CC BY
20УДК 541.128.542.971
Б01: 10.21779/2542-0321-2019-34-1-77-84
М.Г. Абдуллаев
Зависимость селективности гидроацилирования ароматических нитросоединений на палладийсодержащих катализаторах от концентрации ацилирующего
агента
Дагестанский государственный университет; Россия, 367001, г. Махачкала, ул. М. Гаджиева, 43а; mahram-ivgu@rambler.ru
В работе изучено гидрогенизационное ацилирование п-нитрофенола и п-этоксинитробензола на палладийсодержащих катализаторах в мягких условиях до парацетамола, фенацетина и оксафенамида. В качестве катализаторов исследованы: гетерогенные Р^С и катализатор Линдлара (Р^СаСО3 обработанный ацетатом свинца); металлополимерные -палладийсодержащие аниониты: АН-1, АН-108-э, АН-541, АН-511, АН-221, АРА-12П и АВ-17-8; палладийсодержащие катиониты: КФ-1, КУ-2-8 и КФ-7.
Получено, что зависимость выхода целевого продукта от ацилирующего агента не однозначна. При этом увеличение концентрации ацилирующего агента оказывает незначительное влияние на выход целевых продуктов в присутствии некоторых катализаторов, например АВ-17-8-Р^ в то время как другие катализаторы нечувствительны к изменению концентрации ацилирующего агента, например КФ-7-Р^ Полученные экспериментальные данные также наглядно демонстрируют влияние природы носителя катализатора на селективность процесса. По селективности в реакции гидрогенизационного ацилирования п-нитрофенола и п-этоксинитробензола катализаторы можно расположить в ряд: АВ-17-8-Pd > АН-1-Pd > АН-541-Ра > АН-511^ > АН-221^ > АРА-12П^ > КФ-7^ > КУ-2-8^ > КФ-1^ > Pd/C > Pd/CаСО3, хотя по активности гетерогенные аналоги превосходят некоторые металлополиме-ры. Для гетерогенных катализаторов Pd/C и Pd/CаСО3 выход п-ацетаминофенола и п-этоксиацетанилида существенно выше, чем выход п-оксифенилсалициламида, в то время как снижение селективности для металлополимеров не столь существенно.
Отмечено, что одностадийный синтез парацетамола (п-ацетаминофенол), фенацетина (п-этоксиацетанилид) и оксафенамида (п-оксифенилсалициламид) гидрогенизационным аци-лированием на палладийсодержащих полимерах позволяет получить целевые вещества с достаточно высоким выходом (40-90 %), в отличие от их гетерогенных аналогов (33,2-63,1 %).
Ключевые слова: гидрогенизационное ацилирование, п-нитрофенол, парацетамол, п-этоксинитробензол, фенацетин, п-оксифенилсалициламид, оксафенамид, палладийсодержащие катализаторы.
Введение
Каталитическая гидрогенизация и реакция гидрогенизационного ацилирования относятся к важнейшим процессам органической и фармацевтической химии, поскольку позволяют получать как в лабораторных масштабах, так и в промышленных
многие органические соединения, в том числе и лекарственные вещества с высокими реакционными и экологическими характеристиками [1-5]. Однако наличие катализатора или восстановителя в реакционной среде не гарантирует эффективного протекания процесса: требуются активация молекулярного водорода подходящим катализатором и тщательный подбор условий реакции [6, 7]. Наиболее рациональными, по мнению современных исследователей [8-10], являются поиск ранее не известных и модернизация существующих катализаторов гидрогенизации, потенциал которых далеко не исчерпан.
В этой связи является актуальным исследование зависимости селективности гидроацилирования ароматических нитросоединений на палладийсодержащих катализаторах от концентрации ацилирующего агента и новых каталитических систем в мягких условиях, которые позволяют получать целевые продукты с высокими селективными и экологическими характеристиками.
Цель работы - изучение влияния концентрации ацилирующего агента на селективность гидроацилирования ароматических нитросоединений в присутствии палла-дийсодержащих катализаторов.
Экспериментальная часть Методика приготовления катализатора палладий на угле
В данной работе использовали незначительно модифицированную методику получения гетерогенного Рё/С, которая описана в работе [11]. Раствор хлорида палладия 0.164 г в НС1 (2 мл конц. кислоты в 5 мл воды), полученный нагреванием в течение 2 ч прибавляют при перемешивании к суспензии активированного угля (0.93 г). Затем прибавляют боргидрид натрия. Через 10 мин катализатор отфильтровывают и промывают 10 раз водой. Выход 1 % Рё/С 94-97 %. Хранят в плотно закрытой посуде. Изменяя массовое соотношение металл-носителя, можно получать катализаторы с различным массовым содержанием металла.
Методика приготовления катализатора Линдлара
Катализатор палладий на карбонате кальция или катализатор Линдлара (Рё/СаСО3, обработанный ацетатом свинца) получали по методике, описанной в работе [11], с незначительными изменениями. К раствору хлорида палладия (0.148 г) в конц. НС1 (1 мл) прибавляют дистиллированную воду (10 мл) и 3 н. гидроксида натрия до рН 4.0-4.5. Раствор доводят до 50 мл дистиллированной водой и прибавляют свежеосажденный, но неразмолотый карбонат кальция (1.8 г), после чего смесь нагревают до 70-80 оС. Через 20 мин к обесцвеченной жидкости прибавляют боргидрид натрия и выдерживают 1 час. Промывают 10 раз водой и отфильтровывают. К еще влажному катализатору добавляют воду до образования кашицы, затем прибавляют раствор ацетата свинца (0.18 г). Смесь перемешивают в течение 1 часа при 75-85 оС, фильтруют, промывают 5 раз водой и сушат при 60-70 оС. Выход 95 %. Не требует особых условий хранения.
Синтез палладийсодержащих катионитов и анионитов (металлополимерных катализаторов), гидрогенизационное ацилирование в термостатируемом реакторе периодического действия, качественный и количественный анализ исходных веществ и продуктов реакции детально описаны в работе [12]. Использованные в работе исходные вещества (реактивы марки «ч» и «хч») подвергались дополнительной очистке по стандартным методикам. Гидроацилирование проводили молекулярным водородом, который получали электролизом насыщенного водного раствора гидроксида калия в электролизере. После пропускания через промывающие растворы дополнительной очистке не подвергался.
Результаты и их обсуждение
В синтезе парацетамола (п-ацетаминофенол), фенацетина (п-этоксиацетанилид) и оксафенамида (п-оксифенилсалициламид) ключевой является стадия восстановления п-нитрофенола. Процесс осуществляется в одну стадию путем совмещения реакции восстанавления нитросоединения до соответствующего первичного амина и его одновременного ацилирования. При этом суммарная эффективность процесса в большей степени зависит от природы восстановителя, концентрации и природы ацилирующего агента. Так, следствием химического восстановления п-нитрофенола является большое количество побочных и промежуточных продуктов неполного восстановления нитрогруппы, а на гетерогенных катализаторах наблюдается также гидрогенолиз амидной связи целевого продукта, следствием чего является существенное снижение селективности процесса. С целью сокращения числа промежуточных стадий и повышения селективности, т. е. увеличения выхода целевых продуктов реакции, в работе изучена зависимость селективности гидрогенизационного ацилирования ароматических нитросоединений от концентрации ацилирующего агента на палладийсодержа-щих катализаторах в мягких условиях до парацетамола (схема 1), оксафенамида (схема 2) и фенацетина (схема 3).
Схема 1. Синтез парацетамола (п-ацетаминофенола) гидрогенизационным ацилирова-нием п-нитрофенола уксусной кислотой на палладиевых катализаторах
НО"С3-М°2 НО-'\3'МН2 Тс- НО-^^НС°СН 3
парацетамол
Схема 2. Синтез оксафенамида (п-оксифенилсалициламид) гидрогенизационным ацилированием п-нитрофенола салициловой кислотой на палладиевых катализаторах
гГ^^-ОН
Н0-</ х>-м°2 -2^0» НО- ^-МНСО
НО-^ оксафенамид
Схема 3. Синтез фенацетина (п-этоксиацетанилид) гидрогенизационным ацилирова-нием п-этоксинитробензола уксусной кислотой на палладиевых катализаторах
СН3СН20-^ уш2 _нН2р» НО-/ уми2 СНН32С(°0^ СНзСИ20^ Л)-МНСОСН3
фенацетин
Для корректного сопоставления гетерогенных и полимерных палладийсодер-жащих аналогов нами исследованы: гетерогенные - Рё/С и катализатор Линдлара (Рё/СаСО3 обработанный ацетатом свинца); металлополимерные - палладийсодер-жащие аниониты - АН-1, АН-108-э, АН-541, АН-511, АН-221, АРА-12П и АВ-17-8; палладийсодержащие катиониты - КФ-1, КУ-2-8 и КФ-7. Экспериментальные данные, представленные в таблицах 1-3, свидетельствуют о влиянии природы катализатора на селективность процесса при прочих равных условиях. Однако зависимость выхода целевого продукта от концентрации ацилирующего агента неоднозначна: например, в присутствии АВ-17-8-Рё увеличение концентрации ацилирующего агента оказывает незначительное влияние на выход целевых продуктов, а процесс с участием КФ-7-Рё практически не зависит от концентрации ацилирующего агента (табл. 1-3).
Таблица 1. Выход п-ацетаминофенола в зависимости от концентрации уксусной кислоты при восстановительном ацилировании п-нитрофенола на различных палладийсодержащих катализаторах в этаноле
Выход, масс %
Конц. моль/л АВ-17-8- Рё АН-1-Рё -гз -Р -э- -8 о АН-541-Рё АН-511-Рё АН-221-Рё ТЗ -Р -П -А АР КФ-7-Рё 43 -Р 8-У К КФ-1-Рё Рё/С Рё/СаСО3
0,1 87,6 81,0 80,0 78,5 74,4 72,0 71,8 70,7 68,0 60,2 56,8 40,2
0,3 87,5 80,5 79,5 77,9 75,0 71,5 70,9 70,0 67,5 61,6 60,7 41,5
0,5 88,1 81,5 81,4 79,2 74,9 73,1 72,3 70,5 68,1 62,0 62,8 43,7
0,7 89,8 83,4 80,8 79,0 75,3 72,8 72,5 70,8 67,0 62,5 63,1 44,4
1,0 90,5 85,1 80,7 78,9 75,8 73,6 72,7 71,0 66,8 63,4 63,0 45,3
Условия: объем раств. 50 мл; давл. Н2 1 атм.; темп. 45 0С; кат. 0,4 г, сод. палладия 4 масс %, диаметр частиц - (ё = 0,075 - 0,102 мм); конц. нитросоединения 0,1 моль/л. Ошибка определения выхода целевого продукта ± 3^5 %.
Таблица 2. Выход п-этоксиацетанилида в зависимости от концентрации уксусной кислоты при восстановительном ацилировании п-этоксинитробензола на различных палладийсодержащих катализаторах в этаноле
Конц. моль/л Выход, масс %
АВ-17-8-Рё АН-1-Рё -гз -Р -э- 8- о АН-541-Рё АН-511-Рё АН-221-Рё 43 -Р -П -А АР КФ-7-Рё 43 -Р 8-У К КФ-1-Рё Рё/С Рё/СаСОэ
0,1 78,1 70,0 70,0 68,7 64,4 62,4 61,4 60,1 58,0 50,2 41,7 40,0
0,3 78,0 71,7 69,8 67,5 65,1 61,5 60,4 60,2 57,5 51,6 45,1 40,5
0,5 79,5 73,0 71,0 69,4 64,7 63,3 62,4 60,5 58,1 52,0 47,8 41,7
0,7 80,8 74,5 70,2 69,3 65,0 62,8 62,3 60,8 57,0 52,5 49,3 42,4
1,0 82,7 73,8 70,1 68,6 65,5 63,6 62,7 61,0 57,8 53,4 51,5 43,3
Данные таблиц 1-3 показывают, что незначительное повышение селективности процесса не компенсируется большим избытком ацилирующих веществ, причем наиболее чувствительны к изменению концентрации гетерогенные аналоги при меньшей суммарной селективности процесса. В целом зависимость селективности гидрогениза-ционного ацилирования ароматических нитросоединений от концентрации ацилирую-щего агента на палладийсодержащих катализаторах в мягких условиях имеет следующую последовательность: АВ-17-8-Рё > АН-1-Рё > АН-541-Рё > АН-511-Рё > АН-221-Рё > АРА-12П-Рё > КФ-7-Рё > КУ-2-8-Рё > КФ-1-Рё > Рё/С > Рё/СаСО3. Из табл. 1, 2 видно, что для гетерогенных аналогов селективность по п-ацетаминофенолу и п-этоксиацетанилиду выше, чем селективность по п-оксифенилсалициламиду (табл. 3).
Таблица 3. Выход п-оксифенилсалициламида в зависимости от концентрации салициловой кислоты при восстановительном ацилировании п-нитрофенола на различных палладийсодержащих катализаторах в этаноле
Конц. моль/л Выход, масс %
АВ-17-8-Рё АН-1-Рё 43 -Р -э- 8- о АН-541-Рё АН-511-Рё АН-221-Рё ТЗ -Р -П -А АР КФ-7-Рё 43 -Р 8-У К КФ-1-Рё Рё/С Рё/СаСОэ
0,1 67,6 61,0 60,0 58,6 54,4 52,3 51,4 50,0 48,9 40,0 36,9 33,2
0,3 67,5 60,5 59,9 57,6 55,0 51,3 50,4 50,0 47,8 41,0 35,7 34,5
0,5 68,1 61,5 61,1 59,7 54,9 53,4 52,4 50,2 48,8 42,0 33,8 34,7
0,7 69,8 63,4 60,7 59,0 55,3 52,3 52,7 50,4 47,9 42,5 37,1 34,8
1,0 70,5 65,1 60,9 58,9 55,8 53,3 52,7 51,4 46,9 43,2 38,0 35,8
Тогда как, металлополимеры не столь чувствительны к изменениям концентрации ацилирующих агентов. По-видимому, это связано, с одной стороны, с их большей селективностью в гидрогенизации нитросоединений, с другой - с участием свободных функциональных групп анионитов и катионитов в качестве катализаторов (кислотно-основных) процесса ацилирования образующегося in situ п-аминофенола и п-этоксиаминобензола, а также с быстрой дезактивацией (снижение стабильности) гетерогенных катализаторов, тогда как металлополимеры практически не теряют своей активности и селективности.
Выводы
Таким образом, полученные в работе данные позволяют сделать следующие выводы: селективность процесса зависит не только от природы катализатора, но и от природы и концентрации реагирующих веществ. Причем незначительная концентрационная зависимость реакции от ацилирующего агента позволяет совмещать стадии гидрирования нитрогруппы и его ацилирования и получать целевые вещества с достаточно высоким выходом, в отличие от их гетерогенных аналогов. Наряду с этим использование в качестве ацилирующих агентов кислот, а не их ангидридов или хлорангидридов, дает возможность трансформировать такого типа исследования в промышленное производство.
Литература
1. Белецкая И.П., Кустов Л.М. Катализ - важнейший инструмент «зеленой» химии // Успехи химии. - 2010. - Т. 79, № 6. - С. 493-515.
2. Белецкая И.П., Анаников В.П. Почему развитая страна не может существовать без органической химии // Ж-л орг. химии. - 2015. - Т. 51, вып. 2. - С. 159-164.
3. Анаников В.П. Развитие методологии современного селективного органического синтеза: получение функцианализированных молекул с атомарной точностью // Успехи химии. - 2014. - Т 83, № 10. - С. 885-887.
4. Thomas E. Bioactive Carboxylic Compound Classes: Pharmaceuticals and Agro-chemicals. - Published Wiley-VCH Verlag GmbH., .2016. - P. 27-38.
5. Гусак К.Н., Игнатович Ж.В., Королева Е.В. Новые возможности реакции восстановительного алкилирования аминов // Успехи химии. - 2015. - Т. 84, № 3. -С.288-309.
6. Мироненко Р.М., Бельская О.Б., Солодовниченко В.С. Палладиевый катализатор гидрирования на основе пористого углеродного материала, полученного при дегидрохлорировании хлорполимера // Кинетика и катализ. - 2016. - Т. 57, № 2. -С. 223-228.
7. Магдалинова Н.А., Калмыков П.А., Клюев М.В. Наноалмазы, содержащие палладий, в гидрировании и гидроаминировании // Нефтехимия. - 2012. - Т. 52, № 5. - С. 333-338.
8. Альтшулер Г.Н., Шкуренко Г.Ю., Горлов А.А. Кинетика восстановления эфиров п-нитробензойной кислоты в нанореакторах на основе сульфированных сетчатых полимеров // Журнал физической химии. - 2015. - Т. 89, № 3. - С. 388-392.
9. Абдуллаев М.Г. Гидрирование ароматических нитросоединений на палла-дийсодержащих анионитах // Нефтехимия. - 2016. - Т. 56, № 2. - С. 166-170.
10. Abdullaev M.G. Kinetics of One-Step Mepivacaine Synthesis on Polymers Containing Pd-Nanoparticles // Pharmaceutical Chemistry Journal. - 2019. - V. 52, Issue 10. - P. 865-867.
11. Колхаун Х.М., Холтон Д., Томпсон Д., Твигг М. Новые пути органического синтеза. Практическое использование переходных металлов: пер. с анг. - М.: Химия, 1989. - С. 360.
12. Абдуллаев М.Г., Абдуллаева З.Ш., Клюев М.В., Гебекова З.Г. Кинетика и механизм синтеза новокаина в присутствии палладийсодержащих полимеров // Химико-фармацевтический журнал. - 2014. - Т. 48, № 5. - С. 43-46.
Поступила в редакцию 6 февраля 2019 г.
UDC 541.128.542.971
DOI: 10.21779/2542-0321-2019-34-1-77-84
The dependence of the selectivity of hydroacylation of aromatic nitro compounds on palladium-containing catalysts and the concentration of acylating agent
M.G. Abdullaev
Dagestan State University; Russia, 367001, Makhachkala, M. Gadzhiev st., 43a; mahram-ivgu@rambler.ru
The article studies the hydrogenation acylation of p-nitrophenol and p-ethoxy-nitrobenzene on palladium-containing catalysts under mild conditions to paracetamol, phenacetin and oxa-phenamide. As catalysts, the following were investigated: heterogeneous Pd/C and Lindlar catalyst (Pd/CаCO3 treated with lead acetate); metal-polymer - palladium-containing anion exchangers: AN-1, AN-108-e, AN-541, AN-511, AN-221, ARA-12P and AB-17-8; palladium-containing cation exchangers: KF-1, KU-2-8 and KF-7.
It is obtained that the dependence of the yield of the target product on the acylating agent is not unambiguous. At the same time, an increase in the concentration of the acylating agent has an insignificant effect on the yield of the target products in the presence of some catalysts, for example, AB-17-8-Pd, while other catalysts are not sensitive to changes in the concentration of the ac-ylating agent, for example, KF-7-Pd. The experimental data obtained also clearly demonstrate the influence of the nature of the catalyst carrier on the selectivity of the process. According to the selectivity in the reaction of hydrogenation acylation of p-nitrophenol and p-ethoxy nitrobenzene, the catalysts can be arranged in a row: AB-17-8-Pd > AN-1-Pd > AN-541-Pd > AN-511-Pd > AN-
221-Pd > ARA-12P-Pd > KO-7-Pd > KY-2-8-Pd > KO-1-Pd > Pd/C > Pd/CaC03, although heterogeneous analogs are superior to some metal polymers in their activity. For heterogeneous Pd/C and Pd/CaCO3 catalysts, the yield of n-acetaminophenol and p-ethoxyacetanilide is significantly higher than the yield of n-hydroxyphenylsalicylamide. While, the decrease in selectivity for metal polymers is not so significant.
It is noted that one-step synthesis of paracetamol (n-acetaminophenol), phenacetin (p-eto-ksiatsetanilid) and oksafenamida (n-oksifenilsalitsilamid) acylating the hydrogenation on palladium polymers allows to obtain the target substance with high yield (40-90 %) in contrast to their heterogeneous counterparts (33.2-63.1 %).
Keywords: hydrogenation acylation, p-nitrophenol, paracetamol, p-ethoxy nitrobenzene, phenacetin, p-hydroxyphenylsalicylamide, oxaphenamide, palladium-containing catalysts.
Received 6 February, 2019
