СИНТЕЗ ВИНИЛОВЫХ ЭФИРОВ АЦЕТИЛЕНОВОГО СПИРТА ПРИ УЧАСТИИ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Ti(OiPr)4/Cakt

АННОТАЦИЯ

Впервые в каталитической системе Ti(OⁱPr)₄/C_akt с участием ацетилена изучен процесс винилирования ацетиленовых спиртов, содержащих в своей молекуле гетероатомные заместители, синтезированы на их основе соответствующие виниловые эфиры. Изучено влияние молярных соотношений исходных веществ, продолжительности реакции, температуры, природы катализатора и растворителей на выход продукта. Состав, чистота и структура синтезированных виниловых эфиров нового поколения доказаны современными физико-химическими методами.

ABSTRACT

For the first time, in the Ti(OⁱPr)⁴/C_akt catalytic system with the participation of acetylene, the process of vinylation of acetylene alcohols containing heteroatomic substituents in their molecule was studied and the corresponding vinyl ethers were synthesized. The influence of molar quantitative ratios of starting substances, reaction duration, temperature, nature of the catalyst and solvents on the product yield was systematically studied. The composition, purity and structure of the new generation of synthesized vinyl esters have been proven by modern physicochemical methods.

Ключевые слова: ацетилен, ацетиленовый спирт, виниловый эфир, каталитическая система, выход продукта.

Keywords: acetylene, acetylene alcohol, vinyl ether, catalytic system, product yield.

Введение

Виниловые эфиры широко используются как важные и полезные синтетические соединения в органической химии [1-3].

Одним из первых синтез виниловых эфиров по реакции нуклеофильного взаимодействия ацетилена со спиртами осуществил Е.А. Фаворский [4]. Далее под руководством известного российского химика-органика Б.А. Трофимова были синтезированы и другие виниловые эфиры по реакциям с участием ацетилена, являющего простейшим представителем алкинов и широко применяемого в качестве доступного реагента для промышленного синтеза виниловых эфиров [5-7].

В настоящее время с участием нового катализатора CsFMOH (M = Li, Na) при температуре 100°C осуществлено нуклеофильное присоединение первичных и вторичных спиртов к ацетилену в растворителе диметилсульфоксиде, что позволило синтезировать ряд алкилвиниловых эфиров с выходом до 93% [8-9]. Таким способом были проведены реакции винилирования 1-гептанола с участием ацетилена в присутствии катализатора СsOH·H₂O и оценены критерии эффективности реакций винилирования в присутствии других гидроксидов щелочных металлов [10-11]. Так, в присутствии MOH-DMSO - (M = K, Na) в щелочной среде 2-гидроксиметилфуран и 1-(2-фурил) бутанол реагируют с ацетиленом при атмосферном давлении и температуре 75-85 °C с образованием винилоксиалкилфуранов  в течение 1,5-5 часов с выходом 84-90% [12-13]. Стереоселективный синтез о-виниловых эфиров из трифенилфосфина, ацетиленкарбоксилатов и спиртов был проведен Ali Ramazani, Parvaneh Pakravan и их коллегами [14]. В результате реакции фенилацетилена с кротоновыми альдегидами и кетонами (ацетон, метилэтилкетон, метилизопропилкетон, ацетофенон и пинокалин) при участии различных катализаторов был осуществлен синтез ароматических ацетиленовых спиртов с высоким выходом, винилирование которых в присутствии каталитических систем MOH+DMSO+DMP, CsF-MOH-DMSO и MOH/C_aкт позволило синтезировать виниловые эфиры с высоким выходом [15-16].

Примером такого синтеза может служить реакция нуклеофильного соединения ацетиленовых спиртов с фенилацетиленом при температуре 120°C с участием каталитической системы NaOH+CsF+DMSO в течение 8 часов, в результате которой образуются винилоксиэфиры [17].

Несмотря на ряд достижений в области органического синтеза виниловых эфиров на основе ацетиленовых спиртов, актуальность поиска новых реакций и каталитических систем остается ысокой.

Целью настоящего исследования является осуществление синтеза виниловых эфиров ацетиленового спирта сприменением  каталитической системы Ti(OⁱPr)₄/C_akt (тетраизопропилортотитанат, нанесенный на активированный уголь)

Экспериментальная часть

Каталитическое винилирование ацетиленового спирта проводили в реакторе верикального газового потока объемом 1000 мл, выполненного из кварцевого стекла.  Катализатор Ti(OⁱPr)₄/C_akt готовили импрегнированием тетраизопропилортотитаната (CAS 546-68-9) в частицы активированного угля диаметром 2 мм. В синтезе использовали следующие ацетиленовые спирты: 2-(тиофенил-2)-4-фенилбутин-3-ол-2; 2-(3метилтиофенил-2)-4-фенилбутин-3-ол-2; 2-(фуранил-2)-4-фенилбутин-3-ол-2; 2 -(пиридинил-4)-4-фенилбутин-3-ол-2; 2-(5-хлортиофенил-2)-4-фенилбутин-3-ол-2; 2-(5-бромтиофенил-2)-4-фенил-бутин3-ол-2. Методика синтеза выполнялась по следующему алгоритму [18]:

Ацетиленовый спирт подается с помощью дозатора в верхнюю часть реактора, куда при перемешивании из градуированного о газгольдера поступает очищенный ацетилен. При достижении необходимой температуры, контролируемой термопарой, и конткта паро-газовой смеси с катализатором, начинается диффузия ацетилена и осуществляется синтез винилового эфира. Полученный продукт конденсируется в холодильнике, попадает в сборник и разделяется. С другой стороны, газообразные вещества сбрасываются в атмосферу. При необходимости их собирают в газгольдер. Полученный катализат состоит из водной и органической частей. Органическая часть катализата отделяется от воды, непрореагировавший ацетиленовый спирт нейтрализуется с помощью КОН, промывается дистиллированной водой, осушается обезвоженным сульфатом натрия и через ректификационную колонну извлекается виниловый эфир ацетиленового спирта и остаточные продукты.

В результате были синтезированы следующие виниловые эфиры:

• виниловый эфир 2-(тиофенил-2)-4-фенилбутин-3-ола-2 (1);
• виниловый эфир 2-(3-метилтиофенил-2)-4-фенилбутин-3-ола-2 (2);
• виниловый эфир 2-(фуранил -2)-4-фенилбутин-3-ола-2 (3);
• виниловый эфир 2-(пиридинил-4)-4-фенилбутин-3-ола-2 (4);
• виниловый эфир2-(5-хлортиофенил-2)-4-фенилбутин-3-ола-2 (5);
• виниловый эфир 2-(5-бромтиофенил-2)-4-фенилбутин-3-ола-2 (6).

Результаты и их обсуждение.

Механизм реакции процесса синтеза ацетиленвиниловых эфиров на основе ацетиленовых спиртов и ацетилена с участием каталитической системы Ti(OⁱPr)₄/С_akt был предложен на основе литературных источников [18 - 20].

Реакция винилирования ацетиленового спирта с участием ацетилена гетерогенным каталитическим способом с использованием каталитической системы Ti(OⁱPr)₄/C_aкт протекает в следующих стадиях. (В качестве примера приводится синтез винилового эфира 2 - (фуранил-2) - 4-фенилбутин-3-ол-2).

Химия процесса: На первом этапе ацетиленовый спирт контактирует с Ti(OⁱPr)₄/C_акт катализатором,  в результате чего высвобождается анион из молекулы тетраизопропилоксида титана и одновременно к нему присоединяется катион водорода из молекуле спирта. Катион титана (IV) взаимодействует с анионом ацетиленового спирта и наступает кинетическая стадия реакции, в результате чего образуется специфический спиртовый титансодержащий комплекс, молекула которого обладает высокой стабильностью и каталитической активностью.

На следующем этапе поступающий в реактор ацетилен, адсорбрируется на полученном титансодержащем комплексе. При этом за счет увеличения давления в реакторе увеличивается скорость реакции, приводящее к разрыву связи Ti-О и атаки на нее ацетилена и образования нового промежуточного соединения. При образовании этого нового промежуточного соединения требуется увеличить подачу ацетилена, вплоть до насыщения адсорбционного слоя катализатора. Поскольку изопропанол, образующийся в системе, является каталитическим ядом, необходимо регулярно контролировать его количество и регулировать подачу ацетилена.

В результате гидролиза промежуточного комплексного соединения ацетиленового спирта, образующегося на заключительной стадии реакции, образуются виниловые эфиры ацетиленового спирта.

В нашей работе были изучены факторы, влияющие на процесс винилирования ацетиленового спирта и выход продукта. Первым делом изучали влияние процентного содержания Ti(OⁱPr)₄ в матрице активированного угля на выход виниловых эфиров. С этой целью были приготовлены образцы катализатора в количестве пяти штук с различным содержанием тетраизопропилортотитаната – 5, 8, 10, 12 и 14 % по отношению активированному углю.

Результаты этого эксперимента представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Влияние содержанияTi(OⁱPr)₄ на выход виниловых эфиров ацетиленовых спиртов (продолжительность реакции 12 ч, температура 70 ^оС)

В ходе эксперимента было установлено, что при содержании Ti(OⁱPr)₄ менее 5% количество активных центров на катализаторе недостаточно для эффективного проведения синтеза, подача ацетилена в зону реакции не увеличивает выход целевого продукта и непрореагировавший ацетиленовый спирт покидает реактор не вступая с ацетиленом в реакцию.

Судя по результатам, приведенным в таблице 1, максимальное увеличение выхода виниловых эфиров ацетиленовых спиртов наблюдалось при использовании катализатора, содержащего Ti(OⁱPr)₄ в количестве 10% относительно массы C_akt. Дальнейшее увеличение тетраизопропилортотитаната в активированном угле до 12 или 14% не дает ощутимого эффекта в выходе винилового эфира.

В связи этим за оптимальное содержание Ti(OⁱPr)₄ было принято 10% по отношению к массе активированного угля.

Синтез различных виниловых эфиров с такой каталитической системой проводили при температуре 70^оС в течение 12 часов. Были синтезированы следующие эфиры ( в скобках указан выход целевого продукта).

• виниловый эфир 2-(тиофенил-2)-4-фенилбутин-3-ола-2 (58,5%);
• виниловый эфир 2-(3-метилтиофенил-2)-4-фенилбутин-3-ола-2 (63,6%);
• виниловый эфир 2-(фуранил-2)-4-фенилбутин-3-ола-2 (86,2%);
• виниловый эфир 2-(пиридинил-4)-4-фенилбутин-3-ола-2 (74,6%);
• виниловый эфир 2-(5-хлортиофенил-2)-4-фенилбутин-3-ола-2 (72,4%);
• виниловый эфир 2-(5-бромтиофенил-2)-4-фенилбутин-3-ола-2 (68,1%).

Также было изучено  влияние продолжительности и температуры реакции на выход  виниловых эфиров с ацетиленовыми спиртами. Продолжительность реакции варьировалась в диапазоне 4-16 часов.

В таблице 2 приводятся результаты этого эксперимента в интервале 4-16 часов.

Таблица 2.

Влияние продолжительности реакции и температуры на выход виниловых эфиров (количество катализатора Ti(OⁱPr)₄ 10% относительно массы C_aкт)

Из приведенных результатов следует, что осуществление синтеза в течение 4-10 часов не позволяет достичь высоких выходов продуктов, что объясняется тем, что гидроксоизопропил-aнион в молекуле Ti(OⁱPr)₄ не высвобождаетя, в результате чего не реагирует с ацетиленовым спиртом. Увеличение продолжительности синтеза до 12-14 часов приводит к увеличению выхода виниловых эфиров, что также находит свое объяснение: активация катализаторной системы требует определенного времени, при котором ацетиленовые спирты, являясь сильными нуклеофилами, начинают взаимодействовать с Ti(OⁱPr)₄, с высвобождением четырех гидроксиизопропиловых анионов в молекуле, образуя алкоголяты. Для прохождения этого этапа требуется определенное время.

На следующем этапе реакции, являющейся скоростеопределяющей, образуются промежуточные продукты - карбанионы. Карбанионы, являясь нестабильными, взатимодействуют с ацетиленом и образуют активные каталитические комплексные соединения. При медленном гидролизе этих сложных соединений образуются виниловые эфиры с высоким выходом.

Износ катализатора с увеличением продолжительности реакции до 16 часов приводит к полимеризации ацетиленовых спиртов и образующихся виниловых эфиров, образованию большого количества каталитических ядов, разрушению пор угольной матрицы и образованию дополнительных веществ, в результате чего это стало причиной снижения выхода продукта для 1 образца с 58,5 до 54,6%, для 2 образца с 63,6 до 60,2%, для 3 образца с 86,2 до 80,2%, для 4 образца с 78,6 до 75,4%, для 5 образца с 72,4 до 68,3% и для 6 образца с 68,1 до 64,5%.

Было исследовано влияние температуры проведения реакции на процесс винилирования. Синтез виниловых эфиров ацетиленовых спиртов проводился в диапазоне от 24 ^oC до 120 ^oC.  При температуре 24 ^оС активность катализатора была низкой, и, как следствие, выход продукта снижался из-за того, что реакция не протекала полностью.

При повышении температуры с 24 ^оС до 70 ^оС можно допустить, что  подвижность атомов водорода в ацетиленовом спирте увеличивается, что, в свою очередь, увеличивает скорость реакции винилирования. При повышении активности катализатора Ti(OⁱPr)₄ происходит отщепление содержащихся в нем гидроксоизопропиловых радикалов от титана, приводящее к ускорению реакции, и как следствие, к увеличению выхода целевого продукта. В результате этого эксперимента было установлено, что оптимальными условиями для синтеза виниловых эфиров ацетиленовых спиртов является температура 70 °C и продолжительность реакции 12 часов.

 Квантово-химические показатели виниловых эфиров ацетиленовых спиртов были рассчитаны с использованием программы HyperChemActivation 7,0 по полуэмпирическому методу STAT . Результаты проведенных расчетов приводятся в таблице 3.

Таблица 3.

Квантово-химические расчеты виниловых эфиров ацетиленовых спиртов

Физико-химические параметры синтезированных виниловых эфиров ацетиленовых спиртов определены по программе ACD/chemsketch/3D/Viewer и представлены в таблице 4 .

Таблица 4.

Физико-химические параметры синтезированных виниловых эфиров ацетиленовых спиртов

Также были изучена в рамках программы PASS (online) биологическая активность синтезированных виниловых эфиров и показано их фармакологическое действие в лечении ряда заболеваний. Эти данные представлены в таблицах 5 – 10. 

Таблица 5.

Фармакологические свойства винилового эфира 2-(тиофенил-2)-4-фенилбутин-3-ола-2

Таблица 6.

Фармакологические свойства винилового эфира 2-(3-метилтиофенил-2)-4-фенилбутин-3-ола-2

Таблица 7.

Фармакологические свойства винилового эфира 2-(фуранил-2)-4-фенилбутин-3-ола-2

Таблица 8.

Фармакологические свойства винилового эфира 2-(пиридинил-4)-4-фенилбутин-3-ола-2

Таблица 9.

Фармакологические свойства винилового эфира 2-(5-хлортиофенил-2)-4-фенилбутин-3-ола-2

Таблица 10.

Фармакологические свойства винилового эфира 2-(5-бромтиофенил-2)-4-фенилбутин-3-ола-2

Из приведенных таблиц следует, что виниловые эфиры ацетиленовых спиртов, синтезированные с применением каталитической системы Ti(OⁱPr)₄/C_akt , обладают высокой биологической активностью и могут быть рассмотрены как перспективные вещества для создания фармакологических препаратов широкого круга действия.

Выводы

С участием каталитической системы Ti(OⁱPr)₄/C_akt. осуществлен синтез виниловых эфиров ацетиленового спирта, содержащих гетероатомы.

Изучено влияние температуры, продолжительности реакции, количества катализатора на выход виниловых эфиров ацетиленового спирта.

Квантово-химические параметры синтезированных виниловых эфиров ацетиленового спирта рассчитаны полуэмпирическим методом с помощью программы STAT пакета HyperChem Activation 7.0, а физические характеристики – с помощью программы ACD/ChemSketch/3D/Viewer.

Предложен механизм и установлены закономерности взаимодействия ацетиленовых спиртов с ацетиленом в присутствии каталитической системы Ti(OⁱPr)₄/C_akt , что позволило оптимизировать процесс получения виниловых эфиров с высоким выходом целевых продуктов. Оптимальными условиями являются: содержание тетраизопропилортотитана в матрице активированного угля 10%; температура осуществления синтеза 70 °C и продолжительность реакции 12 часов.

Показана биологическая активность синтезированных виниловых эфиров и их фармакологическое действие, что делает их перспективными веществами для создания новых фармацевтических препаратов.

Список литературы:

1. Ryosuke Matake, Yusuke Adachia, Hiroshi Matsubara Synthesis of vinyl ethers of alcohols using calcium carbide under superbasic catalytic conditions (KOH/DMSO) // Journal Green Chemistry. − 2016. Vol. – 4. −№ 9. − P. 2614-2618.
2. Опарина Л.А., Высоцкая О.В., Степанов А.В., Родионова И.В., Мячина Г.Ф., Гусарова Н.К., Трофимов Б.А. Нуклеофильное присоединение к ацетиленам в сверхосновных каталитических системах. XV. Винилирование 2- гидроксиметилфурана // Журнал Органической химия. – 2008. – Вып. 1.− С. 122-125.
3. Опарина Л.А., Степанов А.В., Высоцкая О.В., Трофимов Б.А. Нуклеофильноеприсоединение фурфуриловых спиртов к ацетиленам в сверхосновных системах как технологичный метод синтеза винилфурфуриловых эфиров // Межд. конф. по орг. химии "Химия соединений с кратными углерод-углеродными связями". Тезисы докл. Санкт-Петербург. – 2008. − С. 133.
4. Favorski A.E. The phenomena of isomerization in the series of hydrocarbons C_nH_2n-2 // Journal of the Russian Chemical Society. − 1888. − P. 518
5. Trofimov  B.A. Acetylene and its Derivatives in Reactions with Nucleophiles: Recent Advances and Current Trends // Current Organic Chemistry. – 2002.−№ 6. − P. 1121-1162.
6. Parshina L. N., Oparina L. A., Gorelova O. V., Preiss T., Henkelmann J., Trofimov B. A. Nucleophilic Addition to Acetylenes in Superbasic Catalytic Systems: X. Catalytic Effect of Alkali Metal Hydroxides in the Vinylation of 1-Heptanol // Russian Journal of Organic Chemistry. – 2001. – № 7. −P. 940-945.
7. Трофимов Б.А., Опарина Л.А., Высоцкая О.В., Степанов А.В., Гусарова Н.К. Высокоэффективный и стереоселективный синтез виниловых эфиров 5-алкил-5-гидроксиметил-2-(2-фурил)-1,3-диоксанов // Гетероциклические соединения. – 2009. − № 11. −С.1629-1634.
8. Oparina L.A., Malysheva S.F., Gusarova N.K., Vysotskaya O.V., Stepanov A.V., Belogorlova N.A., AlbanovA.I., Trofimov B.A. A Facile Atom-Economic Synthesis of Functional Tertiary Phosphine Chalcogenides Bearing Furanand Tetrahydrofuran Rings // Synthesis. –2009.− № 20.− P. 3427-3432.
9. Русаков Ю.Ю., Кривдин Л.Б., Синеговская Л.М., Истомина Н.В., Опарина Л.А., Степанов А.В., Трофимов Б.А. Синтез и конформационный анализ винилфурфуриловых эфиров // Известия Академии Наук - Серия химическая. –2008.− № 10.− С. 2096-2102.
10. Oparina S.I., Shaikhudinova L.N., Parshina O.V., Vysotskaya Th., et.al. Nucleophilic Addition to Acetylenes in Superbasic Catalytic Systems: XIII. Fluoride Cesium Containing Systems, Efficient Catalysts for Alkanols Vinylation // Russian Journal of Organic Chemistry. − 2005.  − 5.- P. 656-660.
11. Степанов А.В., Высоцкая О.В. От растительного сырья к перспективным строительным блокам для органического синтеза // Всеросс. научн. мол. школа-конф. "Химия под знаком Сигма - исследования, инновации, технологии". Тезисы докл. Омск. – 2008. − С. 214-216.
12. Опарина Л.А., Степанов А.В., Высоцкая О.В., Трофимов Б.А. Нуклеофильное присоединение фурфуриловых спиртов к ацетиленам в сверхосновных системах как технологичный метод синтеза винилфурфуриловых эфиров //Межд. конф. по орг. химии "Химия соединений с кратными углерод-углеродными связями". Тезисы докл. Санкт-Петербург −2008. − С. 133.
13. Опарина Л.А., Высоцкая О.В., Степанов А.В., Гусарова Н.К., Трофимов Б.А. Виниловые эфиры 2-фурил-1,3-диоксацикланов на основе фурфурола и глицерина // Конф. Chem. Waste.Chem. "Химия и полная переработка биомассы леса". Тезисы докл. Санкт-Петербург −2010.
14. Ali Ramazani, Parvaneh Pakravan, Maryam Bandpey, Nader Noshiranzadeh, Ali Souldozi, Alireza Sedrpoushan Tertiary Phosphines Catalyzed Stereoselective Synthesisof O-Vinyl Ethersfrom Alkyl Acetylene carboxylates and Alcohols // Taylor&FrancisGroup. – 2007. − Published online.
15. Ziyadullaev O.E., Musaev F.X., NarbaevU.G. Synthesis of aromatic acetylenic alcohols and their vinyl ethers of the based phenylacetylene, aniline and acetylene // International journal of engineering sciences & research technology. – 2017. − P.2277-9655
16. Ziyadullaev O.E.,  Abdurakhmanova S.S. , Turabdzhanov S.M. Theoretical foundations catalytic synthesis of aromatic acetylene alcohols // X Inter. Conf. «Mechanisms of Catalytic Reactions». Kaliningrad.− 2016;(II). – P.296-298.
17. Абдурахманова С. Технология каталитического синтеза ацетиленовых спиртов на основе фенилацетилена и некоторых альдегидов // Дис.    доктора философии (PhD) по химии. - Ташкент. -2020.– С.24-29.
18. Cаматов С.Б., Абдурахманова С.С., Шадиева Г.К., Зиядуллаев О.Э. Синтез ацетиленовых спиртов каталитическими системами на основе Ti(OⁱPr)₄ // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. - 2022. 7(97). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/14032/
19. Ziyadullayev O.E., Ergashev Yo.T. Theoretical of gomogen-catalytic vinylationreaction of aromatic acetylene alcohols // XI Mezina’rodnived’ecko-practicka conference “Modernivymozenostivedy-2015”. − Praha: Chekh Republik, 2015. – pp. 54-56.
20. Зиядуллаев О.Э., Икрамов А. Гетерогенно–каталитическое винилирование ароматических ацетиленовых спиртов в присутствии ацетилена // Российский конгресс по катализу «Роскатализ–II». − Самара: Россия, 2014. Т. – С. 89-90.