CC BY
69
УДК 547.7/.8
И. Н. Вихарева (м.н.с.), С. Ю. Шавшукова (д.т.н., в.н.с.), Е. А. Удалова (д.т.н., в.н.с.)
Реакции циклизации с использованием микроволнового излучения
НИИ малотоннажных химических продуктов и реактивов Уфимского государственного нефтяного технического университета 450029, г. Уфа, ул. Ульяновых, 75; тел. (347)2431712, e-mail: [email protected]
I. N. Vikhareva, S. Yu. Shavshukova, E. A. Udalova
Cyclization reactions under influence of microwave radiation
Scientific-Research Institute of Low-Tonnage Chemical Products and Reagents of Ufa State Petroleum Technological University 75, Uljanovykh Str, 450029, Ufa, Russia; ph. (347) 2431712, e-mail: [email protected]
Приведен обзор исследований реакций получения карбо- и гетероциклических соединений под воздействием микроволнового излучения. Показано, что применение микроволнового излучения способствует уменьшению времени реакций, в ряде случаев при подборе оптимальных условий удается увеличить выход целевого продукта.
Ключевые слова: гетероциклические соединения; карбоциклические соединения; микроволновое излучение; ускорение; циклизация; цик-лоприсоединение.
Использование микроволнового излучения (МВИ) в органической химии берет начало с 1986 г., когда впервые были опубликованы работы, показавшие возможность и эффективность микроволнового воздействия на реакционные смеси с целью ускорения реакций 1 2. В настоящее время накоплен значительный опыт применения МВИ в химии, опубликовано свыше 2500 работ 3' 4.
Изучение реакций, приводящих к образованию карбо- и гетероциклических продуктов, в условиях микроволнового излучения представляет существенный интерес, поскольку многие циклические соединения используются для получения различных биологически активных веществ.
O
OH
O
Cl
The review on reactions of reception carbo- and heterocyclic compounds under the influence of microwave radiation is adduced. Application of microwave radiation accelerates the reactions, in some cases at selection of optimum conditions it is possible to increase yield of products.
Key words: heterocyclic compounds; carbocyclic compounds; microwave radiation; acceleration; cyclization; cycloaddition.
Ранее результаты использования микроволнового нагрева в синтезе ряда циклических аце-талей и их гетероаналогов были обсуждены нами в обзоре 5. Получение циклических соединений по реакции Дильса-Альдера рассмотрено в работе 6. В настоящей работе обобщены полученные в последние годы результаты реакций синтеза гетеро- и карбоциклических соединений с использованием микроволнового нагрева.
В работе 7 изучено влияние микроволнового нагрева на получение хинизарина — 1. В литературе 8-11 описано несколько способов осуществления этой реакции, различающихся температурой нагрева реакционной смеси (160 — 210 оС) и длительностью синтеза (10—20 ч). Наибольший выход хинизарина 85% получен по методу, описанному в работе 11.
+ 2H3BO3
О
ОН
-E
-О
СООН ^
Дата поступления 03.09.09
+
о
о
о С1
о о
\г
Б
Время, мин Выход 1 (моногидрат Н2вО4, 100 % мощности), % Выход 1 (96%-ная Н2вО4, 80 % мощности), %
2 8.3
3 41.6 0
4 55.1
5 59.2 4.0
6 60.0 17.3
7 59.0
10 66.6
15 70.5
\
н+, н2о
При проведении реакции в условиях микроволнового нагрева с целью уменьшения смолообразования в реакционной смеси варьировались концентрация серной кислоты и мощность микроволновой установки. В результате в 26%-ном олеуме в качестве конденсирующей среды за 5 мин реакции выход продукта 1 составил 26.6%, но реакционная смесь содержала большое количество смолистых веществ. В 10%-ном олеуме за то же время выход 1 составил 57.5 %, и качество соединения соответствовало полученному при обычном нагревании. При замене олеума на моногидрат были получены результаты, приведенные в табл. 1 7.
Таблица 1
Синтез хинизарина в микроволновой установке
о
с количественным выходом целевых продуктов 2, 3, 4 (табл. 2).
Р.
2/
:СС12
<>= СН2 -2
И1 = СН3 (2), Н, И2 = РЬ (2), СН2С1 (3)
СН3
С\ ^ СН2 СН2 СН^ 2
:СС12
СН
СС12
2,3
СН3
' С\СН^СН2^
СС12
:СС12
СН3
С
СН2
/СН2 "СН I
^ СС12 4 СС12 4 (смесь изомеров)
Таблица 2
Дихлоркабенирование непредельных углеводородов
Замена фталевого ангидрида на фталевую кислоту позволила снизить температуру реакции, однако отрицательно сказалась на выходе хинизарина 7. Таким образом, при использовании МВИ продолжительность синтеза хинизарина была сокращена до 15 мин.
Авторами 12 найдено, что микроволновый нагрев является эффективным методом стимулирования дихлоркарбенирования в межфазной системе, поскольку позволяет сократить продолжительность реакций до 10—15 мин
Соединение Способ нагрева Время
2 д 2.5-3 ч
2 МВИ 10-15 мин
3 д 7 ч
3 МВИ 1 ч
4 д 5-6 ч
4 МВИ 10-15 мин
В работе 13 установлено неожиданное направление реакции дивинилсульфоксида с О-алкилкарбонодитиоатами калия при воздействии МВИ. В случае с О-бутилкарбоноди-тиоатом калия выход 1,4-дитиан-1-оксида 5 после 10 мин обработки реакционной смеси МВИ (450 Вт) в системе ЫаНС03/Н20 составил 31%, тогда как в обычных условиях в по-
1
добной системе наблюдается образование О-алкил-Б-[2-(винилсульфинил)этил]карбоно-дитиоатов.
РОч
. БК
О
Р = Б1, Ви
ЫаНСО^О МВИ
О
Б
Б= О
5
(СООБ1)2 О
ЫН2
составляла 10—15 мин при мощности микроволнового нагрева 70 Вт 19.
НОС2Н4— ЫН ОН Н2С СН2
Н
+ О= С
\
Р
-Н2О
НОС2Н4—Ы О
7
Таблица 3
Выход продуктов 7 под действием МВИ
Также неожиданное направление получила в условиях микроволнового воздействия реакция взаимодействия гидразида антранило-вой кислоты с диэтилоксалатом, приводящая к образованию 3-амино-3,4-дигидрохиназолин-4-она 6 14. Согласно литературным данным 15, при обычном нагревании исходной смеси продуктом взаимодействия является 3-амино-2-этоксикарбонил-3,4-дигидрохиназолин-4-он.
Я Выход, %
РИ 80
/-Рг 83
/-Ви 81
4-Мео 85
В работе 20 установлено, что применение МВИ позволяет в 2—3 раза сократить продолжительность синтеза 5-замещенных тетразолов при взаимодействии нитрилов различного строения с азидом натрия в воде в присутствии 2иС12.
РСЫ + ЫаЫ3 -
2пС!2
Р
Н2О, МВИ
V 8
6
Изменение направления реакции при использовании МВИ является далеко не единственным примером, окончательного объяснения которому пока не дано. Большинство исследователей связывают его с различной полярностью исходных и промежуточных соединений.
Гетероциклизации диэтаноламина с альдегидами и кетонами в зависимости от реакционной способности исходных реагентов длится 4—12 ч с выходами целевых продуктов 7 65—95 % 16-18. Отличные выходы указанных соединений (табл. 3) были получены при проведении реакций в условиях МВИ без растворителя, при этом продолжительность синтеза
Исследования химии тетразолов с использованием микроволновой активации проанализированы в обзоре Г. И. Колдобского 21, где также отмечены высокие выходы тетразолов при одновременном сокращении времени реакции на 1—2 порядка.
С использованием МВИ решена проблема повышения региоселективности в реакции получения замещенных птеридинов 22. В присутствии кислого оксида алюминия под воздействием МВИ без растворителя в течение 4 мин были получены 6-замещенные, в присутствии нейтрального оксида алюминия — 7-замещенные 1,2,3,4-тетрагидроптеридин-2,4-оны (табл. 4).
Проведение микроволновых реакций без растворителя с использованием оксида алюминия, глин, цеолитов и других твердых носителей является доказавшим свою эффективность
Таблица 4
Выходы замещенных птеридинов под действием МВИ
+
6-Замещенные птеридина Выход, % 7-Замещенные птеридина Выход, %
9а 71 10а 75
9б 63 10б 71
9в 68 10в 75
9г 65 10г 69
9д 79 10д 72
9е 70 10е 73
кисл. А!20з
O
R
о \ о /
/ R1 \ H
О
ЫН2
+
^ ^ ЫН2 р
9, 10, К = Н, И1 = Ме (а), РЬ (б), п-С1С6Н4
удобным методом синтеза множества органических соединений 23-25, отнесенным исследователями к методам «зеленой химии».
Также в условиях МВИ и в отсутствие растворителя авторами 26 разработан эффективный метод синтеза бензопиранопиримиди-нов. Обращает на себя внимание тот факт, что наилучшие выходы целевых продуктов были получены в условиях МВИ, без растворителя, кислотного катализатора и твердого носителя (табл. 5). Этот способ синтеза уже можно с полной уверенностью определить как метод «зеленой химии».
О
+ РСНО + Н21\1С1\1Н2-»►
X
R1
9а-е
R O
нейтр. А!20з
R O
10а-е
R
R
(в); И = Ме, И1 = Ме (г), РЬ (д), п-С1С6Н4 (е).
Применение микроволнового нагрева в реакции конденсации ацетофенона с тиомо-чевиной в присутствии иода способствовало сокращению продолжительности процесса в 280 раз по сравнению с обычным нагревом при сравнимых выходах целевого 2-амино-4-фенилтиазола (12) — более 90% 27.
Г\У
о
СНз
fS
+ |2 + h2n\ / nh2 s
n
s
nh2
12
OH
о ^O
R
В работе 27 предложен эффективный одностадийный метод синтеза хинолинов из анилинов и алкилвинилкетонов под действием хлорида индия (III) на поверхности силикаге-ля в условиях МВИ, без растворителя (табл. 6).
X 11
R = Ph (а,б), 1,3-2Н-бензодиоксол-5-ил (в,г), 3-индолил (д,е), 2-хлорхинолин-3-ил (ж,з); Х = О (а,в,д,ж), S = (б,г,е,з).
Выходы соединений 11а-з в различных реакционных условиях
Таблица 5
Соединение А МВИ, нейтрал. AI2O3 МВИ
Время, ч Выход, % Время, мин Выход, % Время, мин Выход, %
11а 12 59 4.5 70 2.6 94
11 б 13 54 4.9 68 2.2 92
11 в 15 56 5.1 65 2.9 93
11 г 14 58 5.4 67 3.1 95
11Д 16 52 6.2 63 3.3 90
11 е 18 50 6.0 61 3.4 88
11ж 19 48 7.4 60 4.1 86
11з 17 50 7.1 62 4.3 87
Выходы хинолинов 13а-п под действием МВИ
Соединение R1 R2 R3 R4 Выход, %
а H H H Me 85
б 2-Me H H Me 81
в 3-Me H H Me 84
г 4-Me H H Me 85
д 2-OMe H H Me 80
е 4-OMe H H Me 83
ж 3-OH H H Me 81
з 3-Cl H H Me 87
и 4-Cl H H Me 80
к 4-Br H H Me 80
л 2-Me-4-I H H Me 83
м C4H4 H H Me 82
н H Me H p-MeOCaH4 81
о 3-Cl Me H p-MeOCaH4 83
п H Prn Et Me 55
R1
R3
R4
NH2
R'
R4
O
InCl3/SiO2
R1
R3
13а-п
Как следует из табл. 6, выходы хинолинов 13 не зависят от природы заместителей в исходных соединениях. Авторы работы 28 отмечают, что без использования силикагеля реакция протекает вяло, а отсутствие катализатора на силикагеле приводит к образованию иминов.
Теми же авторами разработан удобный одностадийный метод синтеза полизамещен-ных пирролов 14а-р (табл. 7) 29. Взаимодействие исходных реагентов происходит на поверхности силикагеля (ИР 254) при микроволновом нагреве в отсутствие растворителя.
э2
R2
R
R1
+ R4NH2 + MeCH2NO2-
SiO2
O
Me
N
. R3
Р4 14а-р
Из табл. 7 видно, что применение МВИ позволяет в среднем в 2 раза увеличить выход продуктов.
На настоящем этапе развития микроволновой химии эффективность применения МВИ для ускорения реакций неоспорима, и основные закономерности протекания реакций под воздействием этого вида излучения определены. Однако остается еще много вопросов и спорных суждений о причинах так называемых «микроволновых эффектов». Как правило, авторы большинства работ в этой области склонны называть любой полученный в результате применения МВИ эффект микроволновым. Зарубежные ученые осторожно разделяют эффекты на термические и нетермические. К термическим эффектам относят быстрый и объемный нагрев, селективный нагрев наиболее полярных компонентов смеси, перегрев растворителя выше температуры кипения, локальный перегрев твердых компонентов. О специфических микроволновых эффектах судить труднее, так как при эксплуатации как специализированных микроволновых лабораторных установок, так и установок на основе бытовых печей, невозможно полностью отделить термический компонент.
Литература
1. Gedye R. N., Smith F. E., Westway K. C., Baldisera L., Laberge L., Rousell J. // Tetrahedron Lett. - 1986.- V. 27.- P. 279.
2. Giguere R. J., Bray T. L., Duncan S. M., Majetich C. // Tetrahedron Lett. - 1986.-V. 27.- P. 4945.
3. Microwave in organic synthesis / Ed.: A. Loupy. -Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2006.- V. 1.- 523 p.
4. Рахманкулов Д. Л., Бикбулатов И. Х., Шулаев Н. С., Шавшукова С. Ю. Микроволновое излучение и интенсификация химических процессов. - М.: Химия, 2003. - 220 с.
5. Рахманкулов Д. Л., Шавшукова С. Ю. Латыпо-ва Ф. Н. // ХГС.- 2005.- № 8.- С. 1123.
+
2
Выходы пирролов 14а-р под действием МВИ
Соединение R1 R2 R3 R4 Выход, %
SiO2 ТГФ, Д
а Ph Н H PhCH2 60 30
б Ph Н Ph PhCH2 65 32
в Ph Н Me PhCH2 64 35
г H Н Me PhCH2 60 31
д H Н Me цикло-C6H11 60 32
е Ph Н H C(Ph)HMe 62 33
ж Ph Н Me C(Ph)HMe 66 33
з Ph Н H г-Pr 64 35
и Н Me i Pr 68 36
к О Н Me PhCH2 72 40
л Prn Et H PhCH2 60 28
м Prn Et H цикло-C6H11 65 35
н Ph Н H n-Pr 62 31
о Ph Н Me n-Bu 65 40
п Ph Н H n-Bu 61 32
Р -(CH2)4- Me n-Bu 68 40
6. Рахманкулов Д. Л., Шавшукова С. Ю. Латыпо-ва Ф. Н., Зорин В. В. // Башкирский химический журнал.- 2002.- Т. 9, № 1.- С. 26.
7. Ельцов А. В., Соколова Н. Б., Григорьев А. Д. и др. / / ЖОрХ.- 2002.- Т. 72.- Вып. 2.-С. 276.
8. Methoden der Organischen.- Stuttgart, 1979.-Bd. 7.- S. 97.
9. Лабораторный практикум по синтезу промежуточных продуктов и красителей / Под ред. Ель-цова А. В. - Л.: Химия, 1985.- С. 71.
10. Фирц-Давид Г. Э., Бланже Л. Основные процессы синтеза красителей.- М.: ИИЛ, 1957. -С. 216.
11. Пат. DE 2830554 A1 (1980). Германия // РЖХ. - 1981.- 5Н227П.
12. Арбузова Т. В., Злотский С. С., Рахманкулов Д. Л. // Баш. хим. журнал.- 2005.- Т. 12, № 2.- С. 19.
13. Гусарова Н. К., Ясько С. В., Чернышева Н. А., Корчевин Н. А., Трофимов Б. А. / / ЖОХ. -2008.- Т. 78.- Вып. 4.- С. 696.
14. Шемчук Л. А., Черных В. П., Арзуманов П. С. и др. // ЖОрХ. - 2007.- Т. 43.- Вып. 4.-С. 617.
15. George T., Mehta D. V., Tahilramoni R. // Indian. J. Chem. - 1971. - V. 19.- P. 755.
16. Хрусталев Д. П. Автореф. дис. ... канд. хим. наук. - Караганда, 2003.
17. Фазылов с. Д., Газалиев А. М., Хрусталев Д. П. // ЖОХ. - 1999.- Т. 69.- Вып. 11.- С. 1931.
18. Хрусталев Д. П., Фазылов с. Д., Газалиев А. М. // Стереоселективное взаимодействие эфедрино-вых алкалоидов с фенилпропиоловым альдегидом / Юбилейный сборник научных трудов «Проблемы химии центрального Казахстана». — Караганда, 1998.— С. 138.
19. Хрусталев Д. П., Сулейменова А. А., Фазылов С. Д., Газалиев А. М. // ЖОХ. - 2007.Т. 77.- Вып. 5.- С. 875.
20. Мызников Л. В., Roh J., Артамонова Т. В., и др. // ЖОрХ.- 2007.- Т. 43, Вып. 5.- С. 767.
21. Колдобский Г. И. // ЖОрХ.- 2006.- № 42. -С. 487.
22. Singh R., Geetanjali // ЖОрХ.- 2006.- Т. 42, Вып. 1.- С. 142.
23. Банержи А. К., Лайа Мимо М. С., Вера Вегас
B. Х. Силикагель в органическом синтезе // Успехи химии.- 2001.- № 70 (11).- С. 1094.
24. Rrice P. M., Clark J. H., Macquarries D. J. // Chem. Soc., Dalton Trans.- 2000.- P. 101.
25. Clark J. H. // Pure Appl. Chem.- 2001.-N 73.- P. 103.
26. Kidwai M., Saxena S., Mohan R. // ЖОрХ. -2006.- Т. 42.- Вып. 1.- С. 60.
27. Хрусталев Д. П., Сулейменова А. А., Фазылов
C. Д. // ЖПХ. - 2008.- Т. 81.- Вып. 5.-С. 863.
28. Ranu B. C., Hajra A., Jana U. // Tetrahedron Lett.- 2000.- V. 41.- P. 531.
29. Ranu B. C., Hajra A., Jana U. // Synlett. -2000.- P. 75.
