CC BY
42
УДК 620.193:620.197
РЕАКЦИЯ ПРИРОДНОГО ТЕРПЕНА - КАМФЕНА С ТИОЦИАНАТАМИ ПРИ КАТАЛИЗЕ ГЕТЕРОПОЛИКИСЛОТАМИ
@ А.В. Архипова , К.В. Малкова, Т.Н. Соколова, В.Р. Карташов
Нижегородский государственный технический университет, ул. Минина, 24,
Нижний Новгород, 603600 (Россия) Е-mail: arhipov@afngtu.ru
Исследована реакция некоторых тиоцианатов с камфеном при катализе гетерополикислотами H3PW12O40 и H4SiW12O40. Найдены оптимальные условия проведения реакции. Установлено, что во всех изученных реакциях с достаточно высокими выходами образуются N-замещенные тиокарбаматы. Сделан вывод, что ГПК активнее, чем H2SO4.
Введение
В последнее время значительное внимание уделяется химическим превращениям терпеновых соединений, что обусловлено их доступностью и химической активностью. Особый интерес вызывают кислотно-катализируемые превращения терпенов, поскольку протекающие при этом перестройки углеродного скелета дают возможность реализовать необычные превращения и открывают пути селективного получения ценных веществ или новых соединений.
Одним из свойств бициклогептановых производных является их биологическая активность, по этой причине некоторые из них (например камфара, бромкамфара) нашли широкое применение в фармакологии и медицине. В связи с этим в настоящей статье рассмотрены синтетические возможности реакции Риттера для количественного получения новых соединений бициклогептанового ряда с изучением в перспективе их биологической активности.
До последнего времени в литературе встречались лишь единичные примеры использования тиоцианатов в химии терпеноидов, что, по-видимому, объясняется сложностями, возникающими при таких исследованиях. Так, изучалось взаимодействие тиоцианатов с камфеном по реакции Риттера в присутствии концентрированной серной кислоты с последующим гидролизом [1]. Приведенные в работе данные показывают принципиальную возможность этой реакции в гомогенных кислотных средах. Предложенный метод применяется для получения N-замещенных тиокарбаматов, но в некоторых случаях с достаточно низкими выходами. Реакция камфена с бензилтиоцианатом и фенилтиоцианатом при данных условиях вообще не протекает.
Учитывая сказанное, нами изучена возможность получения тиокарбаматов по реакции Риттера при использовании в качестве катализаторов наиболее типичных гетерополикислот H3PWi2O40 и H4SiWi2O40. Для катализа принципиальное значение имеет высокая бренстедовская кислотность гетерополикислот (ГПК), значительно превосходящая в этом отношении обычные минеральные кислоты и традиционные кислотные катализаторы.
Структура гетерополикислот (ГПК), их уникальные физико-химические свойства и преимущества гомогенных и гетерогенных кислотных катализаторов рассматриваются в работах [2-4].
В настоящей статье представлены результаты исследования взаимодействия метилтиоцианата (1а), этил-тиоцианата (1b) и бензилтиоцианата (1с) с природным терпеном - камфеном (2) в присутствии ГПК.
* Автор, с которым следует вести переписку.
Экспериментальная часть
В работе использованы коммерческие препараты ГПК 12-го ряда H3PW12O40 и H4SiW12O40 марки «ч» без дополнительной очистки. Исходный оптически активный камфен {[<я]?2о + 12,5° (с 11,6, CHCl3)}, который, по данным ГЖХ, содержит 10% трициклена, доводили до чистоты не менее 99% перекристаллизацией из EtOH, т. пл. 50 оС (ср. [5]: 50 °С). Уксусная кислота получена перегонкой кислоты марки «ос.ч.» на ректификационной колонке длиной 0,3 м. Коммерческие препараты 1а и 1с марки «хч», с чистотой 99 и 97% соответственно, использовали без предварительной очистки. Тиоцианат 1b получен по известной методике [6] (относительная плотность 1,020 - отношение плотности вещества (г/мл) при 16 °С к плотности воды при 4оС). Технический изоборнеол доводили до чистоты 96% (по данным анализа ГЖХ) методом дробной перекристаллизации из этилового спирта. Диэтиловый эфир, этиловый спирт и н-гексан марки «хч» очищали по известной методике [7].
Контроль чистоты исходных веществ и анализ продуктов реакции осуществляли методом ГЖХ на хроматографе «Chrom 5» с пламенно-ионизационным детектором, колонкой 30000*10 мм со стационарной фазой ПФМС-4 (15%) на Хроматоне N-AW-DMSC (0,20-0,25 мм), температура термостата - 180-190 °С, температура испарителя - 200 °С, давление газа-носителя азота - 2,5 атм.
Расчет количества компонентов реакционной смеси осуществляли методом внутреннего стандарта (N-(1,7,7-триметилнорборнил)-пропионамид). Относительная погрешность единичного анализа при доверительной вероятности 0,95 лежит в пределах ±2%. За результат анализа принимали среднее значение трех параллельных опытов.
ТСХ проводили на силикагеле марки LSL 5/40.
Спектры ЯМР 1Н (200 МГц) и 13С (32 МГЦ) записывали на спектрометре АС-200 фирмы «Bruker». В качестве внутреннего стандарта использовали сигнал растворителя - CDCl3, 5 7,24, 5С 76,90 м.д. Строение полученных соединений устанавливали с помощью спектров ЯМР 1Н и 13С.
Элементные составы полученных соединений определены из масс-спектров высокого разрешения, полученных на приборе «Finnigan MATINCOS 50». Образцы готовили в виде таблеток с KBr либо в виде суспензии с вазелиновым маслом.
Выходы продуктов реакций рассчитаны на исходное количество камфена.
Общая методика проведения эксперимента. Синтезы проводили в стеклянном термостатированном реакторе, снабженном обратным холодильником, как в [3], при различных температурах в течение 2-8 ч. После завершения реакции полученную реакционную смесь экстрагировали диэтиловым эфиром в объеме, равном половине объема водной фазы. Органическую фракцию промывали 10%-ным раствором NaOH, затем водой до нейтральной реакции водной вытяжки. Далее проба сушилась над Na2SO4 в течение 24 ч. Органический слой анализировали методом ГЖХ. Для получения чистых образцов продуктов растворитель удаляли при пониженном давлении. Кристаллический остаток перекристаллизовывали из н-гексана до постоянной температуры плавления кристаллов.
К-(1,7,7-триметилнорборнил)-метилтиокарбамат (3а). К 2,68 г (0,93 ммоля) гетерополикислоты H3PW12O40, предварительно смоченной 0,4 мл (22,24 ммоля) воды, прибавляли раствор из 4 мл метилтио-цианата (57,9 ммоля) и 0,246 г (1,79 ммоля) камфена. Выдерживали в течение 4 ч при температуре 65 °С. Получено 0,16 г (40%) 3а, т. пл. 80 °С. Найдено (%): С, 63,37; Н, 9,28; N, 6,26. C12H21NOS. Вычислено (%): С, 63,44; Н, 9,25; N, 6,17.
Масс-спектр (ЭУ, 70 эВ), m/z (1отн (%)): 227 [M]+ (25); 175 (10); 137 (18); 122 (68); 106 (12); 93 (96); 79 (35); 54 (8); 41(10).
Спектр ЯМР 1Н (CDCl3, 5, м.д.): 0,93 (с, 3Н, C(1)Me); 3,90-3,92 (м, 1Н, С(2)Н); 1,08-1,38 (м, 2Н, С(3)Н);
1,78-1,92 (м, 1Н, С(4)Н); 1,52-1,78 (м, по 2Н, С(5)Н, С(6)Н); 0,84 (с, по 3Н, C(7)Me); 1,92-2,02 (т, 3Н, SMe);
5,21 (с, 1Н, NH).
Спектр ЯМР 13С (CDCl3, 5, м.д.): 48,9 С(1); 59,1 С(2); 39,1 С(3); 44,9 С(4); 27,0 С(5); 35,9 С(6); 47,1 С(7);
20,3 (2CH3, CH3C(7)); 11,8 (CH3C(1)); 12,5 (CH3, COSCH3); 167,0 (CO, COSCH3).
К-(1,7,7-триметилнорборнил)-этилтиокарбамат (3b). К 1,34 г (0,46 ммоля) гетерополикислоты H3PW12O40, предварительно смоченной 0,2 мл 11,11 ммоля) воды, прибавляли раствор из 3 мл этилтиоциана-
та (21,2 ммоля) и 0,12 г (0,88 ммоля) камфена. Выдерживали в течение 4 ч при температуре 65 °С. Получено
0,09 г (42%) 3Ь, т. пл. 91 °С. Найдено (%): С, 65,7; Н, 9,52; N 5,5. С13Н23Ш8. Вычислено (%): С, 64,7; Н, 9,54; N 5,8.
Масс-спектр (ЭУ, 70 эВ), ш/2 (1отн (%)): 241 [М]+ (25); 177 (18); 137 (38); 121 (69); 105 (12); 93 (95); 75 (33); 54 (12); 41(19).
Спектр ЯМР 'Н (СБС13, 5, м.д.): 0,94 (с, 3Н, С(1)Ме); 3,89-3,91 (м, 1Н, С(2)Н); 1,08-1,38 (м, 2Н, С(3)Н); 1,77-1,91 (м, 1Н, С(4)Н); 1,53-1,77 (м, по 2Н, С(5)Н, С(6)Н); 0,84 (с, по ЗН, С(7)Ме); 1,91-2,02 (т, 3Н, 8СН2-СН3); 5,21 (с, 1Н, КН).
Спектр ЯМР 13С (СБС13, 5, м.д.): 48,8 С(1); 59,3 С(2); 39,2 С(3); 44,7 С(4); 27,1 С(5); 35,8 С(6); 47,2 С(7);
20,3 (2СН3, СН3С(7)); 11,8 (СН3С(1)); 28,5 (СН2, СН3-СН28СО); 22,3 (СН3, СН3-СН28СО); 168,0 (СО, СН3-СН28СО).
К-(1,7,7-триметилнорборнил)-бензилтиокарбамат (3с). К 1,34 г (0,46 ммоля) гетерополикислоты Н3Р—12О40, предварительно смоченной 0,2 мл (11,11 ммоля) воды, прибавляли раствор из 0,2 г бензилтио-цианата (1,34 ммоля) и 0,12 г (0,88 ммоля) камфена в 3 мл уксусной кислоты. Выдерживали в течение 4 ч при температуре 65 °С. Получено 0,18 г (66%) 3с, т. пл. 87 °С. Найдено (%): С, 71,9; Н, 8,5; К, 4,3. С18Н25КО8. Вычислено (%): С, 71,3; Н, 8,3; К, 4,6.
Масс-спектр (ЭУ, 70 эВ), ш/2 (1отн (%)): 303 [М]+ (20); 212 (11); 180 (14); 137 (16); 124 (98); 109 (10); 91 (100); 81 (36); 55 (8); 41(12).
Спектр ЯМР 13С (СБС13, 5, м.д.): 49,3 С(1); 57,3 С(2); 36,2 С(3); 44,5 С(4); 26,1 С(5); 35,4 С(6); 46,2 С(7); 19,8, 20,3 (2СН3, СН3С(7)); 11,5 (СН3С(1)); 127,2, 127,5, 130,0 (Со, Ср, СШ); 136,4 (С,р,0); 28,8 (СН2, СО8СН2РИ); 166,8 (СО, О^СНРИ).
Обсуждение результатов
Результаты проведенных опытов показывают, что в исследуемых реакциях действительно образуются ожидаемые К-замещенные тиокарбаматы (3а-с) с достаточно высокими выходами.
Я8СК + 1 а-с
СН
Ме
Ме
2
О
3 а-с
2
Я = -Ме (а), -Е1 (Ь), -СН2С5Н5 (с)
Сравнение спектров ЯМР 13С и :Н очищенных продуктов со спектрами различных производных камфена [8] позволило идентифицировать полученные вещества. К-замещенные тиокарбаматы представляют собой белые кристаллы и по физико-химическим параметрам соответствуют описанным в литературе (3 а, 3Ь) [1], соединение 3 с в литературе не описано.
При использовании в качестве катализатора Н3Р—12О40 выходы соединений 3а-с после перекристаллизации продуктов, выделенных из реакционных смесей, составляли 40, 42 и 66% соответственно, тогда как при применении в качестве катализатора серной кислоты выход продуктов 3а и 3Ь был 34 и 19% соответственно, а соединение 3с не образовалось.
Полученные в настоящей работе данные показали, что эффективным катализатором в изученных реакциях является также гетерополикислота Н481—12О40. Но в целом ее каталитические свойства не превышают эффективность Н3Р—12О40, что соответствует близости силы этих кислот, так как кислотность вольфрамовых кислот слабо зависит от природы центрального атома [9].
Реакции проводились в избытке тиоцианатов 1а и 1Ь, так как они использовались в качестве не только реагентов, но и растворителей. Количество тиоцианатов определялось опытным путем до полного растворения
используемых катализаторов. Реакции протекали с добавками воды, так как без участия воды ГПК выпадает в осадок. Так же следует отметить, что небольшое количество воды обуславливает возможность оптимального выбора условий реакций, так как позволяет проводить реакции при достаточно низких температурах.
Полученные нами результаты взаимодействия 1а и 1Ь с камфеном отличаются от реакции того же оле-фина с 1с. При использовании бензилтиоцианата в качестве не только реагента, но и растворителя целевая реакция практически не идет. Реакция 1с с 2 проводилась в уксусной кислоте. Хотя ГПК структуры Кеггина в уксусной кислоте являются сравнительно слабыми электролитами, диссоциирующими только по первой ступени [10], по кислотности они превосходят на 2-5 единиц рК серную кислоту - традиционный кислотный катализатор [11].
Так, соединение 3с образуется после нагревания реакционной смеси с незначительным избытком тио-цианата при мольном соотношении камфен : тиоцианат, равном 1 : 1,48. Этот результат показывает, что при определенных свойствах растворителя тиоцианат можно использовать только как реагент, а не в качестве главной составляющей реакционной среды.
Анализ маточного раствора показал, что в системе, кроме соединения 3с, в небольших количествах образуется изоборнилацетат (5,5%), который был идентифицирован методом ГЖХ с использованием эталонного соединения, синтезированного по методике [6].
Нами были отработаны оптимальные концентрационные пределы применяемых кислот, температурные режимы, массовые соотношения реагентов. Основные результаты работы приведены в таблице. Как видно из таблицы, оптимальными условиями получения указанных тиокарбаматов являются: температура 65 °С, время проведения реакции - 4 ч и концентрация ГПК - 0,144 моль/кг.
Было установлено, что при повышении температуры более 80 °С реакционная масса, судя по цвету и кубовому остатку, осмоляется, что значительно снижает выход целевого продукта.
Учитывая данные, полученные в последние годы о реакциях камфена, катализируемых кислотными катализаторами [12], его взаимодействие с тиоцианатами можно представить следующей схемой:
Камфен, присоединяя ион водорода, образует камфенгидрокатион (А). Последний в результате перегруппировки Вагнера-Меервейна превращается в ион (Б), взаимодействие которого с тиоцианатами дает конечные продукты (3 а-с), а при взаимодействии с водой - изоборнеола (4), который обнаружен нами в реакционной среде в небольших количествах (9,6%). Изоборнеол был идентифицирован методом ГЖХ с использованием эталонного соединения. Однако это направление становится основным, если реакцию проводить при температурах 0-30 °С. В данных условиях изоборнеол образуется в количестве 65%, а основной продукт тиокарбамат - менее 1%. Следует отметить, что при температурах 50-70 °С стадия (Б) » (4) становится быстрой и возникновение продукта определяется скоростью взаимодействия катиона (Б) с тиоционатами.
А
2
4
Состав продуктов реакции тиоцианатов с камфеном в присутствии воды при катализе Н3Р’^2О/ю
Субстрат |qj2 iS £ Ü 3 x Температура, °С Продолжительность, ч Состав продуктов реакции, масс. %
Камфен + трициклен Изоборнеол Изоборнилаце- тат Тиоцианат Тиокарбамат и с е ! £
0,072 65 4 15,0 11,0 - 33,4 30,0 10,6
н 0,144 65 4 13,0 15,2 - 9,3 47,0 15,5
= 0,3 65 4 14,0 16,6 - 10,4 45,0 14,0
= 1S 0,144 20 4 18,7 14,4 - 75,5 - 4,5
© = 0,144 40 4 15,3 19,4 - 21,7 35 9,6
0,144 80 4 14,5 17,4 - 10,1 37,6 20,4
н 0,144 65 2 25,1 16,3 - 15,4 33,5 9,7
% 0,144 65 8 12,3 13,6 - 9,4 45,3 19,4
0,144 65 16 12,4 13,7 - 9,2 44,6 20,1
н 0,1 65 4 14,5 12,3 - 23,2 40,3 9,7
= 0,144 65 4 13,4 14,0 - 16,1 46,3 10,2
S я 0,2 65 4 14,1 15,8 - 9,8 43,8 16,5
= н 0,144 50 4 11,9 17,6 - 17,8 42,5 10,2
ч = 0,144 75 4 13,8 11,5 - 14,4 45,6 14,7
0,144 65 6 13,6 13,9 - 15,2 46,0 11,3
н = = 1S © = н м = О И 0,144 0,144 0,144 65 70 65 4 4 5 4,7 4.5 4.6 5,3 5,8 5,5 10,0 9,7 9,3 3,4 4,0 3,9 73,1 70,4 73,0 3.5 3.6 3.7
Выводы
1. Взаимодействием тиоцианатов с камфеном в присутствии гетерополикислот синтезированы N-(1,7,7-триметилнорборнил)-метилтиокарбамат, ^(1,7,7-триметилнорборнил)-бензилтиокарбамат и N-(1,7,7-триметилнорборнил)-этилтиокарбамат.
2. Было установлено, что побочным продуктом является изоборнеол, а также изоборнилацетат при взаимодействии камфена с бензилтиоцианатом.
3. Полученные данные показали, что использование ГПК в реакции Риттера позволяет существенно смягчить условия проведения последней.
Список литературы
1. Riemschneider R. Thiocarbamates and Related Compounds. X. A New Reaction of Thiocyanates // Journal of American Chemical Society. 1956. V. 78. P. 844-847.
2. Кожевников И.В., Матвеев К.И. Гетерополикислоты в катализе // Успехи химии. 1982. №11. С. 1875-1897.
3. Куликов С.М., Кожевников И.В., Фомина М.Н., Крысин А.П. Катализ гетерополикислотами деалкилирования производных 2,6-ди-трет-бутилфенола // Кинетика и катализ. 1986. №27. С. 752-756.
4. Кожевников И.В. Тонкий органический синтез с использованием гетерополисоединений // Успехи химии. 1993. №5. С. 510-528.
5. Справочник химика. М., 1964. Т. 2. С. 704.
6. Вейганд-Хильгетаг. Методы эксперимента в органической химии. М., 1968. 944 с.
7. Organikum. Organisch-chemisches Grundpraktikum. B., 1976. 442 р.
8. Титова Г.Ф., Фоменко В.В., Корчагина Д.В., Салахутдинов Н.Ф., Ионе К.Г., Бархаш В.А. Алкилирование бензола и некоторых его производных камфеном на широкопористом цеолите // Журнал органической химии. 1997. Т. 33. №5. С. 731-741.
9. Кожевников И.В. Успехи в области катализа гетерополикислотами // Успехи химии. 1987. №9. С. 1417-1441.
10. Тимофеева М.Н., Матросова М.М., Максимов Г.М., Лихолобов В.А. Исследование кислотных свойств гетерополикислот различных структур и составов в уксусной кислоте // Кинетика и катализ. 2001. Т. 42. №6. С. 862-867.
11. Куликов С.М. Исследование кислотных свойств гетерополикислот в ацетоне и уксусной кислоте методом электропроводности // Известия АН СССР. Серия химическая. 1981. №3. С. 498-512.
12. Фоменко В.В., Корчагина Д.В., Яровая О.И., Готилов Ю.В. и др. Взаимодействие спиртов с камфеном на цеолите в // Журнал органической химии. 1999. Т. 35. №7. С. 1031-1041.
Поступило в редакцию 9 июня 2006 г.
После переработки 22 декабря 2006 г.
