CC BY
9
УДК 665.1.09
Девятых А.С., Бухаркина Т.В., Вержичинская С.В., Варламова Е.В., Воронов М.С., Староверов ДВ.
СИНТЕЗ И ОКИСЛЕНИЕ НЕКОТОРЫХ МЕТИЛПИРАЗОЛОВ
Девятых Артем Сергеевич - магистрант 1 года обучения кафедры химической технологии углеродных материалов;
Бухаркина Татьяна Владимировна - доктор химических наук, зав. кафедрой химической технологии углеродных материалов;
Вержичинская Светлана Владимировна - кандидат химических наук, доцент кафедры химической технологии углеродных материалов;
Варламова Елена Владиславовна - ведущий инженер кафедры химической технологии основного органического и нефтехимического синтеза;
Воронов Михаил Сергеевич - кандидат химических наук, ассистент кафедры химической технологии основного органического и нефтехимического синтеза;
Староверов Дмитрий Вячеславович - кандидат химических наук, доцент кафедры химической технологии основного органического и нефтехимического синтеза;
:ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрен синтез и каталитическое аэробное окисление ряда моно- и диметилпиразолов с целью получения моно- и дикарбоновых кислот как ценных промежуточных веществ получения ряда продуктов тонкого органического синтеза и синтеза полимеров со специальными свойствами. Предложены направления совершенствования процесса.
Ключевые слова: метилпиразолы, аэробное окисление, гомогенный катализ. SYNTHESIS AND OXIDATION OF SOME METHYLPYRAZOLES
Devyatykh A.S.1, Bukharkina T.V.1, Verzhichinskaya S.V.1, Varlamova E.V. 1, Voronov M.S. 1, Staroverov D.V. 1 1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article deals with the synthesis and catalytic aerobic oxidation of a number of mono - and dimethylpyrazoles for the production ofmono-and dicarboxylic acids as valuable intermediates for the production of a number ofproducts offine organic synthesis and the synthesis ofpolymers with special properties. Directions for improving the process are proposed.
Keywords: methylpyrazoles, aerobic oxidation, homogeneous catalysis
Введение
В настоящее время карбоновые кислоты на базе структурной единицы пиразолов получают окислением соответствующих метилзамещенных гетероароматических соединений путем их взаимодействия с сильными неорганическими окислителями, такими как перманганат калия KMnO4, бихромат калия К2СГ2О7, азотная кислота ИКОз. [1-3]. Все эти соединения образуют трудноутилизируемые отходы, часто наносящие вред окружающей среде за счет образования продуктов восстановления марганца, хрома и азота. Кроме того, они достаточно дороги, в связи с чем встают вопросы как снижения экологического вреда, так и удешевления производства пиразолкарбоновых кислот, которые в настоящее время находят применение не только в качестве промежуточных продуктов синтеза биологически активных веществ, но и как один из мономеров для получения полимеров с уникальными свойствами. В рамках данного исследования решались две задачи: получение 3,5-диметилпиразола простым синтетическим методом и окисление его до моно- и дикарбоновой кислот дешевым, доступным и безопасным кислородом воздуха в присутствии гомогенных катализаторов.
Экспериментальная часть
1. Получение 3,5-диметил-пиразола
Синтез 3,5-диметилпиразола проводили по методике [4] путем конденсации сернокислого гидразина с ацетил ацетоном:
сн5
О О МаОН Г—К
^ 5 н
В трехгорлой колбе емкостью 250 мл, снабженной капельной воронкой, механической мешалкой и термометром, растворяли 13 г сернокислого гидразина в 80 мл 10% раствора КаОИ. К раствору медленно по каплям при температуре 15-20 °С в течение 30 мин прибавляли 10 г ацетилацетона. Реакционную смесь перемешивали в течение 1 ч при этой температуре, затем прибавили 40 мл воды для растворения осадка неорганических солей и перенесли в делительную воронку. Образовавшийся пиразол экстрагировали эфиром (3 х 25 мл). Масса полученного 3,5-диметилпиразола составила 7,03 г (выход 70 %). Температура плавления 108-109 °С, что отвечает справочному значению.
2. Окисление 3,5-диметилпиразола и его аналогов.
Следующим этапом исследования был выбор условий окисления полученного продукта.
Для этого выбрали параметры процесса, соответствующие окислению аналога
диметилзамещенного пиразола, м-ксилола. Они представлены в работе [5]. Полученный продукт подвергали каталитическому окислению в растворе ледяной уксусной кислоты в автоклаве под давлением воздуха в присутствии катализатора на основе ацетата кобальта, промотированного бромидом натрия и ацетатом марганца.
Окисление м-ксилола не требует повышения давления окислителя, однако введение в кольцо двух атомов азота снижает стабильность первичного радикала, образование которого определяет скорость окисления реагента в целом. По этой причине следует ожидать замедления окисления диметилпиразола по сравнению с диметилбензолом. В связи с этим реакцию проводили в автоклаве при t=130 °С и давлении воздуха 20 атм. Тем не менее, расходования исходного вещества, по данным ВЭЖХ, не наблюдалось. Очевидно, следует предположить, что окисляемость 3,5-диметилпиразола намного ниже ожидаемой, и реакция требует существенного изменения условий процесса.
Для выбора направления исследования в дальнейшем использовали модельное вещество -монозамещенный 4-метилпиразол. Такой субстрат выбран по той причине, что окисление подобных замещенных углеводородов протекает в две стадии, например,:
сосн
Образование первой карбоксильной группы резко тормозит процесс окисления, часто сопровождаясь дезактивацией каталитической системы. Это торможение особенно сильно, если карбоксильные группы близко расположены и способны образовать хелатный комплекс с металлом-катализатором. Для исключения такой возможности и было выбрано вещество, в результате окисления которого может образоваться только одна группа -СООН.
Возможность получения монокарбоновой кислоты из этого соединения была доказана путем его окисления перманганатом калия в щелочной среде. Условия процесса:
смесь 4-метилпиразола (0,45 г, 5,5 ммоль) и 20 мл воды нагревали до 60°С в стакане объемом 100 мл. В полученную смесь, представляющую собой водный раствор 4-метилпиразола (~1 мас.%) при интенсивном перемешивании небольшими порциями добавляли порошкообразный KMnO4 (4 г, 25 ммоль), поддерживая температуру экзотермической реакции в интервале между 85 и 90°С После добавления всего перманганата калия смесь кипятили с обратным холодильником в течение 1 ч.
Рисунок 1. Хроматограмма реакционной массы окисления 4-метилпиразола перманганатом калия в щелочной среде. 4,66 - пиразол-4-карбоновая кислота, 6,04 и 6,66 - уксусная кислота, 13,81 - неизвестный компонент.
Далее смесь охладили до комнатной температуры, визуально наблюдая выпадение бурого осадка оксида марганца MnO2. Затем смесь отфильтровали и подкислили уксусной кислотой до нейтральной реакции, и из водного раствора была отобрана проба для анализа на ВЭЖХ. Результаты анализа представлены на рисунке 1.
Из рисунка следует, что практически весь 4-метилпиразол окислен до соответствующей кислоты. Для подтверждения результата в пробу дополнительно ввели 4-пиразолкарбоновую кислоту, при этом положение пика 4,66 мин не изменилось.
Таким образом, было показано, что при окислении замещенного пиразола сильным окислителем удается получить монокарбоновую кислоту без разрушения гетероцикла. Этот факт позволил перейти к поиску условий каталитического окисления исходного вещества воздухом при повышенном давлении.
Методика проведения процесса:
В химический стакан последовательно внесли навески компонентов каталитической системы (ацетаты кобальта, марганца, бромид калия), далее при перемешивании с помощью магнитной мешалки
добавили 30 мл уксусной кислоты для растворения солей катализатора. Затем внесли в раствор 0,33 г 4-метилпиразола. Далее раствор (сине-фиолетового цвета) загрузили в автоклав, добавили оставшееся количество (10 мл) уксусной кислоты.
Загрузка компонентов представлена в таблице 1.
Перед началом нагрева автоклав и газовую линию в течение 2 мин продували азотом. Затем в реактор подали кислород до давления в системе 15 ати. Начальная температура составляла 21°С. Нагрев до
130°С осуществляли в течение 25 мин, давление в системе подняли до 21 ати. Этот момент принимали за начало реакции. В следующие 40 мин наблюдалось повышение температуры до 133 °С и рост давления до 22,5 ати. Синтез при 133 °С вели в течение 90 мин. Далее смесь охлаждали под азотом в течение 1,5 ч до температуры 50 °С. Затем реакционную массу бурого цвета выгружали из реактора, и анализировали методом ВЭЖХ. Результаты анализа представлены на рисунке 2.
Таблица 1.
Загрузка компонентов реакционной массы
Компонент Количество, ммоль М, г/моль т, г Концентрация, моль/л
4 -метилпир азол 4 82 0,33 0,1
Со (ОАсМШО 4 249 1,00 0,1
Мп (0Ас)2-4Ы20 1,3 245 0,32 0,033
КБг 8,5 119 1,01 0,21
СНзСООЫ 700 60 42 16,7
ш\
1М
ио
116
1:0
1»
но
1С*
(гЬ1
£
Рисунок 2. Хроматограмма реакционной массы каталитического окисления 4-метилпиразола. 3,69 4-карбоновая кислота, 4,96 и 5,67 - уксусная кислота, 7,44 - 4-метилпиразол, 10,86 -
неидентифицированный компонент.
пиразол-
Конверсия исходного вещества составила 76,4 %, выход целевого продукта - 44 %. Очевидно, что расхождение следует отнести на счет образовавшегося компонента, который не удалось идентифицировать. Этот побочный продукт выходит
из колонки позже исходного вещества, что дает основание полагать его результатом последующего декарбоксилирования пиразол-4-карбоновой кислоты до незамещенного пиразола:
МИ 02 20 аг
им
СО/МП/БГ
соои
СО/МП/БГ
С02
Для подтверждения возможности
последовательной стадии провели доокисление оксидата, охарактеризованного хроматограммой на рисунке 2, в приведенных выше условиях в течение 1 час. Конверсия 4-метилпиразола увеличилась
примерно до 80 %, а выход кислоты упал до 20 %, что косвенно свидетельствует о возможности стадии разложения целевого продукта, в частности, за счет его декарбоксилирования.
В завершение исследования провели окисление дизамещенного 1,4-диметилпиразола в условиях окисления 4-метилпиразола. За 60 мин окисления практически полностью окислилась метильная группа, находящаяся в 4-положении, положение 1 оказалось незатронутым. При этом
неидентифицированные вещества обнаружились в следовых количествах. Следовательно, введение второй метильной группы в кольцо гетероцикла приводит к активации по отношению к действию окислителя первой из них. Такое положение полностью аналогично упомянутому ранее окислению замещенных ароматических
углеводородов типа о-, м- и и-ксилолов. Каждый из этих углеводородов окисляется по первой группе более легко, чем толуол, но дальше наступает торможение процесса. Повышенную устойчивость второго заместителя обычно объясняют отрицательным индукционным эффектом
карбоксильной группы, однако этот факт не делает безнадежным процесс в целом. Разработаны катализаторы, обладающие повышенной
активностью в жидкофазном окислении ароматических углеводородов, которые способны вовлекать в реакцию даже весьма устойчивые вещества. Особенности химии и технологии соединений ароматического ряда, содержащих более одного метильного заместителя, изложены, например, в монографии [6].
Заключение
В результате проделанной работы установлено, что существует принципиальная возможность окисления моно- и дизамещенных метилпиразолов до монокарбоновых кислот. Намечены перспективы увеличения глубины окисления исходного сырья до дикарбоновых кислот. Аналогии в окислении хорошо изученных ароматических углеводородов и
пиразолов позволяют предположить, что пути совершенствования получения пиразолкарбоновых кислот также лежат в области оптимизации состава катализатора, поиска эффективных промоторов и выбора условий осуществления реакции. Успех на этом пути позволит перейти к более экологически безопасному и экономически выгодному способу производства ценных карбоновых кислот на основе гетероциклических соединений.
Список литературы
1. Aran Vicente J. at al., Synthesis and Protonation Behavior of 26-Membered Oxaaza and Polyaza Macrocycles Containing Two Heteroaromatic Units of 3,5-Disubstituted Pyrazole or 1-Benzylpyrazole. A Potentiometric and 1H and 13C NMR Study // Journal of Organic Chemistry, Vol.64, №17, (1999), p.6135 - 6146. DOI: 10.1021/jo981699i.
2. Виноградова Н.Б., Хромов-Борисов Н.В.. Производные дикарбоновых кислот. I. Алкилированные амиды имидазол-4,5-дикарбоновой кислоты // Ж. общ. химии, 31, 1466-1470 (1961).
3. Adeniyi A.A., Ajibade P.A., Experimental and theoretical investigation of the spectroscopic and electronic properties of pyrazolyl ligands // Spectrochimica Acta. Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, Vol.133 (2014) p.831-845. DOI: 10.1016/j.saa.2014.06.030
4. Теренин В.И., Ливанцов М.В., Ливанцова Л.И. и др. Практикум по органической химии, М., Бином, 2015, 570 с
5. Лебедев Н.Н. , Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза, М., Химия, 1988, 592 с., ил.
6. Овчинников В.И., Назимок В.Ф., Симонова Т.А. Производство терефталевой кислоты и ее диметилового эфира. М.: Химия, 1982. 232 с., ил.
