Синтез ацетиленовых спиртов на основе терминал алкинов и кетонов в присутствии различных катализаторов

АННОТАЦИЯ

Найдены методы синтеза ароматических ацетиленовых спиртов с некоторыми кетонами– циклопентанон, циклогексанон, 2-метилциклогексанон, ментон, камфора и адамантоны на основе Cs₂CO₃ и 3,3′-Ph₂BINOL-2Li комплексных каталитических систем реакциями этинилирования с фенилацетиленом. Определено влияние размера и количества колец в молекуле выбранных моно-, би- и трициклических кетонов на протекание реакций этинилирования и эффективность образования ацетиленовых спиртов. Систематически обсуждено влияние природы исходных соединений, катализаторов и растворителей на протекание реакции и выходы продуктов. Cинтезированы новые винилоксиэфиры (ВОЭ) на основе реакции этинилирования с фенилацетиленом впервые синтезированных ароматических ацетиленовых спиртов (AAC) в высоко основной каталитической системе. Определены свойства ароматических ацетиленовых спиртов, ингибирующих процессы биокоррозии и седиментации солей в промышленности.

ABSTRACT

Some ketones - cyclopentanone, cyclohexanone, 2-methylcyclohexanone, menthon, camphor and adamantanone were synthesized from phenyl acetylene with the use of complex catalytic systems based on ethinyl acetylene with Cs₂CO₃ and 3,3′-Ph₂BINOL-2Li made. The effect of the size and number of rings in the molecule of selected mono-, bi- and tricyclic ketones on the course of ethinilization reactions and the efficiency of the formation of acetylene alcohols was determined. Influence of nature of initial compounds, catalysts and solvents on carring out of reaction and yields of products has been determined. New vinyloxy esters were synthesized based on the ethinyllation reaction of the first synthesized aromatic acetylene alcohols (AAA) with phenylacetylene in a highly basic catalytic system. Aromatic acetylene alcohols have been shown to have inhibitory properties against industrial biocorrosion and scale-forming salts.

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

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

Синтез ацетиленовых спиртов с использованием высокоосновных систем был открыт Б.А. Трофимовым. Под руководство его ученика У.Ю. Шмида впервые с использованием разбавленной суспензии спиртовой щелочи в ДМСО и высокоосновной системы КОН-EtOH-H₂O-ДМСО синтезированы ацетиленовые спирты реакциями между ацетиленом и кетонами, содержащими в составе молекулы алкил-арил-, алкил-гетарил-радикалы[1, 2]. На основе высокоосновной каталитической системы синтезированы виниловые эфиры из прегненолона и ацетилена, которые сохранили конфигурацию кетогруппы и всех асимметричных центров [3]. Изучен также синтез ацетиленовых спиртов диарилкетонов с терминальными алкинами взаимным алкинилированием в присутствии комплексного катализатора на основе BINOL/Ti(OⁱPr)₄/Zn(Et)₂ в среде толуола при -30 ^оС и продолжительности реакции 18 часов [4, 5]. В настоящее время катализатор – литий бинафтолат получен на основе бутиллития и бинафтола (BINOL), производится промышленностью и применяется для синтеза ряда органических соединений– спиртов, эфиров, кислот, элементоорганических соединений [6, 7]. Для синтеза ацетиленовых спиртов широко используются селективные нанокатализаторы типа Et₂O+PhMe+Hex, TiCl₄/Me₂S, Et₃N/Zn(OTf)₂, Cl₂Ti(OPh)₂ и 3,3ʹ-Ph₂BINOL-2Li. Синтез ацетиленовых спиртов и их производных на основе вторичного сырья нефтегазовой и химической промышленности, разработка технологии их производства, получение витаминов, гормонов, антибиотиков, антибактерицидных биоцидов, высокотемпературных полимеров, резино-каучуковых материалов, сшивающих агентов для получения наноматериалов молекулярной электроники нового поколения и их применение является важным научно-исследовательским направлением [8].

Анализ литературных данных показывает, что на основе взаимодействия алкинов с органическими соединениями, содержащими в молекуле карбонильные и гидроксильные группы можно получать биологически активные ацетиленовые спирты и их производные. Однако  недостаточно внимания уделяется использованию каталитических систем с высокой активностью при синтезе ацетиленовых спиртов. Синтез ацетиленовых спиртов с несколькими реакционными центрами в молекуле и их целевое применение в различных областях, в т.ч. -получение на их основе перспективных лекарственных препаратов является актуальной задачей.

В этой статье также приведены результаты научных исследований зарубежных и отечественных исследователей по химии и технологии алкинолов.

Реакция этинилирования некоторых циклических кетонов в присутствии фенилацетилена с использованием высокоосновной каталитической системы.

Используя высокоосновную каталитическую систему (Cs₂CO₃/ДMСO•Н₂O) с помощью реакции фенилацетилена с некоторыми циклическими кетонами- циклопентаноном, циклогексаноном, 2-метилциклогексаноном, ментоном, камфорой и адамантаноном на основе реакции нуклеофильного присоединения синтезированы соответствующие ААС- 1-(2-фенилэтинил)циклопентанол (I), 1-(2-фенилэтинил)циклогексанол (II), 2-метил-1-(2-фенилэтинил)циклогексанол (III), 2-изопропил-5-метил-1-(2-фенилэтинил)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) [9].

I-VI

RRʹ= cPt (I); RRʹ= cHe (II); RRʹ= MecHe (III); RRʹ= MeⁱPrcHe (IV); RRʹ= Me₃bicHe (V); RRʹ= cAd (VI), M= Na, K, Cs

В выбранной системе систематически обсуждено влияние различных факторов – температуры, продолжительности реакции, природы растворителей и катализаторов, мольного соотношения исходных материалов на процесс синтеза ААС (табл.1).

Таблица 1.

Влияние природы катализатора и продолжительности реакции на выход продукта (мольное соотношение фенилацетилен: кетон 1:2, температура 60 ^oC, растворитель ДМСО)

При использовании Na₂CO₃, K₂CO₃ или Cs₂CO₃ в качестве катализатора в реакции этинилирования выбранных кетонов наблюдается увеличение выхода ААС, поскольку каталитическая активность металлов возрастает с увеличением радиуса атома металла. Когда реакцию этинилирования проводили в течение 240 минут, выход ААС было минимальным, при продолжительности реакции 360 минут их выход максимальный. С увеличением продолжительности процесса до 480 минут за счет образования олигомеров, виниловых или оксосоединений в системе наблюдается уменьшение выхода ААС.

Изучено влияние растворителей (ДМСО и ДМФА) на скорость реакции и выход продукта. При этом выход ААС в ДМСО является наивысшим. В результате того, что ДМСО частично действует как катализатор, образующиеся при этом ацетилениды взаимодействуют с M₂CO₃ с формированием промежуточного комплекса с донорно-акцепторными связами, что приводит к специфической сольватации. Образование промежуточного комплекса увеличивает скорость реакции получения спиртов. Алкоголяты легко гидролизуются с образованием соответствующих ААС с высокими выходами.

Исследовано влияние температуры на реакции синтеза ААС в интервале 40-100 ^оС. Реакцию проводили в растворе ДМСО при продолжительности 360 минут, количество Cs₂CO₃ по отношению к массе исходных продуктов составляет 12,5:1. При проведении реакции при 40 ^оC выход ААС был низким. При температуре 60 ^оC скорость движения молекул субстрата и реагента в растворителе увеличивается, что приводит к образованию активных частиц, имеющих наивысшую энергию. При этом увеличивается тепловое движение частиц, повышается неупорядоченность в расположении относительно друг друга, разрываются химические связи между частицами и образуются новые связи (табл. 2).

Таблица 2.

Влияние температуры на выход продукта

По мере увеличения числа активных молекул ионные связи в молекуле ацетиленидов легко разрушаются и образуются свободные катионы, что приводит к увеличению скорости реакции нуклеофильного присоединения и вқсокому вқходу ААС. При проведении реакции при 100 ^оC наблюдается снижение выхода продукта, что можно объяснить образованием ацетиленидов и ВОЭ при взаимодействии с катализатором AAС и фенилацетилена [10].

Определены энергии активации (E) реакций синтеза ААС. В частности, по результатам эксперимента на основании графика зависимости lgW от 1/T, рассчитаны энергии активации всех реакций по методу Аррениуса (I = 11,93; II = 12,45; III = 12,68; IV = 13,03; V = 13, 28; VI = 14,42 ккал/моль).

Рисунок 1. Зависимость  lgW от 1/Т: а) для синтеза (II), б) для синтеза (III)

По результатам исследования определены оптимальные условия синтеза ААС с использованием системы M₂CO₃/ДМСО .Н₂O. Наиболее высокий выход ААС (I=73,5%; II=69,0%; III=67,5%, IV=64,2%; V=52,4% и VI=51,9%) наблюдается при температуре 60 ^оС при продолжительности реакции 360 мин и соотношении количества катализатора к массе реагентов в соотношении 12,5:1.

Синтез ароматических ацетиленовых спиртов с использованием катализатора 3,3'-дифенилбинафтолата дилития.

Из циклических кетонов и фенилацетилена с применением катализатора 3,3ʹ-Ph₂BINOL-2Li с помощью реакции энантиоселективного алкилирования фенилацетиленом синтезированы ААС I-VI [11].

Обсуждено влияние температуры на выход продуктов в присутствии каталитической системы 3,3ʹ-Ph₂BINOL-2Li. В частности, реакцию проводили в интервале температур -20 - 20 ⁰C, при 0 ^оC максимальный выход ААС составляет: I-VI - 77,3; 72,0; 70,4; 66,6; 53,3 и 51,0% соответственно [12]. Когда реакцию проводили при -20 ^оC, выход ААС низкий, так как 3.3ʹ-Ph₂BINOL-2Li пассивен в растворе, образование активных центров и взаимодействие частиц медленное. При 0 ^оC скорость движения молекул реагентов и растворителя увеличивается и соответственно увеличивается скорость этинилирования. Количество ацетиленидов в системе увеличивается и приводит к образованию ААС с высокими выходами. При повышении температуры до 20 ^оC повышается образование побочных продуктов, и выход ААС снижается.

Реакцию выбранных кетонов с фенилацетиленом проводили в течение 60-180 минут. ААС были синтезированы с максимальным выходом при проведении реакции 120 мин. При проведении реакции в течение 180 мин, наблюдается снижение выхода в результате превращения ААС в исходные вещества: фенилацетилен и кетоны [13].

Рисунок 2. Влияние продолжительности реакции на выход продукта

(растворитель ТГФ, температура 0 ^oC, количества катализатора 58,0 масс.%, мольное соотношение исходных веществ 1:2)

По результатам эксперимента найдены наиболее оптимальные условия проведения реакции: температура 0 ⁰C, продолжительность реакции 120 минут, растворитель TГФ, мольное соотношении исходных соединений 1:2. Структура синтезированных ААС была доказана методами ¹H-ЯМР и ¹³C-ЯМР-спектроскопии.

Рисунок 3. ¹H- ЯМР спектр 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).

Рисунок 4. ¹³C- ЯМР спектр I - ¹³C- ЯМР (100 MHz, CDCl₃): δ 131.9, 128.6, 128.5, 123.2, 93.2, 83.4, 75.2, 42.8, 23.8.

II- R_f = 0,28; (72,1%): 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. III- R_f = 0,34; (70,4%): 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. IV- R_f  = 0,38; (66,0%): 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. V- R_f  = 0,27; (53,3%): 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;. VI- R_f  = 0,34; (50,1%): 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).

ВОЭ ААС (VII-XII) с двумя ароматическими кольцами в молекуле, синтезированы путем взаимодействия ААС с фенилацетиленом с использованием высокоосновной каталитической системы. Схема реакции предложена следующим образом:

VII-XII

R= cPt(VII); R= cHe (VIII); R= MecHe (IX); R= MeⁱPrcHe (X); R= Me₃bicHe (XI); R= cAd (XII), М- Li, Na, K

Изучены роль, природа и количество каталитической системы CsҒ+МOН+ДМСO, а также влияние температуры (70-150 ^оC) на выход ВOЭ. В этом случае процесс проводили в течение 4-10 часов в растворе ДМСО. Исходные вещества взяты в эквимолярном соотношении. Увеличение выхода ВOЭ наблюдается при увеличении температуры от 70 до 120 ^оC, увеличении температуры до 150 ^оC приводит к резкому снижению выхода продукта.

Низкая каталитическая селективность щелочей в растворе ДМСО наблюдается при 70 ^оC, полная каталитическая активность - при температуре 120 ^оС, что приводит к эффективному образованию спиртов и ацетиленидов в системе и их гидролизу с образованием ВOЭ AAС. Дальнейшее повышение температуры приводит к снижению выхода за счет полимеризации виниловых продуктов в системе и разложения ААС на фенилацетилен и кетоны (табл.3).

Таблица 3.

Влияние каталитических систем на выход ВOЭ AAС (растворитель ДМСО, продолжительность реакции 8 часов, температура 120 ^оC)

Обнаружено, что выход ВOЭ AAС увеличивается в ряде следующих каталитических систем LiOH-CsF <KOH-CsF < NaOH-CsF. Высокий выход продукта при применении NaOH-CsF объясняется тем, что  реакция обмена CsF с NaOH в растворе ДМСО протекает с образованием CsOH, и гидроксид цезия, образуя комплекс с металлом активного центра катализатора, легко реагирует с фенилацетиленом. В качестве наиболее оптимальных условий синтеза ВОЭ ААС с высоким выходом был выбран процесс в системе NaOH+CsF+ДМСО в течение 8 ч при температуре 120 ^оС.  При этом выходы составляют VII-89,6; VIII- 86,7; IX- 83,4; Х- 77,7; XI- 75,0 и XII- 72,3%. Структура, чистота и состав синтезированных соединений определены и подтверждены с использованием современных физико-химических методов.

Список литературы:

1. Shmidt E.Yu., Bidusenko I.A., Protsuk N.I., Mikhaleva A.I., Trofimov B.A. Improved Synthesis of Tertiary Propargyl Alcohols by the Favorskii Reaction of Alkyl, Aryl (Hetaryl) Ketones with Acetylene // Russian Journal of Organic Chemistry, -2013, -Vol. 49, -Issue 1, pp. 8-11.
2. L.N. Sobenina, D.N. Tomilin, O.V. Petrova, A.I. Mihaleva and B.A. Trofimov Synthesis of secondary propargyl alcohols from aromatic and hetero aromatic aldehydes and acetylene in the system KOH-H2O-DMSO // Russian Journal of Organic Chemistry, -2013, -Vol. 49, -№3. -pp. 356-359.
3. Ibhadon А.О. Kansal S.К. The Reduction of Alkynes Over Pd-Based Catalyst Materials - A Pathway to Chemical Synthesis // Journal of Chemical Engineering and Process Technology, 2018, Volume 9, Issue 2. - pp. 1036-1045.
4. Pier Giorgio Cozzi, Silvia Alesi. BINOL catalyzed enantioselective addition of titanium phenylacetylide to aromatic ketones // Chemical Communications, 2004, Issue 21. pp. 2448-2458.
5. Lin Pu Asymmetric Functional Organozinc Additions to Aldehydes Catalyzed by BINOLs // American Chemical Society, − 2014. №47. − Р. 1523-1535.
6. Shanshan Yu, Lin Pu. Recent progress on using BINOLs in enantioselective molecular recognition // Tetrahedron, 2015, 71.-рр. 745-772.
7. Dacai Liu, Kunbing, Ouyang, Nianfa Yang. Preparation of several BINOL-based polymeric ligands for the enantioselective addition of triethylaluminium to aromatic Tetrahedron, 2016, Vol. 72. -pp. 1018-1023.
8. Ziyadullaev O.E., Otamuhamedova G.Q., Samatov S.B., Nurmanov S.E., Turabdjanov S.M., Abdurakhmanova S.S., Ikramov A.I. Synthesis of acetylenic alcohols in the presence of different catalytical systems // V International Conference “Catalysis for renewable sources: Fuel, Energy, Chemicals” CRS-5, Agios Nicolaos, Crete (Greece) 2019. pp. 201-202.
9. О.Э. Зиядуллаев, ГҚ. Отамухамедова, И.Г Тарханова, С.С.Абдурахманова Алкинилирование циклических кетонов фенилацетиленом в присутствии высокоосновных каталитических систем // Узбекский химический журнал, 2019. №4. –С. 61-69.
10. 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: химия и биология, 2020, Выпуск: 2(68). - C. 84-90.
11. Отамухамедова ГҚ., Зиядуллаев О.Э., Шмидт Е.Ю., Маниеский Т., Икрамов А. Энантиоселективное алкилирование некоторых циклических кетонов с помошью 3,3′-дифенилбинафтолат дилития // Химия и химическая технология, 2019. №4. –С. 30-36.
12. Ziyadullaev O.E., Otamukhamedova G.Q., Samatov S.B., Abdurakhmanova S.S., Turabdzhanov S.M. Synthesis of acetylene alcohols based on phenylacetylene and some ketones / ХХI Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry. Book 1. Saint Petersburg, 2019. - P. 325.
13. G.Q. Otamukhamedova, О.Е. Ziyadullaev, A. Ikramov, S.S. Abdurakhmanova, Х.А. Abdurakhmanov Synthesis of aromatic alcohols using by a 3,3'-Ph2BINOL-2Li catalyst // Lectures of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, 2020, №3. рр. 58-65.