СИНТЕЗ НА ОСНОВЕ ЭФИРОВГЛИЦЕРИНА И ИЗУЧЕНИЕ ИХ ФИЗИКОХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ УДК 547.426.21.29

СИНТЕЗ НА ОСНОВЕ ЭФИРОВГЛИЦЕРИНА И ИЗУЧЕНИЕ ИХ ФИЗИКО-

ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ОЛИМОВ РАХМОНАЛИ АМОНАЛИЕВИЧ

кандидат химических наук, доцент, декан факультета инженерии и современные

производственных технологий ДГУ, Таджикистан

*

КАРИМОВ МАХМАДКУЛ БОБОЕВИЧ

д-р хим. наук, профессор кафедры Национального исследовательского технологического

университета Московского института стали и сплавов в г. Душанбе, Таджикистан

Аннотация. Трехфункциональность глицерина позволяет получать на его основе моно, ди- и триэфиры. Такие эфиры нашли практическое применение в качестве лекарственных препаратов и т. д.

Эфиры глицерина играют большую роль в процессах обмена веществ в живых организмах и являются эффективными субстратами и ингибиторами ферментных систем. В данной статье изучены методы синтеза на основе 3- алкокси - 1,2-пропандиолов и 1,3-диалкокси-2-пропанола. Состав и строение полученных соединений подтверждены физико-химическими методами. Рассмотрены методы получения глицерина из различных видов сырья. Широкий спектр областей применения этих соединений для проведений исследований в качестве исходных веществ использованы а-моноэфиры глицерина и 1,3-диалкокси-2-пропанолов имеющие активные гидроксильные группы. Большое внимание уделено промышленному получению синтетического глицерина и их производных, в результате чего получили простые эфиры, гетероциклические производные ряда 3-алкоксипропил-1,2-дикарбаматов, 4-алкоксиметил-2,2-диалкоксиметил-1,3-диоксоланов и 2-фурил-4-алкоксиметил-1,3-диоксоланов.

Ключевые слова: синтез, эфиров глицерина, 3-алкокси-1,2-пропандиолов, 1,3-диалкокси-2-пропанол, Диоксоланы катализатор, растворители.

Глицерин по особенностям строения и реакционной способности занимает важное место среди многоатомных спиртов. Используя это, в последнее время удалось осуществить ряд химических превращений, которые привели к синтезу его новых функциональных производных.

Особое значение имеют производные глицерина для создания эффективных лекарственных средств. Нитроглицерин полученный еще в прошлом веке, до сих пор остается незаменимым средством для лечения и профилактики грудной жабы [1].

В настоящее время усилия химиков направлены на синтез веществ, обладающих полезными свойствами. Наиболее важным в работе химика-синтетика является выбор исходного объекта, на основе которого можно синтезировать такие вещества. В этом смысле глицерин является интересным объектом исследования для химика-органика. Обладая тремя гидроксильными группами, он может служить источником синтеза разнообразных физиологически активных соединений.

Соединения этого многоатомного спирта широко распространены в природных объектах, где они выполняют ряд важных функций в процессах обмена веществ. Следует отметить, что основной составной частью жиров, масел и разнообразных липидов является глицерин [2].

Известно, что простые эфиры глицерина содержащие длинные алкильные радикалы обладают приятным запахом, в силу чего нашли применение в парфюмерии. Также известно, что большинство паучих веществ обладают сложноэфирной группировкой [3].

В качестве исходных продуктов для синтеза целевых соединений использовали различные моно и диэфиров глицерина.

Нами синтезирован ряд моноэфиров глицерина по разработанной методике, путем гидролиза алкоксихлор-2-пропанолов с применением щелочных агентов (NaOH, NaHCO3, Na2CO3):

hoh

cich2 - ch - ch2or -► hoch2 - ch - ch2or

i oh- |

oh oh

Достоверность полученных соединений подтверждена проведением встречных синтезов с использованием а-монохлоргидрина глицерина и алкоголятов предельных спиртов по схеме

[3]:

HOCH2 - CH - CH2CI + RONa ROH> ROCH2 - CH - CH2OH + NaCI

OH OH

Для препаративных целей синтезы диэфиров глицерина широко используются как методы защиты гидроксильных групп глицерина.

Синтез симметричных диэфиров нами осуществлен по известной методике путем взаимодействия 1,3-дихлоргидрин и эпихлоргидрина с алкоголятом по схеме :

CH2CI ch2or

I I 2

CHOH + 2RONa ROH-— CHOH + 2NaCI

I I

CH2CI ch2or

Всего получено три неописанных ранее в литературе простых диэфиров глицерина, и три смешанных эфира на основе этих диэфиров и монохлоруксусной кислоты. По предварительным данным полученные смешанные эфиры являются малотоксичными, обладают гипотензивными свойствами и могут быть испытаны в качестве пахучих веществ в парфюмерии и других областях народного хозяйства.

Полученные эфиров глицерина ^2^4) представляют собой бесцветные, сиропообразные без запаха жидкости, устойчивые при хранении. Эти соединения хорошо растворяются в доступных органических растворителях и вопреки литературным данным [4] являются водорастворимыми. Чистоту полученных эфиров контролировали методом ТСХ и ГЖХ. Состав и строение их подтверждалась методом ИК-спектроскопии, сравнением характерных полос поглощения исходных и конечных продуктов реакции. При этом наблюдается исчезновение полосы поглощения, характеризующей группу С-С1 (760-750 см-1) исходных продуктов и появление широкой полосы поглощения в области 3500-3480 см-1, относящейся к гидроксильным группам соответствующего конечного продукта Таблица 1. Важнейшие физико- химические константы 3-алкокси-1,2-пропандиолов

RO CH2 _ - CH(OH) - CH2 (OH

R Общая Выход T. кип. 20 nD т20 M R d

формула % 0C d 4

Выч. Най.

C2H5 C5 H12 O3 47 97-99 1,4430 1,0628 29,98 29,82

н^Ш C6H14 O3 49 100-102 1,4428 1,0294 34,60 34,54

н^4 H9 C7H16 O3 50 110-112 1,4422 1,0069 39,21 38,97

Таблица 2

Физико - химические константы 1,3 - диалкокси - 2- пропанолов RO- CH2 — CH - CH2 -OR

OH

R Выход Т 0С к о (N О <N M R.D Элементныйанализ

% м.м. рТ.сТ Q Й ТЗ найд. выч. С,% Н, %

C7H15 75 177 -175 2 1,4350 0,8923 85,90 85,52 67,19 67,27 32,59 32,76

C9H19 55 132 -137 5 1,4365 0,8607 104,60 103,98 73,31 73,47 12,81 12,83

C10H21 61 119 -121 3 1,4398 0,8609 113,83 113,22 74,12 74,19 12,87 12,94

Из таблицы видно, что температуры кипения и показатели преломления этих соединений повышаются с увеличением их молекулярного веса, а плотность соответственно уменьшается, выход полученных диэфиров является во всех случаях заниженным, очевидно, за счёт осмоления при перегонке.

Анализ литературных данных показывает, что в последнее время исследователи уделяют особое внимание синтезу и изучению новых производных глицерина.

Известно, что уретаны (карбаматы) обладают высокой биологической активностью и успешно применяются в качестве эффективных транквилизаторов. Нами синтезированы дикарбаматы действием на а-моноэфиры глицерина цианатом натрия в присутствии газообразного хлористого водорода в среде хлороформа по реакции [5]:

ROCH2- CH - CH2 + 2NaOCN HC 1 ROCHf CH- CH2 + 2NaCI

2 | | 2 CHCI3 2 J J 2

OH OH ocnh2 ocnh2

O O

где: RO - C2H5O, ^C3H7O, ^C4№O, н^ШЮ, н-C6HlзO По нашему предположению, процесс протекает следующим образом:

- соли изоциановой кислоты - цианаты (МеОС^, используются как исходные вещества во многих синтезах;

- очевидно, натриевая соль циановой кислоты под действием HCI быстро выделяет циановую кислоту, которая переходит в изоциановую и в такой форме реагирует с а-алкокси глицерином.

Изучение этой реакции показало, что процесс образования дикарбаматов протекает гладко при температуре -8 -5oC и мольном соотношении реагентов 1:2 в течение 20-23 часов. В этих условиях выход целевого продукта составляет 81:89%, и резко снижается с уменьшением

количества пропускаемого НИ из-за прекращения выделения циановой кислоты из ее соли. С увеличением температуры реакции выше -50С побочные процессы замедляют образование уретанов.

Полученные 3-алкоксипропил-1,2-дикарбаматы представляют собой белые кристаллические вещества с четкой температурой плавления, хорошо растворимые в воде, ацетоне, ДМСО, ДМФА, низших спиртах.

Состав и строение выделенных дикарбаматов подтверждены методами элементного анализа, ИК- и ПМР-спектроскопией. Чистоту полученных соединений контролировали методом ТСХ на силуфоловых пластинках промышленного образца, в системах этанол-пиридин (1:1), хлороформ-уксусная кислота-ацетон (5:1:1); проявителем служили пары йода. Для подтверждения достоверности строения полученных карбаматов, нами осуществлен встречный синтез с применением реакции 3-алкоксипропандиолов-1,2 с мочевиной при нагревании. Реакция протекает согласно схеме:

roch2- ch - ch2 +2h2n- c- nh2-

I I II

oh oh o где: RO -C2H5O, H-C3H7O.

- roch2 ch

■ ch2 + 2nh3

i

ocnh2 ocnh2

o o

Полученные соединения по основным физико-химическим показателям были идентичными с соединениями, синтезированными на основе цианата натрия. Однако при использовании мочевины выход карбаматов был невысокий (25-27%), что связано с жесткими условиями проведения синтеза (140-160°С и мольном соотношении 1:2). Это, по-видимому, связано с тем, что атомы водорода аминной группы являются менее реакционноспособными и при нагревании мочевина разлагается на циановую кислоту и аммиак:

140oC

H2N - C—NH2 -140-1

O

HN=C = O + NH

3

В ИК-спектрах всех изученных образцов отсутствовала полоса поглощения в области 35003480см см-1, характерная для ОН-групп, что свидетельствует о полноте протекания реакции. В ИК-спектрах присутствовали полосы поглощения, характерные для валентных колебаний в области 1710-1695 см 4 -О-СОКН группы.

В спектрах ПМР сигнал протонов ОН-группы не обнаружен, а сигнал протонов -ЫН -группы

проявлялся в виде синглета в области 7,35-7,38 м.д.

Важнейшие константы синтезированных веществ приведены в табл 2.

Таблица 2

R Выход T. пл.^ Rf* N %

% а б выч. Най.

C2H5 - 89,3 118-120 0,43 0,47 13,59 13,41

H-C3H7 - 87,7 128-129 0,41 0,49 12,73 12,58

H-C4H9 - 85,1 139-140 0,42 0,48 11,97 11,72

H-C5H11 - 83,5 147-149 0,39 0,44 11,29 11,07

н- С6Н13 81,3 161-162 0,40 0,42 10,69 10,53

Система: этанол-пиридин (1:1), хлороформ-уксусная кислота-ацетон (5:1:1), проявителем служили пары йода.

Так же предложен эффективный способ синтеза 4-алкоксиметил-2, 2-диалкокси-метил-1,3-диоксоланов, исходя из 2-алкоксиметилоксиранов и 1,3-бис-(диалкокси)-пропанонов-2, который приводит к получению индивидуального целевого продукта. Синтез 1,3-бис(диалкокси) пропанонов-2 осуществляли согласно схеме:

яосы2- си- сы2оя -Мп°?-яосы2- с - сы2оя + н2о

он о

Синтез новых производных 1,3-диоксоланов осуществляли в присутствии каталитических количеств этилэфирата трехфтористого бора по схеме:

ББз о (с2Н5>2

К'осы2 —си — сы2 + косы2 —с —сы2ок-К'осы2— си- сы2

2 и / 2 2 \\ 2 2 I I 2

о о о о

о

/ \ косы2 сы2ои

Данный процесс осуществляли взаимодействия 1,3-бис (диалкокси)-пропанонов-2 с 2-алкоксиметилоксиранами при мольном соотношении 1:0,6 в присутствии катализатора BFзO(C2H5), при 40-45оС в течение 5-7 часов.

Состав и строение синтезированных 4-алкоксиметил-2,2-диалкоксиметил-1,3-диоксоланов подтверждены масс-, ИК- и ПМР- спектроскопией. Чистоту контролировали методами ТСХ. В ИК спектрах 1-метокси-2,3-метилендиоксипропана наблюдается наличие характеристических полос поглощения в области частот: 2809:1390 см-1(СНз), 2800 см-1 (ОСНз), 1140 см-1(ОСН2-О).

В табл.7,8 приведены важнейшие физико-химические константы и спектральные данные синтезированных веществ.

Таблица 7

Важнейшие физико-химические константы 4-алкоксиметил-2,2-диалкоксиметил-1,3-диоксоланов

R'OCH,

■ CH —

I

O

CH2

I

O

C

ROCHo

CHHOR

R R Выход T. кип. nD d420 MR d

% 0С/мм.рт.ст. най. выч.

CH3 C2H5 - 80,3 122/5 1,4396 1,0575 58,27 58,41

CH3 н-СэШ 82,4 129/5 1,4435 1,0296 67,53 67,65

CH3 н-С4Н9 81,8 137/8 1,4483 1,0126 76,71 76,85

C2H5 C2H5 86,1 128/5 1,4536 1,0452 62,98 63,03

C2H5 н-СэШ 84,2 139/5 1,4593 1,0272 72,11 72,27

Таблица 8

Спектральные характеристики 4-алкоксиметил-2,2-ди-_алкоксиметил- 1,3-диоксоланов_

СН3 СН2 СН C-O-C- О -С

2821, 2820, 2845, 2847, 2885, 2882, 2880, 1020, 1078, 1090, 1100, 1160

2818, 2849, 2850, 2877, 2872

2817, 2815 2851

2816, 2815, 2840, 2841, 2880, 2878, 2875, 1015, 1075, 3180, 1090, 1115

2813, 2844, 2845, 2872, 2868

2812, 2810 2846

2813, 2812, 2835, 2846, 2875, 2873, 2870, 1013, 1058, 1100, 1164, 1027

2810, 2840, 2849, 2867, 2865

2809, 2805 2841

- - - 1010, 1080, 1090, 1115, 1190

Диоксоланы на основе глицерина используются в качестве реагентов для тонкого органического синтеза, для получения биологически активных соединений. Фурфурол служит исходным сырьём для получения антимикробных препаратов группы нитрофуранов, таких как фурацилин и др.

Реакцию а-моноэфиров глицерина и фурфурола проводили в присутствии катализатора SnCЦ c использованием бензола в качестве растворителя при температурах 45-50°С, при соотношении реагентов: а-моноэфиров глицерина: фурфурола: катализатора равного 2:1:0,05 в течение 2,5 часов по схеме [7]:

(CI) ROCH— CH-CH2

OH OH

'O'

C |

H

O

ROCHo- CH- CH,+H,O

OO

где: RO -C2H5O, ^C3H7O, ^C4№O, н^ШЮ.

O

Важнейшие физико-химические характеристики приведены в табл.4. В табл.5 даны спектральные характеристики диоксоланов, подтверждающих их строение. Индивидуальность полученных новых соединений подтвердилась элементным анализом, 20 т20

определением , ^ 4 , MRD, ИК- и ПМР-спектроскопией.

Таблица 4

Важнейшие физико-химические константы 2-фурил-4-

+

-алкоксиметил-1,3-диоксоланов

RO Брутто фор-ла Выход % T. кип. 0C/MM.p т.ст 20 nD d 420 MR d C H CI

Най. выч. Най. выч. Най. выч. Най. выч.

CI C8H9 CIO3 76,4 136/5 1,4974 1,4026 43,35 43,43 50,70 50,91 4,55 4,78 18,62 18,83

-OC2H5 C10H14 O4 78,6 119/4 1,4462 1,0743 49,17 49,35 60,43 60,61 6,88 7,07 -

H-OC3H7 C11H16 O4 75,3 126/4 1,4501 1,0606 53,73 53,94 62,19 62,32 7,34 7,55 -

H-OC4 H9 C12 H18 O4 71,4 135/4 1,4548 1,0503 58,36 58,54 63,61 63,71 7,83 7,97 -

H-OC5 H11 C13 H20 O4 68,1 143/4 1,4598 1,0451 62,87 63,14 64,88 65,00 8,18 8,33 -

Таблица 5

Спектральные характеристики 2-фурил-4(хлор" -алкоксиметил —1,3-диоксоланов

ИК спектр, см -1 ПМР спектр, 5, м.д.

Фурановый цикл C-O-C

1 1263, 995, 930, 890, 1438, 1511, 1613, 3140, 1368 1020, 1078, 1090, 1100, 1160 1,18 (т,3Н, СН3); 3,50 (к, 2Н, СН2); 3,90 (д, 2Н, О-СН2); 3,60 (д, 2Н,О-СН2); 4,17 (м, 1Н, О-СН); 5,97 (д,1Н, 4СНфур); 6,13 (д,1Н,3СНфур); 7,15 (д, 1Н, 5СНфур.)

2 910, 930, 1250, 1355, 1430, 1510, 1615, 3140 1015, 1075, 3180, 1090, 1115,1147 0,93 (т,3Н, СН3); 1,52 (м, 2Н, СН2); 3,39 (т, 2Н, СН2); 3,50 (д, 2Н, СН2); 4.14 (м, 1Н, О-СН); 3,95(д, 2Н, О-СН2);5,97 (с, 1Н, О-СН-О); 6,19 (д, 1Н, 4СНфур); 6,29 (т, 1Н, 3СНфур); 7.15 (д, 1Н, 5СНфур.)

3 905, 930, 1253, 1368, 1454, 1506, 1607,3131 1013, 1058, 1100, 1164, 1027

4 910, 930, 1250, 1340, 1380, 1430, 1506, 1616 1010, 1080, 1090, 1115, 1190

JjUL

7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5

Рис. 7. ПМР 2-фурил-4-этоксиметил —1,3-диоксолан

8

7

6

4

3

2

время

Рис.1 ГЖХ 2-фурил-4-этоксиметил--1,3-диоксолан

время

Рис. 2 ГЖХ 2-фурил-4-этоксиметил-1,3-диоксолан

ВЫВОДЫ

1. Разработаны пути синтеза и изучены физико-химические свойства новых производных глицерина на основе моноэфиров глицерина, что в совокупности является определённым вкладом в развитие органической химии.

2. Установлено, что реакция взаимодействия а-моноэфиров глицерина с цианатом натрия в интервале температур -8-50С протекает с образованием дикарбаматов.

3. Рекция взаимодействия 1,3-бис-(диалкокси)-пропанонов-2 с 2-алкоксиметилоксиранами при мольном соотношении 1:0,6 в присутствии катализатора BF3O(C2H5), при 40-45оС в течение 5-7 часов.

4. Выявлены наиболее оптимальные условия синтеза новых производных 1,3-диоксоланов в реакции а-моноэфиров глицерина c фурфуролом. Установлено, что данный процесс протекает гладко при температуре 45-50оС в присутствии катализатора SnCI4, с выход конечного продукта 68-79 %.

ЛИТЕРАТУРА

1. Физические и химические свойства глицерина / Рахманкулов Д.Л. и др. - М.: Химия, 2003. - 200с.

2. Глицерин. Методы получения, промышленное производство и области применения / Я.М. Абдрашитов, Ю.К. Дмитриев, Б.Х. Кимсанов и др. // - М.: Химия, 2001. - 168 с.

3. Олимов Р.А. Синтез на основе а-моноэфиров глицерина и изучение их физико-химических и биологических свойств: Автореф... дисс. к.х.н. - Душанбе, 2010, 23 с.

4. Олимов Р.А., Обидов Дж.М. Каримов М.Б., Блохин И.В. Синтез сложных эфиров на основе 1,3-диалкокси-2-пропанолов с масляной кислоты //Известия Тульского государственного университета, серия естественных наук. Выпуск 1. Тула, 2017. 16+ ISSN 2071-6176. С. 44-48.

5. Обидов М. Дж., Олимов Р.А., Шарипов И.Н., Каримов М.Б. Синтез уретана (карбамата) на основе а-моноэфиров глицерина //Вестник ТНУ, серия естественных наук Душанбе, 2017. №1/3. С. 98-201.

6. Каримов М.Б., Тагаева Х.Э., Савриев О. Аминометилированые 1,3-бис(диалкиламино)-2- пропантиолов и изучение их физиологической активности//// Международная конференция«Химия производных глицерина: синтез, свойства и аспекты их применения», посвященной международному году химии и памяти д.х.н., профессор член-корреспондента АН РТ Кимсанова Б.Х. Душанбе -2011. С. 34-38.

7. Олимов Р.А. Каримов М.Б. и. др .^тез 2-фурил-4-(хлор)-алкоксиметил-1,3-диоксоланов // Вестник ТНУ - 2010. - Т.59. - № 3. - С.231-234.