CC BY
6
УДК 547.56.563.364
DOI: 10.24412/2071-6176-2023-4-18-27
АЦИЛИРОВАНИЕ ФЕНОЛОВ УКСУСНОЙ КИСЛОТОЙ И ЕЕ АНГИДРИДОМ (МИНИ-ОБЗОР)
Ч.К. Расулов, Г.З. Гейдарли, Г.Дж. Гасанова, С.Ш. Гурбанова
Реакция ацилирования фенолов и их функциональнозамещенных производных является одной из классических реакций современной органической химии. Она имеет высокую практическую ценность, поскольку лежит в основе промышленного получения целого ряда важных органических химикатов. В представленной работе показаны основные типы ацилирования фенолов (О- и С-ацилирование), указаны основные виды ацилирующих агентов (ангидриды, галогенангидриды, кислоты), условия протекания описанных реакций. Отмечается, что среди основных и наиболее широко используемых ацилирующих реагентов выделяется уксусная кислота и ее ангидрид. В представленной работе рассмотрены основные результаты исследований в области ацилирования фенолов и их производных уксусной кислотой и ее ангидридом.
Ключевые слова: ацилирование, фенолы, алкилфенолы, уксусная кислота, ангидрид уксусной кислоты, ацилирующие агенты.
Известно, что подобно спиртам, фенолы, будучи О-нуклеофилами, могут вступать в реакции ацилирования с различными ацилирующими агентами [1, 2]. Фенолы являются бидентатными нуклеофилами, вследствие чего они могут реагировать в двух положениях.
Рис. 1. Схема реакции ацилирования фенолов по двум направлениям: О-ацилирование (по атому кислорода фенольной ОН-группы по механизму нуклеофильного замещения с образованием сложного эфира); С-ацилирование (электрофильное замещение в ароматическом кольце по механизму Фриделя-Крафтса с образованием арилкетонов)
Ацилирующими агентами для обоих типов ацилирования являются ацилхлориды или ангидриды, однако в случае С-ацилирования необходимо наличие в системе АЮ3. Продукт С-ацилирования более стабилен и преобладает в условиях термодинамического контроля (при наличии А1СЬ), тогда как продукт О-ацилирования образуется быстрее и преобладает в условиях кинетического контроля. Установлено, что О-ацилированию могут способствовать следующие факторы:
С-асу1а1лоп
0-асу1аНоп
- кислотныи катализ посредством протонирования ацилирующего агента, увеличения его электрофильности или
- основной катализ путем депротонирования фенола, увеличивая его нуклеофильность.
Также известно, что ариловые эфиры легко перегруппировываются в арилкетоны в присутствии А1С13 - реакция, известная как перегруппировка Фриса (рис. 2).
Рис. 2. Схема реакции перегруппировки Фриса
В этой работе обсуждаются реакции ацилирования фенолов и их производных, в которых в качестве ацилирующего агента использованы уксусный ангидрид, уксусная кислота, а также показаны результаты собственных экспериментальных исследований.
Ацилирование фенолов уксусным и другими ангидридами
В работе [3] показано, что различные фенолы подвергались реакции ацилирования уксусным ангидридом при комнатной температуре в присутствии бикарбоната натрия с получением соответствующих сложных эфиров с выходами от хороших до превосходных. В качестве растворителей авторы использовали этилацетат, тетрагидрофуран (ТГФ), толуол, диэтиловый эфир, дихлорметан и ацетонитрил. Толуол оказался лучшим растворителем для реакции, а диэтиловый эфир — самым неэффективным. Выходы целевых продуктов составляли 75-99 %. Влияние природы субстрата на выход продукта ацетилирования производных фенола представлены в табл. 1.
Таблица 1
Влияние природы субстрата на выход продукта ацетилирования
производных фенола [3]
№ Субстрат Продукт ацетилирования Выход продукта, %
1 НО-СбН4-С(СНз)з АсО-СбН4-С(СНз)з >99
2 НО-СбН4-№НАс АсО-СбН4-КНАс 95
3 СбН5СН(ОН)СНз СбН5СН(ОАс)СНз 90
4 СбЩОН)зСООН СбЩОАс)зСООАс >99
5 СбН4(ОН)СН(СНз)2 СбН4(ОАс)СН(СНз)2 92
В работе [4] сообщается, что фенолы не ацилируются одним уксусным ангидридом в четыреххлористом углероде, но добавление пиридина приводит к ацилированию. Показано, что максимальная скорость ацилирования п-хлорфенола достигается с увеличением концентрации пиридина. Авторы объясняют этот факт протеканием реакции исключительно с кислотной формой фенола.
Описан быстрый и эффективный метод ацилирования ряда фенолов уксусным ангидридом, катализируемый твердым сернокислым кремнеземом при комнатной температуре или при температуре кипения с отличным выходом [5]. В работе [6] показан быстрый и удобный метод ацилирования фенолов уксусным ангидридом при комнатной температуре в присутствии твердой TiO2/SO42- суперкислоты с прекрасным выходом.
В условиях отсутствия растворителей различные фенолы (и некоторые спирты и тиоспирты) эффективно ацилировались при комнатной температуре в течение коротких периодов времени с использованием уксусного ангидрида в присутствии каталитических количеств тригидрата ацетата натрия, который является очень недорогим и мягким реагентом [7]. Схема реакции представлена ниже (рис. 3).
АС20
^ХН -Р-ХДс
Я = абеё еёе I абае-н йе, аа бе— й е еёе абаае— и е аёёеё
X = О, S
Рис. 3. Ацилирование спиртов, фенолов и тиолов уксусным ангидридом
Выход продукта ацилирования зависит от природы субстрата и представлен в табл. 2.
Таблица 2
Влияние природы субстрата на выход продукта ацилирования фенолов [7]
№ Субстрат Время, мин. Выход, %
1 С6Н5СН2СН2СН2ОН 15 96
2 СбНзСН=СНСН2ОН 10 91
3 С6Н5СН2ОН 10 95
4 Me0С6Н4СН20Н 10 98
5 (CHз)зC0С6Н4СН20Н 10 96
6 Ж6Н4СН2ОН 10 98
7 Ш2С6Н4СН2ОН 10 88
8 С6Н5СЩШ3РН 20 91
9 С6Н5СЩ^)ОН 10 96
10 С6Н5ОН 10 95
В работе [8] разработан новый цеолитный катализатор ацилирования фенолов уксусным ангидридом. Цеолит является
многоразовым катализатором, поэтому он обеспечивает экологически чистый путь в синтетической органической химии.
Авторы работы [9] сообщают о простом и эффективном подходе к ацилированию фенолов в условиях без растворителей и катализаторов. Условия эксперимента были мягче, чем в традиционных методах, и время протекания реакции меньше. Синтезированные продукты, полученные с высокими выходами, были охарактеризованы методами !Н-ЯМР и ГХ-МС, для их идентификации и контроля чистоты.
Сверхсшитый пористый поли(2-нафтол), полученный путем алкилирования 2-нафтола по Фриделю-Крафту, был функционализирован сульфоновой кислотой для получения твердокислотного катализатора. Катализатор применяется для алкилирования фенола, уксусным ангидридом при комнатной температуре [10]. Каталитическая защита с использованием новой твердой кислоты характеризуется достижением высокого выхода в чистом состоянии, не требует обработки водной средой и/или хроматографического разделения, а также демонстрирует превосходную эффективность переработки, что указывает на потенциал этих сульфированных пористых полимеров в качестве нового метода защиты в широкий спектр устойчивых химических реакций.
В работе [11] ацилирование фенолов (1) уксусным ангидридом осуществляли с использованием каталитического количества порошка металлического магния на воздухе и в условиях отсутствия растворителей с получением соответствующих фенилацетатов (2) с выходом до 98 %.
Рис. 4. Ацилирование фенолов уксусным ангидридом в присутствии
металлического магния
Учитывая высокую актуальность ацилированных производных фенолов в различных областях биологии, а также в синтетической органической химии, в работе [12] предлагается устойчивый метод без использования растворителей для проведения реакций ацилирования фенолов. Реакции ацилирования классически выполняются с использованием избытка уксусного ангидрида (Ас20) в условиях, не содержащих растворителей, или при работе со стехиометрическими количествами Ас20 в органических растворителях. Оба метода требуют добавления основных или кислотных катализаторов для ускорения
этерификации, поэтому они обычно приводят к образованию большого количества отходов, которые заметно повышают Е-фактор процесса. Таким образом, с целью разработки более устойчивой системы предложен стехиометрический метод ацилирования без растворителей. Так, встречающийся в природе тимол (рис. 5) можно с хорошими выходами превратить в соответствующий биологически активный эфир в присутствии 1 % VOSO4. Реакция протекает с образованием эфиров тимола по механизму О-ацилирования.
Метилендифосфоновая кислота (МДФ) оказалась простым, дешевым и многоразовым гетерогенным катализатором ацилирования структурно разнообразных фенолов уксусным ангидридом в условиях без растворителя при комнатной температуре [13]. Метод позволяет проводить реакцию в мягких условиях, а выход аддуктов является количественным.
В работе [14] авторы вначале осуществили реакцию тиосульфата натрия с ангидридами с образованием солей ацил-Бунте, после чего осуществляли реакцию ацилирования с фенолами. Этот метод можно применять для сайт-селективного ацилирования фенольной гидроксильной группы в присутствии других спиртовых групп. Достоинствами данного метода ацилирования являются простота эксплуатации, высокая эффективность, использование реагентов без запаха и низкой токсичности.
Показано [15], что водный раствор гидроксида тетра-н-бутиламмония (ТБАОН) является эффективным катализатором ацилирования фенолов. Эта методика удобна, проста и пригодна для синтеза ариловых эфиров с высокими выходами. Установлено, что в присутствии 20 % водного раствора ТБАОН при 50 °С наблюдаются высокие выходы продуктов ацилирования.
Ацилирование фенола некоторыми другими ангидридами (янтарный, глутаровый, малеиновый, фталевый, транс-1,2-циклогексан-дикарбоновый и ^ис-1,2-циклогександикарбоновый) в безводной уксусной кислоте обычно приводит к образованию фенилацетата в качестве основного продукта [16]. Авторы объясняют этот факт способностью циклических ангидридов реагировать с уксусной кислотой с образованием уксусного ангидрида, а также большей реакционной способностью фенола с образовавшимся уксусным ангидридом, чем с циклическими ангидридами.
СН3
Н3С СН3
Рис. 5. Строение тимола
Таким образом, реакции ацилирования фенолов уксусным ангидридом (также как и другими ангидридами), как правило, протекают по механизму О-ацилирвоания и приводят к образованию сложных эфиров фенола по механизму нуклеофильного замещения.
Ацилирование фенолов уксусной кислотой
В случае ацилирования фенолов уксусной кислотой наблюдается реакция С-ацилирования по механизму электрофильного замещения с образованием продуктов замещения в ароматическом ядре. В одной из ранних работ изучено ацилирование фенолов ледяной уксусной кислотой в присутствии пятиокиси фосфора, приводящее к о-ацетильным производным с выходами 10-40 % [17].
Гидроксиацетофеноны, особенно пара-изомеры, являются важными соединениями в фармацевтической промышленности. Их можно получить ацилированием фенола уксусной кислотой, однако данные о термодинамических свойствах этой реакции отсутствуют. Оценка свойств этой реакции с использованием метода Бенсона показывает, что образование гидроксиацетофенонов благоприятно при температурах от 300 до 800 К. Более высокие температуры благоприятствуют образованию фенилацетата. В этом диапазоне температур мета-гидроксиацетофенон более стабилен, чем другие изомеры [18].
Производные фенола подвергали региоселективному орто-ацилированию без растворителя органическими кислотами в присутствии FeCl3 при микроволновом облучении [19]. Реакции завершились за короткое время, продукты получены с высокими выходами.
В работе [20] описан коммерчески доступный катализатор селективного ацилирования фенолов ZSM-5. Для активации ZSM-5 погружали в нитрат аммония, чтобы заполнить поры кислотой Бренстеда и сконцентрировать каталитические реакции внутри пор. Реакции проводили в жидкой фазе при 383 К. В качестве ацильного субстрата были выбраны уксусная и пропионовая кислота. С помощью метода газовой хроматографии выявили два продукта реакции: фенилацетат и пара-гидроксиацетофенон, что означает отсутствие орто-продукта. Эту пара-селективность можно отнести к порам ZSM-5, где предполагается, что реакция происходит посредством межмолекулярной реакции. Это относительно простой метод получения пара-гидроксиацетофенона, известного как предшественник парацетамола (рис. 6).
Н
Рис. 6. Строение М-(4-гидроксифенил)ацетамида (парацетамол)
23
При кинетическом исследовании образования гидроксиацето -фенонов при ацилировании фенола уксусной кислотой, проведенном на цеолите HZSM5 (Si/Al = 42), показано образование только орто- и пара-изомеров [21]. Порядок реакции по фенолу был близок к нулю и отрицателен по уксусной кислоте. Любопытно, что скорость образования орто-изомера проходит через максимум около 550 К; в то время, как скорость образования пара-изомера увеличивается с температурой реакции. Таким образом, найдены оптимальные условия селективного получения орто-гидроксиацетофенона.
Приведены результаты арилалкилирования фенола компонентами фракции 130-190 °С жидких продуктов пиролиза (ФЖПП) в присутствии модифицированного цеолитсодержащего катализатора КН-30М [22]. С целью нахождения оптимальных условий, обеспечивающих максимальный выход п-арилалкилфенолов, изучены влияние температуры, продолжительности реакции, мольного соотношения исходных компонентов, количества катализатора на выход целевого продукта и селективность процесса. Установлено, что при температуре реакции 120 °С, продолжительности 6 ч, мольном соотношении фенола к ФЖПП 1:3 и количестве катализатора - 10 % на взятый фенол выход п-арилалкил-фенола составляет 81,2 %, а селективность - 94,7 % по целевому продукту. Хроматографические исследования ФЖПП до и после реакции арилалкилирования фенола показали, что в реакцию в основном вступают непредельные углеводороды стирол, а-метилстирол, винилтолул, инден при этом концентрация стирола в ФЖПП после реакции уменьшается от 32,18 до 3,27 %, а-метилстирола от 5,96 до 1,15 %, винилтолуола от 7,37 до 1,86 %, индена от 4,28 до 0,80 %. Полученный п-арилалкилфенол на 95,4 % состоит из п-а-метилбензилфенола. Взаимодействием п-арилалкилфенола с уксусной кислотой (УК) в присутствии нано-размерного ZnCl2 синтезирован 2-гидрокси-5-арилалкилацетофенон. В результате исследований найдены оптимальные условия для реакции ацилирования: температура 140 °С, время реакции 40 мин, мольное соотношение п-арилалкилфенола к уксусной кислоте 1:2. При найденных условиях выход целевого продукта составил 66,7 % от теории на взятый п-арилалкилфенол. Синтезированное соединение может быть использовано в качестве ингибитора, повышающего антиокислительную стабильность полистирола, использующегося в условиях воздействия как теплового, так и солнечного излучения.
Таким образом, можно заключить, что ацилирование фенолов и их функционально-замещенных производных уксусным ангидридом протекает по механизму О-ацилирования с образованием сложных эфиров, тогда как ацилирование фенолов уксусной кислотой проеткает по механзиму электрофильного замещения в ароматическом ядре с образованием арилкетонов.
Список литературы
1. Скоморохов М.Ю., Ширяев А.К., Климочкин Ю.Н. Ацилирование: методическое пособие // Изд-во Самарского государсвтенного технического университета. 2005. Самара. 44 с.
2. Хасанов В.В. Реакции алкилирования и ацилирования в органическом практикуме // Изд-во Томского государсвтенного университета. 2018. Томск. 21 с.
3. Lugemwa F.N., Shaikh K., Hochstedt E. Facile and Efficient Acetylation of Primary Alcohols and Phenols with Acetic Anhydride Catalyzed by Dried Sodium Bicarbonate // Catalysts. 2013. V. 3. № 4. P. 954-965.
4. Bonner T.G., McNamara P. The pyridine-catalysed acetylation of phenols and alcohols by acetic anhydride // Journal of the Chemical Society B. Physical Organic. 1968. № 1. P. 795-797
5. Rapid and Efficient Method for Acetylation of Alcohols and Phenols with Acetic Anhydride Catalyzed by Silica Sulfate / Y. Zhao, L-B. Liu, Z. Chen [et al.] // Synthetic Communication. 2006. V. 36. № 9. P. 1221-1227.
6. A rapid and efficient method for acetylation of phenols with acetic anhydrides catalyzed by TiO2/SO42- solid superacid / M. Yan-Ran, Sh. Tong, Z. Wang [et al.] // Indian Journal of Chemistry. 2003. V. 42B. P. 1777-1779.
7. Mojtahedi M., Samadian Sh. Efficient and Rapid Solvent-Free Acetylation of Alcohols, Phenols, and Thiols Using Catalytic Amounts of Sodium Acetate Trihydrate // Journal of Chemistry. 2013. № 2. P. 513-520.
8. Bahule B., Nandurkar Y.M. A mild, efficient and green route for acylation of alcohols and phenols with acetic anhydride and Na-Y zeolite // Journal of Applied Chemictry. 2012. V. 3. № 1. P. 4-6.
9. Anbu N., Nagarjun N., Manju J. Acetylation of Alcohols, Amines, Phenols, Thiols under Catalyst and Solvent-Free Conditions // Chemistry. 2019. V. 1. № 1. P. 69-79.
10. Kalla R., Reddy S., Kim J. Acylation of Phenols, Alcohols, Thiols, Amines and Aldehydes Using Sulfonic Acid Functionalized Hyper-Cross-Linked Poly(2-naphthol) as a Solid Acid Catalyst // Catalysis Letters. 2019. V. 149. P. 2696-2705.
11. Bairacharya G.B., Shrestha S. Unprecedented acetylation of phenols using a catalytic amount of magnesium powder // Synthetic Communications. 2018. V. 48. № 13. P. 1688-1693.
12. A Stoichiometric Solvent-Free Protocol for Acetylation Reactions / F. Valentini, P. Galloni, D. Brancadoro [et al.] // Frontiers in Chemistry. 2022. V. 10. № 2. P. 33-41.
13. Highly efficient and versatile acetylation of alcohols, phenols and amines catalyzed by methylenediphosphonic acid (MDP) under solvent-free conditions / X. Minhao, H. Wamg, W. Jun [et al.] // Journal of the Chilean Chemical Society. 2021. V. 56. № 4. P. 884-886.
14. Site-Selective Acylation of Phenols Mediated by a Thioacid Surrogate through Sodium Thiosulfate Catalysis / W-J. Liao, S-Y. Lin, Y-S Kuo [et al.] // Org. Lett. 2022. V. 24. № 23. P. 4207-4211.
15. Kazemi M., Soleiman-Beigi M. Tetra-N-Butyl Ammonium Hydroxide as Highly Efficient for the Acylation of Alcohols, Phenols and Thiols // Current Research in Organic Chemistry. 2013. V. 2. № 2. P. 1-6.
16. Haddadin M.J., Higuchi T., Stella V. Acylation of phenol by cyclic and acyclic anhydrides in anhydrous acetic acid // J. Pharm. Sci. 1975. V. 64. № 11. P. 766-770.
17. Batra P.C., Rozdon O.N. Acetylation of phenols using acetic acid // Proceedings of the Indian Academy of Sciences - Section A. 1949. V. 29. P. 349-351.
18. Sobrinho E.V., Cardoso D., Souza-Aguiar E.F. Thermodynamic analysis of phenol acylation with acetic acid // Journal od Braz. Chem. Soc. 1998. V. 9. № 3. P. 305-310.
19. Naeimi H., Moradi L. Regioselective ortho-acylation of phenol and naphthol derivatives catalyzed by FeCh under microwave conditions // Russian Journal of Organic Chemistry. 2007. V. 43. P. 1757-1759.
20. A Straightforward Selective Acylation of Phenols over ZSM-5 towards Making Paracetamol Precursors / R. Roswanda, A.D. Sirampun, R. Mukti [et al.] // Bulletin of Chemical Reaction Engineering and Catalysis. 2018. V. 13. № 3. P. 472-487.
21. Синтез 2-гидрокси-5-(3-метилциклогексил)ацето- и бензофено-нов / Ч.К. Расулов, М.М. Чалышкан, Ч.К. Салманова [и др.] // Азерб. хим. журнал. 2014. № 3. С. 63-67.
22. Синтез и свойства 2-гидрокси-3(3(4)-метилциклогекен-3-ил-изопропил)-5-арилалкилацетофенона / А.А. Гасанов, Г.З. Гейдарли, Ч.К. Расулов [и др.] // Журнал Российского химического общества имени Д.И. Менделеева. 2022. Т. 66. № 4. С. 664-666.
Расулов Чингиз Князь оглу, д-р хим. наук, проф., зав. лаборатории «Химия и технология циклоалкилфенолов», rchk49@mail.ru, Азербайджан, Баку, Институт нефтехимических процессов Министерства науки и образования Азербайджана,
Гейдарли Гюнай гызы, докторант лаборатории «Химия и технология циклоалкилфенолов», heyderligunay6@gmail.com, Азербайджан, Баку, Институт нефтехимических процессов Министерства науки и образования Азербайджана,
Гасанова Гюльшан Джаббар гызы, канд. хим. наук, вед. науч. сотр. лаборатории «Химия и технология циклоалкилфенолов» gulwen.hesenova@inbox.ru, Азербайджан, Баку, Институт нефтехимических процессов Министерства науки и образования Азербайджана,
Гурбанова Севда Ширинбала гызы, мл. науч. сотр. лаборатории «Химия и технология циклоалкилфенолов», meh_nur@mail.ru, Азербайджан, Баку, Институт нефтехимических процессов Министерства науки и образования Азербайджана
ACYLATION OF PHENOLS WITH ACETIC ACID AND ITS ANHYDRIDE
Ch.K. Rasulov, G.Z. Heydarli, G.J. Gasanova, S.Sh. Gurbanova
The acylation reaction ofphenols and their functionally substituted derivatives is one of the classic reactions of modern organic chemistry. It has high practical value because it underlies the industrial production of a number of important organic chemicals. The presented work shows the main types of acylation of phenols, as well as the areas of application of the resulting acylphenols, indicates the main types of electrophilic reagents (anhydrides, acid halides, acids), and the conditions for the occurrence of these reactions. It is noted that among the main and most widely used acylating reagents are acetic acid and its anhydride. The presented work discusses the main results of research in the field of acylation of phenols and their derivatives with acetic acid and its anhydride, and also shows the results of the authors' own research
Keywords: acylation, phenols, alkylphenols, acetic acid, acetic anhydride, acylating
agents.
Rasulov Chingiz Prince oglu - Doctor of Chemical Sciences, Professor, head of Laboratory "Chemistry and Technology of Cycloalkylphenols", rchk49@,mail.ru, Azerbaijan, Baku, Institute of Petrochemical Processes of the Ministry of Science and Education of Azerbaijan,
Heydarli Gunay, doctoral student of the laboratory "Chemistry and Technology of Cycloalkylphenols", heyderligunay6@gmail. com, Azerbaijan, Baku, Institute of Petrochemical Processes of the Ministry of Science and Education of Azerbaijan,
Hasanova Gulshan Jabbar, candidate of chemical sciences, leading researcher. Laboratory "Chemistry and Technology of Cycloalkylphenols", gulwen.hesenova@inbox.ru, Azerbaijan, Baku, Institute of Petrochemical Processes of the Ministry of Science and Education of Azerbaijan,
Gurbanova Sevda Shirinbala, junior researcher Laboratory "Chemistry and Technology of Cycloalkylphenols", meh nuramail.ru, Azerbaijan, Baku, Institute of Petrochemical Processes of the Ministry of Science and Education of Azerbaijan
