Каталитическое жидкофазное окисление 4-(1-адамантил)-о-ксилола кислородом Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 547.52:542.943

С.В. Красников, И.В. Ремизова, Т.А. Обухова

КАТАЛИТИЧЕСКОЕ ЖИДКОФАЗНОЕ ОКИСЛЕНИЕ 4-(1 - АДАМАНТИЛ)- 0-КСИЛОЛА

КИСЛОРОДОМ

(Ярославский государственный технический университет) E-mail: [email protected]

При жидкофазном окислении 4-(1-адамантил)-о-ксилола кислородом в присутствии металл-бромидного катализатора получены 4-(1-адамантил)-2-метилбензойная и 4-(1-адамантил)фталевая кислоты. На основе адамантилароматических кислот синтезирован ряд N-ациламинокислот, обладающих потенциальной биологической активностью.

Соединения каркасной структуры являются постоянным предметом изучения современной органической химии. К наиболее известным представителям этого ряда соединений можно отнести адамантан и его производные, многие из которых обладают значительной биологической активностью [1]. Интерес к адамантану связан как с его липофильными свойствами, благодаря которым увеличивается проницаемость вещества через клеточные мембраны, так и с его жесткой, пространственно определенной структурой, которая может эффективно распознаваться специфическими участками поверхности белковых макромолекул.

Одним из подходов к синтезу новых биологически активных соединений ряда адамантана может служить введение каркасного фрагмента в структуру заведомо активных веществ и лекарственных препаратов. С этой точки зрения большой интерес представляет модификация натуральных аминокислот с помощью адамантансодержащих карбоновых кислот. Соединения такого типа являются биологически «мягкими» веществами, имеющими низкую токсичность, высокую биодоступность, и легко разлагаются в природных условиях [2]. При этом, как показывает изучение литературных источников, наименее изученными являются адамантилароматические карбоновые кислоты, а данных о синтезе и свойствах адаман-тилбензойных кислот не имеется совсем.

Синтез адамантилароматических карбоно-вых кислот может быть осуществлен жидкофаз-ным окислением метилфениладамантанов кислородом в уксусной кислоте в присутствии металлов переменной валентности (Со и Мп). Известно, что данный способ позволяет проводить окисление алкилтолуолов с высокой селективностью по ме-тильной группе [3]. Недавно нами был разработан эффективный способ получения 4-(1-адаман-

тил)бензойной кислоты жидкофазным окислением 4-(1-адамантил)толуола в присутствии металл-бромидного катализатора [4, 5], а в работе [6] изучена формальная кинетика этого процесса.

Целью настоящей работы являлось жид-кофазное окисление 4-(1-адамантил)-о-ксилола, а также синтез аминокислотных производных на основе ряда доступных адамантилароматических карбоновых кислот, обладающих потенциальной биологической активностью.

Реакцию окисления 4-(1-адамантил)-о-ксилола 1 проводили кислородом при атмосферном давлении в присутствии кобальт-марганец-бромидного катализатора в растворе уксусной кислоты при температуре 90°С (рис. 1). При изучении состава реакционной смеси установлено, что реакция протекает путем последовательного окисления двух метильных групп углеводорода, а конечным продуктом является 4-(1-адаман-тил)фталевая кислота 8.

Co(OAc), Mn(OAc), NaBr

1

2: R]= 3: R=

4: R= CH3, R= COOH; 5: R= COOH, R2= CH3; 6: R.= CHO, R,= COOH;

CH3, R2

CHO, R

CHO;

= ch.;

R,

COOH

VTCOOH

7: R,= COOH, R= CHO.

Рис. 1. Окисление 4-(1-адамантил)-о-ксилола Fig. 1. Oxidation of 4-(1-adamantyl)-o-xylene

На рис. 2 представлены кинетические кривые накопления продуктов реакции и расходования углеводорода на стадии неполного окисления. Для промежуточных продуктов приведены суммарные концентрации содержания различных изомеров в реакционной смеси.

R

R

О, AcOH

R

R

4, 5

2, 3

6,7

5 0,14

hQ

g

0,12 I 0,1

sS , | 0,08

0,06

0,04

0,02

0

12000 c

Рис. 2. Кинетические кривые для окисления 4-(1-адамантил)-о-ксилола. Условия: [1]0 0,25 моль/л; [NaBr]0 32,8 ммоль/л; [Co(OAc)2]0 29,6 ммоль/л; [Mn(OAc)2]0 3,20 ммоль/л; 90 оС.

Fig. 2. Kinetic curves for the oxidation of 4-(1-adamantyl)-o-xylene

Как известно, при окислении алкиларома-тических соединений на промежуточной стадии обычно образуется трудноразделяемая смесь продуктов. В нашем случае неожиданно оказалось, что на определенной стадии из реакционной смеси выпадает осадок 4-(1-адамантил)-2-метилбен-зойной кислоты 4. Она была выделена с выходом 31 %. В то же время максимальный суммарный выход изомерных кислот 4 и 5, исходя из их содержания в смеси, может составлять 42 % (рис. 2). Было сделано предположение, что окисление ме-тильной группы в «ара-положении является преимущественным направлением реакции. В связи с этим представляло интерес изучить относительную реакционную способность метильных групп в 4-(1-адамантил)-о-ксилоле.

N O/=\

гК>с

ТЭА, 1,4-диоксан

CH2(OH)CH2OH, EtOH

N-N N

H O

Рис. 3. Cинтез 4-(1-адамантил)-2-метилбензальдегида Fig. 3. Synthesis of 4-(1-adamantyl)-2-methylbenzaldehyde

Сравнение реакционной способности ме-тильных групп проводили на начальной стадии окисления, когда в реакционной смеси присутствовали только углеводород и альдегиды. При этом окисление проводилось в мягких условиях, достигнутых за счет снижения концентрации катализатора. Для подтверждения состава продуктов окисления предварительно был проведен встречный синтез 4-(1-адамантил)-2-метилбензальдегида 2 из выделенной кислоты 4 на основе известного

метода [7] с выходом 30 % на исходное соединение (рис. 3).

Установлено, что пара/мета-соотношение (относительное содержание 2 и 3) на начальном этапе окисления равно двум. Это свидетельствует о большей реакционной способности метильной группы, находящейся в пара-положении, чем группы в мета-положении. Можно сделать вывод, что основной причиной преимущественного образования кислоты 4 по сравнению с 5 является большая скорость окисления метильной группы в пара-положении. Проведенное квантово-химическое исследование на основе данных о механизме жидкофазного окисления алкилтолуолов показало, что реакционная способность метиль-ных групп определяется электронными факторами [8].

На рис. 4 представлена схема синтеза производных адамантилароматических кислот, полученных окислением метилфениладамантанов [4,5]. На первой стадии исходные кислоты конвертировали в хлорангидриды, а затем по реакции Шотте-на-Бауманна превращали в ^-ациламинокислоты 14а-д и 15б,д.

¿1

2 н. NaOH, 1,4-,

Ww

\JT

12, 13

R= H (11, 13, 14), CH3 (4, 12, 15); R,= H (а), СН(СИз)2 (б), CH2CH2SCH3 (в),

2 н. NaOH, 1,4-д

О

Рис. 4. Функционализация 4-(1-адамантил)бензойной и 4-(1-

адамантил)-2-метилбензойной кислот Fig. 4. Functionalization of 4-(1-adamantyl)benzoic and 4-(1-adamantyl)-2-methylbenzoic acids

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Содержание 4-(1 -адамантил)-о-ксилола, адамантилароматических кислот (в виде метиловых эфиров) и альдегидов в оксидате определялось методом газожидкостной хроматографии. Содержание альдегидов дополнительно определяли полярографически. Структура всех синтезированных продуктов была подтверждена с помощью метода ЯМР-спектроскопии (прибор Brucker DRX500, рабочая частота 500 МГц, растворитель ДМСО-dö, стандарт ТМС) и ИК спектроскопии (прибор ИКС-А-301).

4-(1-Адамантил)фталевая кислота (8). К раствору 2,76 г (0,012 моль) углеводорода в 45 мл уксусной кислоты прибавляли смесь 0,163 г (1,58 ммоль) бромида натрия, 0,039 г (0,159 ммоль) ацетата марганца (II) и 0,352 г (1,42 ммоль) ацетата кобальта (II). Полученную реакционную смесь нагревали до температуры 90°С, а затем барботи-

0

3000

6000

9000

R

R

R

14а-г, 155

R

=( O

4, 11

(Я-пролин

14д, 15д

(г)

1) SOCl,. C.H,

ДНФГ , K CO3

HH

4

2)

9

O

N-O

H O. EtOH

2

10

ровали кислородом при перемешивании. В ходе окисления из реакционной смеси выпадал осадок продукта 4, который при дальнейшем ведении реакции постепенно растворялся. Окисление вели 5 ч. По окончании процесса из полученного раствора отогнали 2/3 от общего объема. К остатку прибавили 100 г льда и после полного выпадения осадка отфильтровали продукт. Очистка продукта производилась переосаждением в 1 % NaOH. Получили 2,86 г (83 %) соединения 8 с т.пл. 204-206 °С. :H ЯМР, S, м.д.: 7,60 (д 1Н, J =9 Гц); 7,49 (м, 1Н); 7,45 (д, 1Н, J=9 Гц); 2,12 (м, 3H); 1,82 (м, 6H); 1,72 (м, 6H).

4-(1-Адамантил)-2-метилбензойная кислота (4). С целью синтеза 4-(1-адамантил)-2-метилбензойной кислоты окисление проводили по вышеописанному методу для кислоты 8, но реакцию прекращали через 1,5 ч. Реакционную смесь охлаждали до комнатной температуры, а затем и отфильтровывали выпавший осадок. Получили 1,16 г (36 %) соединения 4 с т.пл. 270-272°С. 1H ЯМР, м.д.: 12,10 (с, 1Н); 7,75 (д, 1Н, J=10 Гц); 7,45 (д, 1Н, J=10 Гц); 7,10 (с, 1Н); 2,55 (с, 3Н); 2,13 (м, 3H); 1,88 (м, 6H); 1,78 (м, 6H).

Хлорангидрид 4-(1-адамантил)бензой-ная кислоты (13). Смесь 5,00 г (0,02 моль) соединения 11, 19,40 мл (0,10 моль) SOCI2 и 0,02 мл ДМФА кипятили в течение 2 ч, после чего отгоняли под вакуумом избыток хлористого тионила. Потом добавляли 10 мл бензола и снова отгоняли растворитель под вакуумом. Получили 5,1 г (95 %)соединения 13.

Хлорангидрид 4-(1-адамантил)-2-метил-бензойной кислоты (12). Выход составил 93 %.

^-[4-(1-Адамантил)-2-метилбензоил]-4-метил-1-бензолсульфоно-гидразид (9). К охлажденному до 2-3 °С раствору 0,54 г (3,6 ммоль) гидразида и-толуолсульфокислоты в 5 мл ДМФА добавляли при перемешивании раствор 1 г (3,6-ммоль) хлорангидрида 13 в 5 мл сухого 1,4-диоксана по каплям и одновременно 0,55 мл (3,6 ммоль) ТЭА. Не снимая охлаждения, реакционную массу перемешивали 2 ч, после чего выливали в 50 мл ледяной воды и подкисляли HCl до рН 2-3. Выпавший осадок отфильтровывали, промывали водой до нейтрального значения рН в фильтрате и сушили. Получили 1,15 г (65 %) продукта 9. ИК, см-1: 3212 (NH); 1670 (С=О, амид); 1610 (СбНб); 1529 (NH, амид); 1341, 1160 (SO2).

4-(1-Адамантил)-2-метилбензальдегид-1-(2,4-динитрофенил)гид-разон (10). Смешивали 0,6 г (1,36 ммоль) соединения 9, 6 мл этиленгли-коля и 2 мл абсолютного этанола и нагревали до растворения. Затем добавляли 0,2 г измельченной керамики и 0,2 г (1,4 ммоль) безводного поташа, реакционную массу кипятили 1 ч, после чего её

охлаждали. Затем готовили раствор 0,3 г 2,4-динитрофенилгидразина в 20 мл подкисленного абсолютного этанола, в который выливали раствор соединения 9. Выпавший при этом осадок отфильтровывали и промывали подкисленным этанолом, после чего сушили. Получили 0,4 г (66 %) соединения 10, т. пл. >300°С. ИК, см-1: 1625 (C=N); 1514, 1339 (NO2).

4-(1-Адамантил)-2-метилбензальдегид (2). Раствор 0,4 г (0,89 ммоль) соединения 5 в смеси 10 мл этанола и 1 мл HCl кипятили в течение 4 ч. Образовавшийся осадок отфильтровывали, промывали водой и сушили. Выход продукта 2 составлял 0,15 г (70 %), т. пл. 202-204°С.

(2£)-[4-(1-Адамантил)фенилкарбоксами-до]-3-метилбутановая кислота (14б). К охлаждённому до 3-5°С раствору 2,22 г (0,019 моль) S-валина в 9,50 мл (0,019 моль) 2 н. NaOH и 4,50 мл 1,4-диоксана при перемешивании вносили порциями раствор хлорангидрида 13 в 15 мл абсолютного 1,4-диоксана. По мере протекания реакции для поддержания первоначального значения рН 9-10 в смесь добавляли раствор 4 н. NaOH. Время добавления 1 ч. После этого продолжали перемешивание ещё 1 ч при комнатной температуре, а затем реакционную смесь разбавили в 2 раза водой и подкислили НС1 до рН 2-3. Выпавший осадок отфильтровали, промыли водой до нейтрального значения рН. Получили 6,04 г (85 %) соединения 14б с т. пл. 215-218°С. 1H ЯМР, S, м.д.: 7,80 (д, 2H, J = 7 Гц); 7,74 (м, 1H); 7,37 (д, 2H, J =7 Гц); 4,40 (дд, 1H, J = 6,7; 6,4 Гц); 2,22 (м, 1H); 2,12 (м, 3H); 1,92 (м, 6H); 1,78 (м, 6Н); 1,00 (д, 6H, J = 6 Гц).

2-[4-(1-Адамантил)фенилкарбоксамидо]-этановая кислота (14а). Выход 85 %. Т. пл. 225227 °С. 1H ЯМР, S, м.д.: 7,82 (д, 2H, J =7 Гц); 7,76 (м, 1H); 7,37 (д, 2H, J =7 Гц); 5,10 (м, 2H); 2,12 (м, 3H); 1,92 (м, 6H); 1,78 (м, 6Н).

(2£)-[4-(1-Адамантил)фенилкарбоксами-до]-4-метилсульфанилбута-новая кислота (14в). Выход 68 %. Т. пл. 139-142°С. 1H ЯМР, S, м.д.: 8,20 (м, 1H); 7,80 (д, 2H, J = 8 Гц); 7,40 (д, 2H, J = 8 Гц); 4,55 (м, 1H); 2,56 (м, 2H); 2,12 (м, 3H); 2,10 (м, 2H); 2,08 (с, 3H); 1,92 (м, 6H); 1,78 (м, 6Н).

(2^)-[4-(1-Адамантил)фенилкарбоксами-до]-3-(1#-3-индолил)про-пановая кислота (14г). Выход 82 %. Т. пл. 160-165°С. 1H ЯМР, S, м.д.: 10,60 (с, 1H); 8,05 (д, 1H, J =6 Гц); 7,74 (д, 2H, J=8 Гц); 7,58 (д, 1H, J= 7 Гц); 7,34 (д, 2H, J= 8 Гц); 7,30 (д, 1H, J= 8 Гц); 7,13 (д, 1H, J=1 Гц); 7,03 (дд, 1H, J= 9; 8 Гц); 6,95 (дд, 1H, J= 8; 8 Гц); 4,72 (м, 1H); 3,32 (дд, 1H, J= 14; 5 Гц); 3,22 (дд, 1H, J= 14; 10 Гц); 2,12 (м, 3H); 1,90 (м, 6H); 1,78 (м, 6Н).

1-[4-(1-Адамантил)бензоил]-(2£)-пирро-лидинкарбоновая кислота (14д). Выход 72 %. Т. пл. 222-226°С. :Н ЯМР, 8, м.д.: 12,20 (с, 1Н); 7,45 (д, 2Н, J=8 Гц); 7,38 (д, 2Н, J =8 Гц); 4,41 и 4,30 (м, 1Н); 3,60 (м, 2Н); 2,30 (м, 1Н); 2,12 (м, 3Н); 2,0 (м, 2Н); 1,92 (м, 6Н); 1,85 (м, 1Н); 1,78 (м, 6Н).

(2£)-[4-(1-Адамантил)-2-метилфенилкар-боксамидо]-3-метилбутан-овая кислота (15б). Выход 65 %. Т. пл. 190-194°С. !Н ЯМР, 8, м.д.: 7,34 (м, 1Н); 7,30 (д, 1Н, J = 7 Гц); 7,12 (д, 1Н, J =7 Гц); 7,10 (с, 1Н); 4,40 (дд, 1Н, J = 6,7; 6,4 Гц); 2,48 (с, 3Н); 2,22 (м, 1Н); 2,12 (м, 3Н); 1,92 (м, 6Н); 1,78 (м, 6Н); 1,00 (д, 6Н, J = 6 Гц).

1-[4-(1-Адамантил-2-метил)бензоил]-(2^)-пирролидинкарбоновая кислота (15д). Выход 60 %. Т. пл. 123-127°С. :Н ЯМР, 8, м.д.: 7,127,08 (м, 3Н); 4,40 (м, 1Н); 3,60 (м, 2Н); 2,35 (с,3Н);

Кафедра органической химии

2,30 (м, 1H); 2,12 (м, 3H); 2,0 (м, 2H); 1,92 (м, 6H); 1,85 (м, 1H); 1,78 (м, 6Н).

ЛИТЕРАТУРА

1. Багрий Е.И. Адамантаны: получение, свойства, применение. М.: Наука. 1989. 264 с.

2. Семенова И. Г. и др. ЖОрХ. 1999. Т. 35. Вып. 3.

3. Обухова Т.А., Миронов Г.С. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 1991. Т. 34. Вып. 10. С. 3-13.

4. Krasnikov S.V. et al. Tetrahedron Lett. 2004. Vol. 45(4). P. 711-714.

5. Обухова Т.А. и др. Патент РФ № 2183620. Бюл. № 17(II). С. 258.

6. Обухова Т.А. и др. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2000. Т. 43. Вып. 2. С. 73-75.

7. Бюлер К., Пирсон Д. Органические синтезы. Ч. 2. М.: Мир. 1973. 511с.

8. Красников С.В. Дис. ... канд. хим. наук. Ярославль. 2005. 105 с.

УДК 665.772.004.14 А.Е. Терешко, И.В. Голиков, Е.А. Индейкин, В. С. Краснобаева

МОДИФИКАЦИЯ АКРИЛОВЫХ ВОДНО-ДИСПЕРСИОННЫХ ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НЕФТЕУГЛЕВОДОРОДАМИ

(Ярославский государственный технический университет) E-mail: [email protected]

Исследовано влияние модифицирования лакокрасочных материалов на основе дисперсий полиакрилатов нефтеуглеводородом с целью улучшения эксплуатационных свойств покрытий на их основе. Показано, что такое модифицирование позволяет снизить паропроницаемость и влагопоглощение покрытия.

В настоящее время расширяется область применения водно-дисперсионных лакокрасочных материалов. Для улучшения свойств таких материалов и покрытий на их основе проводят их модификацию. Ранее на примере поливинилацетат-ных лакокрасочных материалов нами было показано, что для этой цели могут быть использованы твердые нефтяные углеводороды [1]. Кроме того, нами были исследованы защитные покрытия для сыра на основе совмещенных (полимерных и уг-

леводородных) дисперсий, предотвращающие его усушку в процессе вызревания [2].

Одними из наиболее распространенных водно-дисперсионных лакокрасочных материалов являются материалы на основе акриловых полимеров. Исходя из ранее полученных результатов^, 2], необходимо изучить возможность модификации таких материалов нефтяными углеводородами. Для этой цели были проведены исследования покрытий на основе совмещенных диспер-