³C-ЯМР (100 MHz, CDCl₃): δ 131.9, 128.6, 128.5, 123.2, 93.2, 83.4, 75.2, 42.8, 23.8.

1-(2-фенилэтинил)циклогексанол (II): ¹H-ЯМР (400 MHz, CDCl₃) δ 7.56-7.54 (m, 2H, Ph), 7.48-7.40 (m, 3H, Ph), 2.07 (s, 1H, OH), 1.94-1.86 (m, 2H), 1.73-1.51 (m, 7H), 1.29-1.20 (m, 1H). ¹³C-ЯМР (400 MHz, CDCl₃): δ 130.7, 127.8, 127.3, 121.6, 89.3, 85.7, 67.7, 44.3, 28.6, 26.4.

2-метил-1-(2-фенилэтинил)циклогексанол (III): ¹H-ЯМР (400 MHz, CDCl₃) δ 7.57-7.54 (m, 2H, Ph), 7.40-7.31 (m, 3H, Ph), 2.05 (s, 1H, OH), 2.02-1.98 (m, 1H), 1.75-1.43 (m, 6H), 1.33-1.19 (m, 2H), 1.05 (m, 3H, CH₃). ¹³C-ЯМР (400 MHz, CDCl₃): δ 131.7, 128.6, 128.3, 126.4, 91.4, 83.5, 72.2, 42.4, 37.9, 27.5, 25.4, 20.7, 16.3.

2-изопропил-5-метил-1-(2-фенилэтинил)циклогексанол (IV): ¹H-ЯМР (400 MHz, CDCl₃) δ 7.31-7.18 (m, 5H, Ph), 2.05 (s, 1H, OH), 1.98-1.86 (m, 2H), 1.95 (m, (CH₃)₂CH), 1.74 (m, 1H), 1.63-1.57 (m, 5H), 1.02 (m, 6H), 0.94 (m, 3H). ¹³C-ЯМР (400 MHz, CDCl₃): δ 128.4, 124.5, 124.3, 122.1, 86.4, 83.7, 73.4, 69.5, 40.1, 34.6, 32.3, 24.2, 22.8, 21.2, 18.7.

1,7,7-триметил-2-(2-фенилэтинил)-бицикло[2.2.1]гептанол-2 (V): ¹H-ЯМР (400 MHz, CDCl₃) δ 7.74-7.71 (m, 1H,), 7.48-7.45 (m, 2H), 7.33-7.30 (m, 3H),
7.27-7.20 (m, 3H), 7.57-7.46 (m, 6H), 1,94 (s, 1H, OH), 1.41-1.48 (m, 1H), 1.08-1.30 (m, 5H). ¹³C-ЯМР (400 MHz, CDCl₃): δ 140.5, 139.2, 132.8, 129.2, 128.4, 128, 24, 128.12, 126.4, 122.12, 88.6, 65,4, 48.3, 24.6;

2-фенилэтинилтрицикло[3,3,1.0^3,7]нонанол-2 (VI): ¹H-ЯМР (400 MHz, CDCl₃) δ 1.35-2.15 (m, 14H, Ad), 2.08 (s, 1H, OH), 7.15-7.45 (m, 5H, Ph).

4-фенилбутин-3-ол-2 (VII): ¹H-NMR (CDCl₃): δ 7.18-7.27 (m, 5H, ArH), 4.78 (d, J=6.5 Hz, 1H, CHOH), 2.05 (d, 1H, OH), 1.56 (d, J=7.0 Hz, 3H, CH₃OH).
¹³C-NMR: δ 131.7, 128.3, 127.7, 91.3, 83.8, 58.6, 24.4.

1-фенилгексен-4-ин-1-ол-3 (VIII): ¹H-NMR (CDCl₃): δ 1.14-1.23 (m, =СН-СН₃), 4.13-4.21 (m, >СН-ОН), 5.2 (d, 1H, OH), 5.53-5.71 (m, -СН=СН-), 5.91-6.27 (d, J=5.8 Hz, =СН-(=СН-СН₃), 6.45 (m, 2H), 7.62 (m, 3H). ¹³C-NMR: δ 122.1, 116.8, 117.2, 96.3, 88.4, 67.5, 21.2.

1-циклогексил-3-фенилпропин-2-ол-1 (IX): ¹H-NMR (CDCl₃): δ 7.45-7.41 (m, 2H), 7.33-7.28 (m, 3H), 4.38 (t, J=5.9 Hz, 1H), 1.95-1.90 (m, 2H), 1.86-1.78 (m, 3H), 1.72-1.64 (m, 2H), 1.32-1.11 (m, 5H). ¹³C-NMR (CDCl₃): δ 131.7, 131.7, 128.27, 128.24, 122.8, 89.3, 85.7, 67.7, 44.3, 28.6, 28.2, 26.4, 25.92, 25.90.

1,3-дифенилпропин-2-ол-1 (X): ¹H-NMR (CDCl₃): δ 7.82-7.74 (m, 2H),
7.55-7.42 (m, 6H), 5.88 (d, J=5.8 Hz, 1H), 2.42(d, J=5.9 Hz, 1H). ¹³C-NMR: δ 140.4, 131.2, 128.3, 128.7, 128.3, 128.2, 126.6, 122.5, 88.5, 86.8, 65.2.

Изучено влияние структуры молекулы альдегида и кетона, объема, разветвленности и пространственного расположения циклических радикалов, связанных с группой >С=О на выход ароматических ацетиленовых спиртов; был определен ряд реакционной активности выбранных альдегидов и кетонов и сделано предположение о механизмах реакции этинилирования альдегидов и кетонов.

Благодаря наличию в синтезируемой молекуле ароматических ацетиленовых спиртов, нескольких активных центров – ароматического и циклического кольца, тройных связей, гидроксильной группы, подвижного водорода в гидроксильной группе, были разработаны эргономичные методы синтеза биологически активных соединений.

На производственной базе ООО «Чиназский НПЗ» была изучена биологическая активность синтезированных ароматических ацетиленовых спиртов по отношению к микроорганизмам, вызывающих биокоррозию металлических устройств, оборудования и металлоконструкций нефтеперерабатывающих заводов. Исследования показали, что ароматические ацетиленовые спирты обладают высокими биоцидными свойствами, позволяющими эффективно уничтожать микроорганизмы (86%) в эмульсиях нефть-вода, в связи с чем могут быть предложены в качестве ингибиторов коррозии.

Список литературы:

1. Werner G., KonsRodygin K.S, Kostin A.A., Gordeev E.G, Kashinb A.S., Ananikov V.P. A solid acetylene reagent with enhanced reactivity: fluoride-mediated functionalization of alcohols and phenols // Green Chemistry. − 2017. -Vol.19.- №13. − Р. 3032-3041.
2. Abolfazl Hosseini, Daniel Seidel, Andreas Miska, Peter R. Schreiner. Fluoride-Assisted Activation of Calcium Carbide: A Simple Method for the Ethynylation of Aldehydes and Ketones // Organic Letters − 2015. -Vol. 17.- №11. − Р. 2808-2011.
3. Frantz A.A., Fassler R.J., Carreira C.M. Facile Enantioselective Synthesis of Propargylic Alcohols by Direct Addition of Terminal Alkynes to Aldehydes // Journal of the American Chemical Society.− 2000. -Vol. 8. -№22. − Р. 1806-1807.
4. Chieh-Kai Chan, Heui-Sin Wang, Yu-Lin Tsai and Meng-Yang Chang Metal triflate promoted synthesis of naphthalenes // The Royal Society of Chemistry. − 2017. - Vol. 7. -№47. − Р. 29321-29329.
5. Lin Pu.  Asymmetric Functional Organozinc Additions to Aldehydes Catalyzed by BINOLs // American Chemical Society. − 2014.- №47. − Р. 1523-1535.
6. Pier Giorgio Cozzi, Silvia Alesi.  BINOL catalyzed enantioselective addition of titanium phenylacetylide to aromatic ketones // Chemical Communications − 2004. №21. − Р. 2448-2458.
7. Дикусар Е.А., Ювченко А.П., Козлов Н.Г., Попова Л.А., Мойсейчук К.Л. Синтез и реакции ацетиленовых пероксидов на основе адамантанона // Журнал органической химии. − 2000.- Т. 36. -№18. – С 1523-1535.
8. Дикусар Е.А., Ювченко А.П., Мурашко А.П., Мурашко В.Л., Мойсейчук К.Л. Ацетиленовые вторичные пероксиспирты и их ацетаты на основе монозамещенных бензальдегидов // Журнал органической химии. − 2000. -Т. 36. -№70. – С 791-797.
9. Ювченко А.П., Дикусар Е.А., Зверева Т.Д., Мурашко В.Л. Перокси содержащие спирты и эфиры на основе 2-трет-бутилперокси-2-метилпентан-4-она. // Журнал органической химии. − 2003. -Т. 36.- №2. – С 188-193.
10. Abdurakhmanova ., Ziyadullaev O., Ikramov A., Saliyeva M.. Synthesis Of Aromatic Acetylene Alcohols On The Basis Of Various Aldehydes In The Catalytic System ZnEt2/Ti(OiPr)4 // Journal Of Critical Reviews, − 2020.- Vol. 7.- №19. − Р. 1488-1499.
11. Otamukhamedova G.Q., Ziyadullayev O.E., Ikramov A. Enantioselective Alkynylation of some Cyclical Ketones by 3,3′-Diphenylbinaphtol Dilithium // International Journal of Advanced Science and Technology.− 2020. -Vol. 29.- №12. − Р. 2503-2511.
12. Отамухамедова Г.K., Зиядуллаев О.Э., Тиркашева С.И. Синтез 1,7,7-триметил-2-(2-фенилэтинил)бицикло[2.2.1]гептанола-2 в присутствии высоко основной каталитической системы // Universum: Xимия и биология.− 2020. - № 2(68). − С. 84-90.
13. Feihua Luoa, Shuhua Heb, Quan Goub, Jinyang Chenb, Rhodium-catalyzed oxidative coupling of benzoic acids with propargylalcohols: An efficient access to isocoumarins // Tetrahedron Letters. − 2021.-  №64. − Р. 524-527.