О-алкилирование фенолов и спиртов некоторыми карбои гетероциклическими галоидметилпроизводными Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 547.631.4

С. А. Тимофеева (асп.)1, С. С. Злотский (чл.-корр. АН РБ, д.х.н., проф.)2, И. Б. Грудников (д.т.н., проф.)2, Ю. М. Юмакаева (студ. )2

О-алкилирование фенолов и спиртов некоторыми карбо-и гетероциклическими галоидметилпроизводными

1 Уфимская государственная академия экономики и сервиса кафедра охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов 450077, г. Уфа, ул. Чернышевского, 145; тел. (347) 2524922, e-mail [email protected] 2Уфимский государственный нефтяной технический университет кафедра общей и аналитической химии 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347) 2420854, e-mail [email protected]

S. A. Timofeeva, S. S. Zlotsky, I. B. Grudnikov, Y. M. Yumakaeva

The O-alkylation of phenols and alcohols with some carbo-and heterocyclic haloid-derivatives

1 Ufa State Academy of Economy and Service 145, Chernyshevskogo Str, 450077, Ufa, Russia; рЬ. (347) 2524922, e-mail: [email protected]

2Ufa State Petroleum Technological University 1, Kosmonavtov Str, 450062, Ufa, Russia; рЬ. (347) 2420854, e-mail: [email protected]

В результате О-алкилирования производных фенолов и спиртов эпихлоргидрином, 4-хлорме-тил-1,3-диоксоланом и 2-хлорметил-гем.-ди-хлорциклопропаном получены соответствующие простые эфиры с выходом 80—98 %. Методом конкурентной кинетики оценена относительная активность гидроксилсодержащих соединений и хлорметилпроизводных.

Ключевые слова: межфазный катализ; О-алкилирование; фенол; 2-хлорметил-гем.-ди-хлорциклопропан; 4-хлорметил-1,3-диоксо-лан; эпихлоргидрин.

As a result, O-alkylation of derivatives of phenol and alcohols by epichlorohydrin, 4-chloromethyl-1,3-dioxolan and 2-chloromethyl-hem.-dichlorcyclo-propane obtained corresponding ethers with yield 80—98 %. The method of competition kinetics to estimate the relative activity of hydroxyl-containing compounds and chlormethyl-derivates is estimated.

Key words: phase transfer catalysis; O-alkylation, phenol; 2-chloromethyl-hem. -dichlorcyclopropan; 4-chloromethyl-1,3-dioxolan; epichlorohydrin.

Реакции О-алкилирования замещенных фенолов, а также некоторых спиртов широко используются в синтезе соответствующих простых эфиров, содержащих дополнительные функциональные группы 1-3.

Мы изучили взаимодействие замещенных фенолов 1а-е, бензилового 1ж и аллилового спиртов 1з с эпихлоргидрином 2, циклическим формалем на его основе 3 и 2-хлорметил-гем. -дихлорциклопропаном 4 в условиях межфазного катализа. Целевые эфиры 5а-з, 6а,б, 7а,б, 8 и 9 были получены с выходами более 90% за 2-6 ч (табл. 1).

Мы сопоставили относительную активность хлорметилпроизводных по отношению к фенолам (табл. 2) и нашли, что эпихлоргид-рин (2) в 3-4 раза активнее своего производного 3, а хлорметилциклопропан (4) во столько же

раз активнее оксациклопропанового аналога 2. Эти данные подтверждаются тем, что 2-хлор-метил-гем.-дихлорциклопропан 4 на порядок активнее 4-хлорметил-1,3-диоксолана 3 (табл. 2).

о r1

R—CH2Cl 2-4

1 а-е

СТ

1 ж

1 з

5 a-e, 6 a,б, 7а,б

сг

O R

Дата поступления 05.04.10

R ^^R

3

2

R

R

8

о-Л

И1 =

И1 =

И1 =

С1

(3, 5а-е, 8, 9)

(2, 6а,б);

(4, 7а,б);

И2 = К3 = H (1а, 5а—7а); И2 = Н; К3 = С1 (1б, 5б—7б); К2 = ОН, И3 = Н (1в, 5в); И2 = СН3, И3 = Н (1г, 5г); И2 = Н, И3 = £-С4Н9 (1д, 5д); И2 = И3 = £-С4Н9 (1е, 5е);

Таблица 1

Взаимодействие спиртов с галоидметилпроизводными (Мольное соотношение А : В : ЫаОН = 1 : 0.8 : 2; катализатор - катамин АБ (3 г )

1000 мл ДМСО, t = 50-60 оС)

Реагенты Время реакции, ч Продукты Выход, %

А В

СГ , 3 2 СГ 5а 90

ГУ" 1б <Г\ с^^ 5в 95

ст, 2 СГ 6а 93

хг0Н Г I 6б 98

а" ,а а-"-" С1 4 1 о^Ч 90*

ст ,в гг^" 7б 93*

ос0" 3 2 а^0 5в 98

СХсНз1г а^' 5 СНз 5 г 95

СНз СН3 1д снЗ^ХГ снз снз 5д 80

СН^Хс СНз СН3 СН/ СНз1е снз снз сн/ снз 5е 92

пгон Ч/1 1ж 4 92

^ ^ 1з 6 90

* Мольное соотношение А : В : МаОИ = 1 : 2 : 2 26 Башкирский химический журнал. 2010. Том 17. Жо 3

Таблица 2

Относительная активность хлорметилпроизводных в реакции с фенолом и л-хлорфенолом

(Мольное соотношение А : В :Аг-ОН : ЫаОН = 1 : 1 : 0.3 : 4, катализатор - катамин АБ (3 г),

1000 мл ДМСО, f = 50-60 оС, 2 ч)

Реагенты Продукты Относительная активность А/В

А В

4/1

а-"" С1 1 4 13/1

С1 1 4 а- ч. 3/1

° а^^ 6б р--\ с^^ 5б 3/1

а-"" С1 1 4 1>\/С1з гг^Чг а^^ 7б а^^ 6б 2.5/1

Таблица 3

Относительная активность спиртов в реакции с 4-хлорметил-1,3-диоксоланом

(Мольное соотношение А : В : 4-хлорметил-1,3-диоксолан : ЫаОН = 1 : 1 : 0.3 : 4, катализатор - катамин АБ (3 г), 300 мл ДМСО, г = 50-60 оС, 2 ч)

Реагенты Продукты Относительная активность А/В

А В

а °Н,, СГ"„ р-л а 5а 8 3.5/1

СГ°"„ 8 9 3/1

а°". СНз сн3 1 д <ГЛ О 5а -АТ сн-^ сн3 сн/ 5д 2.5/1

снз снз сн/ снз 1е :>А°Н СНз сн3 1 д ГЛ ^■чЛ/0 снз сн, сн/ снз 5е Г\ сн3 сн3 5д 2.5/1

4-Трет.-бутилфенол (1д) уступает в активности фенолу (1а) и 2,4-ди-трет.-бутил-фенолу (1е). Фенол 1а в 3.5 раза активнее бен-зилового спирта (1ж), который во столько же раз активнее аллилового спирта (1з) (табл.3).

Отметим, что в отсутствие межфазного катализатора (катамин АБ) реакция О-алкили-рования протекает на порядок медленнее и требует температуры 100 оС и выше.

Экспериментальная часть

Хроматографический анализ продуктов реакции проводили на хроматографе «Chrom-5» с пламенно-ионизационным детектором, газ-носитель — гелий, расход 1.5 л/ч, колонка длиной 4.5 м, с 5% SE-30 на носителе Chromaton N-AW. Спектры ЯМР 1Н регистрировали на спектрометре «Bruker AM-300» (300.3 МГц). Химические сдвиги приведены в шкале 8 (м.д.) относительно ТМС как внутреннего стандарта. Расшифровку ЯМР-спект-ров проводили с помощью программы ACDFull. Хроматомасс-спектры записывали на приборе «SHIMADZU GCMS-QP2010 Plus» при ионизирующем напряжении 70 эВ (температура ионного источника 200 оС. Разделение образца проводили на колонке РТЕ-5 (Supelco, США) длиной 30 м, с внутренним диаметром 0.25 мм и толщиной жидкой фазы 0.25 мкм при потоке через колонку 1.0 мл/мин, газ-носитель — гелий, температура инжектора 250 оС. Программирование температуры термостата колонки осуществлялось от 40 до 290 оС со скоростью 12 град-мин-1. Для получения масс-спектров соединений использовали метод ионизации электронным ударом.

Методика получения 4-хлорметил-1,3-диоксолана (3). Смесь 156 мл (2 моля) эпи-хлоргидрина, 360 мл воды, каталитическое количество серной кислоты (1 мл) интенсивно перемешивали и нагревали (90-100 оС) в течение 2 ч, после чего в реакционную массу добавляли 54 г (1.8 моля) параформа (перемешивали и нагревали) до тех пор, пока смесь не стала прозрачной.

По окончании реакции реакционную массу остужали до комнатной температуры, добавляли 50 мл толуола, установив ловушку Д-С, отгоняли воду. Остаток осушали свежепрока-ленным сульфатом магния, отфильтровывали и подвергали атмосферной перегонке.

Т.кип 148 оС (760 мм рт. ст.). Спектр ЯМР (CDCl3, 8, м.д. J, Гц) 3.40 - 3.60 (м, 1 Н, О-СН-О), 3.75 - 4.00 (м, 2Н, О-СН2), 4.20 - 4.35 (м, 1Н, СН), 4.90 (д, 1Н, О-СН2-0, J=4,9;) 5,10 (д, 1Н, О-СН2-О, J=4,9).

Масс-спектр т/е, (1отн, %): М+ = 121 (28), 73 (100), 45 (35).

Общая методика О-алкилирования спиртов (1а—з) 4-хлорметил-1,3-диоксоланом (3) и эпихлоргидрином (2).

Смесь 0.1 моля спирта, 0.25 моля ЫаОИ, 0.25 г катамина АБ, 100 мл ДМСО интенсивно перемешивали и нагревали при температуре 50—60 оС в течение 1 ч, после чего прикапывали 0.08 моля хлорметилпроизводного (2,3) в течение 30 мин.

По окончании реакции смесь охлаждали до 20—25 оС, промывали двухкратным количеством воды и дважды экстрагировали диэтило-вым эфиром. Экстракт сушили над прокаленным Ыа28О4, эфир отгоняли на роторном испарителе. Остаток подвергали вакуумной разгонке.

По данной методике были получены:

4-феноксиметил-1,3-диоксолан (5а). Т.кип 100 оС (2 мм рт. ст.). Спектр ЯМР *Н (СОС13, 8, м.д. J, Гц) 3.81 - 3.97 (м,2Н, цО-СН2), 4.00 -4.10 (м, 1Н, О-СН2), 4.12 - 4.17 (м, 1Н, О-СН2), 4.36 - 4.50 (м, 1Н, ц СН), 4.89 (д, 1Н, ЦО-СН2-О, J=5,1), 5,10 (д, 1Н, цО-СН2-О, J=5,1), 6.85 - 7.38 (м, 5Н, С6Н5).

Масс-спектр т/е, (1отн, %): М+ 180(70), 134 (18), 121 (10), 107 (25), 94 (100), 87(30), 77(65),66(18).

4-(4-хлорофеноксиметил)-1,3-диоксолан (5б). Т.кип 125 оС (2 мм рт. ст.). Спектр ЯМР (СЭС13, 8, м.д. J, Гц) 3.80 - 3.87 (м,2Н, цО-СН2), 3.90 - 3.97 (м, 1Н, О-СН2), 4.00 -4.08 (м, 1Н, О-СН2),4.36 - 4.45 (м, 1Н, ц СН), 4.9 (д, 1Н, цО-СН2-О, J=3,8),5,10 (д, 1Н, цО-СН2-О, J=3,8), 6.75 - 6.85 (м, 2Н, С6Н4С1), 7.20 - 7.30 (м, 2Н, С6Н4С1).

Масс-спектр т/е, (1отн, %): М+ = 214 (65), 168(8), 128 (100), 99 (27), 87 (69), 73 (46), 57 (66).

4-(2-метилфеноксиметил)-1,3-диоксолан

(5в). Т.кип 110 оС (5 мм рт. ст.). Спектр ЯМР (СЭС13, 8, м.д. J, Гц) 2.30 (д, 3Н, СН3, J= 4,7), 3.90 - 4.00 (м,2Н, ц О-СН2), 4.05 -4.15 (м, 1Н, О-СН2), 4.17 - 4.25 (м, 1Н, О-СН2), 4.40 - 4.50 (м, 1Н, ц СН), 5.00 (с, 1Н, цО-СН2-О), 5,10 (с, 1Н, цО-СН2-О), 6.80 -7.30 (м, 5Н, С6Н5).

Масс-спектр т/е, (1отн, %): М+ 194 (72), 148 (8), 121 (20), 108 (100), 87 (55), 57 (57), 45 (28).

2-(1,3-диоксолан-4-ил)метокси-фенол (5г). Т.кип 150 оС (2 мм рт. ст.). Спектр ЯМР (СЭС13, 8, м.д. J, Гц) 3.80 - 3.90 (м, 2Н, ц О-СН2), 3.98 - 4.15 (м, 2Н, О-СН2), 4.35 -4.5 (м, 1Н, СН), 4.95 (д, 1Н, О-СН2-О, J=4,9), 5,10 (д, 1Н, О-СН2-О, J=4,9;), 6.70 -7.00 (м, 5Н, С6Н5).

Масс-спектр т/е, (1отн, %): М+ = 196 (8), 128 (100) , 93 (10), 77 (13), 87 (23), 73 (40), 57 (13).

4-(4-трет. -бутилфенокси)метил-1,3-ди-оксолан (5д). Т.кип 148 оС (2 мм рт. ст.). Спектр ЯМР (СЭС13, 8, м.д. J, Гц) 1.30 (м, 9Н, С4Н9), 3.90 - 4.00 (м,2Н, ц О-СН2), 4.05 -4.15 (м, 1Н, О-СН2), 4.00 - 4.17 (м, 1Н, О-СН2), 4.35 - 4.45 (м, 1Н, ц СН), 4.90 (с, 1Н, цО-СН2-О), 5.10 (с, 1Н, цО-СН2-О), 6.90 (д, 2Н, С6Н4, J=8,8), 7.20 (д, 2Н, С6Н5 J=8,8).

Масс-спектр т/е, (1отн, %):М+ = 292 (15), 277 (40), 191 (37), 175 (23), 147 (8), 133 (10), 91 (14), 87 (13), 73 (6), 57 (100)

4-(2,4-ди-трет. -бутилфенокси)метил-1,3-диоксолан (5е). Т.кип 150 оС (1 мм рт. ст.). Спектр ЯМР (СЭС13, 8, м.д. J, Гц) 1.30 (м, 9Н, С4Н9), 3.90 - 4.00 (м,2Н, ц О-СН2), 4.05 - 4.15 (м, 1Н, О-СН2), 4.00 - 4.17 (м, 1Н, О-СН2), 4.35 - 4.45 (м, 1Н, ц СН), 4.90 (с, 1Н, цО-СН2-О), 5.10 (с, 1Н, цО-СН2-О), 6.90 (д, 2Н, С6Н4, J=8,8),7.20 (д, 2Н, С6Н5 J=8,8).

Масс-спектр т/е, (1отн, %): М+ = 292 (15), 277 (40), 191 (37), 175 (23), 147 (8), 133 (10), 91 (14), 87 (13), 73 (6), 57 (100).

4-метилфеноксиметил-оксиран (6а). Т.кип 96 оС (5 мм рт. ст.). Спектр ЯМР (СЭС13, 8, м.д. J, Гц) 2.60- 2.70 (м, 1 Н, цСН2), 2.80-2.90(м, 1 Н, цСН2), 3.23 - 3.30 (м, 1Н, цСН), 3.80 - 3.90 (м, 1Н, О-СН2), 4.10 - 4.20 (м, 1Н, О-СН2), 6.75- 6.85 (м, 2Н, С6Н5), 7.157.25 (м, 2Н, С6Н5 ).

Масс-спектр т/е, (1отн, %): М+ = 150 (100), 107 (20), 94 (95), 77 (40), 57 (27).

4-(4-хлорметилфенокси)метил-оксиран (6б). Т.кип 120 оС (5 мм рт. ст.). Спектр ЯМР (СЭС13, 8, м.д. J, Гц) 2.65- 2.75 (м, 1 Н, цСН2), 2.75- 2.85(м, 1 Н, цСН2), 3.75 - 3.80 (м, 1Н, цСН), 3.90 - 4.00 (м, 1Н, О-СН2), 4.10 - 4.25 (м, 1Н, О-СН2), 6.75- 6.85 (д, 2Н, С6Н5, J=8,8), 7.15- 7.25 (д, 2Н, С6Н5 J=9,1).

Масс-спектр т/е, (1отн, %): М+ = 184 (83), 128 (100), 154 (12), 141 (22), 111 (21), 99 (20), 57 (31).

Методика О-алкилирования спиртов (1а,б) 2-гем.-дихлорциклопропаном (4).

Смесь 0.1 моля спирта, 0.25 моль ЫаОИ, 0.25г катамина АБ, 100 мл ДМСО интенсивно перемешивали и нагревали при температуре 5060 оС в течение 1 ч. По окончании реакции прикапывали 0.2 моль 2-гем.-дихлорциклопропа-на (30 мин).

По завершению реакции смесь охлаждали до 20-25 оС, промывали двукратным количеством воды и дважды экстрагировали диэтило-

вым эфиром. Экстракт сушили над прокаленным Ыа28О4, эфир отгоняли на роторном испарителе. Остаток подвергали вакуумной разгонке. Были получены:

(2,2-дихлороциклопропил)метоксибен-зен (7а) Т.кип 124 оС (5 мм рт. ст.). Спектр ЯМР (СЭС13, 8, м.д. J, Гц) 1.0 - 1.5 (м, 1 Н, цСН), 1.7 - 2.3 (м, 2Н, цСН2), 4.0 - 4.2 (м, 2Н, О-СН2), 6.8 - 7.5 (м, 5Н, С6Н5).

Масс-спектр т/е, (1отн, %):216 М+ (1), 94 (46), 87 (13), 51 (14), 39 (12)

1-хлоро-4-(2,2-дихлороциклопропил)ме-токсибензен (7б). Т.кип 165 оС (8 мм рт. ст.). Спектр ЯМР (СЭС13, 8, м.д. J, Гц) 1.3 -1.8 (м, 1 Н, цСН), 2.0 - 2.3 (м, 2Н, цСН2), 4.0 -4.2 (м, 2Н, О-СН2), 6.8 - 7.4 (м, 5Н, С6Н5).

Масс-спектр т/е, (1отн, %):252 М+ (1), 128 (40), 87 (26), 51 (18).

Методика конкурентного О-алкилирова-ния хлорметилпроизводными (2-4) фенола (1а) и п-хлорфенола (1б). Смесь 0.03 моль фенола, 0.25 моль ЫаОИ, 0.25 г катамина АБ, 30 мл ДМСО интенсивно перемешивали и нагревали 50-60 оС в течение 1 ч, после чего прикапывали 0.2 моля хлорметилпроизводных (по 0.1 каждого). Об относительной реакционной способности хлорметилпроизводных с фенолом судили по скорости накопления конечных продуктов. Молярные доли продуктов реакции определяли количественной ГЖХ.

Методика конкурентного О-алкилирова-ния спиртов (1 а—з) с 4-хлорметил-1,3-диок-соланом (2). Смесь 0.2 моля изучаемых спиртов (по 0.1 каждого), 0.25 моль ЫаОИ, 0.25 г катамина АБ, 30 мл ДМСО интенсивно перемешивали и нагревали 50-60 оС в течение 1 ч. После чего прикапывали 0.03 моль 4-хлорме-тил-1,3-диоксолана. Об относительной реакционной способности хлорметилпроизводных с фенолом судили по скорости накопления конечных продуктов. Молярные доли продуктов реакции определяли количественной ГЖХ.

Литература

1. Чанышева А. Т., Рольник Л. З., Злотский С. С., Рахманкулов Д. Л. // ЖОрХ.- 1994.Т. 30, № 5.- С. 787.

2. Терегулова Г. Т., Рольник Л. З., Злотский С. С., Рахманкулов Д. Л., Силищев Н. Н., Соколова Т. А., Хазипов Р. Х. // ЖПХ.- 1989.Т. 62, № 7.- С. 1620.

3. Ганиуллина Э. Р., Злотский С. С., Вороненко Б. И., Имашев У. Б. // Баш. хим. ж.- 2008.- Т.15, №1.- С. 120.