Синтез 1,7,7-триметил-2-(2-фенилэтинил)бицикло-[2.2.1]-гептанола-2 в присутствии высоко основной каталитической системы

АННОТАЦИЯ

Суть работы состоит в синтезировании ароматических ацетиленовых спиртов реакцией фенилацетилена с камфорой на основе высокоосновной каталитической системы. Систаматическим образом научно обосновано влияние различных факторов− мольное соотношение исходных веществ, температуры, продолжительности реакции и природу растворителей, количество катализаторов на выход продукта. На основе результатов экспериментов найдены оптимальные условия проведения реакции. Выявлена кинетика реакций и механизмов на основе теоретических закономерностей и физико-химических свойств.

ABSTRACT

Aromatic acetylene alcohols were synthesized by the reaction of phenylacetylene with camphor based on a highly basic catalytic system. The influence of the nature of the starting compounds, temperature, catalysts, and solvents on the course of the reaction and the product yields was established. Based on the experimental results, the optimal reaction conditions were also determined. The kinetics of the reaction and mechanisms based on theoretical laws and physicochemical properties are revealed.

Ключевые слова: фенилацетилен, камфора, высоко основная каталитическая система, ароматические ацетиленовые спирты, растворитель, выход продукта, механизм реакции.

Keywords: phenylacetylene, kamphora, highly basic catalytic system, aromatic acetylenic alcohols, solvent, product outlet, reaction mechanism.

Высокая реакционная способность С≡С− и С−Н связей в алкинах делает их участниками разнообразнейших реакций, составляющих основу раздела органической синтетической и промышленной химии, которая називается “химия ацетилена” [1]. Ароматические ацетиленовые спирты (ААС) благодаря важному прикладному значению используются в широком масштабе в разных отраслях, в том числе в нефте-газовой промышленности, как биоингибиторы продуктов биокоррозии металлических оборудований, в качестве ионитов для очистки вредных и сточных производств переработки нефти и газа [2], в качестве присадки устойчивости при низких температурах для авиабензинов [3], в лакокрасочных заводах, также в легкой промышленности, в сельском хозяйстве, в медицине и в радиотехнике для различных целей [4]. Синтез ацетиленовых спиртов и диолов реакцией этинилирования органических веществ в присутствии разных катализаторов исследован в широком масштабе. В том числе в присутствии каталитических систем КОН-EtOH-Н₂O-ДМСО синтезированы с высоким выходом ацетиленовые спирты реакцией этинилирования кетонов, содержащих в своем составе алкил-арил, алкил-гетарил радикалы [5]. Изучен также синтез ацетиленовых спиртов диарил кетонов с терминальными алкинами взаимноалкинилированием в присутствии комплексного катализатора на основе BINOL/Ti(OⁱPr)₄/Zn(Et)₂ в среде толуола при -30 ^оС и продолжтельности реакции 18 часов [6]. В присутствии катализатора основании Шиффа из фенилглицина и Zn(Et)₂ в растворе гексана получены ацетиленовые спирты с выходом 83% из кетонов, содержащий галоген алкилном или арилном радикале в молекуле [7]. Синтезированы ароматические ацетиленовые спирты с 54-70% выходом взаимодействия анилина с ацетиленовыми спиртами, содержащими в молекулах активный водород [8].

Экспериментальная часть: Синтез ацетиленовых спиртов. Установлена механическая мешалка и термометр, в реакторе объемом 5000 мл, из двухслойного термического стекла, приготовливается высокощелочная каталитическая система с помощью 600 мл ДМСО/Н₂О (50:1) и 32,6 г (0,1 моль) Cs₂CO₃. В систему вводят 600 мл раствора камфоры в хлороформе и 110 мл (1,0 моль) фенилацетилена, далее перемешивают в течение 120 минут. После полного внесения субстрата и реагента в реактор это система нагревается при 60 ^оС в течение 360 минут. Образовавшуюся смесь остужают при -10 ^оС в течение 180 минут, осадок и раствор отделяются друг от друга, затем жидкую суспензию гидролизуют дистиллированной водой (3×50 мл) и очищают от алкоголятов и ацетиленида с помощью центрифуги. Очищенную от примесей смесь экстрагируют с помощью этилацетата (3×100 мл). С помощью экстракта Na₂SO₄ смесь сушат в течении 12 часов, в обычных условиях очищают от этилацетата и воды, затем с помощью вакуумной перегонки отделяют на фракции 1,7,7-триметил-2-(2-фенилэтиленил)бицикло-[2.2.1]-гептанол-2, начальные вещества и примеси [9, 10].

Синтез ароматических ацетиленовых спиртов по методу Фаворского. В молекуле ацетиленовых спиртов имеется тройная связь и гидроксильная группа, что придаёт им разнообразные химические свойства. Такие соединения на основе ацетилена синтезируются различными способами [11, 12], среди которых широко используемыми являются методы Фаворского. В молекуле фенилацетилена имеется тройная связь и активный атом водорода, что придаёт молекуле химическую активность.

В данной работе систематически исследован синтез 1,7,7-триметил-2-(2-фенилэтиленил)бицикло-[2.2.1]-гептанол-2 на основе фенилацетилена по методу Фаворского.

С целью синтеза с высоким выходом ацетиленового спирта систематически анализировано действие различных факторов, таких как, количество моль, природа катализаторов, продолжительность реакции, растворители и температура. Первоначально было изучено действие природы растворителя и продолжительности реакции на синтез ацетиленовых спиртов. (Таблица 1.).

Таблица 1.

Действие природы растворителя и продолжительности реакции на выход 1,7,7-триметил-2-(2-фенилэтинил)бицикло-[2.2.1]-гептанола-2

При повышении времени реакции от 120 минут до 240 минут повышается выход продукта. Если реакция протекает в течение 120-240 минут, реакция не протекает до конца и остается в смеси, реагируя с катализаторами образует ацетилениды, понижает активность катализаторов, а это оказывает отрицательное влияние на выход продукта.

Если реакция продолжается в течение 360 минут спирт в системе образует алкоголяты и за счёт их гидролизации наблюдается повышение выхода продукта. Так же повышается активность катализатора, ацетиленовый спирт превращается в алкоголяты, в итоге устанавливается благоприятное условие для присоединения непрореагировавших начальных продуктов. Повышение времени реакции до 480 минут ацетиленовый спирт частично олигомеризуется, образуются побочные продукты и выход продукта уменьшится. Кроме этого образовавшийся в смеси продукт вновь может превратится в начальный продукт, камфора частично конденсируется, фенилацетилен полимеризуется, образуются ацетилениды и реагируя с ацетиленовыми спиртами превращаются в винилоксиэфиры. Для нахождения оптимальной температуры ацетиленового спирта процесс проводили при интервале 40-80 ^оС (Таблица 2.).

Таблица 2.

Влияние температуры на выход 1,7,7-триметил-2-(2-фенилэтинил)бицикло-[2.2.1]-гептанола-2

Если исследование проводить при 40-80 ^оС, выход продукта будет максимальным при 80 ^оС. При 40 ^оС из-за пассивности растворения карбоната цезия, уменьшается каталитически активные центры в системе, взаимодействие частиц будет медленным и выход ацетиленового спирта будет незначительным.

При температуре 60 ^оС повышается скорость передвижения в молекуле веществ и растворителя, их частицы образуют активные молекулы с высокой энергией. С повышением количества активных молекул ускоряется реакция присоединения нуклеофильного присоединения, повышается нестабильность ацетиленидов и алкоголятов, в итоге повышается выход ацетиленовых спиртов. Если процесс протекает при 60 ^оС, ионные связи алкоголятов и ацетиленидов в системе легко обрываются и образуют свободные катионы, а это ускоряет процесс присоединения фенилацетилена с камфорой.

При повышении температуры до 80 ^оС ацетиленовый спирт в системе частично полимеризуется, образует смолообразные и побочные продукты. Реагируя с катализаторами, растворителем и кетоном образует ацетали, полуацетали, виниловые спирты, выход основного продукта уменьшается.

При протекании каталитических органических реакций необходимо учитывать среду, тоесть необходимо правильно подобрать растворитель. Исходя из этого, синтез 1,7,7-триметил-2-(2-фенилэтинил)бицикло-[2.2.1]-гептанол-2 происходит в среде растворителей ДМСО и ДМФА. При использовании ДМСО выход продукта повышается. При этом ДМСО взаимодействует с карбонатами, образует промежуточный комплекс, связанный донорно-акцепторной связью, который исполняет роль катализатора, происходит частная сольватация. Промежуточный комплекс повышает скорость реакции, образует каталитически активные алкоголяты. Алкоголяты нуклеофильно присоединяются с ацетиленом и образует спирт с высоким выходом.

Высокий выход 1,7,7-триметил-2-(2-фенилэтинил)бицикло-[2.2.1]-гептанол-2 наблюдается в ДМСО, чем в ДМФА. Причиной этому является то, что ДМФА считается растворителем средней жесткости, положительный заряд у атома азота даёт возможность ему реагировать в качестве протонной кислоты. В ДМФА из-за автопротолиза не будет благоприятной гомогенной среды для протекания реакции, в итоге синтезируется продукт с маленьким выходом. ДМСО жесткий – имеет два нуклеофильного центра, состоящих из атомов кислорода и мягкой серы. Водородный атом в них сильно протонированный, он образует каталитически активные промежуточные комплексы с помощью щелочи и создавая приятные условия для присоединения ацетилена, повышает выход продукта.

На основе результатов эксперимента и на основе графика зависимости lgW от 1/Т методом Аррениуса рассчитываем энергию активации всех реакций. Энергия активации образования ацетиленового спирта составляет 11,28 ккал/моль.

Проанализировано влияние количества катализатора на эффективность образования продукта в процессе синтеза ацетиленового спирта в присутствии высокоосновной каталитической системы. При этом количество катализатора взято в соотношении 4-16 % по отношению массы начальных веществ, количество начальных веществ взято в соотношении 1:2 моль, реакция протекала в течение 360 минут, при температуре 60 ^оС (Таблица 3).

Таблица 3.

Влияние количества катализаторов на выход 1,7,7-триметил-2-(2-фенилэтинил)бицикло-[2.2.1]-гептанола-2

Процесс синтеза ацетиленового спирта в высокоосновной системе протекает с большой скоростью в несколько этапов и образуется при этом многокомпонентные смеси.

Подвижной атом водорода фенилацетилена стерео и региоселективный, процесс его обмена происходит легко. Каталитическая активность Cs₂CO₃/ДМСО∙Н₂О проявляется образованием в системе CsOH, его растворимостью, высокими основными свойствами, образованием ацетиленидов и алкоголятов и созданием благоприятных условий для образования продуктов реакции.

В этом процессе щелочь много не расходуется, дополнительных веществ образуется мало, камфора реагирует полностью, не конденсируется и необразование в качестве дополнительных веществ фенилацетиленида цезия, говорит о высокой селективности этого метода.

На основе проведённых опытов найдено оптимальное условие синтеза 1,7,7-триметил-2-(2-фенилэтинил)бицикло-[2.2.1]-гептанола-2. Согласно этим условиям содержание фенилацетилена:камфора, взята в соотношении 1:2 моль, процесс протекает при 60 ^оС, время реакции 360 минут, количество катализаторов взято в соотношении 12,5:1 по отношению массы реагента, выход ацетиленовых спиртов самый высокий (52,4%).

О механизме образования ароматических ацетиленовых: в литературе имеются различные сведения о синтезе ААС, а также механизмах реакций винилирования и этерификации, высказанные Б.А.Трофимовым, В.В.Новокшоновым, В.И.Поткиным, Е.А.Дикусаром и учениками Л.А.Опарина и Л.Н.Паршиной. Эти сведения, хотя и дополняют друг-друга, но высказаны на основе различных представлений. Надо отметить, что ими даны механизмы образования для ацетиленовых спиртов, а для ароматических ацетиленовых спиртов таковые отсутствуют. Исходя из этого нами предложены предполагаемые механизмы образования ААС [13-19]. Тройные связи молекул алкинов склонны к поляризации, что в свою очередь, повышает их способность к реакции электрофильного присоединения. Следует отметить и кислотные свойства алкинов, которые проявляются за счет сильной поляризации связи С−Н. Поэтому атом водорода при углероде, связанный тройной связью, может замещаться на другие группы [20-22].

Химизм процесса. Сначала в растворе ДМСО карбонат цезия образуется гидрокарбонат и ацетиленид за счет взаимодействия с фенилацетиленом:

Неустойчивый карбонат цезия в системе подвергается гидролизу в результате чего образуется активный и высокоосновной гидроксид цезия, который вытесняет подвижной атом водорода в фенилацетилене с образованием фенилацетиленида цезия:

который в растворе ДМСО легко вступает в реакцию с камфорой, с образованием активного промежуточного комплекса, а затем образуется алкоголят 1,7,7-триметил-2-(2-фенилэтинил)бицикло-[2.2.1]-гептанола-2. Данный метод является селективным по сравнению с другими методами. Применяемый ДМСО является полярным растворителем и с щелочами образует высокоосновные каталитические системы, что приводит к увеличению выхода продукта:

Алкоголят в результате одновременного взаимодействия с CsHCO₃, водой и фенилацетиленом образует ацетиленовый спирт– 1,7,7-триметил-2-(2-фенилэтинил)бицикло-[2.2.1]-гептанол-2:

Чистота синтезированного 1,7,7-триметил-2-(2-фенилэтинил)бицикло-[2.2.1]-гептанола-2 изучена методом хромотографии, строение методом спектроскопии, состав– методом элементного анализа.

Таблица 4.

Результаты элементного анализа 1,7,7-триметил-2-(2-фенилэтинил)-бицикло-[2.2.1]-гептанола-2

Строение синтезированного 1,7,7-триметил-2-(2-фенилэтинил)бицикло-[2.2.1]-гептанола-2 проанализировано в спектрофотометре Jeol FX-90Q (90 МГц), Bruker JFS-25 ва Bruker DPX-400.

1,7,7-триметил-2-(2-фенилэтинил)бицикло-[2.2.1]-гептанол-2, (выход продукта 52,4%): ^ʹH-NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 7.74-7.71 (m, 1H,), 7.48-7.45 (m, 2H), 7.33-7.30 (m, 3H), 7.27-7.20 (m, 3H), 7.57-7.46 (m, 6H), 1,94 (s, 1H, OH), 1.41-1.48 (m, 1H), 1.08-1.30 (m, 5H). ¹³C-NMR (400 MHz, CDCl₃): δ 140.5, 139.2, 132.8, 129.2, 128.4, 128, 24, 128.12, 126.4, 122.12, 88.6, 65,4, 48.3, 24.6

Известно, что химические свойства, а также реакционная способность молекул во многим зависит от их электронной структуры и энергетических характеристик.

Предсказание конкретной координации донорных центров гетероциклических соединений является весьма трудной и актуальной задачей органической химии. С бурным развитием методов квантово-химических расчетов молекул появилась возможность планирования экспериментальных исследований и проведения направленного синтеза органических и др. соединений.

В качестве примера приведены результаты изучения геометрии и электронного строения молекул 1,7,7-триметил-2-(2-фенилэтинил)бицикло-[2.2.1]-гептанола-2 полуэмпирическим квантово-химическим методом РМЗ.

Проведены квантово-химические расчеты выбранных 1,7,7-триметил-2-(2-фенилэтинил)бицикло-[2.2.1]-гептанола-2 в программе ChemDraw (Таблица 5.)

Таблица 5.

Квантово-химические расчеты 1,7,7-триметил-2-(2-фенилэтинил)бицикло-[2.2.1]-гептанола-2

Эти данные могут быть использованы для характеристики молекул, а также определения их реакционной способности.

Таким образом, выполненные квантово-химические исследования электронной структуры и энергетических характеристик выбранных молекул, позволяют определить приоритетные центры связывания ароматического соединения и показывают, что моделирование может быть эффективно использовано для определения активных центров молекул.

Было выяснено, что выход продукта проходит через максимум, который обоснуется тем, что в синтезированной молекуле спирта 1,7,7-триметил-2-(2-фенилэтинил)бицикло-[2.2.1]-гептанола-2 атом кислорода сохраняет в себе высокую энергию или дипольный момент пассивный молекулы.

Список литературы:
1. Трофимов Б.А. Химия ацетилена // Современной проблемы органической химии, 2004, №10. – С. 2493-2496.
2. Yin Ngai Sum, Dingli Yu and Yugen Zhang. Synthesis of acetylenic alcohols with calcium carbide as the acetylene source. Journal the Royal Society of Chemistry, 2013, №4. рр. 4126-4149.
3. Santhana Prabha, Joseph Rathish, Dorothy Brindha, Abdulameed Al-Hashem, Rajendran Kjomatrisa Corrosion Problems In Petroleum Industry And Their Solution // European Chemical Bulletin, 2014, Issue 3(3). pp. 300-307.
4. Jamil Enan. Corrosion control in oil and gas pipelines // International Journal of Scientific & Engineering Research, 2016, Volume 7, Issue 4. pp. 1161-1168.
5. Barry M. Trost, Andrew H. Weiss The Enantioselective Addition of Alkyne Nucleophiles to Carbonyl Groups // Advanced Synthesis & Catalysis, -2009, Volume 351. Issue 8. pp. 1001-1012.
6. Pier Giorgio Cozzi, Silvia Alesi BINOL catalyzed enantioselective addition of titanium phenylacetylide to aromatic ketones // Chemical Communications, 2004, Issue 21. pp. 2448-2458.
7. Сorey E.J., Laszlo Kurti Enantioselective chemical synthesis: Methods, Logic and Practice, 2010, Dallas. Texas. pp. 73-76.
8. Ziyadullaev O.E., Musaev F.H., Narbaev U.G. Synthesis of aromatic acetylenic alcohols and their vinyl ethers of the based phenylacetylene, aniline and acetylene // International Journal Of Engineering Sciences & Research Technology (India, Indore), 2017, Volume 6, Issue 2. pp. 584-597.
9. Рамазанов И.Р. Ацетилены в алюминийорганическом синтезе циклопропанов: − Уфа.: Гилем, 2014. –С. 273.
10. Зиядуллаев О.Э., Отамухамедова Г.К., Абдурахманова С.С., Атамуродова С.И. Синтез ароматических ацетиленовых спиртов на основе этинилбензола и некоторых кетонов / Международная конференция Марковниковские Чтения “Органическая химия: от Марковникова до наших дней” (WSOC-2019), 16-21 января 2019 г. –Москва. 2019, –С. 115.
11. Отамухамедова Г.Қ., Зиядуллаев О.Э., Саматов С.Б., Абдирахимов М.И. Синтез ацетиленовых спиртов и их виниловых эфиров / V Международная конференция по химии гетероциклов «Новые направления в химии гетероциклических соединений», 10-14 сентября 2018 г. Владикавказ. 2018. –С. 768.
12. Dan Walsh, Dan Pope, Merlin Danford, Tim Huff. The effect of microstructure on microbiologically influenced corrosion // The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society (TMS), 1993, Volume 45, Issue 9. pp. 22-30.
13. Паршина Л.Н., Опарина Л.А., Горелова О.В., Трофимов Б.А. Нуклеофильное присоединение к ацетиленам в сверх основных каталитических системах; зависимость каталитического эффекта от природы гидроксида щелочного металла при винилировании 1-гептанола // Журнал органической химии, 2001. Т.37. Вып.7. –С. 993-997.
14. Новокшонов В.В., Медведева А.С., Мареев А.В. 1,4-миграция группы Et3Ge в 1-триэтилгермокси-2-пропине под действием реактивов Гриньяра // Журнал органической химии, 2001. Т.37. Вып.4. –С. 626-627.
15. Дикусар Е.А., Козлов Н.Г., Майсейчук К.Л., Поткин В.И. Третичные ацетиленовые спирты на основе 1-октадецина // Журнал органической химии, 2002. 38 Т. –С. 1144-1147.
16. Поткин В.И., Дикусар Е.А., Козлов Н.Г. Третичные ацетиленовые спирты и диолы на основе фенилацетилена и 2-метил-3-бутин-2-ола.// Журнал органической химии, 2002. Т.38. Вып.9. –С. 1316-7-20.
17. Опарина Л.А., Шайхуддинова С.И., Паршина Л.Н., Высоцкая О.В., Прайс Т. Хенкелман Й., Трофимов Б.А. Нуклеофильное присоединения к ацетиленам в сверхосновных каталитических системах.// Журнал органической химии, 2005. Т.41. Вып.5. –С. 672-674.
18. Ziyadullayev O.E., Abdurakhmanova S.S., Turabdzhanov S.M. Theoretical foundations catalytic synthesis of aromatic acetylene alcohols. X international conference “Mechanisms of catalytic reactions” Svetlogorsk, Kaliningrad region, Russia, 2016. 170 p.
19. Зиядуллаев О.Э., Мирхамитова Д.Х., Нурманов С.Э. Синтез 1фенил-3,4-диметилпентин-1-ола-3 и его винилового эфира. // Журнал Доклады Академии Наук республики Узбекистан, 2012. №3. –С. 40-45.
20. Дикусар Е.А., Ковальская С.С., Вашкевич Е.В., Козлов Н.Г., Поткин В.И., Мойсейчук К.Л. Системы, содержащие фторид цезия- эффективные катализаторы винилирования аоканолов // Журнал органической химии, 1999, Т.69. Вып.11. –С. 1809-1812.
21. Shmidt E.Yu., Bidusenko I.A., Protsuk N.I., Mikhaleva A.I., Trofimov B.A. Improved Synthesis of Tertiary Propargyl Alcohols by the Favorskii Reaction of Alkyl, Aryl (Hetaryl) Ketones with Acetylene // Russian Journal of Organic Chemistry, 2013, Volume 49, Issue 1. pp. 8-11.
22. Отамухамедова Г.К., Зиядуллаев О.Э., Абдурахманова С.С., Икрамов А.И. Научные основы синтеза ацетиленовых спиртов из фенилацетилена и циклических кетонов на разных каталитических системах // Евроазийский Союз Ученых, 2019, №6 (63). –С. 49-56.