CC BY
32
Д. Н. Мунасыпов *, Н. Н. Михайлова 2, С. С. Злотский
Кислотнокатализируемое расщепление кеталей первично-вторичных и двувторичных гликолей
1 Уфимская государственная академия экономики и сервиса 450022, г. Уфа, ул. Чернышевского, 145; тел.: (347)228-57-96
2 Уфимский государственный нефтяной технический университет 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел.: (347)242-08-54
Рассмотрены различные варианты кислотного расщепления кеталей первично-вторичных и двувторичных галогенсодержащих гликолей. Показано, что лучшие выходы кетонов достигаются при проведении реакции в растворах муравьиной кислоты и стимулировании реакции воздействием микроволнового излучения.
Ключевые слова: циклические кетали, дигало-генкарбены, минеральные и органические кислоты, дигалогенметилкетоны.
Регенерация кетонов из соответствующих циклических кеталей является хорошо известной и часто используемой стадией сложных органических синтезов '.
Однако, сведения о селективном разрушении кеталей первично-вторичных и двувторичных гликолей, содержащих электроноакцепторный заместитель во втором положении цикла, освещены в научной литературе недостаточно полно, а иногда разноречиво.
Нами исследовано расщепление 2-дихлор-метил-2-алкил(арил)-моно(4,5-ди-) замещенных 1,3-диоксоланов.
V3
я
СНСІ2
о
II
я— С—СНС12
2 а,б; 4
1 а-г; 3
1а И1 = Н, И2 = Рг, И3 = г-Рг;
1б И1 = Н, И2 = Рг, И3 = РЬ;
1в И1 = И2 = СН3, И3 = г-Рг;
1г И1 = И2 = СН3, И3 = РЬ;
3 И1 = И3 = Н, И2 = Рг;
2а И3 = г-Рг;
2б И3 = РЬ;
4 И3 = Н
Ранее не описанные исходные кетали 1а—г1 были получены дихлоркарбенированием соответствующих ацеталей по известной методике 2.
1
смесь стереоизомеров
В значительном (20—25 кратном) избытке муравьиной кислоты при 90 оС за сутки кетали первично-вторичных гликолей 1а,б с высокой конверсией и селективностью не ниже 90% разлагаются до целевых кетонов 2а,б. В то же время, 4,5-диметил-1,3-диоксоланы 1в,г более устойчивы, их конверсия в этих условиях не превышает 75%, хотя селективность образования кетонов 2а,б остается практически неизменной (табл. 1).
Действие микроволнового излучения частотой 2450 МГц, как описано для других реакций в полярных средах 3, позволяет существенно снизить температуру (до 25 оС) и в 10 раз сократить продолжительность реакции для достижения близких значений конверсии и селективности.
Использование неорганической кислоты (НС1) не привело к улучшению результатов расщепления (табл. 2). При 75 оС за 18 ч наблюдается снижение конверсии и селективности по сравнению с использованием НСООН. Стимулирование процесса микроволновым излучением несколько повышает селективность, однако конверсия во всех экспериментах ниже 70%.
Методом конкурентной кинетики мы оценили относительную активность различных кеталей и сопоставили кеталь 1б с ацеталью 3. Ароматические кетали 1б и 1г в 2—3 раза активнее своих алифатических аналогов 1а и 1в, соответственно, кеталь 1б в 5 раз активнее аце-тали 3. Интересно, что 4-монозамещенный объект 1а в 2 раза активнее 4,5-диметилпроиз-водного 1г, несмотря на присутствие в нем фе-нильного заместителя (табл. 3).
Полученные данные указывают, что лучшими условиями для регенерации кетонов являются растворы муравьиной кислоты, температура 80—100 оС и продолжительность реакции порядка 24 ч.
Дата поступления 25.06.07
2
Таблица 1
Образование дигалогенметилкетонов (2а,б) при расщеплении циклических кеталей (1а-г) в HCOOH (n(1а-г) = 0.01, n(HCOOH) = 0.27 моля)
Кетали (смесь изомеров) Кетон Условия Конверсия/Селективность, %
Т, оС Время, ч
РГ_ • Т. і- Рг-СО-СИС12 2а 90 24 81/93
Ґх ^о^снсі2 1а 25* 2.5 84/95
Рг_ ^ т.1- РИ-СО-СНО, 2б 90 24 69/90
Гх ^о сисі2 1б * Ю 2 2.5 77/92
PH. і- Рг-СО-СИС12 2а 90 24 65/85
> > о ҐХ І--^СИСІ2 1в 25* 2.5 75/93
СИ. т., ри-со-снсі, 2б 90 24 40/87
СНу^ ^О^СНСІ2 1г 25* 2.5 42/90
* стимулирование микроволновым излучением
Таблица 2
Образование дигалогенметилкетонов(2а,б) при расщеплении циклических кеталей (1а-г) в HCl(n(Iа-г) = 0.01, ^1,4-диоксана) = 0.23, n(HCl) = 0.65 моля)
Кетали (смесь изомеров) Кетон Условия Конверсия/Селективность, %
Т, оС Время, ч
Р'ТУ"Рг ЧэЧись 1а і -Рг -СО -СНС12 2а 75 18 70/85
25* 2 55/88
Ргуур1' ^-~о сисі2 1б РЬ-СО-СНС12 2б 75 18 43/67
* ю 2 2 30/77
СНз\„.-О . і-Рг СН^--^СНС12 1в і- Рг-СО-СНС12 2а 75 18 60/78
25* 2 50/80
СИ^^0 ^РИ СнА^СНС12 1г РЬ-СО-СНС12 2б 75 18 22/63
25* 2 15/70
* стимулирование микроволновым излучением Экспериментальная часть
Продукты реакции анализировали на хроматографе «Цвет 500М» с пламенно-ионизационным детектором, газ-носитель гелий, расход 20 мл/мин,
колонка длиной 1 м x 3 мм, в качестве неподвижной фазы использовали 5% SE-30 на носителе Chгomaton N-AW. Спектры ЯМР *Н записывали на спектрометре Tesla-BS-567 (100 Гц) в ДМСО, CDCl3 относительно ТМС.
Таблица 3
Относительная активность 1,3-диоксоланов при разложении в HCOOH (Т = 90 оС, т = 10 ч, эквимолекулярное соотношение реагентов, 27-кратный избыток HCOOH)
Кетали Кетоны Относительная активность
і 2 3 4
Pr\ rVPr ^0^сна2 1а pr\ fVPh ^o сна2 1б i-Pr -со -сна2 2а Ph-co-CHa2 2б 1/2
CH3N-"O ^ i-Pr CH^"O^CHa2 1в CH3\^O ,Ph CH^^CHCQ2 1г i-Pr -со -сна2 2а Ph-co-CHa2 2б 1/3
Pr. -у ^^сна2 111 Pr. rVPh ^o сна2 1б H—CO—CHCI2 4 Ph-co-CHa2 2б 1/5
Pr\ rV"Pr ^о^сна2 1а CH3\^Q yPh 1г i- Pr -со -сна2 2а Ph-co-снсь 2б 2/1
В качестве источника микроволнового излучения использовали Prolabo Microdigest MX 350, частота излучения 2450 МГц.
Соединения 1а-г получены карбенирова-нием соответствующих ацеталей по известной методике 2. Ниже приводятся их физикохимические характеристики.
2-Дихлорметил-2-изопропил-4-пропил-
1.3-диоксолан 1а (соотношение изомеров цис/транс = 1.9/1): Т. кип. 113—115 оС (В мм рт. ст). Спектр ЯМР іН (CDCl3, S, м.д, J, Гц):
Цис-изомер: 0.9 (т, 3H, CH3,
CH2CH2CH3, J = 6.9), 1.0 (д, 6H, 2CH3, (CH3)2CH, J = 6.9), 1.40-1.50 (м, 1H, CH, (CH3)2CH), 1.60-1.90 (м, 4H, 2CH2,
CH2CH2CH3), 3.55 (т, 1H, C5HJ, 4.1В (дд, 1H, C5Ha), 4.60 (дд, 1H, C4H), 5.В5 (с, 1H, CHCl2).
Транс-изомер: 0.9 (т, 3H, CH3,
CH2CH2CH3, J = 6.9), 1.0 (д, 6H, 2CH3, (CH3)2CH, J = 6.9), 1.40-1.50 (м, 1H, CH, (CH3)2CH), 1.60-1.90 (м, 4H, 2CH2,
CH2CH2CH3), 3.9 (дд, 1H, C5^, 2J = 7.9, 3J = 6.6), 4.2В (дд, 1H, C4H, 2J = 7.9, 3J = 6.6), 4.35 (т, 1H, C5Hв, 2J = 7.9, 3J = 7.9), 5.В0 (с, 1H, CHCl2).
2-Дихлорметил-2-фенил-4-пропил-
1.3-диоксолан 1б (соотношение изомеров
цис/транс = 1.12/1): Т. кип. 155—157 оС (12 мм рт. ст.). Спектр ЯМР *Н (СЭС13, 5, м.д, х Гц):
Цис-изомер: 0.99 (т, 3Н, СН3,
СН2СН2СН3), 1.30-1.71 (мм, 4Н, 2СН2, СН2СН2СН3), 3.55 (м, 1Н, С5Нв, 21 = 7.9, 31 = 7.9), 4.1 (м, 1Н, С4Н, 21 = 7.9, 31 = 5.8), 4.38 (дд, 1Н, С5На, 21 = 7.9, 31 = 5.8), 5.80 (с, 1Н, СНС12), 7.30-7.65 (мм, 5Н, С6Н5).
Транс-изомер: 0.93 (т, 3Н, СН3,
СН2СН2СН3), 1.30-1.71 (мм, 4Н, 2СН2, СН2СН2СН3), 3.83 (м, 1Н, С5Нв), 4.1 (м, 1Н, С5На), 4.52 (м, 1Н, С4Н), 5.75 (с, 1Н, СНС12), 7.30-7.65 (мм, 5Н, С6Н5).
2-Дихлорметил-4-пропил-1,3-диоксолан 3 (соотношение изомеров цис/транс = 1/1.33): Т. кип. 87-89.5 оС (16 мм рт. ст.). Спектр ЯМР *Н (СЭС13 , 5, м.д, X Гц):
Цис-изомер: 0.79 (т, 3Н, СН3, ] = 7.1),
1.02-1.21 (м, 2Н, СН2, СН2СН2СН3), 1.5 (м, 2Н, СН2, СН2СН2СН3), 3.28 (т, 1Н, С5Нв 21 = 7.4, ^ = 8.2), 3.59 (дд, 1Н, С5На, 21 = 7.4, 31 = 6.0), 3.69 (м, 1Н, С4Н, 21 = 8.2, 31 = 6.0), 5.08 (д, 1Н, С2Н, ] = 3.2), 5.28 (д, 1Н, СНС12, ] = 3.2).
Транс-изомер: 0.79 (т, 3Н, СН3, ] = 7.1),
1.02-1.21 (м, 2Н, СН2, СН2СН2СН3),
1.27-1.36 (м, 2Н, СН2, СН2СН2СН3), 3.15 (т, 1Н, С5Нв 21 = 7.6, 31 = 7.0), 3.79 (дд, 1Н,
С5На, 21 = 7.6, 31 = 5.9), 3.95 (м, 1Н, С4Н, 21 = 7.0, 31 = 5.9), 5.15 (д, 1Н, С2Н, ] = 3.2), 5.23 (д, 1Н, СНС12, ] = 3.2).
2-Дихлорметил-2-изопропил-4,5-диме-тил-1,3-диоксолан 1в (соотношение изомеров А/В/С = 1/5.6/3.4): Т. кип. 114-116 оС (14 мм рт. ст.). Спектр ЯМР *Н (СЭС13, 5, м.д, х Гц):
А-изомер: 0.96 (д, 3Н, СН3, С5-СН3, ] = 6.8), 0.97 (д, 6Н, 2СН3, С4-СН3 + СН3((СН3)2СН)), 1.17 (д, 3Н, СН3,
(СН3)2СН, ] = 6.2), 2.41 (м, 1Н, СН, СН(СН3)2), 4.22 (м, 1Н, С4Н, ] = 6.8), 4.55 (м, 1Н, С5Н, ] = 6.8), 5.72 (с, 1Н, СНС12).
В-изомер: 0.97 (д, 9Н, 3СН3, С5-СН3 + С4-СН3 + СН3((СН3)2СН)), 1.17 (д, 3Н, СН3, (СН3)2СН, ] = 6.2), 2.41 (м, 1Н, СН, СН(СН3)2), 4.81 (м, 2Н, С4Н + С5Н), 5.87 (с, 1Н, СНС12).
С-изомер: 0.97 (д, 3Н, СН3, (СН3)2СН), ] = 6.8), 1.17 (д, 3Н, СН3, (СН3)2СН, ] = 6.2), 1.26 (д, 3Н, СН3, С5-СН3, ] = 6.0), 1.33 (д, 3Н, СН3, С4-СН3, ] = 6.0), 2.41 (м, 1Н, СН, СН(СН3)2), 3.63 (кд, 1Н, С4Н, 21 = 8.7, 31 = 6.0), 4.19 (кд, 1Н, С5Н, 21 = 8.7, 31 = 6.0), 5.82 (с, 1Н, СНС12).
2-Дихлорметил-2-фенил-4,5-диметил-1,3-диоксолан 1г (соотношение изомеров А/В/С = 1/1.45/1): Т. кип. 147-149 оС (10 мм рт. ст.). Спектр ЯМР *Н (СЭС13, 5, м.д, Х Гц):
А-изомер: 1.07 (д, 3Н, СН3, С5-СН3, ] = 6.0), 1.25 (д, 3Н, СН3, С4-СН3, ] = 6.0), 4.21 (м, 1Н, С4Н, 21 = 6.0, 31 = 7.8), 4.35 (м, 1Н, С5Н, 21 = 6.0, 31 = 7.8), 5.77 (с, 1Н, СНС12), 7.25-7.65 (мм, 5Н, С6Н5).
В-изомер: 1.27 (д, 6Н, 2СН3, С4-СН3 + С5-СН3), 4.70 (м, 2Н, С5Н + С4Н), 5.77 (с, 1Н, СНС12), 7.25-7.65 (мм, 5Н, С6Н5).
С-изомер: 1.29 (д, 3Н, СН3, С4-СН3, ] = 6.0), 1.39 (д, 3Н, СН3, С5-СН3, ] = 6.0), 3.64 (дк, 1Н, С4Н, 21 = 6.0, 31 = 8.7), 4.09 (дк, 1Н, С5Н, 21 = 6.0, 31 = 8.7), 5.82 (с, 1Н, СНС12), 7.25-7.65 (мм, 5Н, С6Н5).
Методика расщепления циклических кеталей в муравьиной кислоте
К 0.01 моль соединений 1а-г прибавляли 10 мл безводной муравьиной кислоты. Реакционную массу нагревали при интенсивном перемешивании при 90 оС в течение необходимого
времени. После охлаждения смесь разбавляли 30 мл воды и 2 раза экстрагировали эфиром по 5 мл. Эфирный слой промывали водой, затем раствором ЫаНСО3 и сушили MgS04; после отгонки эфира остаток перегоняли в вакууме.
Методика расщепления циклических кеталей в соляной кислоте
К 0.01 моль соединений 1а-г в 20 мл
1,4-диоксана прибавляли 20 мл конц. НС1. Реакционную массу нагревали при интенсивном перемешивании при 75 оС в течение необходимого времени. После охлаждения смесь разбавляли 50 мл воды и 2 раза экстрагировали эфиром по 10 мл. Эфирный слой промывали водой, затем раствором ЫаНСО3 и сушили MgS04; после отгонки эфира остаток перегоняли в вакууме.
Соединение 4: Т. кип. 89.5 оС. Спектр ЯМР 1Н (SO(CD3)2, 5, м.д.): 5.99 с (1Н, CHCl2), 9.32c (1H, HCO).
Кетоны 2а и 2б идентифицированы хроматографически с использованием заведомо синтезированных образцов 4.
Конкурентное кислотное расщепление циклических кеталей (1а-г)
К 0.005 моль соединений (1а и 1б), (1а и 1г), (1в и 1г), (1б и 3) прибавляли 10 мл безводной муравьиной кислоты. Реакционную массу нагревали при перемешивании в течение 10 ч при 90 оС, после чего отбирали пробу. Пробу разбавляли водой и 2 раза экстрагировали эфиром по 2 мл; эфирный слой промывали водой, затем раствором ЫаНСО3, сушили MgS04 и определяли методом ГЖХ соотношение образующихся кетонов.
Литература
1. Takashi J., Masaomi T., Tetsuo H., Katsuya M., Keigo F. // Chemistry Letters.— 2004.— V. 33, №10.- P. 1246.
2. Злотский С. С., Ткаченко Т. К., Клявлин М. С., Рахманкулов Д. Л. // ЖОрХ.- 1992.- Т. 28, № 6.- С. 1301.
3 Рахманкулов Д. Л., Бикбулатов И. Х., Шула-ев Н. С., Шавшукова С. Ю Микроволновое излучение и интенсификация химических процессов.- М.: Химия, 2003.-220 с.
4. Мунасыпов Д. Н., Злотский С. С. // Баш. хим. ж.- 2006.- Т.13, №4.- С. 5.
