CC BY
18УДК 547.541.3, 547.542.7
1 2 Нахида Али гызы Джафарова , Мехпара Юнус гызы Садыхова , Гюльнара Ибад
гызы Авазова3, Алмаз Гурбан гызы Гурбанова4
1,2,3,4Азербайджанский Государственный Университет Нефти и Промышленности, Баку, Азербайджан
Автор, ответственный за переписку: Нахида Али гызы Джафарова,
n_dzhafarova@mail.ru
ОБЩИЕ МЕТОДЫ СИНТЕЗА И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ АЦЕТАЛЕЙ И КЕТАЛЕЙ
Аннотация. В представленной работе приведены результаты исследований в области синтеза и изучения областей применения ацеталей и кеталей, а также их предшественников (полуацеталей и полукеталей). Показаны основные направления применения этих соединений, среди которых прежде всего стоит отметить их высокую биологическую активность, а также перспективы их использования в качестве биотопливных компонентов
Ключевые слова: ацетали, кетали, полуацетали, полукетали, ацетилизация. Альдегиды, кетоны, биотоплива
• 1 2 3
Nakhida A. Jafarova, Mekhbara Y. Sadykhova, Gulnar I. Avazova, Almaz Q. Qurbanova4
12 3 ^Azerbaijan State University of Oil and Industry, Baku, Azerbaijan
GENERAL METHODS OF SYNTHESIS AND APPLICATIONS OF
ACETALSANDKETALS
Abstract.The presented work presents the results of research in the field of synthesis and study of the fields of application of acetals and ketals, as well as their precursors (hemacetals and hemiketals). The main areas of application of these compounds are shown, among which, first of all, it is worth noting their high biological activity, as well as the prospects for their use as biofuel components.
Key words: acetals, ketals, hemiacetals, hemiketals, acetylation. Aldehydes, ketones, biofuels
Кетали представляют собой соединения, полученные из кетона путем замены карбоксильной группы двумя алкокси-группами. Как правило, кеталь образуется в результате реакции полукеталя со спиртом в кислом растворе. Это вещество имеет две группы: - -OR, происходящие от спирта, и две группы -К происходящие от кетона, который связан с исходным карбонильным углеродом. Эти группы -К представляют собой либо алкильные, либо арильные группы.
ketone hemiketal
При наименовании кеталя следует использовать название соответствующего альдегида или кетона, за которым следует О-заместитель, затем следует слово «кеталь» с пробелом между ними.
С другой стороны, циклический кеталь представляет собой кетальное соединение, имеющее кетальный углерод вместе с одним или двумя атомами кислорода, которые входят в состав кольца. Обычно эти соединения образуются, когда происходит реакция между кетонами и диолами.
Ацеталь представляет собой соединение, имеющее химическую формулу R2C(OR1)2. В этом соединении группы R представляют собой либо органические фрагменты, либо атом водорода, тогда как группы R1 представляют собой только органические фрагменты, но не водород. Более того, две группы R1 могут быть эквивалентны друг другу, образуя симметричный ацеталь. Если они не эквивалентны, то получается смешанный ацеталь.
Ацетали находят широкое применение во многих различных областях. Одним из наиболее распространенных применений является производство ацеталевых полимеров. Полимеры ацеталя доступны в двух основных формах, а именно: гомополимер ацеталя (Delrin®) и сополимер ацеталя. Полуацеталь, с другой стороны, представляет собой органическую молекулу, которая образуется в результате синтеза ацеталя и представляет собой нестабильную молекулу, которая имеет тенденцию благоприятствовать реакции от полуацеталя к ацеталю. Однако полуацеталь можно найти в природе, включая глюкозу и некоторые виды грибов.
В общем виде схему полученияацеталей (кеталей) и полуацеталей (полукеталей) можно представить в следующем виде:
Так, в работе [1], что ацетализация и кетализация альдегидов и кетонов спиртами, соответственно, протекают гладко в присутствии 0,1 мол. % кислоты без удаления воды. Этот процесс имеет много преимуществ, таких как коммерчески доступные катализаторы с низкой стоимостью и низкой нагрузкой (всего 0,03 мол. %), довольно широкий спектр субстратов (включая различные альдегиды, кетоны, кислото-
чувствительные субстраты и диолы), широкий спектр температуры реакции (от -60 до 50°С), высокие выходы, крупномасштабное приготовление, экологичность и простая процедура обработки. Этот новый метод также успешно применяется для защиты важных органических соединений, таких как 1,3-диолы, 1,2-диолы, чувствительные к кислоте субстраты, глюкоза и 1,3-дикарбонильные соединения.
Acid = HCI; H2S04; HN03; CF3SO3H; CF3COOH; R = Aromatic, aliphatic; R' = aliphatic; AT = ambient temperature
Ацетали и кетали, а также их азот- и серосодержащие производные часто считаются нетрадиционными и потенциально проблематичными ключевыми синтонами или фармакофорами для разработки перорально биодоступных лекарств [2]. Это мнение в значительной степени зависит от восприятия того, что такие фрагменты могут быть химически нестабильными в кислых условиях желудка и верхних отделов желудочно-кишечного тракта. Однако даже простые ацетали и кетали, включая ациклические молекулы, могут быть достаточно устойчивыми в кислых условиях, чтобы их можно было превратить в перорально биодоступные лекарства, и эти структурные элементы включены во многие эффективные терапевтические агенты. Химическая стабильность молекул, включающих геминальные дигетероатомные фрагменты, может регулироваться физико-химическими принципами дизайна, которые включают разумное размещение проксимальных электроноакцепторных заместителей и конформационное ограничение. В этой перспективе авторы приводят примеры геминальных дигетероатомных фрагментов, которые использовались при открытии перорально биодоступных лекарств или кандидатов в лекарства на фоне понимания их потенциала химической лабильности.
Ацетали и кетали являются одними из наиболее важных защитных групп для карбонильных соединений. В работе [3] разработан новый метод ацетализации и кетализации с помощью фотоокислительно-восстановительного катализа. Бицианолированный периленбисимид используется в качестве фотокатализатора с низким содержанием электронов вместе с зеленым светом (светодиод 525 нм). Силиленоэфиры, полученные из альдегидов, эффективно реагируют с образованием ацеталей с выходами от хороших до превосходных. Широкий диапазон субстратов был показан как для альдегидов, так и для спиртов. Толерантность к функциональным группам высокая; в частности, допускаются защитные группы, неустойчивые к кислоте и водороду. Альдегиды также могут быть непосредственно и селективно превращены в соответствующие ацетали. Только кетоны должны быть преобразованы в их силиленовые эфиры перед кетализацией. Этот фотокаталитический метод работает без использования кислот или фотокислот и не требует каких-либо добавок или реагентов для переноса атома водорода. Следовательно, он расширяет спектр субстратов и репертуар фотоокислительно-восстановительного катализа по отношению к химии карбонилов.
В работе [4] предложен экологически безопасный катализатор H4SiWl2O4o/TiO2-SiO2, который готовили методом пропитки. Синтез циклогексанонгликолькеталя был пробной реакцией и исследовано различное влияние на каталитическую активность этого катализатора: качество носителя, соотношение TiO2-SiO2, нагрузка гетерополикислоты, условия приготовления катализатора, время активации и температура прокаливания и др. Результаты показали, что наилучшими условиями приготовления катализатора являются массовое соотношение TiO2 и SiO2 равное 1:5, коэффициент загрузки катализатора 10 %, температура прокаливания 300^ и время обжига 3,0 ч. При условии мольного соотношения альдегидов (кетонов) и гликоля (1,2-пропандиола) 1:1,6, массовой доли катализатора 1,4 % и времени реакции 70 мин выход восьми видов ацеталей (кеталей) составляет 71,6% ~ 90,5%.
В патенте [5] описан способ получения ацеталей и кеталей взаимодействием альдегида или кетона со спиртом в присутствии кислотного катализатора и удалением воды путем первапорации. Также показано производственное оборудование для получения ацеталей и кетонов.
Каталитическая активность вольфрамокремниевой кислоты, нанесенной на активированный уголь, в синтезе 2-метил-2-этоксикарбонилметил-1,3-диоксолана, 2,4-диметил-2-этоксикарбонилметил- 1,3-диоксолана, циклогексанона, этиленкеталя,
циклогексанона 1,2-пропа -недиол кеталь, бутанон-этилен кеталя, бутанон-1,2-пропандиолкеталя, 2-фенил-1,3-диоксолана, 4-метил-2-фенил-1,3-диоксолана, 2-пропил-1,3-диоксолана, 4-метил-2-пропил-1,3-диоксолана сообщалась в работе [6]. Было продемонстрировано, что вольфрамокремниевая кислота, нанесенная на активированный уголь, является превосходным катализатором. Были исследованы различные факторы, влияющие на выход аддуктов в этих реакциях. Найдены оптимальные условия: мольное соотношение альдегид/кетон к гликолю 1/1,5, массовое соотношение используемого катализатора к реагентам 1,0%, время реакции 1,0 ч.
В еще одном патенте [7] сообщается, что циклические ацетали или кетали получают взаимодействием полиола с соответствующими альдегидами или кетонами, при этом часть альдегида или кетона отгоняется в ходе реакции.
Реакция спиртов с оксокарбоксилатами с образованием ацеталей или кеталей катализируется неожиданно низким уровнем протонных кислот [8]. За счет использования низких концентраций кислотного катализатора по сравнению с обычно используемыми количествами облегчается быстрое образование ацеталя или кеталя, в то время как образование оксокарбоксилатных эфиров сводится к минимуму. Дальнейшее использование значительного молярного избытка оксокарбоксилата в сочетании с низким содержанием кислотного катализатора приводит к быстрому и чистому образованию ацеталей и кеталей из оксокарбоксилатов и спиртов.
Ацетали/кетали, полученные из альдегидов/кетонов, легко получают в условиях отсутствия растворителя. Процесс гетерогенно катализируют кислотными или основными мезопористыми молекулярными ситами Al-SBA-15 и (Cs)Al-SBA-15. Описанная здесь каталитическая процедура применяется для получения ключевых промежуточных соединений для синтеза {3-[(2^3^4^5Я) -(2,3,4,5-тетрагидроксигексан-1,6-диил)]}ди-1Н-имидазолас потенциальными биомедицинскими применениями [9].
Изучена ацетализация и кетализация различных альдегидов или кетонов, а именно циклогексанона, бутанона, ацетона, пропиональдегида, бутиральдегида, изобутиральдегида,
валеральдегида, изопентилальдегида, октилальдегида и бензальдегида, с гликолем на цеолитном катализаторе НР [10]. Исследовали влияние условий реакции, а именно времени реакции, молярного отношения альдегидов или кетонов к гликолю и дозировки катализатора, на реакцию. Цеолит НР был эффективным катализатором ацетализации и кетализации с высокой конверсией и селективностью в мягких условиях реакции. Оптимальные условия реакции: мольное соотношение альдегидов или кетонов к гликолю 1:1,2, дозировка катализатора (1 моль альдегидов или кетонов) 2 г, время реакции 2 часа. При оптимальных условиях реакции конверсия альдегидов или кетонов и селективность образования ацеталей или кеталей превышали 90% и 98% соответственно.
Селективность катализируемых кислотой реакций раскрытия цикла эпоксидированного метилолеата (метил-9,10-эпоксистеарат; ЕМО) с образованием кеталя (ацеталя) или разветвленного сложного эфира изучена в работе [11]. Авторы получили метил 9-(2-бутил-2-метил-5-октил-1,3-диоксолан-4-ил)нонаноат (ацеталь гексанонметилстеарата, НМБА) с выходом 83%; из эпоксидированного метилолеат-2-гексанона. Также авторы смогли продемонстрировать относительную селективность в конкурентных экспериментах в случае реакцииЭМО с 2-пентаноном и октановой кислотой. Наконец, контролируя температуру и концентрацию кислоты, авторы смогли контролировать распределение продукта реакции ЭМО с бифункциональной левулиновой кислотой.Это исследование приводит к образованию новых гидрофобных молекул для синтеза новых поверхностно-активных вещества из олеохимии.
Ацетали и кетали являются одними из важных материалов органического синтеза и защищают карбонильную функциональность [12]. Был разработан более мягкий, эффективный и экологичный синтез ацеталей и кеталей с использованием бентонита, модифицированного кремнийвольфрамовой кислотой (STA-Ben), в качестве катализатора. STA-Ben был синтезирован и охарактеризован различными аналитическими методами. Обнаружено, что он является эффективным катализатором многократного использования для синтеза ацетильных производных с отличными выходами. Чтобы выяснить эффективность STA-Ben в качестве катализатора, реакцию также проводили с использованием различных катализаторов. Условия реакции (время и количество катализатора) были оптимизированы с использованием различных катализаторов. Продукты различных реакций охарактеризованы с помощью ИК-Фурье, ЯМР-спектроскопии..
Масштабы зеленого химического синтеза и неудачи традиционных методов синтеза органических соединений обсуждались в работе [13]. Зеленые растворители (такие как ДМСО, ДМФА, вода) и зеленые методы были выбраны в качестве модели для определения подходящих условий реакции. В микроволновом синтезе реакция без растворителя или в присутствии универсального растворителя (воды) продукт 2-метил-2-пропилдиоксолан был получен с высокими выходами 87% и 88% соответственно. Протонная кислота (HCl) был предпочтительным выбором в качестве катализатора и носителя для поддержания реакционной среды в мягких и нейтральных условиях.
Четыре недавно синтезированных циклических ацеталя или кеталя глицерина оценивались как растворители на биологической основе [14]. Три из них промышленно
доступны и являются результатом конденсации глицерина с формальдегидом, ацетоном и изобутилметилкетоном. Четвертый находится в разработке и готовится по реакции глицерина с бензальдегидом в условиях гетерогенно-кислотного катализа. Их растворяющие свойства оценено с помощью Hansen и COSMO-RS (Модель скрининга, подобная проводнику, для реальных растворителей) подходов по сравнению с традиционными нефтехимическими растворителями. Изомеры диоксоланового и диоксанового типов имеют близкие параметры растворимости; однако природа исходного альдегида/кетона значительно влияет на рентабельность продукта. Стабильность к гидролизу сильно зависит как от альдегида/кетона,частично и от размера кольца. В кислой среде ацетали более устойчивы, чем кетали. Показано, что кетали на основе глицерина более стабильны, чем кетали на основе этиленгликоля. В случае бензальдегида ацеталя глицерина показано, что 6-членный кольцевой изомер (диоксанового типа) примерно в 8 раз более стабилен, чем аналог из 5-членного кольца (диоксоланового типа) при низком pH. Стабильность по отношению к автоокислению O2 является высокой для формальдегида и ацеталей, полученных из ацетона, и снижается для двух других соединений. Ацетали и кетали глицерина являются многообещающими потенциальными альтернативами некоторым вредным растворителям, таким как гликолевые эфиры и анилин.
Лигирование а-кетокислоты с гидроксиламином (KAHA) позволяет осуществлять связывание незащищенных пептидных сегментов [15]. Наиболее широко распространенный вариант использует 5-членный циклический гидроксиламин, который образует сложный эфир гомосерина в качестве основного продукта лигирования. Хотя мономеры, которые дают канонические аминокислотные остатки, очень эффективны, они пользуются большим спросом. Чтобы сохранить стабильность и реакционную способность циклических гидроксиламинов , авторы стремились получить циклические производные серингидроксиламина. Оценка нескольких методов циклизации привела к тому, что кетали циклобутанона являются ведущими структурами. В работе описано получение, стабильность и амидообразующее лигирование этих кеталей - производных серина.
В работе [16] разработана эффективная каталитическая система для ацетализации и кетализации карбонильных групп соединений с многоатомными спиртами в мягких условиях без растворителей. В присутствии 0,1 мол.% CoCl2 и 0,2 мол.% диметилглиоксима при 70 °C и давлении 5 кПа в течение 1 ч, с конверсией циклогексанона 95,3%и 100% селективностью по соответствующему циклическому кеталю могут быть получены целевые продукты, где TOF достигает 953 ч-1. Предполагается, что in situ образовался планарный тетракоординированный кобалоксим, играющий ключевую роль в каталитическом цикле и отвечающий за отличные каталитические характеристики.
С быстрым развитием биодизельной промышленности во всем мире был создан большой избыток глицерина, поэтому экономическое использование глицерина для продуктов с высокой стоимостью имеет решающее значение для устойчивости биодизельной промышленности [17]. Одним из основных направлений использования глицерина в последние годы является его превращение в ацетали и кетали с потенциалом использования в качестве добавок к топливу. Ацетали и кетали глицерина могут быть синтезированы посредством катализируемой кислотой реакции глицерина с альдегидами и кетонами соответственно. В этой статье рассматриваются различные подходы и методы, используемые для получения ацеталей и кеталей глицерина, в отношении конструкции реактора, конструкции катализатора и влияния различных параметров в реакционной системе.
Многочисленные эксперименты по кетализации глицерина/ацетализации альдегидами/кетонами в лабораторных масштабах на заводах периодического действия, чтобы преобразовать глицерин в жизнеспособный биодизельный компонент рассматривались в работе [18]. Для кетализации/ацетализации глицерина 3 альдегида (ацетальдегид, бутиральдегид и фурфуриловый альдегид) и 3 кетона (ацетон, метилизобутилкетон и циклогексанон) использовались в кислотных условиях гетерогенного
катализа. Все процессы кетализациипроводят при высокой конверсии глицерина (более 90%). С технико-экономической точки зрения синтез солкеталя путем кетализации глицерина ацетоном, по-видимому, подходит для масштабирования до функционализирования глицерина как компонента биодизельного топлива.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Dong J-L., Han Y., Xie J-W.A Simple and Versatile Method for the Formation of Acetals/Ketals Using Trace Conventional Acids // ACS Omega, 2018, Vol. 3, N 5, pp. 4974-4985
2. Yong J-W., Meanwell N. Geminal Diheteroatomic Motifs: Some Applications of Acetals, Ketals, and Their Sulfur and Nitrogen Homologues in Medicinal Chemistry and Drug Design // J. Med. Chem., 2021, Vol. 64, N 14, pp. 9786-9874
3. Steuernagel D., Wagenkhecht H-A.Photocatalytic Synthesis of Acetals and Ketals from Aldehydes and Silylenolethers without the Use of Acids // Chemistry. A European Journal, 2022, N 1, pp. 3767-3772
4. Peng F., Xu Y-L., Xiang S., Yang S-J. Catalytic Application of H4SiW12O40/TiO2-SiO2 in Synthesis of Acetals and Ketals // Applied Mechanics and Materials, 2014, Vol. 692, pp. 320-325
5. Patent US 20040106832A1. 2004Process and manufacturing equipment for preparing acetals and ketals / Boesch V., Herguijuiela J. /
6. Yang S., Xin D., Lan H., Sun J-T. Synthesis of acetals and ketals catalyzed by tungstosilicic acid supported on active carbon // J. Zhejiang Univ. Sci. B., 2005, Vol. 6, N 5, pp. 373377
7. Patent US. 5917059A. 1996Preparation of cyclic acetals or ketals / Bruchmann B., Haberle K., Gruner H., Him M. /
8. Patent US 8604223B2. 2008Method of making ketals and acetals/ Selifonov S., Rothstein S., Mullen B. /
9. Perez-Mayoral E., Martin-Aranda R.M., Loez-Peinado A.J., Ballesteros P. Green Synthesis of Acetals/Ketals: Efficient Solvent-Free Process for the Carbonyl/Hydroxyl Group Protection Catalyzed by SBA-15 Materials // Topics in Catalysis, 2009, Vol. 52, pp. 148-152
10. Liang X., Yu X., Peng H., Gao S. Synthesis of acetals or ketals over zeolite Hp catalyst // Topics in Catalysis, 2005, Vol. 48, pp. 34-39
11. Doll K.M., Erhan S.Z.Synthesis of cyclic acetals (ketals) from oleochemicals using a solvent free method// Green chemistry, 2008, Vol. 10, N 6, pp. 712-717
12. Chaudhary R., Datta M.Silicotungstic Acid Modified Bentonite: An Efficient Catalyst for Synthesis of Acetal Derivatives of Aldehydes and Ketones // Journal of Analytical Science. Methods and Instrumentation, 2013, Vol. 3, N 4, pp. 34025-34031
13. Gautam S.A call to (green) arms: Synthesis of Acetals and cyclic Acetals with and without Solvents - A comparison // International Journal of Scientific Development and Research, 2020, Vol. 5, N 2, pp. 416-423
14. Moity L., Benazzouz A., Molinier V. Glycerol Acetals and Ketals as Bio-based Solvents: Positioning in Hansen and COSMO-RS spaces, Volatility and Stability towards Hydrolysis and Autoxidation // Green Chemistry, 2015, Vol. 17 N 3, pp. 1779-1792
15. Baldauf S., Bode J.Synthesis and Evaluation of Cyclic Acetals of Serine Hydroxylamine for Amide-Forming KAHA Ligations// Synthesis, 2019, Vol. 51, pp. 1273-1283
16. Zong Y., Yang L., Tang Sh., Longjia L.Highly Efficient Acetalization and Ketalization Catalyzed by Cobaloxime under Solvent-Free Condition// Catalysts, 2018, Vol. 8, N 48, pp. 1-10
17. Trifoi B., Ancu^a R., Agachi P.Glycerol acetals and ketals as possible diesel additives. A review of their synthesis protocols// Renewable and Sustainable Energy Reviews, Elsevier, 2016, Vol. 62, pp. 804-814
18. Neamtu C., Plesu V., Stepan E. Synthesis of new acetals and ketals of glycerol as diesel additives // U.P.B. Sci. Bull., Series B, 2019, Vol. 81, N 2, pp. 83-94
Информация об авторах Н.А. Джафарова - кандидат химических наук, доцент, старший преподаватель кафедры «Химия и технология неорганических веществ»;
М.Ю. Садыхова - лаборант кафедры «Химия и технология неорганических веществ»; Г.И. Авазова - лаборант кафедры «Химия и технология неорганических веществ»; А.Г. Гурбанова - лаборант кафедры «Химия и технология неорганических веществ»;
Information about the authors N.A. Jafarova- doctor of philosophy of chemical sciences, docent, senior researcher of Department "Chemistry and technology of inorganic compounds";
M.Y. Sadykhova - laborant of Department "Chemistry and technology of inorganic compounds";
G.I. Avazova - laborant of Department "Chemistry and technology of inorganic compounds";
A.Q. Qurbanova - laborant of Department "Chemistry and technology of inorganic compounds".
