CC BY
35
Р. С. Бегунов (к.х.н., доц.), А. Н. Валяева (асп.),
Ю. В. Розенталь (студ.), Т. М. Калачик (студ.)
Новый подход к синтезу 4-(3,4-диаминофенокси)бензойной кислоты и ее сложных эфиров
Ярославский государственный университет им. П. Г. Демидова, кафедра органической и биологической химии 150000, г. Ярославль, ул. Советская, 14; тел. (4852) 442928, e-mail: [email protected]
R. S. Begunov, A. N. Valaeva, Y. V. Rozental, T. M. Kalachik
The new approach to synthesis 4-(3,4-diaminophenoxy)benzoic acid and it difficult ethers
The Yaroslavl state university of P.G.Demidov, department of organic and biological chemestry 14, Soviet Str, 150000, Yaroslavl, Russia; ph. (4852) 442928, e-mail: [email protected]
Предложена новая методология получения 4-(3,4-диаминофенокси)бензойной кислоты и ее сложных эфиров — мономеров для термостабильных полибензимидазолов. В качестве исходной структуры был использован 5-хлор-2-нитроанилин, что позволяет сократить количество стадий синтеза, получить продукт с высоким выходом и полимерной степени чистоты в мягких условиях, по сравнению с известными способами формирования аналогичных соединений. Показано, что в зависимости от условий восстановления 4-(3-амино-4-нитрофе-нокси)бензойной кислоты можно получить либо
4-(3,4-диаминофенокси)бензойную кислоту или ее сложный эфир.
Ключевые слова: ароматическое нуклеофильное замещение; восстановление; 4-(3,4-диами-нофенокси)бензойная кислота; 5-хлор-2-нитро-анилин; хлорид олова(11).
A new methodology for the synthesis of 4 - (3,4-diaminophenoxy) benzoic acid and its compound eithers, monomers for heat-resistant polybenzimi-dazoles has been suggested. 5-chloro-2-nitroani-line has been used as an initial structure, that allows to reduce a number of synthesis stages and obtain product with the high yield and polymeric degree of purity at mild conditions, comparably to known methods of forming similar compounds. It is shown, that depends on the reduction of 4-(3-amino-4-nitrophenoxy) benzoic acid can be obtained either 4-(3,4-diaminophenoxy) benzoic acid or ether.
Key words: aromatic nucleophilic substitution; reduction; 4-(3,4-diaminophenoxy) benzoic acid;
5-chloro-2-nitroaniline; tin chloride(II).
4-(3,4-Диаминофенокси)бензойная кисло- ходимость в применении малоустойчивых тет-
та (ДФБК) и ее производные используются рааминов и в то же время, полимеры на основе
для получения полибензимидазолов 1-4. Это ДФБК легче подвергаются обработке, чем полу-
связано с тем, что в этом случае отпадает необ- ченные из 3,4-диаминобензойной кислоты 5-7.
O2N
COOH
COOH
Схема 1.
COOH
COOH
COOH
Дата поступления 05.05.11
O2N
Традиционно ДФБК получают по схеме 1. При получении сложных эфиров 4-(3,4-диами-нофенокси)бензойной кислоты добавляется еще стадия этерификации 8.
Реализация данной схемы требует осуществления большого количества стадий, что неизбежно приводит к снижению суммарного выхода и ухудшению качества целевого продукта.
В связи с этим была предпринята попытка по созданию нового способа синтеза ДФБК и ее эфиров. В качестве исходной структуры был использован 5-хлор-2-нитроанилин (1). Применение данного субстрата позволит сократить стадии восстановления с двух до одной и исключить стадию нитрования (схема 2).
Однако, при взаимодействии 1 с 4-гидро-ксибензойной кислотой (2) в ДМФА в течение 12 ч при температуре 140 оС конечный продукт 3 был выделен с низким выходом — 41%. Невысокий выход 4-(3-амино-4-нитрофенокси)-бензойной кислоты объясняется наличием аминогруппы в субстрате, что снижает подвижность хлора в реакции ароматического нуклеофильного замещения. Ацилирование исходного аминосубстрата позволяет избежать дезактивирующего действия аминогруппы. Добавление стадий ацилирования и деацилирования в схему 2 не должно заметно увеличивать операционное время синтеза и снижать суммарный выход целевого продукта, так как данные реакции протекают обычно достаточно быстро и с хорошим выходом. Таким образом, схема получения соединения 4 должна выглядеть следующим образом (схема 3).
Первые три стадии протекают достаточно легко. Ацилирование 1 проводили при 90 оС в полуторакратном избытке уксусного ангидрида в течение 0.5 ч. Продукт реакции 5 выпадал из реакционной массы при охлаждении. Нуклеофильное замещение атома хлора в соединении 5 протекало достаточно легко при температуре 110 оС. Продукт реакции был выделен через 10 ч с выходом 93%. Для снятия ацильной защиты был использован щелочной гидролиз, так как наличие нитрогруппы в орто-положении к ацетамидной связи облегчало атаку нуклеофильной частицей атома углерода карбонильной группы. В результате целевой нитроанилин 3 был получен с выходом 98%.
Наиболее сложной представляется стадия восстановления, так как присутствие в получаемом продукте одновременно амино- и карбонильной или карбоксильной групп часто приводит к протеканию различных побочных процессов. Поэтому восстановление соединения 3 проводили хлоридом олова (II), который является мягким высокоселективным восстанавливающим агентом 9,10.
Как оказалось, в зависимости от условий реакции (температуры и растворителя) происходит образование различных продуктов (схема 4). Так, при использовании в качестве растворителя концентрированной соляной кислоты и температуре процесса 90—95 оС из реакционной массы была выделена ДФБК с выходом 91%. Изопропил 4-(3,4-диаминофе-нокси)бензоат (7) был получен при проведении восстановления в среде изопропилового спирта и 36 %-ной НС1 при 80 оС. Выход продукта реакции составил 84%.
о2ы—< у-—соон
н2ы
н2ы
соон
н2ы
Схема 2.
ко
Схема 3.
3
Таким образом, предложен новый способ синтеза 4-(3,4-диаминофенокси)бензойной кислоты и ее сложных эфиров, позволяющий получать продукты с высоким выходом и высокой степени чистоты, которые в дальнейшем могут быть использованы в качестве мономеров для получения термостабильных и механически прочных полибензимидазолов.
Экспериментальная часть
Спектры *Н ЯМР записывали на приборе Вгикег MSL 300, SF=300 МГц, растворитель DMS0-rf6+CC14, внутренний стандарт TMS. Масс-спектры были записаны на приборе FINNIGAN МАТ. INCOS 50, энергия электронного потока 70 эВ. Элементный состав определяли на элементном анализаторе СН^1.
Синтез №-амртил-5-хлор-2-нитроанилина (5). 17.3 г (0.1 моль) 5-хлор-2-нитроанилина и 18.9 мл (0.2 моль) уксусного ангидрида нагревали при 90 0С 1 ч. После охлаждения реакционной массы выпавший осадок отфильтровывали и промывали холодным изопропиловым спиртом. Выход 19.95 г (93%), Тпл. 117—119 0С.
Спектр ЯМР *Н, 8, м.д.: 2.11 с (3Н, СН3), 7.42 дд (1Н, Н4, ] 8.5 Гц, ] 1.0 Гц), 7.83 д (1Н, Н6, ] 1.5 Гц), 8.00 д (1Н, Н3, ] 10.0 Гц), 10.33 с (1Н, NH).
Синтез 4-(3-ацетамидо-4-нитрофенокси)-бензойной кислоты (6). 20.7 г (0.15 моль) К2СО3 и 6.9 г (0.05 моль) 4-гидроксибензой-ной кислоты в 200 мл ДМСО нагревается при 75 0С 0.2 ч. После чего прибавляется 10.73 г (0,05 моль) ^ацетил-5-хлор-2-нитроанилина. Реакционная масса перемешивается 8 ч при 105 0С. После охлаждения реакционная смесь выливается в воду и обрабатывается уксусной кислотой до рН=6. Выход 14.38 г (91%), Тпл. 212-214 0С.
Спектр ЯМР *Н, 8, м.д.: 2.1 (с) (3Н, СН3), 6.95 (дд) (1Н, Н6, /=9.5 Гц, /=1.0 Гц), 7.25 (д) (2Н, Н3,5, /=10.0 Гц), 7.45 (д) (1Н,
Н2’, /=1.5 Гц), 8.05 (д) (2Н, Н2,6, /=9.0 Гц), 8.10 (д) (1Н, Н5, /=9.5 Гц), 10.30 (с) (1Н, NH), 13.05 (с) (1Н, СООН). Масс-спектр, ш/г (1отн, %): 316 (100) [М]+, 273 (85), 227 (49), 123 (91), 76 (57), 43 (100). Найдено %: С 56.59; Н 3.73; N 9.01. С15Н12^06. Вычислено %: С 56.96; Н 3.80; N 8.86.
Синтез 4-(3-амино-4-нитрофенокси)бен-зойной кислоты (3). 12.64 г (0.04 моль) 4-(3-ацетамидо-4-нитрофенокси)бензойной кислоты перемешивается в 200 мл 20 %-ном водном растворе КОН при 60 0С. Выпавший осадок отфильтровывается и обрабатывается уксусной кислотой. Выход 10.8 г (99 %), Тпл. 243245 0С.
Спектр ЯМР *Н, 8, м.д.: 6.30 (дд) (1Н, Н6, /=10.0 Гц, /=1.0 Гц), 6.35 (д) (1Н, Н2', /=1.5 Гц), 7.00 (д) (2Н, Н3,5, /=9.5 Гц), 7.55 (с) (2Н, NH2), 7.90 (д) (2Н, Н2,6, /=10.0 Гц), 8.00 (д) (1Н, Н5', /=10.0 Гц), 13.00 (с) (1Н, СООН). Масс-спектр, ш/г (1отн, %): 274 (84) [М]+, 227 (37), 123 (100), 90 (89), 76 (92). Найдено %: С 57.06; Н 3.61; N 10.19. С13Н10^05. Вычислено, %: С 56.93; Н 3.65; N 10.22.
Синтез 4-(3,4-диаминофенокси)бензой-ной кислоты (4). 8.22 г (0.03 моль) 4-(3-ами-но-4-нитрофенокси)бензойной кислоты и 22.6 г (0.10 моль) SnCl2•2Н2О перемешиваются в 100 мл 36 %-й НС1 при 90 0С 1 ч. После охлаждения реакционная смесь подщелачивается 25 %-м водным аммиаком до рН 7-8. Осадок отфильтровывается и высушивается при 60 0С. Затем осадок вносится в 400 мл безводного изопропилового спирта и нагревается до кипения при перемешивании 0.5 ч. Горячий спирт отделяется фильтрованием. После охлаждения спирта выпавший осадок отфильтровывается. Выход 6,66 г (91 %), Тпл. 218-222 оС.
Спектр ЯМР *Н, 8, м.д.: 6.15 (дд) (1Н, Н6, /=10.0 Гц, /=1.5 Гц), 6.30 (д) (1Н, Н2', /=1.0 Гц), 6.55 (д) (1Н, Н5', /=10.0 Гц), 6.90 (д) (2Н, Н3,5, /=9.5 Гц), 7.90 (д) (2Н, Н2,6,
/=10.0 Гц). Сигналы протонов NH2- и СООН-групп в спектре ЯМР 1Н отсутствуют ввиду быстрого дейтерообмена. Масс-спектр, ш/г (1отн, %): 244 (59) [М]+, 154 (9), 123 (100), 95 (96), 90 (15), 80 (37), 65 (34). Найдено %: С 63.77; Н 4.83; N 11.65. С13Н12^03. Вычислено %: С 63.93; Н 4.92; N 11.48.
Синтез изопропил 4-(3,4-диаминофенок-си)бензоата (7). 8.22 г (0.03 моль) 4-(3-ами-но-4-нитрофенокси)бензойной кислоты кипятятся в смеси 80 мл изопропилового спирта и 70 мл 36 %-ной НС1 1 ч. Затем к кипящему раствору прибавляется 22.6 г (0.10 моль) SnC12•2Н2О в 40 мл 36 %-ной НС1. Через 0.5 ч реакционная масса охлаждается и обрабатывается 25 %-ным водным раствором аммиака до рН 7-8. Продукт реакции выделяется экстракцией хлороформом и его дальнейшей отгонкой. Выход 7.20 г (84%), Тпл. 92-94 0С.
Спектр ЯМР *Н, 8, м.д.: 1.30 (д) (6 Н, СН3, /=6.5 Гц), 4.40 (с) (2Н, NH2), 4.70 (с) (2Н, NH2), 5.15 (м) (1 Н, СН), 6.15 (дд) (1Н, Н6’, /=10.0 Гц, /=1.5 Гц), 6.30 (д) (1Н, Н2', /=1.0 Гц), 6.55 (д) (1Н, Н5', /=10.0 Гц), 6.95 (д) (2Н, Н3,5, /=9.5 Гц), 7.85 (д) (2Н, Н2,6, /=10.0 Гц). Масс-спектр, ш/г (1отн, %): 286 (48) [М]+, 244 (83), 227 (14), 199 (10), 154
(7), 123 (100), 114 (49), 95 (100), 90 (14), 80
(43), 76 (52), 63 (31), 43 (100). Найдено %: С
62.98; Н 6.31; N 9.89. Ci6H18N2O3. Вычислено %: С 67.13; Н 6.29; N 9.80.
Литература
1. Pat. 4414383, USA / Conciatori A.B., Choe E. W., Hall N.K., 1983.
2. Pat. 4431796, USA / Choe E. W., Conciatori A. B., 1984.
3. Pat. 4452971, USA / Choe E.W., Conciatori A. B., 1984.
4. Pat. 4483977, USA / Conciatori A.B., Choe E. W., Hall N.K., 1984.
5. Glipa X., Bonnet B. // J. Mater. Chem.— 1999.- V.9.— P.3045.
6. Asensio J. A., Borros S., Gomez-Romero P. // J. Polym. Sci. A.— 2002.— V.40.— P. 3703.
7. Kim H.-J., Cho S. Y. // Macromol. Rapid Commun.— 2004.— V.25.— P.894.
8. Фокин Е. П., Сивакова И. Г., Матошина К. И. // Изв. Сибирского отделения АН СССР. Сер. хим. наук.— 1969.— Вып. 3, №7.— С.92.
9. Бегунов Р. С., Косарева Т. Н., Ноздрачева О. И., Орлов В. Ю. // Баш. хим. ж.— 2007.— №5.— С.123.
10. Бегунов Р. С., Орлов В. Ю., Русаков А. И., Косарева Т. Н. // Баш. хим. ж.— 2005.— Т.12, №4.— С.80.
Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 годы (контракты П303 и П2433).
