Амидометилирование 2,4-динитрофенола, двухатомных фенолов и их эфиров

АННОТАЦИЯ

В предлагаемой статье представлено исследование, в ходе которого изучена реакция амидометилирования 2,4-динитрофенола, двухатомных фенолов и их эфиров N-метилолфталимидом, N-метилолацетамидом и нитрилом в присутствии кислотных катализаторов ПФК, H₂SO₄, КУ-2 и синтезированы соответствующие алкиламидооксобензилы. Структуры полученных соединений определены с помощью ИК-, ЯМР-спектроскопии.

ABSTRACT

Reaction of amidomethylation have been investigated with using N-methylphthalimide, N-methylolatsetamide, nitrile in the presence of acid catalysts PFK, H₂SO₄, КУ-2 and were synthesized appropriate alkilamidooksobenzеns. The structures of the obtained compounds were determined by IR and NMR spectroscopy.

Продолжая исследования по изучению реакции амидоалкилирования ароматических соединений различными амидоалкилирующими реагентами в присутствии больших и малых каталитических количеств катализаторов [1-4], в ходе работы были изучены реакции амидоалкилирования 2,4-динитрофенола, двухатомных фенолов и их эфиров N-метилолфталимидом, N-метилолацетамидом и нитрилом в присутствии кислотных катализаторов. В качестве катализаторов были использованы полифосфорная кислота (ПФК), H₂SO₄, КУ-2.

Реакции 2,4-динитрофенола проводились в условиях, аналогичных амидоалкилированию ксилолов [1]. По литературным данным, амидоалкилирующие реагенты являются более сильными электрофильными реагентами, чем обычные алкилирующие реагенты в реакции Фриделя-Крафтса. Поэтому такие амидоалкилирующие реагенты могут легко вступать в реакцию даже с малоактивными ароматическими соединениями, такими как динитрофенол [3-5]. Смесь N-метилолфталимида и 2,4-динитрофенола в соотношении 1:1 в присутствии семикратного избытка ПФК нагревали при температуре 90-100 ^оС в течение 3 часов. В результате этого процесса получен N-(2-гидрокси-3,5-динитробензол)фталимид с 90 % выходом:

В ИК-спектре N-(2-гидрокси-3,5-динитробензил)фталимида имеются следующие характерные полосы поглощения (n, см^-1): 724,760 (1,2-дизамещенный бензол), 860, 901 (1,2,3,5-тетразамещенный бензол), 1560, 1600 (С-С связь в ArH), 3050 (=C-H в ArH), 1336,1510 (n_NO2), 2561,3500 (n_OH), 944 (d_OH), 1688, 1714, 1770 (CO)₂N-, 2840 (), 1415, 1467(). В спектр ПМР (C₅H₅N, ГМДС, d, м.у.): 4,8 с (2H, N-CH₂), 7,0-7,2 м (4H, 1,2,3,5-тетразамещенный бензол), 7,7-7,9 м (4Н, 1,2-дизамещенный бензол).

Реакцию бензодиоксана-1,4 с N-метилолфталимидом в присутствии 0,02 серной и полифосфорной кислот изучили при 95-100 °С в течение 3 часов, при этом образовывался 6-фталимидометилбензодиоксан-1,4 с 60-65 % выходом. Аналогичная реакция, проведенная при температуре кипения изооктана 115-120 °С в присутствии КУ-2, протекала с выходом 50 %. Реакция бензодиоксана-1,4 и N-метилолфталимида в присутствии протонных катализаторов протекает селективно с образованием 6-фталимидометилбензодиоксана-1,4:

При использовании в качестве амидоалкилирующих реагентов параформа, ацетонитрила в присутствии ПФК был получен стерический благоприятный изомер – 6,7-диацетиламинометилбензодиоксан-1,4 с выходом 58 %:

Продолжая исследование по реакциям электрофильного замещения в ряду ароматических соединений, а также с целью расширения ряда амидоалкилирующих агентов, изучена реакция амидоалкилирования изомерных диоксибензолов бензонитрилом, параформом в присутствии серной и ПФК.

Как известно, в молекулах изомерных диоксибензолов находятся две гидроксильные группы в орто-, мета- и пара-положении бензольного кольца. В результате такого расположения электронодонорных групп и аддиктивного r, p-сопряжения реакционная способность ядра диоксибензолов должна быть большей по сравнению с фенолом и особенно динитрофенолом.

Амидоалкилирование изомерных диоксибензолов - пирокатехина, резорцина и гидрохинона – бензонитрилом и параформом в присутствии протонных катализаторов можно представить следующей схемой:

Реакции амидоалкилирования указанных ароматических соединений бензонитрилом и параформом в присутствии серной и ПФК протекают с образованием дибензоиламидометил-производных.

Увеличение количества амидоалкилирующего реагента от одного моля до двух приводит к повышению выхода продукта до 80 %. Реакция при комнатной температуре идет с небольшим выходом, повышение температуры до 90-100 ^оС приводит к увеличению выхода продукта (70-80 %) в зависимости от строения двухатомных фенолов. В отличие от других двухатомных фенолов (пирокатехин, гидрохинон) мета-расположение двух гидроксильных групп обусловливает большую реакционную способность ароматического ядра в силу согласованной ориентации заместителей: Поэтому реакция резорцина с бензонитрилом в присутствии серной кислоты приводит к образованию 4,6-дибензоиламидометилрезорцина.

Оптимальными условиями, при которых 4,6-дибензоиламидометил-резорцин образуется с выходом 70 %, являются: мольные соотношения реагентов-резорцин: бензонитрил-параформ: H₂SO₄ 1:2-2:3, температура 95-100 ^оС, продолжительность реакции 3 часа. Аналогично этому высокой выход 4,6-дибензоиламидометилрезорцина был получен при использовании в качестве катализатора ПФК. 4,6-дибензоиламидометилрезорцин – белое кристаллическое вещество с т.пл. 210-212 ^оС (этанол, диметилформамид). R_f=0,90 (бензол, ДМФА=1:9).

В ИК-спектре 4,6-дибензоиламидометилрезорцина имеются характерные полосы поглощения (n, см^-1); 710, 750-770 (монозамещенный бензол), 850, 865 (1,2,4,5,-тетразамещенный бензол), 650-685, 1500, 1525 (полоса амид II), 3270-3283 (n_N-H связанная), 1585-1610 (d_C-CAr), 3050 (=С-Н в ArH), 2840 (), 1440 (), 1020, 1192 (-С-О-), 3540, 3685(n_ОН). В спектре ПМР (ДМСО, СНCl_3,d.м.д) 4,0 д (4H, 2CH₂),7,2 д (2Н, С₆Н₂R₄), 7,80-7,84 д (10Н, 2С₆Н₅).

При амидоалкилировании диметилового эфира резорцина N-метилолацетамидом в присутствии серной кислоты получен 4,6-бис(ацетамидометил)-1,3-диметоксибензол с выходом 59 %. При использовании параформа и бензонитрила в качестве амидоалкилирующего реагента и катализатора ПФК реакция протекает с образованием пространственно незатрудненного изомера 4,6-бис(бензамидометил)-1,3-диметоксибензола (93 %).

В молекулах гидрохинона две гидроксильные группы вступающую в ядро электрофильную частицу ориентируют несогласованно, и поэтому реакционная способность его должна отличаться от резорцина. Проверка на моделях Стюарта Бриглеба показала, что две объемистые бензоиламидометильные группы легко вместимы в положение 2,5 гидрохинона. Для положения 2,5 стерические затруднения исключаются, и в результате продуктом реакции амидоалкилирования гидрохинона является 2,5-бензоиламидометилгидрохинон. Показана принципиальная возможность прямого введения бензоиламидометильного радикала в молекулу гидрохинона путем алкилирования бензонитрилом, параформом в присутствии протонных катализаторов. Процесс алкилирования гидрохинона бензонитрилом, параформом в присутствии ПФК или Н₂SO₄ является региоселективным. В результате реакции образуется 2,5-дибензоиламидометилгидрохинон без примеси других изомеров. Реакции гидрохинона, бензонитрила и параформа в присутствии ПФК проводились при соотношении реагентов и ПФК=1:2-2:3. Максимальный выход 72 % получен при температуре 95-100 ^оС и нагревании в течение 5 часов. Увеличение продолжительности реакции от одного до пяти часов влияет на выход продукта, который достигает 64-72 %.

Серная кислота является активным катализатором реакции алкилирования. Однако выход продукта зависит не только от активности и количества серной кислоты, но от природы ароматического соединения. Использование исходных реагентов (бензонитрила, параформа) и гидрохинона в эквимолекулярных соотношениях в присутствии 5 молей H₂SO₄ проводило к осмолению реакционной смеси. Уменьшение количества серной кислоты до 0,1 моля приводило к образованию 40 % продукта. Наилучшие результаты получены при амидоалкилировании гидрохинона в присутствии трехкратного избытка кислоты. При проведении реакции амидоалкилирования гидрохинона и бензонитрила, параформа и катализатора (1:2-2:3), температуре 95-100 ^оС и продолжительности нагревания 3 часа выход продукта достигал 60 %.

2,5-дибензоиламидометилгидрохинон – белый порошкообразный продукт с т.пл. 194-195 ^оС (из смеси этанола и ДМФА), R_f=0,82 (Silifol, система бензол: ДМФА=1:9). В ИК-спектре 2,5-дибензоиламидометилгидрохинона имеются следующие характерные полосы поглощения (см^-1): 715, 740,765,775 (монозамещенный бензол), 860, 900 (1,2,4,5-тетразамещенный бензол), 610, 650, 1520 (полоса амид II), 3260 (n_N-H связанная), 1560, 1610 (d_C-CAr), 3045 (=С-Н в ArH), 2840 (), 1440 (), 1020, 1190 (С-О-), 3550, 3690(n_ОН). В спектре ПМР (ДМСО, СНCl_3, d., м.д): 4,0 д (4H, 2CH₂), 7 д (2Н, С₆Н₂R₄), 7,6-7,8 д (10Н, 2С₆Н₅). Таким образом, можно сделать вывод, что в отличие от циклоалкилирования и бензилирования реакция гидрохинона с бензонитрилом, параформом протекает региоселективно с образованием только 2,5-дибензоиламидометилгидрохинона.

Подобно гидрохинону в молекуле пирокатехина также наблюдается несогласованная ориентация гидроксильных групп. В этом случае подобно гидрохинону при реакциях с бензонитрилом, параформом необходимым оказалась более длительная продолжительность реакции (5 часов).

При взаимодействии пирокатехина с бензонитрилом, параформом в присутствии серной и ПФК продуктом реакции оказался 2,6-дибензоиламидометилпирокатехин, выход которого составил 60-70 %.

Таким образом, установлено, что пирокатехин, несмотря на несогласованную ориентацию функциональных гидроксильных групп в реакциях амидоалкилирования бензонитрилом, параформом в присутствии H₂SO₄ и ПФК, с хорошим выходом образует 2,6-дибензоиламидометилпирокатехин, который представляет собой белое порошкообразное вещество с т.пл. 183-185 ^оС (из смеси этанола и ДМФА) R_f=0,93 (Silifol. система бензол: ДМФА=1:9).

В ИК-спектре 2,6-дибензоиламидометилпирокатехина имеются следующие характерные полосы поглощения (см^-1): 705, 740-760 (монозамещенный бензол), 840, 900 (1,2,3,5-тетразамещенный бензол), 660-690, 1500,1530 (полоса амид II), 3275-3285 (n_N-H связанная), 2845 (), 1430 (), 1580, 1605 (d_C-CAr), 3040 (=С-Н в ArH), 1030, 1190 (-С-О-), 3200-3540 (n_ОН). В спектре ПМР (ДМСО, СНCl_3, d., м.д): 4,2 д (4H, 2CH₂), 7,3 д (2Н, С₆Н₂R₄), 7,70-7,86 д (10Н, 2С₆Н₅).

В этих реакциях основную роль играет не только реакционная способность субстрата, но и активность амидоалкилирующего реагента, температура и продолжительность реакции.

Судя по выходам дибензоиламидометил-продуктов изомерные двухатомные фенолы можно расположить в ряд активности: резорцин>гидрохинон>пирокатехин.