РЕАКЦИИ ЭТЕРИФИКАЦИИ АЦЕТИЛЕНДИОЛОВ С НЕКОТОРЫМИ УГОЛЬНЫМИ КИСЛОТАМИ

АННОТАЦИЯ

С целью синтеза сложных эфиров были синтезированы ацетилендиолы реакцией этерификации с муравьиной и бензойной кислотами в присутствии растворителей концентрированной серной кислоты (H₂SO₄) и бензола (C₆H₆). Разработан ряд биологических активностей синтезированных эфиров. Изучены и проанализированы исходные вещества для синтеза сложных эфиров с высокими выходами - соотношение реагента и субстрата, продолжительность реакции, температура реакции, продолжительность реакции, влияние катализаторов и растворителей. На основании анализа синтезированных сложных эфиров изучены их ИК- и ЯМР-спектры. В результате исследования определены оптимальные условия реакции, на основе современных физико-химических методов анализа изучены состав, чистота, структура, квантово-химические свойства и значения Rf синтезированных сложных эфиров, а также разработан ряд эффективности их сложных эфиров.

ABSTRACT

In order to synthesize complex esters, acetylene diols were synthesized by etherification reaction with formic and benzoic acids in the presence of concentrated sulfuric acid (H₂SO₄) and benzene (C₆H₆) solvents. A series of biological activities of the synthesized esters was developed. The starting materials for the synthesis of complex esters at high yields - the ratio of reagent and substrate, reaction duration, reaction temperature, reaction duration, the effect of catalysts and solvents were studied and analyzed. Based on the analysis of the synthesized complex esters, their IR and NMR spectra were studied. As a result of the study, the optimal reaction conditions were determined, the composition, purity, structure, quantum-chemical properties and Rf values ​​of the synthesized complex esters were studied based on modern physicochemical analysis methods, and a series of efficiency of their complex esters was developed.

Ключевые слова: ацетилендиолы, сложные эфиры, уксусная кислота, бензойная кислота, реакция этерификации, механизм реакции, выход продукта, катализатор и растворитель.

Keywords: acetylene diols, esters, acetic acid, benzoic acid, etherification reaction, reaction mechanism, product yield, catalyst and solvent.

Введение: Известно, что непредельные эфиры ацетилендиолов являются объектом исследования в органической химии, и во всем мире учёными изучено образование сложных эфиров на основе ацетилендиолов и карбоновых кислот. Наличие различных по природе заместителей в молекуле ацетилендиолов, а также наличие подвижного активного водорода в гидроксильной группе, помимо тройной связи, создаёт разнообразие для химических реакций и благоприятные условия для образования сложных эфиров [1-4]. Сложные эфиры ацетиленовых спиртов, синтезированные на основе реакции этерификации, применяются в нефтяной и нефтехимической промышленности в качестве ингибиторов коррозии [5-7]. Также при участии азотсодержащих пятичленных гетероароматических спиртов с выходом 85,2% синтезован 4-(пиперидинил-1)бутинил-2-бензоат и с выходом 80,0% – 4-морфолинобутинил-2-бензоат, применяемые при таких заболеваниях, как болезнь Паркинсона [8-11]. Изучен процесс синтеза соответствующих сложных эфиров по реакции этерификации ацетиленовых спиртов с различными по природе уксусной, бензойной, акриловой и никотиновой кислотами в присутствии концентрированной H₂SO₄ в растворе бензола, и достигнута высокая эффективность [12,14-17].

Экспериментальная часть: (В качестве примера приведён синтез 4,5,6-триметилнона-2,7-диин-4,6-диил диацетата). С целью синтеза сложных эфиров (СЭ) ацетилендиолов (АД) реакция проводилась в двухслойном реакторе (марки AG!5720-1000), изготовленном из термостойкого и механически прочного прозрачного кварцевого стекла (марки BorSilikatium 3.3) объёмом 500 мл. Реактор был оснащён механической мешалкой (марки Eurostar 60 digital), двумя капельными воронками (марки Izolab 250/29/32), обратным холодильником и насадкой Дина-Старка. Сначала в реактор при перемешивании в течение 60 минут добавляли 150 мл C₆H₆ и 2,45 мл (0,025 моль) концентрированной серной кислоты (H₂SO₄). В полученную систему при температуре 100 °C одновременно по каплям через воронку добавляли 53 мл (0,5 моль) 3,4,5-триметилгептадиин-1,6-диола-3,5 и 30 мл (0,5 моль) уксусной кислоты, в течение 6 часов при постоянном перемешивании. В процессе реакции вода, собиравшаяся в насадке Дина-Старка, постоянно удалялась из системы. Полученная реакционная смесь сушилась в течение 24 часов с помощью Na₂CO₃ или MgSO₄ и экстрагировалась с использованием диэтилового эфира (3×50 мл), затем подвергалась вакуумной перегонке с разделением на фракции. В результате эксперимента было синтезировано 69,72 г 4,5,6-триметилнона-2,7-диин-4,6-диил диацетата с выходом 84%; также было выделено 6% исходных веществ, 6% побочных продуктов и 4% отходов.

С помощью данного метода нами также был осуществлён синтез следующих сложных эфиров: 1. 83,2% 4,5-диметилокта-2,6-диин-4,5-диил диацетат, 2. 82,6% 4,6-диметилнона-2,7-диин-4,6-диил диацетат, 3. 81,2% 4,5,6-триметилнона-2,7-диин-4,6-диил диацетат, 4. 80,5% 4,7-диметилдика-2,8-диин-4,7-диил диацетат, 5. 75,3% 4-метил-6-(3H-1λ³-тиофен-2-ил)нона-2,7-диин-4,6-диил диацетат, 6. 74,5% 5-метил-4-(3H-1λ³-тиофен-2-ил)-6-(трифторметил)нона-2,7-диин-4,6-диил диацетат, 7. 78,8% 9,10-диметилоктадека-7,11-диин-9,10-диил дибензоат, 8. 77,9% 9,11-диметилнонадека-7,12-диин-9,11-диил дибензоат, 9. 76,6% 9,10,11-триметилнонадека-7,12-диин-9,11-диил дибензоат, 10. 76,2% 9,12-диметиликоза-7,13-диин-9,12-диил дибензоат, 11. 73,4% 9-метил-12-(тиофен-2-ил)икоза-7,13-диин-9,12-диил дибензоат, 12. 72,6% 9-(тиофен-2-ил)-12-(трифторметил)икоза-7,13-диин-9,12-диил дибензоат.

Схема и механизм реакции: Благодаря наличию различных заместителей, тройной связи и подвижного водорода в гидроксильной группе (OH) в молекуле ацетилендиолов, они способны вступать в реакции этерификации с карбоновыми кислотами. В данной работе приведена этерификация следующих диолов: 3,4-диметилгексадиин-1,5-диол-3,4; 3,5-диметилгептадиин-1,6-диол-3,5; 3,4,5-триметилгептадиин-1,6-диол-3,5; 3,6-диметилоктадиин-1,7-диол-3,6; 3-метил-5-(тиофен-2-ил)гептадиин-1,6-диол-3,5; 3-(тиофен-2-ил)-5-(трифторметил)гептадиин-1,6-диол-3,5;9,10-диме тилоктадекадиин-7,11-диол-9,10; 9,11-диметилнонадекaдиин-7,12-диол-9,11; 9,10,11-триметилнонадекaдиин-7,12-диол-9,11; 9,12-диметиликозадиин-7,13-диол-9,12; 9-метил-11-(тиофен-2-ил)нонадекaдиин-7,12-диол-9,11 и 9-(тиофен-2-ил)-11-(трифторметил)нонадекaдиин-7,12-диол-9,11 с уксусной и бензойной кислотами. На основании литературных источников механизм реакции предложен следующим образом [13,18-19]..

Первоначально в процессе этерификации ацетилендиолов концентрированная серная кислота протонирует гидроксильную группу (-OH) в молекуле ацетилендиола, тем самым повышая её реакционную способность.

Протонированный ацетилендиол в присутствии бензольного растворителя вступает в реакцию с карбоновыми кислотами, в результате чего образуется сложный эфир и вода.

Как известно, процесс этерификации является обратимым, и при синтезе сложных эфиров системно проанализировано и изучено влияние природы, строения и количества атомов углерода заместителей в молекулах ацетилендиолов и карбоновых кислот на течение реакции и выход продуктов [19–21].

В первую очередь было исследовано влияние температуры на выход сложных эфиров. Реакция проводилась в течение 6 часов с использованием бензола в качестве растворителя (см. таблицу 1). Температурный режим варьировался в интервале 75–125 °C. При повышении температуры от 75 °C до 100 °C выход целевого продукта увеличивался. При 100 °C катализатор ускорял процесс за счёт протонирования гидроксильной группы (OH) в молекуле диола, что способствовало образованию промежуточного соединения, способного легко вступать в реакцию со стабильной карбоновой кислотой, благодаря чему обеспечивался высокий выход продукта.

Однако при повышении температуры до 125 °C наблюдалось снижение выхода продукта из-за обратного превращения полученных сложных эфиров в исходные вещества или их дегидратации с образованием энинов.

Таблица 1.

Влияние температуры на выход сложных эфиров ацетилендиолов (длительность реакции -6 часов, катализатор -H₂SO₄, растворитель -C₆H₆)

С целью получения сложных эфиров с высоким выходом, с учётом продолжительности реакции, эксперимент был проведён при температуре 100 °C в интервале длительности от 2 до 8 часов (см. таблицу 2). При увеличении времени реакции от 2 до 6 часов наблюдался рост выхода продукта. При достижении 6 часов количество побочных и промежуточных продуктов оказалось минимальным, что свидетельствует о незначительной степени полимеризации сложных эфиров и их обратного превращения в исходные вещества. В этот период вода эффективно собиралась в пробирке Дина-Старка, что способствовало снижению гидролиза образовавшегося сложного эфира. Кроме того, протоны катализатора - концентрированной серной кислоты (H₂SO₄) - способствовали протонированию молекулы диола, увеличивая нуклеофильность гидроксильной группы и облегчая реакцию с карбоновыми кислотами, что обеспечивало высокий выход целевого продукта. При увеличении времени реакции до 8 часов, из-за протекания обратного процесса, выход продукта снизился.

Таблица 2.

Влияние продолжительности реакции на выход сложных эфиров (температура -100 °C, растворитель -C₆H₆)

В реакции этерификации ацетилендиолов с карбоновыми кислотами также было изучено молярное соотношение исходных веществ (см. таблицу 3). При первоначальном соотношении ацетилендиолов и карбоновых кислот 0,5:0,25 моль в системе возникал дефицит карбоновой кислоты, так как после завершения реакции в системе оставалось значительное количество ацетилендиолов. Это, в свою очередь, приводило к снижению выхода продукта. При использовании исходных веществ в мольном соотношении 0,5:0,5 был зафиксирован высокий выход целевого продукта. Это объясняется тем, что молекулы ацетилендиола и карбоновой кислоты полностью диссоциировали на ионы, в результате чего повышалась активность промежуточных комплексных соединений и сложные эфиры образовывались с высоким выходом. Когда мольное соотношение реагентов и субстрата составляло 0,5:0,75 и 0,25:0,5, наблюдалось снижение выхода продукта.

Таблица 3.

Влияние мольного количества исходных веществ (реагента и субстрата) на выход сложных эфиров
(температура -100 °C, растворитель -C₆H₆)

Состав, чистота, строение и физико-химические свойства синтезированных сложных эфиров были определены с использованием современных методов исследований, таких как ИК-спектроскопия, протонная ЯМР (¹H-ЯМР), углеродная ЯМР (¹³C-ЯМР), масс-спектрометрия, хроматографические методы (ВЭЖХ, ГХ), квантово-химический анализ и другие физико-химические методы. На основании результатов исследований был рассчитан состав синтезированных сложных эфиров (см. таблицу 4).

Таблица 4.

Результаты элементного анализа синтезированных сложных эфиров

Вывод: Реакция синтеза сложных эфиров изучалась путем этерификации предварительно синтезированных ацетилендиолов в присутствии уксусной и бензойной кислот, в присутствии катализатора - концентрированной серной кислоты (H₂SO₄) и растворителя бензола (C₆H₆). Для данного процесса были предложены механизмы реакции, а структура, состав и значения Rf синтезированных сложных эфиров были изучены с помощью современных физико-химических методов анализа.

На основании результатов исследования были синтезированы следующие эфиры:

1. 4,5-диметилокта-2,6-диин-4,5-диил диацетат

2. 4,6-диметилнона-2,7-диин-4,6-диил диацетат

3. 4,5,6-триметилнона-2,7-диин-4,6-диил диацетат

4. 4,7-диметилдика-2,8-диин-4,7-диил диацетат

5. 4-метил-6-(3H-1λ³-тиофен-2-ил)нона-2,7-диин-4,6-диил диацетат

6. 5-метил-4-(3H-1λ³-тиофен-2-ил)-6-(трифторметил)нона-2,7-диин-4,6-диил диацетат

7. 9,10-диметилоктадека-7,11-диин-9,10-диил дибензоат

8. 9,11-диметилнонадека-7,12-диин-9,11-диил дибензоат

9. 9,10,11-триметилнонадека-7,12-диин-9,11-диил дибензоат

10. 9,12-диметиликоза-7,13-диин-9,12-диил дибензоат

11. 9-метил-12-(тиофен-2-ил)икоза-7,13-диин-9,12-диил дибензоат

12. 9-(тиофен-2-ил)-12-(трифторметил)икоза-7,13-диинил-9,12-диил дибензоат

Исходя из строения выбранных ацетилендиолов, природы их заместителей и функциональных групп, была разработана последовательность селективности реакции этерификации с карбоновыми кислотами: 12 < 11 < 6 < 9 < 10 < 5 < 8 < 7 < 4 < 3 < 2 < 1

Список литературы:

1. G.F.D’aleluo, R.C.Evers Linear polymers of acrylyc monomers containing a acetylenic moiety.J.Polym. Sci., 1967, part A-I, v. 5, p. 818-832.
2. G.F.D'aleluo, R.C.Evers Linear polymers of some vinil monomers containing atrminal acetylenic group. J.Polym. Sci., 1967, part A-I, Voluemu. 5, p. 999-1014.
3. Boytеmirov O.E., Ziyadullaev O.E., Abdurakhmanova S.S., Samatov S.B., Ikramov A., Qo’shbaqov F.Z. Synthesis of vinyl ethers of some acetylene alcohols // VI North Caucasus organic chemistry symposium, 2022, Ставрополь, с. 154.
4. Ziyadullayev O.E. Fenilatsetilen va metilizopropilketon asosida neft va neft mahsulotlari  mikroorganizmlarga qarshi antikorrozion bioingbitor sintezi // Kimyo va kimyo texnologiyasi, 2012, № 3. – 32-43 б.
5. Караев С.Ф., Гараева Ш.В. Пропаргиловые эфиры. Успехи химии, 1980, т. 49, вып. 9, -С. 1775-1800.
6. Иванов Е.С. Ацетиленовые эфиры - эффективные ингибиторы коррозии стали. Тезисы докладов VI Всесоюзный научной конференции по химии ацетилена. Баку, изд-во Азинефтехим. 1979, -С. 19.
7. M. Г. Велиев, O. А. Садыгов, Н.А. Мамедова, С.А. Мустафаев Этирификация ацетиленовыми спиртами нефтяных нафтеновых кислот // Нефтехимия, 2009, том 49, № 3, с 247-252.
8. M. A. Дюсебаева, С.Н. Калугин, Ш.С. Ахмедова Синтез эфиров на основе ненасыщенных спиртов гетероциклического ряда // Серия химии и технологии 2015 Volume 5, № 413, с 149-153.
9. Otera J, Nishikido J. Esterification: Methods, Reactions, and Applications, 2nd ed. Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA; 2009. DOI: 10.1002/9783527627622
10. Hirose D, Gazvoda M, Kosmrlj J, Taniguchi T. Advances and mechanistic insight on the catalytic Mitsunobu reaction using recyclable azo reagents. // Chemical Science. 2016; Volume 9, Isuue 7, pp. 5148-5159.
11. Hirose D, Taniguchi T, Ishibashi H. Recyclable Mitsunobu reagents: Catalytic Mitsunobu reactions with an iron catalyst and atmospheric oxygen. // Angewandte Chemie, International Edition. 2013, Volume 4, Isuue 52, :pp. 4613-4617.
12. Mitsudo T, Hori Y, Yamakawa Y, Watanabe Y. Ruthenium-catalyzed selective addition of carboxylic acids to alkynes. A novel synthesis of enol esters. The Journal of Organic Chemistry. 2017; Volume 9, Isuue 52, pp. 2230-2239.
13. Katsuki Ohta, Eri Koketsu, Yuya Nagase, Nami Takahashi, Hiroyasu Watanabe, Mitsuhiro Yoshimatsu Lewis Acid-Catalyzed Propargylic Etherification and Sulfanylation from Alcohols in MeNO2–H2O // Chemical and Pharmaceutical Bulletin 2011, Volume 7, Issue 59(9) pp. 1133—1140.
14. Francis Mariaraj Irudayanathan, Jimin Kim, Kwang Ho Song, Sunwoo Lee Transition-Metal-Free Decarboxylative Coupling Reactions for the Synthesis of Propargyl Alcohols // Asian Journal of Organic Chemistry, 2016, Volume 5, pp. 1148-1154.
15. L.N. Sobenina, D.N. Tomilin, O.V. Petrova, A.I. Mikhaleva, B.A. Trofimov // Synthesis of secondary propargyl alcohols from aromatic and heteroaromatic aldehydes and acetylene in the KOH–H2O–DMSO system // Journal of Organic Chemistry 2013, Volume 3, PP. 49.
16. Зиядуллаев О.Э., Икрамов А.И., Нурманов С.Э., Мирхамитова Д.Х., Мавлоний М.Э. Реакции ароматических ацетиленовых спиртов с некоторыми ненасыщенными карбоновыми кислотами // II-nd International Kazakhstan-Russian Conference on Chemistry and Chemical Engineering. − Каraganda: Kazakhstan, 2012. Vol. 1. – Р. 377-380.
17. Boytеmirov O.E., Ziyadullaev O.E., Abdurakhmanova S.S., Samatov S.B., Ikramov A., Qo’shbaqov F.Z. Synthesis of vinyl ethers of some acetylene alcohols // VI North Caucasus organic chemistry symposium, 2022, Ставропол, с. 154.
18. Ziyadullayev O.E., Jo’rayev O.E., Mirxamitova D.X. Ketonlar asosida neft  mikroorganizmlarga qarshi ingbitorlar yaratish va ularni sintez qilish texnologiyasi // Kimyo va kimyo texnologiyasi, 2012, № 4. – 45-47 б.
19. Boytеmirov O.E., Ziyadullaev O.E., Abdurakhmanova S.S., Samatov S.B., Ikramov A., Qo’shbaqov F.Z. Synthesis of vinyl ethers of some acetylene alcohols // VI North Caucasus organic chemistry symposium, 2022, Ставропол, с. 154.
20. Абдурахманова С.С., Зиядуллаев О.Э., Отамухамедова Г.Қ., Тиркашева С.И., Саматов С.Б. Юқори асосли каталитик система ёрдамида нефт саноати биокоррозисига қарши ингибиторлар синтези // Республиканской научно-технической конференции “Инновационные разработки в сфере науки, образования и производства-основа инвестиционной привлекательности нефтегазовой отрасли”, Ташкент, 2019. − С. 323-328.
21. Зиядуллаев О.Э., Икрамов А.И., Нурманов С.Э., Мирхамитова Д.Х., Мавлоний М.Э. Реакции ароматических ацетиленовых спиртов с некоторыми ненасыщенными карбоновыми кислотами // II-nd International Kazakhstan-Russian Conference on Chemistry and Chemical Engineering.− Каraganda: Kazakhstan, 2012. Vol. 1. – Р. 377-380.