CC BY
1
ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
DOI - 10.32743/UniChem.2024.125.11.18544
ГЕТЕРОГЕННО КАТАЛИТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ 2,4,6-ТРИМЕТИЛПИРИМИДИНА
Икрамов Абдувахаб
д-р тех. наук., профессор Ташкентского химико-технологического института, Республика Узбекистан, г. Ташкент, E-mail: абдувахаб@таИги
Холикова Севара Джасуровна
тех. хим. наук, доцент Ташкентского химико-технологического института, Республика Узбекистан, г. Ташкент, E-mail: [email protected]
Хомиджонов Адхам Алхамжонович
аспирант,
Ташкентского химико-технологического института, Республика Узбекистан, г. Ташкент, E-mail: [email protected]
Хакимова Гузал Рахматовна
ст. предп.
Ташкентского химико-технологического института, Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: abdullaev @mail.ru
HETEROGENEOUSLY CATALYTIC SYNTHESIS OF 2,4,6-TRIMETHYLPYRIMIDINE
Abduvahab Ikramov
Dr. those. Sciences., Professor of the Tashkent Institute of Chemical Technology,
Uzbekistan, Tashkent
Sevara Kholikova
tech. chem. Sciences., Associate Professor, Tashkent Institute of Chemical Technology, Uzbekistan, Tashkent
Adham Khomidzhonov
Postgraduate Student, Tashkent Institute of Chemical Technology, Uzbekistan, Tashkent
Guzal Khakimova
Senior teacher, Tashkent Institute of Chemical Technology, Uzbekistan, Tashkent
АННОТАЦИЯ
В работе подробно изучалась возможность синтеза 2,4,6-триметилпиримидина (2,4,6ТМПМ) гетерогенно-каталитической совместной конденсацией ацетилена и ацетилацетона (ААЦ) с аммиаком. В качестве каталиаторов использованы НХА-3, НФХА-3, ФГА-6 и ФГА-8 катализаторы. В целом, для получения 2,4,6-ТМПМ примененные катализаторы в использованных условиях по эффективности располагаются в ряд: НХА-3 > ФГА-8> ФГА-6> НФХА-3.В отношении же образования другого ценного целевого продукта - 2,4-ДМП они имеют следующий порядок расположения :ФГА-6 > НХА-3 > НФХА-3 > ФГА-8.
Библиографическое описание: ГЕТЕРОГЕННО КАТАЛИТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ 2,4,6-ТРИМЕТИЛПИРИМИДИНА // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. Икрамов А. [и др.]. 2024. 11(125). URL:
https://7universum.com/ru/nature/archive/item/18544
ABSTRACT
The work studied in detail the possibility of synthesizing 2,4,6-trimethylpyrimidine (2,4,6TMPM) by heterogeneous catalytic joint condensation of acetylene and acetylacetone (AAC) with ammonia. The catalysts used were NHA-3, NFHA-3, FGA-6 and FGA-8 catalysts. In general, for obtaining 2,4,6-TMPM, the catalysts used under the conditions used are arranged in the following order of efficiency: NHA-3 > FGA-8 > FGA-6 > NFHA-3. In relation to the formation of another valuable target product, 2,4-DMP, they have the following order of arrangement: FGA-6 > NHA-3 > NFHA-3 > FGA-8.
Ключевые слова: 2,4,6-триметилпиримидина, ацетилен, ацетилацетон, 2,4-диметилпиридин, ацетонитрил, пиридиновые основания, гетерогенные катализаторы, пиримидиновые основания.
Keywords: 22,4,6-trimethylpyrimidine, acetylene, acetylacetone, 2,4-dimethylpyridine, acetonitrile, pyridine bases, heterogeneous catalysts, pyrimidine bases.
Введение. В последние годы во многих странах интенсивное развитие получают исследования, направленные на разработку методов синтеза новых функциональных производных пиримидина. Интерес к данным исследованиям в значительной степени определяется уникальными видами и широким спектром биологической активности соединений пиримидиновой природы, несомненно, связанными с ролью нуклеиновых оснований в процессах жизнедеятельности организма[1].
Так, фторурацил и его производные, совершившие переворот в химиотерапии злокачественных новообразований, являются антиметаболитами пиримидиновых оснований. Производные урацила и тимина, содержащие различные заместители в пири-мидиновом ядре, очень часто выступают в роли ингибиторов вирусспецифических ферментов. Например, идоксуридин является ингибитором ДНК-полимеразы и применяется в лечении вирусной инфекции герпеса [2]. Зидовудин (ретровир) и фосфазид - ингиби-руют обратную тран-скриптазу ВИЧ и используются для лечения ВИЧ-инфекций, а также в составе комбинированной антиретровирусной терапии [3].
Состав
Силильный метод синтеза (модификация реакции Гилберта-Джонсона) широко используется в синтезе ^монозамещенных пиримидин-2,4(1Я,3Я)-дионов, так как позволяет в большинстве случаев исключить образование побочных N N -дизамещенных производных. Так, ^производные получены при алкилировании предварительно сили-лированного урацила эквимольным количеством (арил) бутилбромидов при температуре 160°С без растворителя с выходами 26-40%, а также при алкилировании циннамилбромидом или этил-2-бромацетатом в 1,2-дихлорэтане с выходами 90-92% [4, 5].
Методы исследования. В качестве исходных соединений были использованы ацетилацетона (ААЦ), ацетилен и аммиак. Катализаторы были приготовлены «мокрым» методом смешиванием исходных компонентов. НХА-3, НФХА-3, ФГА-6 и ФГА-8 служили гетерогенными катализаторами. Состав и некоторые характерные свойства разработанных катализаторов приведены в табл. 1 и 2.
Таблица 1.
: катализаторов
NN Исходный состав, г Состав катализатора,% Условное обозначение
1 Ni(NOs)26H2O (27,2) + &2O3 (3,0) + Al(OH)s (134,2) NiO (7,0) + &2O3 (3,0) + Al2O3 (90,0) HXA- 3
2 NiF2 (7,0) + &2O3 (3,0) + Al(OH)3 (134,3) NiF2 (7,0) + &2O3 (3,0) + Al2O3 (90,0) HФXA-3
3 ФГ (60,0) + Al(OH)3 (59,7) ФГ (60,0) + Al2O3 (40,0) ФГА - 6
4 ФГ (60,0) + &2O3 (3,0) + Al(OH)3 (55,2) ФГ (60,0) + &2O3 (3,0) + Al2O3 (37,0) ФГА - 8
Таблица 2.
Некоторые характерные свойства разработанных катализаторов
№ Условное обозначение Механическая прочность, кг/см2 Удельная поверхность, м2/г Пористость, см3/г Насыпная масса, г/см3 Длительность работы, ч
1 НХА-3 46,4 274,4 0,67 0,78 129
2 НФХА-3 51,6 212,2 0,94 0,66 145
3 ФГА-6 25,4 88,4 0,53 0,57 73
4 ФГА-8 35,3 52,6 0,44 0,65 71
Опыты проводили в проточном реакторе. Реактор загружали соответствующим количеством катализатора. Сверху реактора подавали исходные компоненты - ААЦ, ацетилен и аммиак в строго дозированном количестве.
Результаты и обсуждение. По совместной конденсации ацетилена и кетонов с аммиаком В данной работе подробно изучалась возможность синтеза азотсодержащих циклических веществ с использованием более сложных карбонильных соединений, в частности, дикетонов. При этом на примере использования одного из наиболее доступного и простого дикетона - ацетилацетона (ААЦ) в реакции ацетилена с аммиаком, в целом, выяснены особенности протекания взаимодействия в таких системах.
Следует отметить, что в литературе отсутствуют какие-либо сведения о гетерогенно-каталитической реакции ацетилена и ААЦ с аммиаком.
Применение вышеприведенных НХА-3, НФХА-3, ФГА-6 и ФГА-8 катализаторов для данного процесса показало, что продуктами конденсации, в основном, являются 2,4,6-триметилпиримидин (2,4,6-ТМПМ), 2,4-диметилпиридин (2,4-ДМП) и ацетонитрил [6].
На рис. 1 в качестве примера приведена хромато-грамма органической части катализата, полученного в присутствии НХА-3 катализатора. В ней отсутствует пик, соответствующий ААЦ, что объясняется его полной конверсией в ходе процесса.
(температура 330°С, соотношение ацетилена и ААЦ 1:1):
I - ацетонитрил, 2 - 2,4-ДМП, 3 - 2,4,6-ТМП, 4 и 5 - неидентифицированные соединения
Рисунок 1. Хроматограмма органической части катализата, образующегося в реакции ацетилена
и ААЦ с аммиаком
Как видно из рис. 1, в результате конденсации ацетилена и ААЦ с аммиаком в большом количестве получается 2,4,6-ТМПМ. Причем о синтезе этого вещества упоминается лишь в одной работе [7], и то его синтез осуществлялся на основе мочевины и свойства вообще не описаны. Следует также подчеркнуть, что в целом пиримидины, в частности 2,4,6-ТМПМ, представляют весьма повышенный интерес, поскольку на их основе можно синтезировать многочисленные соединения с ценными физико-химическими и эксплуатационными свойствами [8].
Исходя из вышеизложенного, подробно изучены некоторые характерные свойства 2,4,6-ТМПМ. Определены его температура кипения (^ип 43,0-44,0 (5мм рт.от..), показатель преломления(п20в1,4967) и плотность(^°41,0847), проведен элементный анализ (содержание азота,% найдено 22,77; вычислено 22,95), сняты ПМР- и масс-спектры. При этом полученные результаты свидетельствуют о полном соответствии исследованного вещества 2,4,6-ТМПМ. Данное соединение хорошо растворяется в некоторых органических растворителях (спирт, ацетон, эфир, бензол), но плохо в воде.
Были сняты ПМР-спектры (рис. 2).
Рисунок 2. ПМР-спектр 2,4,6-триметилпиримидина
В ПМР спектре 2,4,6-триметилпиримидина (рис. 2) протоны метильной группы проявляются в виде трехкратного синглета в области 2,2 м.д.; шестипротонный синглет при 2,4 м.д. соответствует
протонам метильных групп в С4 и С6-положениях. В области слабого поля спектра (6,6 м.д.) имеется однопротонный синглет С5-Н.
Также сняты масс-спектрометры.
Рисунок 3. Масс-спектр 2,4,6-триметилпиримидина..
В масс-спектре 2,4,6-триметилпиримидина (рис.3) имеются молекулярные пики (m/z): 122 (М+) (I00,0% ); 121 (32,0%); 107 (26,00); 81 (20,0%); 80 (20,0%); 55 (70,0%) и 41 (45,0%).
Влияние температуры на протекание реакции ацетилена и ААЦ с аммиаком в присутствии HXA-I катализатора изучалось в интервале 290-450оС (табл. 3).
Таблица 3.
Влияние температуры на реакцию ацетилена и ААЦ с аммиаком в присутствии НХА-1 катализатора
(соотношение ацетилена и ААЦ 1:1)
Температура, °С Конверсия ацетилена % Содержание в органической части катализата.%
2,4-ДМП 2,4,6-ТМПМ Ацетонитрил Другие соединения
290 73,4 4,6 26,5 39,0 29,9
310 78,6 5,7 32,4 36,0 25,9
330 86,8 5,4 44,6 35,0 15,0
350 88,9 9,0 41,0 37,0 13,0
370 99,0 8.0 34,5 34,0 24,5
390 91,3 8,7 35,6 35,0 20,7
410 92,4 7,5 31,2 45,4 15,9
430 92,8 - 24,1 58,4 17,5
450 96,0 - 11,4 70,0 17,6
Из приведенных результатов следует, что 2,4,6-ТМПМс хорошим выходом образуется в интервале температур 310-410°С. В этом случае его содержание в органической части катализата колеблется от 31,2 до 44,6%. Однако, при прочих равных условиях оптимальной температурой является 330°С. Кроме того, в ходе реакции синтезируют ацетонитрил (34,0-70,0%), 2,4-ДМП (4,6-9,0%) и смесь других соединений (13,3-28,2%). Содержание в катализате всех трех
основных веществ - 2,4,6-ТМПМ, 2,4-ДМП и ацето-нитрила с повышением температуры проходит через максимум, тогда как конверсия ацетилена в этих условиях симбатно возрастает.
В табл. 4 приведены данные по влиянию соотношения исходных реагентов на выход азотсодержащих соединений при использовании НХА-3 катализатора.
Таблица 4.
Влияние соотношения ацетилена и ААЦ на их реакцию с аммиаком в присутствии НХА-3 катализатора
(температура 330°С )
Соотношения ацетилена и ААЦ Конверсия ацетилена % Содержание в органической части катализата.%
2,4-ДМП 2,4,6-ТМП Ацетонитрил Другие соединения
1:1 86,8 5,4 44,6 35,0 15,0
1:2,5 90,2 7,6 41,0 38,1 13,3
1:3 91,3 8,5 28,9 40,3 22,3
1:4 92,5 7,8 28,6 35,4 26,2
2:1 85,4 12,3 20,6 48,0 19,1
3,5:1 83,2 16,7 18,0 47,5 17,6
4:1 80,0 16,6 12,4 49,4 21,6
Из данных таблицы следует, что при прочих равных условиях с возрастанием мольной доли ААЦ в исходной смеси синтез 2,4,6-ТМПМ снижается до 28,6%, тогда как выход 2,4-ДМП и ацетонитрила, в целом, стабилен. В то же время с повышением доли ацетилена образование 2,4,6-ТМПМ еще больше уменьшается, а выходы 2,4-ДМП и ацетонитрила, наоборот, возрастают. Максимальная конверсия
ацетилена наблюдается при его исходном соотношении с ААЦ 1:4. Далее продолжая выяснение влияния природы катализаторов на конденсацию ацетилена и ААЦ с аммиаком, данную реакцию проводили с использованием НФХА-3. При этом также изучали действие температуры и соотношения исходных реагентов на выходы образующихся продуктов (табл. 5,6).
Таблица 5.
Влияние температуры на реакцию ацетилена и ААЦ с аммиаком в присутствии HФХA-3 катализатора
(соотношение ацетилена и ААЦ 1:1,2)
Температура, 0С Конверсия ацетилена % Содержание в органической части катализата.%
2,4-ДМП 2,4,6-ТМПМ Ацетонитрил Другие соединения
290 82,1 1.3 22,2 12,4 63,9
310 85,0 5,4 24,3 36,2 34,1
330 86,5 6,3 29,2 32,4 32,1
350 88,0 6.3 30,3 30,5 32,9
370 89,8 7,5 36,4 27,0 19,1
390 91,3 4,8 35,3 25,0 34,9
410 92±6 2, 0 25,7 31,2 41,1
Как видно из данных табл. 5, в исследованном интервале температур (290-410°С), в основном, синтезируются те же вещества, что и в случае применения НХА-3 катализатора. При этом содержание 2,4-ДМП, 2,4,6-ТМПМ и ацетонитрила в катализате находится соответственно в пределах 1,3-7,5; 22,2-36,4 и 25,036,2%.
Одним из отличий НФХА-З от предыдущего катализатора является то, что в сравнимых условиях в его присутствии в больших количествах (19,1-63,9%)
образуются трудноразделимые смолообразные вещества и соответственно снижаются выходы других целевых соединений. При синтезе наиболее ценного продукта - 2,4,6-ТМПМ оптимальной температурой является 370°С.
В табл. 6 приведены результаты исследования влияния мольного соотношения ацетилена и ААЦ на данную реакцию. При этом; как и в присутствии НХА-3, с увеличением мольной доли ААЦ в подаваемой реакционной смеси выход 2,4,6-ТМПМ падает (от 36,4 до 23,6%).
Таблица 6.
Влияние соотношения ацетилена и AAЦ на их реакцию с аммиаком в присутствии HФXA-З
катализатора (температура 370°С)
Соотношения ацетилена и ААЦ Конверсия ацетилена % Содержание в органической части катализата.%
2,4-ДМП 2,4,6-ТМП Ацетонитрил Другие соединения
1:1,2 89,8 7,6 З6,4 27,0 29,0
1:2,1 90,1 5,4 31,4 35,6 27,6
1:2,6 91,2 4,0 25,2 38,0 32,8
1:4 92,5 0,2 23,6 42,0 34,2
2:1 87,6 2,4 24,3 41,0 32,3
2,8:1 85,4 6,6 20,0 50,1 23,3
3:1 84,5 9,2 18,5 55,0 17,3
Аналогичная картина наблюдается и при образовании 2,4- ДМП. В случае же повышения доли ацетилена выход 2,4,6-ТМПМ и далее снижается, тогда как содержание 2,4-ДМП и ацетонитрила в ка-тализате, наоборот, возрастает. Из представленных данных также следует, что для синтеза 2,4,6-ТМПМ оптимальным соотношением ацетилена и ААЦ является 1:1,2, а для получения 2,4-ДМП -3:1.
В целом, для изученной системы НФХА-3 катализатор оказался менее эффективным, нежели НХА-3, в основном, из-за образования в больших количествах смолистых веществ. Можно предположить,
что это связано с повышенным количеством кислотных центров на поверхности НФХА. Под их действием, очевидно, происходит существенные глубокие превращения как исходных реагентов, так и синтезированных первичных продуктов.
Выяснена также возможность применения катализаторов на основе ФГ - ФГА-6 и ФГА-8 в конденсации ацетилена и ААЦ с аммиаком [9]. В табл. 7 представлены данные по влиянию температуры, а в табл. 8 - соотношения ацетилена и ААЦ на выход целевых продуктов.
Таблица 7.
Влияние температуры на реакцию ацетилена и ААЦ с аммиаком в присутствии ФГА-8 катализатора
(соотношение ацетилена и ААЦ 1:2)
Температура, 0С Конверсия ацетилена % Содержание в органической части катализата.%
2,4-ДМП 2,4,6-ТМПМ Ацетонитрил Другие соединения
290 68,0 - 21,2 65,1 13,7
310 70,1 2,3 31,0 41,0 25,7
330 71,4 2,8 41,3 42,0 13,9
350 80,5 3,2 32,0 44,8 20,0
370 85,2 4.5 26,8 50,0 18,7
380 87,8 1,2 15,0 68,0 15,8
410 88,2 - 14,0 76,0 10,0
430 90,0 - 10,6 80.0 9,4
Таблица 8.
Влияние мольного соотношения ацетилена и AАЦ на их реакцию с аммиаком в присутствии ФГА-6 катализатора (температура 330°С)
Соотношение: ацетилена и AAЦ Конверсия ацетилена, % Содержание в органической части : катализата, %
2,4-ДМП 2,4,6-ТМПМ Ацетонитрил Другие соединения
1:1 93,1 16,3 37,2 29,1 18,4
1:3,1 69,7 19,3 26,6 27,1 24,7
1:4 86,5 17,7 21,3 29,9 31,1
1,7:1 61,3 11,3 16,7 49,4 22,6
2,1:1 60,4 13 ,5 19,4 47,0 20,1
4:1 72,3 21,8 7,0 45,4 25,8
Следует отметить, что наиболее характерными особенностями изученного процесса по сравнению с предыдущими является повышенный выход 2,4-ДМП (до 21,8%), а также образование в большом количестве ацетонитрила (до 80,0%). При этом, как уже отмечалось, катализаторы серии ФГА значительно отличаются от других разработанных катализаторов по своей полифункциональности и наверняка данный фактор в определенной степени воздействует на протекание проведенной реакции по наблюдаемым закономерностям.
В целом, для получения 2,4,6-ТМПМ примененные катализаторы в использованных условиях по эффективности располагаются в ряд:
НХА-3 > ФГА-8> ФГА-6> НФХА-3.
В отношении же образования другого ценного целевого продукта - 2,4-ДМП они имеют следующий порядок расположения:
ФГА-6 > НХА-3 > НФХА-3 > ФГА-8.
Кроме того, в присутствии всех катализаторов в значительном количестве синтезируется трудноразделимая и не перегоняемая в обычных условиях смесь ряда азотсодержащих органических соединений с повышенной молекулярной массой. Этот кубовый остаток также представляет определенный практический интерес, поскольку он является достаточно активным ингибитором сероводородной коррозии металлов.
Заключение. Таким образом, в результате систематических исследований гетерогенно-каталитической совместной конденсации ацетилена и кетонов с аммиаком выявлено, что во всех этих процессах синтезируются соответствующие пиридиновые основания или пиримидиновые основания. Причем, образование тех или иных индивидуальных веществ и их выходы в каждом отдельном случае существенно зависят от природы и мольного соотношения использованных соединений, состава и физико-химических, а также механических свойств применяемых катализаторов и температуры и скорости подачи смеси исходных реагентов. Установлен ряд специфических закономерностей протекания изученных реакций.
Список литературы:
1. Hammud H.Y., Ghannoum A.M., Fares F.A. New 1,6-heptadiens with pyrimidine bases attached: synthesis and spectroscopic analyses // J. Mol. Struct. - 2008. - Vol. 881. - P. 11-20.
2. Lee H.S., Kim K.N., Kim S.H., Kim J.N. Palladium-catalyzed synthesis of benzo[c] pyrimido[1,6-a] azepine scaffold from Morita-Baylis-Hillman adducts: intramolecular 6-arylation of uracil nucleus // Tetrahedron Lett. - 2012. -Vol. 53. - P. 497-501.
3. Cai Y., Sun X.F., Wang N., Lin X.F. Alkaline protease Bacillus subtilis catalyzed Michael addition of pyrimidine derivatives to a, P-ethylenic compounds in organic media // Synthesis. - 2004. - Vol. 6. №6.- P. 671-674.
4. Wang, T., Liu, X., Zhang, L., Luo, Y. Heterogeneous catalytic synthesis of pyrimidine derivatives: // A review. Chemical Reviews - 2018, Vol. 118. № 10, PP. 5560-5590.
5. Zhang, Y., Liu, X., Wu, D., Li, X. (). Advances in the catalytic synthesis of pyrimidine derivatives using heterogeneous catalysts // Applied Catalysis A: General -2019. Vol. 579, P. 165-175.
6. Sinha, A., Maity, S., Bhaduri, S. Catalytic strategies for the synthesis of pyrimidine and its derivatives: From homogeneous to heterogeneous systems // Catalysis Science & Technology- 2020, Vol.10. № 9. P. 3089-3115.
7. Kumar, D., Gupta, V.K., Sharma, S. Pyrimidine synthesis via catalytic systems: Current trends and future prospects. Journal of Catalysis-2021, Vol. 403. P. 81-92.
8. Adwin J.P. DNA/BSA interaction, anticancer, antimicrobial and catalytic applications of synthesis of nitro substituted pyrimidine-based Schiff base ligand capped nickel nanoparticles //Journal of Biomolecular Structure and Dynamics. - 2023. - Vol. 131. P. 1-15.
9. Kaur M., Kaur A., Mankotia S., Singh H., Singh A., Singh J.V., GuptaM.K., Sharma S., Nepali K., Bedi P.M.S. Synthesis, screening and docking of fusedpyrano[3,2-d]pyrimidine derivatives as xanthine oxidase inhibitor // Eur. J. Med.Chem. -2017. Vol. 131. P. 14-28.
10. Dorostkar-Ahmadi N., Davoodnia A., Tavakoli-Hoseini N., Behmadi H.,Nakhaei-Moghaddam M. Facile synthesis of new pyrazolo[4',3':5,6]pyrano[2,3-d]pyrimidin-5(1H)-ones via the tandem intramolecular Pinner-Dimrothrearrangement and their antibacterial evaluation // Z. Naturforsch. - 2019. Vol. 74.№ 2. P. 175-181.
