Амидоалкилирование толуола, диметилового эфира резорцина и ксилолов β--гидроксиэтилимидами

АННОТАЦИЯ

Реакция β-гидроксиэтилфталимида, β-гидроксиэтилмалеинимида с  диметиловым эфиром резорцина, толуола, о-, м- и п-ксилолами в присутствии различных катализаторов были исследованы и синтезированы их производные с амидоэтильными группами. Структура полученных N-(2,4-диметоксифенилэтил)фталимида, 4-(N-малеинимидоэтил)-толуола, N-(3,4-диметилфенилэтил)-, N-(2,4-диметилфенилэтил)-, N-(2, 5-диметилфенилэтил) фталимидов и малеинимидов доказана различными физико-химическими методами.

ABSTRACT

Reaction of β-hydroxyethylphthalimide, β-hydroxyethylmaleimide with resorcinol dimethyl ether toluene, o-, m- and p-xylenes in the presence of different catalysts has been investigated and their derivatives with amidoethyl groups were synthesized. The structure of obtained N-(2,4- methoxyphenylethyl)phthalimid, 4-(N-maleimidoethyl)toluene, N-(3,4-dimethylphenylethyl), N-(2,4-dimethylphenylethyl)-, N-(2,5-dimethylphenylethyl)phthalimides and maleimides has been proved by different physico-chemical methods.

Амидоалкильные производные ароматических углеводородов и их функциональные производные являются исходными веществами для синтеза труднодоступных аминов, антибиотиков, витаминов, β-аминокетонов и β-аминокислот, медицинских препаратов, гербицидов [4-7].

Большую часть веществ, применяемых в различных отраслях народного хозяйства и медицины, составляют органические соединения ароматического ряда, спрос на которые растет с каждым годом. Поэтому разработка эффективных методов синтеза алкил- и амидоалкилпроизводных ароматических соединений и нахождение оптимальных условий реакций является одной из важных задач синтетической органической химии. В этом отношении реакции Черняка-Айнхорна имеют огромные возможности.

Продолжая исследования в области реакции алкилирования ароматических соединений алифатическими и жирно ароматическими спиртами в присутствии различных апротонных и протонных катализаторов [1-3], нами проведено амидоалкилирование толуола, диметилового эфира резорцина (ДМЭР), о-, м-, п-ксилолов β-гидроксиэтилфталимидом (β-ГЭФ) и β-гидроксиэтилмалеинимидом (β-ГЭМ) в присутствии кислотных катализаторов.

Для установления влияния температуры реакции амидоалкилирования о-, м-, п-ксилолов β-гидроксиэтилфталимидом проводились при различных температурных условиях. Наиболее благоприятными условиями, при которых моно алкил продукт образуется с выходом 74-87%, являются: соотношение ксилол: β-ГЭФ: катализатор = 3:1:3 и температура 95-100⁰С, продолжительность реакции 3 часа. При повышении температуры до 140⁰С происходит уменьшение выхода продукта до 48% и в алкилате появляются другие вещества, строение которых не изучено, хотя теоретически возможно предположить образование винилфталимида и простого эфира b-гидроксиэтилфталимида. Увеличение продолжительности реакции до 4 часов существенно не влияет на выход продуктов. Однако, строение субстрата влияет на выход продуктов: для о-, м- и п-ксилолов он составил 76%, с 87% и 74% соответственно. Полученные выходы соответствуют реакционной способности изомерных ксилолов: м->о->п-.

Аналогичным образом протекают реакции о-, м-, п-ксилолов с b-гидрокси-этилфталимидом в присутствии ПФК с образованием соответствующих N-(2,4-, 2,5-, 3,4-диметилфенилэтил)фталимидов.

Алкилирование диметилового эфира резорцина β-гидроксиэтилфталимидом проводилось в присутствии катализатора при соотношении реагентов и катализатора b-ГЭФ: ДМЭР: H₂SO₄ = 1:3:3 при 130-135⁰С в течение 5 ч с образованием N-(2,4-диметоксифенилэтил)фталимида (6%) и простого эфира b-гидроксиэтилфталимида (58%):

Уменьшение содержания кислоты до 0,3 моля проводило к увеличению выхода простого эфира до 73%. С целью увеличения выхода основного продукта реакция b-гидроксиэтилфталимида и диметилового эфира резорцина проводилась в присутствии 1,5 моль серной кислоты. В результате реакции получен N-(2,4-диметоксифенилэтил)фталимид с 60% выходом, при этом содержание простого эфира составило лишь 7%.

N-(2,4-диметоксифенилэтил)фталимид – белое кристаллическое вещество с т. пл. 256-258⁰С (CH₃COOH, ДМФА) R_f=0,32 (silufol, система= бензол: ацетон = 3:1). В ИК-спектре имеются следующие характерные полосы поглощения (n, см^-1): 720 (1,2-дизамещенный бензол), 883, 862 (1,2,4-тризамещенный бензол), 1612, 1509, 1469 (С-С связь в ArH), 3040 (=C-H в ArH), 1250 (), 1838, 1635, (CO)₂N-, 2972, 2823 (), 1412 (). Спектр ПМР ((СD₃)₂NCHO, d, м.д.): 2,7-2,9 с (3H, OCH₃), 3,3 т (2H, CH₂), 4,1 т (2H, N-CH₂), 7,95 с (7H, 1,2,4-C₆H₃, 1,2-C₆H₄). Простой эфир b-гидроксиэтилфталимид – белое порошкообразное вещество с т. пл.=152-154⁰С. (C₂H₅OH, CH₃COOH). Спектр ПМР ((СD₃)₂NCHO, d, м.д.); 4,0 т (2H, OCH₂), 4,5-4,6 т (NCH₂), 7,5-7,8 м (1,2-C₆H₄). В ИК-спектре имеются следующие характерные полосы поглощения (n, см^-1): 722 (1,2-ди-замещенный бензол), 883, 862 (1,2,4-тризамещенный бензол), 1650, 1466 (С-С связь в ArH), 3040 (=C-H в ArH), 1250 (), 1769, 1715, (CO)₂N-, 1425 (), 1392().

Для проведения реакции амидоалкилирования толуола исходный амидоалкилирующий реагент β-гидроксиэтилмалеинимид был синтезирован из малеинангидрида и моноэтаноламина.

Экзотермическая реакция протекает лучше с 73% выходом: мольное соотношение малеинангидрида: моноэтаноламин =1:1, температура 5-10⁰С, продолжительность реакции 30 мин. А также, β-гидроксиэтилмалеинимид можно синтезировать малеиновой кислотой. При проведении реакции амидоалкилирования толуола β-гидрокси-этилфталимидом в присутствии катализатора серной кислоты в соотношении 3:1:3 с нагреванием в течение 3 часов при температуре 96-100⁰С получены 2-(N-фталимидоэтил)толуол (8%) и 4-(N-фталимидоэтил)толуол (45%).

В этих условиях реакция толуола с β-ГЭМом не пройдёт. При амидометилировании толуола β-ГЭМом образуется только пара-замещённое производное - 4-(N-малеинимидоэтил)толуол с 68% выходом: мольное соотношение β-ГЭМ:толуол:серная кислота = 1:3:1, температура 135⁰С, продолжительность реакции 6 часов. Схему образования 4-(N-малеинимидоэтил)толуола из толуола и β-ГЭМИ можно представить следующим образом. Не поделенная электронная пара гидроксильной группы β-ГЭМ в сильно кислотной среде взаимодействует с протоном катализатора с образованием оксониевого комплекса (I):

В результате взаимодействия с толуолом по механизму S_Е(Ar)2 образуется продукт реакции.

Реакция о-ксилола с N-ЭМИ в присутствии серной кислоты идет при нагревании (135-138⁰С) смеси исходных реагентов при мольном соотношении реагентов и катализатора 3:1:1. Оптимальная продолжительность реакции 6 часов. В этих условиях выход N-(3,4-диметилфенилэтил)малеинимида составляет 35%. Повышение температуры реакции приводит к уменьшению выхода N-(3,4-диметилфенилэтил)малеинимида. Т. пл. 172-174⁰С. В ИК-спектре N-(3,4-диметилфенилэтил)малеинимида появляются характерные полосы поглощения (n, см^-1): 820 (1,2,4-тризамещенный бензол), 1645, 1614 (С-С в ArH), 3030 (=C-H в ArH), 2921 (n_sCH₂), 2857 (n_sCH₃). В ПМР спектре (CНCl₃, ДМСО, б.,м.д.) 2-2,2с (6Н, СН₃),  2,4с (2Н, СН₂), 6,38 с (2Н, СН₂-N), 6,6-6,8  (2Н, СН=СН), 7 м (4Н АrR₃H₃).

Предполагая, что если в ароматическом кольце метильные группы находятся согласованно в положении-1,3, то реакция электрофильного замещения должна протекать очень легко. Поэтому далее было изучено амидоалкилирование м-ксилола β-ГЭM в присутствии H₂SO_4. Выход продукта N-(2,4-диметилфенилэтил)малеинимид составил 51%. Следовательно, согласованное взаимодействие метильных групп в ароматическом кольце приводит к увеличению выхода продукта. Амидоалкилирование протекает лучше и с высоким выходом в присутствии катализатора H₂SO₄; оптимальными условиями являются: мольное соотношение м-ксилол: β-ГЭM и H₂SO₄  = 3:1:1, температура 120⁰С, продолжительность реакции 2 часа. N-(2,4-диметилфенилэтил)малеинимид – коричневое кристаллическое вещество с т. пл. 192-194⁰С (СН₃СООН), Rf=0,7 (silufоl, система бензол: ацетон=3:2). В ПМР спектре N-(2,4-диметилфенилэтил)малеинимида появляются характерные сигналы (CНCl₃, ДМСО, б.,м.д.) 0,6-0,9с (6Н, СН₃),  4,1 с (2Н, СН₂-N), 6,2  (2Н, СН=СН), 7,2-7,7 м (4Н АrR₃H₃). Далее нами проведено амидоалкилирование п-ксилола β-ГЭM в присутствии катализаторов H₂SO₄, ПФК, при этом изучено влияние различных факторов на выход продукта, таких как мольные соотношения реагентов и температуры, но в этих условиях реакция не прошла.