СИНТЕЗ АЦЕТИЛЕНОВОГО АМИНОСПИРТА И ЕГО ПРОИЗВОДНЫХ

АННОТАЦИЯ

В данной статье представлен метод синтеза ацетиленового аминоспирта аминометилированием третичного ацетиленового спирта по реакции Манниха и синтез производного ацетиленовым аминоэфира аминометилированием полученного продукта с использованием морфолина. Механизм этих процессов объясняется также квантово-химическими расчетами реакционной способности веществ.

ABSTRACT

This article presents a method for the synthesis of acetylenic amino alcohol by aminomethylation of tertiary acetylene alcohol by the Mannich reaction and the synthesis of an acetylenic amino ester derivative by aminomethylation of the resulting product using morpholine. The mechanism of these processes is also explained by quantum-chemical calculations of the reactivity of substances.

Ключевые слова: ацетиленовый спирт, ацетиленовый аминоспирт, реакция Манниха, 2-метилбут-3-ин-2-ол, 5-(2-гидроксиэтиламино)-2-метилпент-3-ин-2-ол.

Keywords: acetylene alcohol, acetylenic aminoalcohol, Mannich reaction, 2-methylbut-3-in-2-ol, 5- (2-hydroxyethylamino) -2-methylpent-3-in-2-ol.

Введение. Известно, что ацетиленовые аминоспирты, благодаря своим физико-химическим и химическим свойствам, имеют значительное практическое значение, они широко используются в различных областях мировой экономики в качестве биологически активных соединений благодаря наличию в их составе нескольких активных реакционных центров. В частности, аминоспирты широко используются в области фармакологии, в качестве пестицидов в сельском хозяйстве, в качестве поверхностно-активных веществ в промышленности, в качестве добавок к автомобильным топливам в области транспортной энергетики, в производстве химикатов и нефтехимии, а также при разработке железобетонных конструкций в качестве ингибиторов коррозии и в других областях[1, 2].

Разработка новых методов синтеза ацетиленовых аминоспиртов и их гомологов, изучение взаимосвязи их химической структуры, функциональных свойств и биологической активности - одна из наиболее актуальных проблем в данной области сегодня. В связи с этим в наших исследованиях был изучен синтез новых видов ацетиленовых аминоспиртов и их сложных эфиров, рострегилирующих свойств  синтезированных соединений [2, 3].

В нашем исследовании синтез ацетиленаминовых спиртов и их сложных эфиров был проведен на основе реакции Манниха, в которой параформальдегид, моноэтаноламин и морфолин использовались в качестве аминометилирующих агентов [3].

Первоначально в процессе синтеза ацетиленовый спирт (2-метилбут-3-ин-2-ол), параформальдегид и моноэтаноламин взаимодействовали в присутствии катализатора хлорида меди и был получен 5- (2-гидроксиэтиламино)-2-метилпент-3-ин-2-ола (схема 1).

1-схема

Осуществлен синтез ацетиленоаминоэфира - 2- (4-метил-4- (морфолинометокси) пент-2-иниламино) этанола на основе полученных ацетиленаминоспирта, параформальдегида и морфолинов (схема 2).

2-схема

Методика исследования. В синтезе 5-(2-гидроксиэтиламино)-2-метилпент-3-ин-2-ола используется третичный ацетиленовый спирт (2-метилбут-3-ин-2-ол), в качестве аминометилирующих агентов параформальдегид и этаноламин, качестве катализатора хлорид меди (I), а также в качестве растворителя и экстрагента 1,4-диоксан и хлороформ.

В четрёхгорлую колбу объёмом 250 мл, снабженную мешалкой, обратным холодильником и термометром, помещали 0,1 моль ацетиленового спирта (2-метилбут-3-ин-2-ол), и 0,1 моль параформа, 80 мл диоксана, 0,02 г соли хлорида меди (I). Реакционную смесь нагревали при 95-98⁰С в течение 4-5 часов при перемешивании.

В течение 30 минут после начала реакции через капельную воронку по каплям добавляют смесь 0,1 моль этаноламина и 20 мл 1,4-диоксана. Далее процесс останавливали и готовый продукт оставляли на 1 сутки. Реакционную смесь переносили в делительную воронку на 1000 мл и разбавляли 10%-ным раствором карбоната калия. В реакционную смесь в воронке приливали 100 мл хлороформа, экстрагировали и отделяли органическую часть. Данную операцию с повторяли не менее 3 раз. Части с хлороформом объединяли, сушили с использованием карбоната калия и смеси отгоняли хлороформ на водяной бане при температуре 60-80 °С. Остаток подвергали вакуумной перегонке.

Синтез 2-(4-метил-4-(морфолинометокси)пент-2-иниламино)этанола также основан на реакции Манниха. Этот метод синтеза, в отличие от описанного выше, проводился без катализатора. В этом случае смесь 0,05 моль 5- (2-гидроксиэтиламино) -2-метилпент-3-ин-2-ола, 0,05 моль параформальдегида и 0,05 моль морфолина взаимодействовала без присутствия катализатора вышеописанным оразом. Продукт реакции отделяли и очищали.

Обсуждение результатов. В ходе теоретического исследования использовались полуэмпирические методы AM1 и РM3 [4, 5, 6]. Получены модельные вещества этаноламин, 2-метилбут-3-ин-2-ол и его интермедиатов с Cu₂Cl₂ (см. Рис. 1).

Рис.1-а. Строение молекула этаноламина и распределение заряда (ChemOffice, ChemDraw Ultra 10.0)

Здесь, 0,031  [C(1)]; 0,152  [C(2)]; -0,282 [N(3)]; -0,375 [O(4)]; 0,025 [H(5)]; 0,007 [H(6)]; 0,012 [H(7)];  0,013 [H(8)]; 0,110 [H(9)]; 0,110 [H(10)]; 0,199 [H(11)].

Рис.1-б. Строение молекул 2-метилбут-3-ин-2-ола и распределение заряда (ChemOffice, ChemDraw Ultra 10.0)

Здесь, -0,123 эВ [C(1)];  0,298 [C(2)];  -0,130[C(3)]; 0,085 [C(4)];  -0,235 [C(5)];  -0,381 [O(6)]; 0,038  [H(7)];  0,041 [H(8)];  0,039 [H(9)]; 0,038 [H(10)]; 0,041 [H(11)]; 0,039 [H(12)]; 0,052 [H(13)]; 0,198 [H(14)].

Рис.1-в. Строение комплекса 2-метилбут-3-ин-2-ола и хлоридом меди (I) и распределение заряда (ChemOffice, ChemDraw Ultra 10.0)

Здесь, -1,134 [C(1)]; -1,075 [C(2)]; -1,114 [C(3)]; -2,150 [C(4)]; -2,470 [C(5)]; -1,000[O(6)]; 6,350 [Cu(7)]; 5,717 [Cu(8)]; -0,409 [Cl(9)]; -0,767 [H(10)]; -0,487 [Cl(11)]; -0,337 [H(12)]; -0,072 [H(13)]; -0,272 [H(14)]; -0,304 [H(15)]; -0,068 [H(16)]; -0,265 [H(17)]; -0,144 [H(18)].

На основании этих данных можно сделать следующие выводы о промежуточных продуктах и ​​направлении реакции:

Наиболее активной нуклеофильной частью в молекуле 2-метилбут-3-ин-2-ола (рис. 1б) является атом кислорода (O (6) -0,381 эВ), где отрицательный заряд атома углерода в текстовой группе ацетиленовой связи меньше. Под действием катализатора распределение заряда в молекуле изменяется (рис. 1в), причем наиболее активной нуклеофильной частью в этом комплексе является 5-атом углерода (С (5) -2,470 эВ).

Атом водорода в гидроксильной группе этаноламина имеет самый высокий положительный заряд (рис. 1а), и его молекулы направлены к атому кислорода (1,4-диоксан) в растворителе, что увеличивает активность атома азота в этаноламине. Взаимодействие параформальдегида и этаноламина приводит к образованию соли α-метилоламина.

Образовавшийся α-метилоламин взаимодействует с промежуточным комплексом, состоящим из хлорида меди (I) и ацетиленового спирта, с образованием продуктов реакции: 5-[(2-гидроксиэтил)амино]-2-метилпент-4-ин-2-ол и воды.

Синтез эфирного производного ацетиленаминоспирта протекает по следующим механизмам.

Молекула ацетиленового аминоспирта имеет очень сложную структуру, в ней много активных реакционных центров. Поэтому делать выводы о реакционной способности вещества очень сложно. В частности, наличие в молекуле метильных групп, обладающих индуктивным действием, атома азота с нераспределенной парой электронов и двух гидроксильных групп подтверждает изложенную выше идею[8, 9, 10]. Поэтому квантово-химические расчеты были выполнены для положительных и отрицательных частей молекулы 5 - [(2-гидроксиэтил) амино] -2-метилпент-4-ин-2-ола на основе точных значений. Результат такой:

Рисунок 2. Строение молекула этаноламина и распределение заряда (ChemOffice, ChemDraw Ultra 10.0)

Здесь, 0,031  0,297 [C(1)]; -0,128 [C(2)]; -0,134 [C(3)];  -0,098 [C(4)]; -0,060 [C(5)]; 0,037 [C(6)]; 0,022 [C(7)]; 0,152 [C(8)]; -0,387 [O(9)]; -0,375 [O(10)]; -0,176 [N(11)].

Как видно, что часть молекулы с наибольшей нуклеофильностью представляет собой гидроксильную группу, в которой находится атом кислорода O (9) (-0,387 эВ). Следовательно, процесс аминометилирования, скорее всего, происходит именно в этой гидроксильной группе. В результате в качестве основного продукта реакции образуется 2-(4-метил-4-(морфолинометокси) пент-2-иниламино) этанол.

Выводы

Таким образом, был осуществлен синтез новых органических соединений: 5-[(2-гидроксиэтил)амино]-2-метилпент-4-ин-2-ола и 2-(4-метил-4-(морфолино-метокси) пент-2-иниламино)этанол, а направление реакции было основано на квантово-химических исследованиях.

Список литературы:

1. Темкин О.Н. Химия ацетилена // Соросовский образовательный журнал. – 1998. -№12. -С.52-58.
2. Гусарова Н. К., Михалева А. И., Шмидт Е. Ю., Малькина А. Г. Химия ацетилена: Новые главы // Новосибирск: Наука, 2013. 368 с. Электрон. ресурс: https://www.rfbr.ru/rffi/ru/books/o_1915396. Дата обращения: 02.09.2021.
3. Ф.М.Журабоев, С.Э.Нурмонов. Синтез ацетиленового аминоспирта на основе этаноламина и 2-метилбут-3-ин-2-ола. Universum: технические науки: электрон. научн. журнал.Россия, Москва. 2021, 6 (87).
4. Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H. B., et. al. (2007) // Gaussian 03 (Revision E0.1), Gaussian Inc., Pittsburgh PA.
5. Чуев Г.Н. Молекулярные модели сольватации в полярных жидкостях. // Успехи химии. – 2003. – Т. 72, № 9. – С. 827–851.
6. Степанов Н.Ф. Квантовая механика и квантовая химия. –М:.-2001. –С. 128-139.
7. Tomasi J.  Quantum  Mechanical  Continuum  Solvation  Models. // Chem. Rev. – 2005. – V. 105, No. 8.– P. 2999–3094
8. Солиев М.И., Охундадаев А.К. Теоретическое расчёты электронных строении молекулы ментола и тимола // Журнал «Вопросы науки и образования».-2018.-№8(20). Россия. /https://scientificpublication.ru. Дата обращения: 04.09.2021.
9. Нурманов С.Э. и др. Электронная структура ароматических ацетиленовых спиртовых и моделирование их винилирования // «Современные научные исследования и инновации» [Электронный ресурс]. 2015. № 3. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=23501671(Дата обращения: 04.09.2021).
10. Солиев М.И., Атаханов Ш.Н., Акрамбоев Р.А. Расчет электронных строении молекулы некоторых веществ с основе компьютерных программ // «Новые информационные технологии в науке». Сборник статей Международной научно-практической конференции. Уфа, 01 ноября 2015 года. стр. 12-15.