CC BY
46ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
Т 57 (10)
ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
2014
УДК 542.97
Л.Б. Кочетова, М.В. Клюев ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЕ АЦИЛИРОВАНИЕ НИТРОАРЕНОВ*
(Ивановский государственный университет)
Рассмотрены представленные в литературе сведения по влиянию условий проведения восстановительного ацилирования нитросоединений на выход целевых продуктов реакции и исследованиям кинетики гидрогенизационного ацилирования на палладиевых катализаторах. Обсуждены результаты квантово-химического моделирования механизма реакции синтеза лидокаина и сольватации молекул участников реакции.
Кочетова Людмила Борисовна —
к.х.н., доцент кафедры органической и физической химии ИвГУ.
Область научных интересов: синтез и реакционная способность азотсодержащих органических соединений; квантово-химическое моделирование механизмов органических реакций E-mail: kochetova lb@mail.ru
Клюев Михаил Васильевич —
д.х.н., профессор, декан биолого-химического факультета ИвГУ, зав. кафедрой органической и физической химии, заслуженный работник высшей школы РФ, чл.-корр. инженерной академии РФ.
Область научных интересов: каталитические реакции органического синтеза. E-mail: klyuev@inbox.ru
Ключевые слова: восстановительное ацилирование, нитросоединения, катализ
Продукты каталитического гидрирования нитросоединений (амины) широко применяются в качестве прекурсоров в промышленном синтезе фармацевтических препаратов. Многие лекарственные средства, получаемые из аминов, содержат амидную группу. Для их синтеза из нитросоединений обычно применяются многоступенчатые процессы, включающие последовательные стадии гидрирования и ацилирования.
Альтернативным методом получения амидов карбоновых кислот непосредственно из производных нитробензола является их восстановительное ацилирование, технологически осуществляемое в 1 стадию. На сегодняшний день one-pot методы [1-5] считаются приоритетным направлением в химии, а восстановительное ацилирование.
по мнению ряда авторов, является простым, экономически и экологически выгодным подходом, поскольку в процессе амидообразования отсутствуют токсичные побочные продукты.
Нельзя сказать, что данная область органической химии хорошо проработана. Немногочисленные статьи, посвященные восстановительному ацилированию нитросоединений с целью получения амидов кислот, начали появляться с 1940-х годов.
Ряд работ посвящен разработке методов восстановительного ацилирования нитроаренов [1-43]. Условия проведения этих синтезов и получаемые выходы целевых продуктов приведены в табл. 1. В качестве ацилирующих агентов используют карбоновые кислоты [1-3,6-18], сложные
* Обзорная статья
эфиры [4], ангидриды кислот [1,3,6,7,19-21]. Применяются как гомогенные, так и гетерогенные каталитические системы, однако в большинстве случаев для проведения реакций используются гетерогенные катализаторы на носителях разной природы, в том числе на основе металлов VIII группы: железа [2,12,13,22,23], никеля [16,24], платины [5,9,25,26], палладия [27-30]. Иногда процесс проводят в отсутствие растворителя [8,13,22], но чаще используются растворители -спирты [1,3,12,25,29-31], а также ДМФА, ацето-нитрил, диоксан и др. (табл. 1). Необходимо отметить, что все процессы с использованием молекулярного водорода, описанные в литературе, проводились исключительно на катализаторах, содержащих платиновые металлы: собственно платину [5,25,26], или, чаще, палладий [29,30,32-35].
Таблица 1
Условия и выходы каталитического восстановительного ацилирования нитроаренов Table 1. Conditions and yields of catalytic reductive acylation of nitroarenes
14 CH3COOH Mo(CO)6 46-85 [15]
SnCl2;
15 C2H3COCl 25°C - [41]
16 CH3COOH 250°C 97 [17]
17 (CH3CO)2O Электролиз; CH3CN-NaClO 47-87 [21]
18 (CH3CO)2O, CH3COOH Zn пыль; 25°C - [6]
19 CH3COOH, (CH3CO)2O Zn пыль 30 [7]
20 CH3COOH, (CH3CO)2O Zn пыль; 25°C 45-70 [42]
21 (CH3CO)2O Zn в присутствии кислого A12O3; CH2C12; 20°C 75 [19]
CH3COOH,
22 (RCO)2O R=C6H5, C6H13, OC(CH3) Sn; CH3OH; 60oC 55-97 [31]
СО в
23 CH3COOH, C2H5COOH Ni(CO)4; 310oC - [16]
24 (CH3CO)2O Ni Ренея; 50°C - [24]
PtCl2(PPh2)2/ SnCl4,
25 CH3COOH PtCl2(PhCN)2/ SnCl4; CH3COOH + диоксан; 180°C 29-91 [9]
Восстановительное ацилирование молекулярным
водородом
26 RCOOH Нановолокна Pt; 100°C 99 [5, 26]
27 (RCO)2O, R=CH3, C2H5, Pt/ZrO2; CH3OH; 25°C 40-93 [25]
RCOOH
(RCO)2O, R=CH3, C6H5, (CH2)4CH3, OC(CH3) Pd/C; CH3OH, 52-
28 CH3COOH; 40-70°C, 125°C 100 [30, 32]
Pd/C, AH-1-Pd,
29 Аминокар-боновые кислоты AB-17-8-Pd, C6H5-CH3 C6H14, ROH, r=c2h5, c3h7, C4H9; 20-60°C 47-93 [29, 33, 34]
Pd/C, AH-l-Pd,
30 (CH3CO)2O, CH3COOH 80% AB-17-8-Pd; С2Н50Н,СбНб, 45°C 58-88 [35]
При отсутствии растворителя требуются температуры до 250-310°С [16,17]. Применение спиртов и других низкокипящих растворителей позволяет проводить восстановительное ацилиро-вание в мягких условиях [3,24,29,30]. Выходы целевых продуктов варьируются в широких пределах - от 30 до 100 %, однако, в большинстве случаев ограничиваются 80-85%.
№ Ацилирую-щий агент Условия Л, % Литература
1 2 3 4 5
Стехиометрическое восстановительное
ацилирование
1 CH3COOH, (CH3CO)2O In; CH3OH; 250C 73100 [1, 11]
2 CH3COOH, (CH3CO)2O, эфиры Sm, SmI2; CH3OH; 25°C 33-86 [3, 4]
RCOOH,
3 HCOOCH3 R=CH3, C2H5, C3H7 Ru3(CO)12; 180oC 51-92 [8]
RCOOH,
4 R=CH3, C2H5, C3H7, C6H13,C6H5 P/I2, P/KI, P/Nal, P/KI3; MOt 30-95 [10]
5 (CH3CO)2O Монтморил-лониг Fe3+; 180oC - [20]
6 RCOOH, R=C3H7- C7H15 Монтморил-лониг Fe3+, NaI - [18, 36]
7 KSCOCH3 ДМФ; 130°C 60-88 [37, 38]
8 KSCOCH3 ПАВ - Triton-X 405; 130°C 55-79 [37, 38]
RCOOH,
9 R=H, CH3, C2H5, C3H7, CF3, ClCH2 Fe; 25-130oC 63-82 [2]
10 CH3COOH Fe; C2H5OH - [12]
11 CH3COOH, (CH3CO)2O Fe 63-84 [22, 40]
12 CH3COOH, (CH3CO)2O Fe; 50-105oC 61-82 [23]
13 CH3COOH Fe 92-96 [13,14]
Таблица 2
Восстановительное ацетилирование нитроаренов тиоуксусной кислотой [37] Table 2. Reductive acetylation of nitroarenes by thioacetic acid [37]
№ Субстрат Выход, %
ДМФ Без растворителя
1 ,N02 83 78
2 85 77
3 ,.N02 86 73
4 ,N02 88 78
5 N02 ОН 62 58
6 65 60
7 ,.N02 85 76
8 ,N02 88 79
9 ,N02 65 60
10 С1 85 75
11 N02 Вг 85 78
12 N00 75 68
13 87 75
14 ""NO2 75 64
15 TjTO2 87 78
16 70 65
Рассмотрим некоторые примеры восстановительного ацилирования. Так, в работе [8] ани-лиды получали восстановительным ацилировани-ем нитроаренов на рутениевом катализаторе в смеси кислоты и метилформиата или в муравьиной кислоте по реакции (1):
Ж), инеок' :мн>
Ru3(CO)12
ii......ii к'соон
180° с
Ь к к
К = Н, ОМе К' = Ме, Рг Источником водорода являлась муравьиная кислота.
Авторы [18,20,36] с хорошими выходами получали аренацетамиды восстановительным ацилированием замещенных нитробензолов кар-боновыми кислотами и их ангидридами на монтмориллоните Бе3+ (реакция (2)):
n02 мнсок
Монтморшшомп Fe
(rc:o)2o, iso с:
(2)
К = Ме, Р1, Ви, С--Н и СбН! з. С7Н15 При проведении указанного процесса кар-боновые кислоты С3-С7 служат как в качестве ацилирующих агентов, так и источников протонов [18,36].'
В работах [37,38] описаны методы одностадийного восстановительного ацетилирования ароматических нитросоединений тиоуксусной кислотой в присутствии каталитических количеств К2СОз в диметилформамиде и в отсутствие рас-
творителя с использованием в качестве катализатора ПАВ (реакция (3)):
Применение разработанных методов для получения ацетамидов на основе ряда моно- и биядерных нитроаренов не позволило выявить четких закономерностей влияния структуры субстрата на выход целевых продуктов реакции (3) (табл. 2), но дало возможность установить, что проведение процесса в растворителе позволяет достичь более высоких выходов (табл. 1, 2). Разработанный метод был успешно применен авторами [37,38] для получения из п-нитрофенола лекарственного препарата «Ацетаминофен™» (п-гидроксиацетамид).
В литературе описано также восстановительное ацилирование нитроаренов в ацетанилиды уксусной кислотой на железном катализаторе, уксусной кислотой на гексакарбонилмолибдене, уксусным ангидридом на цинковом катализаторе в присутствии кислого А120з [12-15,19].
Восстановительное ацилирование ароматических нитросоединений в гомогенных условиях на металлическом железе карбоновыми кислотами: муравьиной, уксусной, пропионовой, бута-новой, трифторуксусной и хлоруксусной (уравнение (4)) показало, что варьирование ацилирующих агентов и заместителей в нитроаренах мало влияет на выход продукта, за исключением случаев, когда в качестве ацилирующих агентов использовали бутановую, трифторуксусную и хлоруксусную кислоты (табл. 3).
отметить, что процесс проводился при 180°С и давлении 60 атм. При восстановительном ацили-ровании 3,4-дихлоронитробензолов карбоновыми кислотами на фосфорсодержащем катализаторе по уравнению (5) степень превращения также была высокой и составила 76.1-100%, но и этот процесс проводился при 140 °С [10]. Вместе с тем, восстановительное ацилирование монозамещенных нитробензолов на том же катализаторе дает весьма низкие степени превращения: 32.4-58.4 % (исключением является только 4-фторпроизводное, степень превращения которого составила 91.2%) [10].
,N0, _ ,ЫНССЖ Б1 + ЕЮ.'.Н -«- К- (5)
R= H, 2,3-Me2, 2-Cl, 3-Cl, 4-Cl, 4-F, 2-C1-4-CF3
Таблица 3
Восстановительное ацилирование нитроаренов на
железном катализаторе [2] Table 3. Reductive acylation of nitroarenes on iron catalyst [2]
Я = Н. 2-Ме, 4-С1, 4-ОН, 3-СНО Я' = Н, Ме, Рг. СТз, СН2С1
Отмечается некоторое уменьшение выхода продуктов гидроацилирования нитробензола при увеличении длины углеродного скелета в карбо-новой кислоте [2].
При использовании других катализаторов выход целевых продуктов может быть существенно выше. Так, выход ацетанилида при взаимодействии нитробензола и уксусной кислоты на комплексах Р1С12(РР1ь)2/5пС1| и Р1СЬ(РЬСЫ)2/8пС1, в некоторых случаях составляет 91% [9]. Следует
№ Субстрат Ацилирующий агент, растворитель ,,-c Л, %
1 .-n02 R R=H, 2-CH3, 4-Cl, 4-OH, 3-CHO HCOOH 25 76-82
2 .NO? CH3COOH 100-110 81
3 ,n02 C2H5COOH 120-130 78
4 ,.no2 C3H7COOH 120-130 66
5 ^ ,no2 CF3COOH, ксилен 25 63
6 ,no2 C1CH2COOH, ксилен 25 71
Использование в качестве катализатора порошка металлического индия при восстановительном ацетилировании нитроаренов смесью уксусной кислоты и ее ангидрида в метаноле (реакция (6)) позволило авторам [1] получить весьма высокие выходы аренацетамидов, варьирующиеся в зависимости от структуры субстрата от 73 до 100%:
R
NO;
Ac20, AcOH.Ill
NHAc
(6)
Я= Н, 2-ОМе, 3-ОМе, 4-ОМе, 2-Ме. З-Ме. 4-Ме. 2-РЬ. 2-К 3-К 4-Б, 2-С1. 3-С1. 4-С1. 2-Вг. З-Вг. 4-Вг. 2-СК З-СЫ. 4-СЫ Однако, использование той же системы в синтезе пирролиламидов из нитропирролов (уравнение (7)) [31] дает более низкие выходы -48-86%:
н
no,
Ac2Q, At ОН, 111 МеОН.бСС
Ас
(7)
о
// \\ n
I
R
АсОН. (R'CO)2a Sll МеОН, 60°С
R - Me, S02Ph R'=Ph. (СН2)5-Ме, O-tBu
[25, 27-30, 32-35, 39]. В частности, применение платины, закрепленной на оксиде циркония [25], дает возможность при комнатной температуре и атмосферном давлении Н2 получать выходы 4-замещенных аренацетамидов от 68 до 93% (уравнение (9)):
\'< >2 КНАс
Ас20. Pt/Zl'02. Н2 -
МеОН
(9)
В. = Ме, КО,Р11
Если в качестве катализатора используется олово, а в качестве ацилирующих агентов и источника водорода - ангидриды карбоновых кислот в смеси с уксусной кислотой в метаноле, то образуется смесь двух продуктов: ацетамида и амида, содержащего остаток используемого ангидрида, (схема (8)) [31].
/ИОг
К к
Я= Н, к С1, Вг, I, Ме, ОМе, СНО, СООН, ОН. СО-Ме, СОО-Ме
Сравнение реакционной способности различных ацилирующих агентов в гидрогенизаци-онном ацилировании нитробензола с использованием различных растворителей показало [25], что наиболее высокие выходы ацилпроизводных получаются при использовании в качестве ацили-рующего агента уксусного ангидрида и проведении процесса в среде метилового спирта.
При восстановительном ацилировании нитроаренов уксусной кислотой и молекулярным водородом на платиновых нановолокнах выходы продуктов реакции достигают 99% [5,26].
Палладиевые катализаторы также демонстрируют высокую эффективность: так применение Рс1/С позволяет проводить синтез Ы-ацилами-ноиндолов (уравнение (10)) [30] при температурах 40-60°С и атмосферном давлении водорода.
(8)
Суммарный выход продуктов при этом варьируется в довольно широких пределах и, в зависимости от строения используемых субстрата и ангидрида, составляет 55-97%.
При восстановительном ацилировании нитрогрупп замещенных тиофенов до ацетами-ногрупп выходы составили 61-82 % [23], а при электрохимическом восстановительном ацилировании ароматических и алифатических нитро- и
-
диацетил-Ы-замещенных гидроксиламинов - 4787% [21].
Катализаторы на основе платиновых металлов могут применяться для получения амидов из нитроаренов в одну стадию с использованием молекулярного водорода, и это позволяет в мягких условиях достичь довольно высоких выходов
n0,
H2.Pd O. (R'CObO
МеОН. 40-(>М°С 52-100%
R = Me.Bu. SO,Ph. СО,Et. Bot
R'-Me.Ph, <СН2)4-Ые, Вое
Гидрогенизационным ацилированием на Pd/C в мягких условиях из 2- и 3-нитропироллов получали 2- и 3-пироллиламиды и пироллимиды [32]. В качестве ацилирующих агентов использовали ангидриды карбоновых кислот (уравнение (11)):
н
-no2
jj у H2.P<|-C,R'-0-R' fj МеОН, 60-70°С
■n
r'
О
(11)
r
R = Me,S02Ph Rr = Ac, Bz, Boc
Для получения N-арилзамещенных амидов
-
ческих нитросоединений, наряду с карбоновыми кислотами и их ангидридами, может быть использован монооксид углерода [27,28]. Процесс проводится в жидкой фазе при повышенных температуре и давлении в присутствии металлического палладия или его соединений и гетероцикла (12): С С
N =
С =
N
(12)
где О и С - мостиковые группы, включающие 3-4 атома, из которых по крайней мере 2 - атомы углерода.
Следует отметить, что большая часть имеющихся данных литературы посвящена разработке методов синтеза амидов из нитроаренов. Вместе с тем, реакционная способность участников реакции и механизмы протекания процессов остаются к настоящему моменту мало изученными.
В литературе практически отсутствуют данные по кинетике восстановительного ацилиро-вания нитроаренов. Исключением являются работы [29,33-35], где наряду с разработкой методов получения ряда местных анестетиков, а также лекарственного препарата фенацетина путем гидро-генизационного ацилирования нитросоединений, проведены исследования влияния условий: концентраций реагентов и катализатора, температуры и природы растворителя на эффективные константы скорости реакций, определенные по начальным отрезкам кинетических кривых. Контроль скорости реакций осуществляли волюмометрическим методом. Эффективные константы скорости в расчете на 1 кг катализатора определяли по уравнению (13):
w
Р„
где w. да.
моль-л^с"1
лей использовались этанол, пропанол, бутанол, толуол, гексан.
Концентрации веществ в ходе реакции определяли хроматографически. Установлено, что реакция протекает в кинетической области и имеет первый порядок по катализатору, субстрату, ацилирующему агенту и нулевой по водороду. В реакционной смеси отсутствовали заметные количества продуктов неполного восстановления нит-росоединения. Результаты кинетического исследования реакции (14) представлены в табл. 4, 5. СНз СНз
(С2Н5)1Ж'Н1СООН
кг.н, ■ N0,-1
-2 Нр
(C2H5bNCH,COOH
-н3<:>
лпдокапн
где kat - Pd/C, AB-17-8-Pd, AH-1-Pd.
Таблица 4
Влияние условий на выход (т|, %) и эффективную константу скорости (кэф) восстановительного ацилирования 2,6-диметилнитробешола на палладие-
вых катализаторах в этаноле [29] Table 4. Effect of conditions on the yield (т|, %) and effective
rate constant (kf of the reductive acylation of 2,6-di-methylnitrobenzene on palladium catalysts in ethanol [29]
(13)
p-„ui
скорость поглощения водоро-ckah г-моль Pd/г-кат - концентрация катализатора и сач. моль-л"1 - концентрация ацилирующего агента, рр.ля - поправка, учитьшающая парциальное давление паров растворителя.
Каталитический синтез лидокаина, бипу-вакаина, мепивакаина, тримекаина и пиромекаина осуществлялся в мягких условиях (20-50 °С, атмосферное давление водорода, органический растворитель) [29,33,34]. One-pot процесс получения всех указанных соединений включает протекающие последовательно стадии гидрирования и ацилирования.
Лидокаин получали восстановительным ацилированием 2,6-диметил-нитробензола (2,6-ДМНБ) N.N-диэтилглицином (N.N-ДЭгли) (схема (14)) на трех палладиевых катализаторах: Pd/C, AB-17-8-Pd, AH-l-Pd [29]. В качестве растворите-
№ Т,°С Pd/C AH-1-Pd AB-17-8-Pd
кэф Л кэф Л кэф Л
1 20 0.01 48 0.02 57 0.05 59
2 25 0.05 47 0.04 58 0.08 61
3 30 0.10 48 0.08 60 0.15 64
4 35 0.11 52 0.14 65 0.19 75
5 40 0.14 54 0.17 67 0.25 83
6 45 0.19 57 0.20 70 0.27 87
7 50 0.20 55 0.20 64 0.24 79
8 60 0.22 50 0.18 62 0.20 68
Примечание: условия: растворитель 10-50 мл, субстрат -0.1-0.5 моль/л, рн2 = 1 атм., катализатор -0.2 г (d=0.075-0.102 мм), время реакции 100-300 мин. кэф л/(моль с)±(8-
10) 0 о
Note: Conditions: 10-50 ml of solvent, 0.1-0.5 mole/l of substrate, pjj2 = 1 atm., 0.2 g of catalyst (d=0.075-0.102 mm), reaction time - 100-300 min. kef mole/(l s)±(8-10) °b
Анестетики бипувакаин, мепивакаин, три-мекаин и пиромекаин получали восстановительным ацилированием 2,4,6-триметилнитробензола и 2,6-ДМНБ на тех же катализаторах, что исполь-
зовались для получения лидокаина, (схема (15)) [33]:
R'-COOH. kat. H, // \\
n02 -w (' ^ —nhcor'
-3 H2o кЛ=У
i-iy
i r = 2,6-ch>; rr —
r-'\=
II R = 2,6-CHÎ", R1 =
III R = 2,4,6-CHy, R = (C2H,)2NCH, -
IV
R = 2,4.6-CHJ', R1 =
N
C4H9
(15)
№ Растворитель кэф, л/(моль-с) ± (8-10) %
Pd/C AH-1-Pd AB-17-8-Pd
1 Этанол 0.19 0.20 0.27
2 Пропанол 0.15 0.18 0.20
3 Бутанол 0.14 0.16 0.15
4 Гексан 0.08 0.12 0.07
5 Толуол 0.07 0.14 0.08
растворителя. В целом в спиртах наблюдаются более высокие скорости реакции, уменьшающиеся с увеличением длины углеродного скелета, а в неполярных растворителях реакция протекает более медленно. Замена этанола толуолом уменьшает скорость процесса почти в 3 раза. Влияние растворителя на скорость процесса может быть связано как с неспецифической сольватацией, так и с образованием молекулярных комплексов ацили-рующего агента и аминов с молекулами растворителя [29].
Таблица 6
Выход продуктов реакции (11) на иалладиевых катализаторах [33] Table 6. The yield of the reaction (11) products on the palladium catalysts [33]
Целевой Г|, %
продукт Pd/C AH-1-Pd AB-17-8-Pd
I 54 63 77
II 65 72 93
III 61 70 90
IV 57 74 88
где kat - Pd/C, AB-17-8-Pd, AH-l-Pd.
Таблица 5
Эффективные константы скорости восстановительного ацилирования 2,6- диметилнитробензола на палладиевых катализаторах в различных растворителях [29] Table 5. Effective rate constants of the reductive acyla-tion of 2,6-dimethylnitrobenzene on palladium catalysts in various solvents [29]
Примечание: условия см. табл. 4 Note: conditions are the same as for Table 4
Использование полимерных катализаторов позволяет повысить селективность реакций [33]. В отличие от Pd/C, на металлполимерных катализаторах не наблюдается также гидрогенолиза продуктов реакции. Активность и селективность использованных катализаторов изменяется в той же последовательности, что и в синтезе лидокаина (табл. 6).
Установлено, что используемый растворитель существенно влияет на скорость гидрогени-зационного ацилирования (табл. 5) [29].
Из табл. 5 видно, что в этаноле скорость реакции значительно выше, чем в толуоле, несмотря на то, что в спиртах протекает побочная реакция алкилирования 2,6-ДМАН молекулами
Примечание: условия: объем реакционной смеси 50 мл; Рн2 = 1 атм., t = 45°С; катализатор - 0.4 г, содержание Pd -4 мае. 0 о (d = 0.075 - 0.102 мм); концентрация нитросоединения -0.1 моль/л, ацилирующего агента 0.11.0 моль/л
Note: Conditions: the reaction mixer volume - 50 ml; pH2 = 1 atm., t = 45°C; 0.4 g of catalyst, Pd content is 4 mas. 0 o (d = 0.075 - 0.102 mm); nitro compound concentration is 0.1 mole/1, 0.1 — 1.0 mole/1 of acylation agent
Кроме того, растворитель влияет как на растворимость водорода, так и на стадию его активации. В частности, полярные растворители благоприятствуют гетеролитической активации водорода.
В [44] путем квантово-химического моделирования специфической и неспецифической сольватации молекул участников реакции получения лидокаина гидрогенизационным ацилирова-нием 2,6-ДМНБ нами показано, что определяющее влияние на общую скорость реакции оказывает специфическая сольватация 2,6-ДМАН, являющегося промежуточным продуктом реакции. На это указывает существование линейных зависимостей между рассчитанными орбитальными характеристиками сольватокомплексов 2,6-ДМАН и константами скорости восстановительного ацилирования 2,6-ДМНБ (рис. 1) и отсутствие какой-либо связи этих констант с рассчитанными кван-тово-химическими характеристиками сольватокомплексов 2,6-ДМНБ и ацилирующего агента. Кроме того, существование зависимостей на рис.
1, 2 указывает также на скоростьопределяющий
-
pot процессе. В [45] путем квантово-химического
расчета поверхности потенциальной энергии указанной стадии нами показано, что ацилирование 2,6-ДМАН протекает по бимолекулярному согласованному механизму и присутствие катализатора в данной стадии является необходимым, так как энергетический барьер некаталитической реакции очень высок. Моделирование адсорбции участников реакции на поверхности палладиевого кластера [45] позволило установить, что роль катализатора в изучаемом процессе заключается главным образом в изменении энергий граничных орбита-лей молекул реагентов.
0,3
0,26
0,22 ■
0,18 ■
0,14
0,1
кэф, л/ (моль»с)
0 56 ^РЖ
Cpz(N)
а
0,3 -| 0,26 0,22 -0,18 0,14 -0,1
кЭф,.п/ (моль* с)
1,73
1,75
1,77 Ср^
Рис. Зависимость констант скорости восстановительного ацилирования 2,6-диметилнитробензола [29, 33] от вклада 2pz-AO азота в ВЗМО (а) и заселенности 2pz-AO азота (б) сольватокомплексов 2,6-диметиланилина с 2 молекулами спиртов. Катализаторы: 1 - AB-17-8-Pd. 2 - AH-1-Pd. 3 - Pd/C;
растворители: а-этанол, b - пропанол, с - бутанол Fig. The dependence of 2,6-dimethylnitrobenzene reductive acyl-ation rate constants [29, 33] on contributions of nitrogen 2pz-AO in HOMO (a) and population of nitrogen 2pz-AO (6) of 2,6-dimethylaniline solvation complexes with 2 alcohol molecules. Catalysts: 1 - AB-17-8-Pd, 2 - AH-1-Pd, 3 - Pd/C; solvents: a - ethanol, b - propanol, c - butanol
В синтезе фенацетина (уравнение (16)) на тех же катализаторах наблюдалось [35] другое соотношение активностей катализаторов: Pd/C > AB-17-8-Pd > AH-1-Pd, тогда как их селективности изменялись в том же порядке, что и в [29, 33]: AB-17-8-Pd > AH-1-Pd > Pd/C (табл. 7). Относительно низкую селективность катализатора Pd/C автор объясняет побочными процессами, протекающими в растворе: алкилированием аминогруппы промежуточного амина - п-фенетидина и гидролизом этоксигруппы.
NO, NHCOCH3
kat. H;. (СН3С0)20 (пли 80° о СН3СООН)
-Н,0. СН3СООН
(16)
ос2н, ос2н,
Реакция проводилась в двух растворителях - этаноле и бензоле. Из данных табл. 7 следует, что, как и в случае синтеза анестетиков в полярном растворителе, процесс протекает с большими скоростями и выходами, чем в неполярном.
Таблица 7
Средние значения эффективных констант скорости (кЭф, л/(моль-с)) и выходы (т|, %) фенацетина при
восстановительном ацетилировании п-этоксинитробензола на различных палладиевых
катализаторах [35] Table 7. The average values of effective rate constants
(kef, mole/s) and yields (т|, %) of phenacetine at the reductive acetilation of p-ethoxynitrobenzene on various palladium catalysts [35]
Pd/C AH-1-Pd AB-17-8-Pd
кэф ть % кэф ть % кэф Л, %
этанол
0.17 63 0.08 79 0.13 86
бензол
0.14 59 0.05 72 0.08 81
Примечание: условия: растворитель 10-70 мл, концентрация ацилирующего агента - 0,1-0,5 моль/л, рН2 = 1 атм., t = 45°С, субстрат - 0.1-0.8 моль/л, катализатор - 0.4 г, содержание палладия - 4 мае.0 о (d=0.075-0.192 мм) Note: Conditions: 10-70 ml of solvent, concentration of the acylation agent - 0.1-0.5 mole/1, pH2 = 1 atm., t = 45°C, 0.10.8 mole/l of substrate, 0.4 g of catalyst, Pd content is 4 mas.% (d=0.075-0.192 mm)
При проведении процесса в реакционной смеси накапливался промежуточный продукт - п-фенитидин, что, по мнению автора [35] служит доказательством того, что в указанном one-pot процессе стадия ацилирования является скоро-стьопределяющей.
ВЫВОДЫ
Можно констатировать, что в ряде случаев ациламинопроизводные могут быть получены пу-
a
1
1
c
тем каталитического восстановительного ацили-рования нитросоединений, в том числе, на палла-диевых катализаторах, с довольно высокими выходами. Использование полярных растворителей повышает скорость реакции и ее выход по сравнению с неполярными. Скорость определяющей стадией в one-pot процессе, проводимом на палла-диевых катализаторах, является стадия ацилиро-вания. При этом проведение ацилирования на катализаторе позволяет понизить энергетический барьер данного процесса, следовательно, использование палладиевого катализатора в некоторых случаях ацилирования является целесообразным. Однако, поскольку выходы реакций часто весьма низкие, нельзя утверждать, что каталитическое восстановительное ацилирование всегда является более эффективным способом синтеза ацилами-нопроизводных по сравнению с их получением в две стадии, включающим последовательное гидрирование нитросоединений и некаталитическое ацилирование аминов. По-видимому, получение различных ацилминопроизводных должно производиться различными путями в зависимости от специфики конкретного продукта. Использование палладиевых катализаторов для проведения гидро-генизационного ацилирования в мягких условиях, обеспечивающих отсутствие протекания в реакционной смеси побочных процессов, и, следовательно, чистоту продукта, может оказаться особенно важным в синтезе лекарственных препаратов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kim B.H., Han R., Piao F., Jun Y. M., Baik W., Lee B. M.
// Tetrahedron Lett. 2003. V. 44. N 1. P. 77-79.
2. Lee K.Y., Kim J.M., Kim J.N. // Bull. of the Korean Chem. Soc. 2002. V. 23. N 10. P. 1359-1360.
3. Jia Y.-S., Li Q., Wang X.-H., Wang H.-L., Liu X.-T. // J. of Shanghai university. 2006. V. 10. N 3. P. 277-278.
4. Wang X., Guo H., Xie G., Zhang Y. // Synth. Commun. 2004. V. 34. N 16. P. 3001-3008.
5. Li M., Hu L., Cao X., Hong H., Lu J., Gu H. // Chemistry: A European Journal. V. 17. N 9. P. 2763-2768.
6. Kohn M., Krasso O. // J. Org. Chem. 1948. V. 13. N 3. P. 329-330.
7. Simons C. // J. Chem. Soc. 1950. P. 2392-2393.
8. Nahmed E.M., Jenner G. // Tetrahedron Lett. 1991. V. 32. N37. P. 4917^1920.
9. Watanabe Y., Tsuji Y., Kondo T., Takeuchi R. // J. Org. Chem. 1984. V. 49. N23. P. 4451^1455.
10. Du X., Zheng M., Chen S., Xu Z. // Synlett. 2006. N 12. P. 1953-1955.
11. Roy S. Novel chemistry of nitroindoles and synthetic studies towards pyrrolo[3,4-b]indoles, they amines and indoly-larylmaleimides. Thesis Ph.D. Dartmouth. 2008. 207 p.
12. Owsley D.C., Bloomfield J.J. // Synthesis. 1977. N 2. P. 118-120.
13. http://www.mdpi.org/molbank/molbank2006/m502.htm
14. http://www. mdpi.org/molbank/molbank2006/m503.htm
15. Ho T.-L. // J. Org. Chem. 1977. V. 42. N 23. P. 3755-3755.
16. Kajimoto T., Tsuji J. // Bull. Chem. Soc. Jpn. 1969. V. 42. N 3. P. 827-828.
17. Matsuda F., Ogiya N., Kato T. Japan Kokai patent № JP75-82025. 1975.
18. Choudary B.M., Ranganath K. V.S., Kantam M.L. Patent № US 6673967 В1. 2004.
19. Baruah R.N. // Indian J. Chem. B: Org. Chem. Incl. Med. Chem. 2000. V. 39. N 4. P. 300-303.
20. Kantam M.L., Ranganath K.V. S., Sateesh M., Sreedhar
B., Choudary B.M. // J. Mol. Catal. A: Chemical. 2006. V. 244. N 1-2. P. 213-216.
21. Klemm L.H., Iversen P.E., Lund H. // Acta Chem. Scand. В 28. 1974. N5. P. 593-595.
22. Gol'dfarb Y.L., Fabrichnyi B.P., Shalavina I.F. // Chemistry of heterocyclic compounds. 1982. V. 18. N 10. P. 1018-1020.
23. Klemm L.H., Hsin W. // J. of Heterocycl. Chem. 1975. V. 12. N6. P. 1183-1186.
24. Glushkova A.A., Morgunova L.M., Freidlin G.N., Fedorov A.Ya., Ivanov V.F. // Chemistry of heterocyclic compounds. 1987. V. 23. N 4. P. 380-384.
25. Kantam M.L., Reddy R.S., Srinivas K., Chakravarti R, Sreedhar B., Figueras F., Reddy Ch.V. // J. Mol. Catal. A: Chemical. 2012. V. 355. N 1. P. 96-101.
26. Li M., Hu L., Cao X., Hong H., Lu J., Gu H. // Synfacts. 2011. V. 2011. N5. P. 566.
27. Mets F. Patent № EP0455917. 1991.
28. Mets F. Patent № US5001268 A. 1991.
29. Клюев M.B., Абдуллаев М.Г., Абдуллаева З.Ш., Кур-банов Б.Г. // Изв. вузов. Химия и хим. технол. 2009. Т. 52. Вып. 1. С. 23-27;
Klyuev M.V., Abdullaev M.G., Abdullaeva Z.Sh., Kurba-
nov B.G. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2009. V. 52. N 1. P. 23-27 (in Russian).
30. Roy Sujata, Roy Sudipta, Gribble G.W. // Tetrahedron Lett. 2008. V. 49. N9. P. 1531-1533.
31. Fu L., Gribble G.W. // Synthesis. 2008. V. 2008. N 5. P. 788-794.
32. Fu L., Gribble G.W. // Tetrahedron Lett. 2007. V. 48. N 52. P. 9155-9158.
33. Клюев M.B., Абдуллаев М.Г., Абдуллаева З.Ш. // Хим. -фарм. журнал. 2010. Т. 44. Вып. 8. С. 31-37;
Klyuev M.V., Abdullaev M.G., Abdullaeva ZSh. // Khim. Farm. Zhurnal. 2010. V. 44. N 8. P. 31-37 (in Russian).
34. Абдуллаев М.Г., Клюев M.B., Абдуллаева З.Ш., Кур-банов Б.К., Идрисова А.Н. // Хим.-фарм. журн. 2008. Т. 42. № 6. С. 46^18;
Abdullaev M.G., Klyuev M.V., Abdullaeva Z.Sh., Kurbanov B.G., Idrisova A.N. // Khim. Farm. Zhurnal. 2008. V. 42. N 6. P. 46^18 (in Russian).
35. Абдуллаев МГ. // Хим.-фарм. журн. 2002. Т. 36. № 6.
C. 324-326;
Abdullaev M.G. // Khim. Farm. Zhurnal. 2002. V. 36. N 6. P. 324-326 (in Russian).
36. Choudary B.M., Kantam M.L., Ranganath K.V.S., Rao K.K. // Angew. Chem. Int. Ed. 2004. V. 44. N 2. P. 322-325.
37. Bhattacharya A., Purohit V. C., Suarez V., Tichkule R., Parmer G., Rinaldi F. // Tetrahedron Lett. 2006. V. 47. N 11. P. 1861-1864.
38. Bhattacharya A., Purohit V. Patent № US 7173152. 2007.
39. Rahaim RJ.Jr., Maleczka RE.Jr. // Synthesis. 2006. V. 2006. N 19. P. 3316-3340.
40. Gol'dfarb Y.L., Bulgakova V.N., Fabrichnyi B.P. //
Chemistry of heterocyclic compounds. V. 19. N 12. P. 12831286.
41. Berghot M.A., Girges M.M. // Chem. Papers. 1995. V. 49. N2. P. 91-93.
42. Kim B.H., Cheong J.W., Han R.B., Jun Y.M., Baik W., Lee B.M. // Syn. Commun. 2001. V. 31. N 23. P. 35773586.
43. Kim B.H., Jun Y.M., Suh S.W., Baik W., Lee B. M. // J.
Chem. Res. Synopsis. N 1. 1998. P. 46^7.
44. Кочетова Л.Б., Клюев MB. // Изв. вузов. Химия и хим. технол. 2012. Т. 55. Вып. 10. С. 38^12;
Kochetova L.B., Klyuev M.V. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2012. V. 55. N 10. P. 38^12 (in Russian).
45. Кочетова Л.Б. Гидрирование и гидрогенизационное ацилирование нитроаренов. Кинетика и механизмы реакций на палладиевых катализаторах. Saarbrüken: LAP Lambert Academic Publishing. 2012. 124 е.; Kochetova L.B. Hydrataion and hydrogenization acylation of nitro arenas. Kinetics and reaction mechanisms on palladium catalysts. Saarbrüken: LAP Lambert Academic Publishing. 2012. 124 p.
Кафедра органической и физической химии
