Гидроалкоксикарбонилирование изобутилена моноксидом углерода и моно(поли)атомными спиртами в присутствии фосфиновых комплексов переход

Следует отметить, что при соотношении исходных реагентов (изобутилен, глицерин) 1:1 (Т=100°С, РСО=20атм, τ=3 часа) и 2:1 (Т=100-110°С, РСО=20-25 атм, τ= 2-4 часа) наблюдается образование лишь моно- и диглицеридов изовалериановой кислоты. Интересно отметить, что при соотношении реагентов 2:1, но в разных условиях проведения процесса – Т=90°С, РСО=20 атм, τ=3 часа и Т=100°С, РСО= 15атм, τ=3 часа, наблюдается образование смеси ди- и триглицеридов изовалериановой кислоты. При соотношении 3:1 (Т=100°С, РСО=20 атм, τ=3 часа) наблюдается образование наряду с моно- и диглицеридами, также триглицерида с выходом 8,6%.

Проведено гидроалкоксикарбонилирование изобутилена моноксидом углерода и глицерином в присутствии трехкомпонентной каталитической системы Pd(PPh3)4-PPh3-TsOH (соотношение исходных реагентов [изобутилен]:[глицерин]=2:1) при найденных выше оптимальных условиях проведения процесса с использованием системы Pd(Acac)2-PPh3-TsOH ([i-C4H8]:[глицерин]: [Pd]:[PPh3]:[TsOH]= 1100:550:1:3:12, T=100°C, PCO=2 МПа, τ=3 ч). Установлено, что процесс протекает также с образованием моно- и диглицеридов изовалериановой кислоты, выходы которых составляют 4,8% и 10,9%, соответственно. Общий выход глицеридов – 15,7%.

ИК-спектры синтезированных глицеридов изовалериановой кислоты характеризуются типичными полосами поглощения сложных эфиров: карбонильная полоса при 1735-1740 см-1 и «эфирная полоса» (валентные колебания С-О-С группировки сложноэфирной связи) при 1188-1191 см-1. Для моноглицерида и диглицерида имеются полосы поглощения при 1051 и 1121 см-1, характерные для первичных и вторичных спиртовых гидроксилов, и широкая полоса поглощения в области 3403-3466 см-1 ассоциированных гидроксильных групп.

В сильнопольной области спектра ЯМР 1Н полученных глицеридов изовалериановой кислоты резонируют протоны остатка изовалериановой кислоты моноглицерида. Протоны метильных групп (С1Н3 и С2Н3) проявляются в виде дублетов при 0,86 м.д. (J=6,5 Гц). Метиновый протон (С3Н) резонирует в виде мультиплета при 2,0 м.д., а метиленовые протоны (С4Н2) проявляются в виде дублета при 2,13 м.д. (J3=6,9 Гц). В слабопольной области спектра ЯМР 1Н резонируют протоны глицеринового остатка.  Метиленовые протоны С6Н2 резонируют при 4,02 м.д. (J=5,4 Гц). Метиновый протон (С7Н) проявляется в виде мультиплета при 3,82 м.д.. Протоны гидроксильных групп при С7 и С8 атомах углерода проявляются в виде уширенного и нерасщепленного дублета и триплета при 3,6 и 3.66 м.д. Следует отметить, что протоны НА и НВ за счет геминального расщепления между собой и вицинального расщепления от соседнего протона (С7Н) имеют дублет-дублетную мультиплетность со значениями хим.сдвигов 3,48 м.д. и 3,57 м.д.. Аналогично метиленовые протоны НА, НВ, НА' и НВ' глицеринового остатка ди- и триглицерида вследствие геминального расщепления между собой и вицинального расщепления от соседнего метинового протона также имеют дублет-дублетную мультиплетность со значениями хим.сдвигов при 3,97 и 4,10 м.д..

В спектре ЯМР 13С моноглицерида изовалериановой кислоты, атом углерода карбонильной группы С5=О резонирует при 173,92 м.д. в виде пика слабой интенсивности, что соответствует хим.сдвигу четвертичных карбонильных атомов углерода. Самый сильнопольный пик сильной интенсивности при 22,65 м.д. относится к атомам углерода метильных групп С1 и С2 изовалериановой кислоты. Пики при  25,92 м.д. и 43,48 м.д. относятся к атомам углерода С3 и С4. Оставшиеся сигналы относятся к атомам углерода глицеринового остатка: С7 – 70,45 м.д., С6 - 65,21 м.д. и С8 - 63,72 м.д.

Таким образом, установлено, что карбонилирование изобутилена моноксидом углерода и глицерином в присутствии системы Pd(Acac)2-PPh3-TsOH и Pd(PPh3)4-PPh3-TsOH протекает региоселективно по крайнему атому углерода исходного олефина с образованием продуктов линейного строения – глицеридов изовалериановой кислоты. Установлено, что карбонилирование изобутилена моноксидом углерода в присутствии глицерина в зависимости от соотношения исходных реагентов протекает с образованием моно- и ди-, ди- и три- или моно-, ди- и триглицеридов изовалериановой кислоты. Соотношение продуктов реакции – моно-, ди- и триглицеридов изовалериановой кислоты зависит от условий проведения реакции.

2.2.3 Встречный синтез гликолидов и глицеридов изовалериановой кислоты. С целью сравнительной оценки проведен синтез гликолидов и глицеридов изовалериановой кислоты реакцией прямой этерификации последней этиленгликолем и глицерином. Моноглицерид изовалериановой кислоты синтезирован также «изопропилиденовым» способом, основанным на ацилировании a,b-изопропилиденглицерина с последующим снятием защитной изопропилиденовой группы кислотным гидролизом.

Синтез глицеридов изовалериановой кислоты осуществляли кипячением при температуре кипения изовалериановой кислоты (177°С) смеси глицерина и изовалериановой кислоты в соотношении 1:1, 1:2 и 1:3 в течение 5 ч. В качестве катализатора использовали едкий натр (0,15%). После проведения реакции отгонялась не вступившая в реакцию изовалериановая кислота. Полученные продукты разделяли и очищали адсорбционной хроматографией на силикагеле KCK (0,1 – 0,16 мм), применяя в качестве элюентов хлороформ и хлороформ:метанол (в объемном соотношении 9:1). Степень чистоты полученных продуктов контролировали методом тонкослойной хроматографии («Silufol», хлороформ:метанол (9:1)).

Установлено, что в зависимости от соотношения исходных реагентов образуются смеси моно-, ди- и триглицеридов  изовалериановой кислоты. Наибольший выход суммы глицеридов (89,6%) получен при соотношении [изовалериановая кислота]:[глицерин]=2:1, при этом выходы моно-, ди- и триглицеридов изовалериановой кислоты составляют 23,1, 44,3 и 22,2% соответственно. Наименьший выход суммы глицеридов (28,7%) получен при соотношении  [изовалериановая кислота]:[глицерин]=1:1, при этом выходы моно- и диглицеридов изовалериановой кислоты составляют 16,0 и 12,7% соответственно. При соотношении   [изовалериановая кислота]:[глицерин]=3:1 получено 26,6% диглицерида и 51,6% триглицерида изовалериановой кислоты.

Моноглицерид изовалериановой кислоты синтезирован также «изопропилиденовым» способом по ранее описанной методике с выходом 82%:

При проведении синтеза гликолидов изовалериановой кислоты прямой этерификацией последней этиленгликолем по вышеприведенной методике (177°С, 5 ч) установлено, что независимо от соотношения исходных реагентов (этиленгликоль, изовалериановая кислота) образуется смесь моно- и дигликолидов изовалериановой кислоты. При эквимолярном соотношении исходных реагентов образуется 55,9% моногликолида и 31,5% дигликолида изовалериановой кислоты, а при соотношении [изовалериановая кислота]:[этиленгликоль]=2:1 – 34,2% моногликолида и 56,9% дигликолида изовалериановой кислоты.

Таким образом, при прямой этерификации изовалериановой кислоты этиленгликолем и глицерином независимо от соотношения исходных реагентов всегда образуются смеси моно- и дигликолидов  и моно-, ди- и триглицеридов  изовалериановой кислоты. a-Моноглицерид изовалериановой кислоты получен с высоким выходом (82%) «изопропилиденовым» способом через a,b-изопропилиденглицерин.

2.3 О механизме реакции гидроалкоксикарбонилирования изобутилена моноксидом углерода и спиртами в присутствии систем на основе фосфиновых комплексов палладия. Анализ литературных данных и полученные нами данные позволяют предположить для изученной гомогенно-каталитической реакции гидроалкоксикарбонилирования изобутилена моноксидом углерода и моно- и полиатомными спиртами гидридный механизм протекания процесса, как наиболее вероятный. В пользу такого предположения говорит наблюдаемая исключительная эффективность добавки п-толуолсульфокислоты, которая, по-видимому, как донор протона облегчает образование первоначального каталитически активного гидридного комплекса.

2.4 Биологическая активность синтезированных сложных эфиров изовалериановой кислоты. Проведено биологическое испытание на антимикробную активность ряда сложных эфиров изовалериановой кислоты, синтезированных реакцией гидроэтерификации изобутилена моноксидом углерода и моноатомными и полиатомными спиртами (этиленгликоль, глицерин).

Изучение антимикробной активности синтезированных соединений проводилось по отношению к штаммам бактерий Staphylococcus aureus, Escherihia coli, Pseudomonas aeruginosa и дрожжевому грибу Candida albicans методом диффузии в агар (лунок). Исследуемые образцы растворяли в 96% этиловом спирте в концентрации 1 мг/мл.

Культуры выращивали при температуре 37°С в течение 18-24 часов. Выращенные культуры разводили в 0,9 % растворе хлорида натрия, бактерии вносили по 1 мл в чашки с мясопептонным агаром, а кандиду в среду Сабуро и засевали по методу получения «сплошного газона». Формировали лунки диаметром 6 мм, куда вносили препараты и 96 % этиловый спирт в качестве контроля. Антимикробная активность образцов оценивалась к диаметру зон задержки роста тест-штаммов (мм). Диаметр зон задержки роста меньше 10 мм оценивался как отсутствие антимикробной активности, 10-15 – слабая активность, 15-20 – умеренная, 20 мм и выше – выраженная.

Установлено, что циклогексиловый эфир изовалериановой кислоты обладает выраженной антибактериальной активностью (против Staphylococcus aureus, Escherihia coli, Pseudomonas aeruginosa) и умеренной противогрибковой активностью (против Candida albicans). Бензиловый эфир изовалериановой кислоты обладает умеренной (против Escherihia coli) и слабой антибактериальной активностью (против Staphylococcus aureus). Моноглицерид изовалериановой кислоты обладает слабой антибактериальной активностью (против Escherihia coli), умеренными антибактериальной (против Pseudomonas aeruginosa) и противогрибковой активностью (против Candida albicans).

3 Экспериментальная часть

В экспериментальной части приведены методы синтеза исходных веществ, описание методик карбонилирования изобутилена моноксидом углерода и моно(поли)спиртами в присутствии систем на основе фосфиновых комплексов Pd, Co и Ni.

Заключение

По результатам исследований сделаны следующие выводы:

1. С целью оптимизации процесса синтеза сложных эфиров изовалериановой кислоты определены оптимальные параметры проведения реакции гидроалкоксикарбонилирования изобутилена моноксидом углерода и моно- и полиатомными спиртами в присутствии систем на основе фосфиновых комплексов Pd, Ni и Co при низких давлениях моноксида углерода (≤20 атм). Показано, что каталитическую активность проявляют лишь системы на основе фосфиновых комплексов палладия. Наибольшую каталитическую активность проявляют трехкомпонентные системы, содержащие кроме исходных фосфиновых комплексов палладия свободный лиганд (PPh3) и промотор (TsOH). Селективность процесса по линейным продуктам составляет 100%. Определено влияние природы исходных спиртов на выход целевых продуктов реакции гидроалкоксикарбонилирования изобутилена.
2. Впервые показана возможность синтеза гликолидов (глицеридов) изовалериановой кислоты гомогенно-каталитическим гидроалкоксикарбони-лированием изобутилена моноксидом углерода и этиленгликолем (глицерином). Установлено влияние различных условий проведения реакции на выход целевых продуктов (гликолиды и глицериды изовалериановой кислоты). Найдены оптимальные условия проведения реакции гидроалкоксикарбонилирования изобутилена моноксидом углерода и этиленгликолем в присутствии системы Pd(Acac)2-PPh3-TsOН. Установлено, что карбонилирование изобутилена моноксидом углерода и этиленгликолем в присутствии данной системы протекает региоселективно по крайнему атому углерода исходного олефина с образованием продуктов линейного строения – гликолидов изовалериановой кислоты. Независимо от соотношения исходных реагентов (изобутилен, этиленгликоль) образуется смесь моно- и дигликолевых эфиров изовалериановой кислоты. Установлено, что карбонилирование изобутилена моноксидом углерода и глицерином в присутствии систем Pd(Acac)2-PPh3-TsOH и Pd(PPh3)4-PPh3-TsOH протекает региоселективно по крайнему атому углерода исходного олефина с образованием продуктов линейного строения – глицеридов изовалериановой кислоты. Карбонилирование изобутилена моноксидом углерода в присутствии глицерина в зависимости от соотношения исходных реагентов протекает с образованием моно- и ди-, ди- и три- или моно-, ди- и триглицеридов изовалериановой кислоты. Соотношение продуктов реакции – моно-, ди- и триглицеридов изовалериановой кислоты зависит от условий проведения реакции.
3. Предложен наиболее вероятный механизм протекания изученных гомогенно-каталитических реакции гидроалкоксикарбонилирования изобутилена моноксидом углерода и моно(поли)атомными спиртами.
4. Разработан новый, эффективный способ получения гликолидов (глицеридов) изовалериановой кислоты реакцией гидроэтерификации изобутилена моноксидом углерода и этиленгликолем (глицерином) в присутствии систем на основе фосфиновых комплексов палладия. На разработанный способ получены 2 положительные решения на выдачу инновационного патента РК.
5. Впервые найдено, что циклогексиловый эфир изовалериановой кислоты обладает выраженной антибактериальной активностью (против Staphylococcus aureus, Escherihia coli, Pseudomonas aeruginosa) и умеренной противогрибковой активностью (против Candida albicans). Бензиловый эфир изовалериановой кислоты обладает умеренной (против Escherihia coli) и слабой антибактериальной активностью (против Staphylococcus aureus). Моноглицерид изовалериановой кислоты обладает слабой антибактериальной активностью (против Escherihia coli), умеренными антибактериальной (против Pseudomonas aeruginosa) и противогрибковой активностью (против Candida albicans).

Оценка полноты решения поставленных задач. Поставленные задачи выполнены полностью. Впервые показано, что синтез полиоловых сложных эфиров изовалериановой кислоты может быть осуществлен гомогенно-каталитической реакцией гидроалкоксикарбонилирования изобутилена полиатомными спиртами при низких давлениях моноксида углерода (≤20 атм). Определены оптимальные параметры проведения процесса.

Рекомендации по практическому использованию полученных результатов. Результаты исследования реакции гидроалкоксикарбонилирования изобутилена моноксидом углерода и моно(поли)атомными спиртами в присутствии различных фосфиновых комплексов палладия являются вкладом в соответствующей области органической химии (карбонилирование органических соединений моноксидом углерода) и могут быть использованы в учебном процессе высших учебных заведений. Новый способ получения полиоловых сложных эфиров изовалериановой кислоты гидроалкоксикарбонилированием изобутилена может найти практическое применение для их получения в лабораторной практике и в промышленном производстве.

Анализ имеющихся литературных данных в области гидроалкоксикарбонилирования олефинов позволяет заключить, что результаты данной работы являются новыми и оригинальными, заполняющими существенный пробел в соответствующей области органической химии.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1 Аппазов Н.О., Каныбетов К.С., Абызбекова Г.М., Артамонов А.Ф., Джиембаев Б.Ж., Суербаев Х.А. Синтезы на основе оксидов углерода. XII. Карбонилирование изобутилена моноксидом углерода в присутствии глицерина и каталитической системы Pd(Acac)2-PPh3-TsOH // Вестник КазНУ. Серия хим. -2006. -№1. -С.37-39.

2 Аппазов Н.О., Абызбекова Г.М., Джиембаев Б.Ж., Суербаев Х.А. Синтезы на основе оксидов углерода. XVIII. Гидроалкоксикарбонилирование изобутилена моноксидом углерода и этиленгликолем в присутствии каталитической системы Pd(Acac)2-PPh3-TsOH // Вестник КазНУ. Серия хим. -2006. -№3. -С.10-12.

3 Каныбетов К.С., Жаксылыкова Г.Ж., Аппазов Н.О., Абызбекова Г.М., Суербаев Х.А. Синтезы на основе оксидов углерода. XIX. Карбонилирование изобутилена моноксидом углерода и этанолом в присутствии системы Pd(Асас)2- PPh3-TsOH // Вестник КазНУ. Серия хим. -2006.-№3. -С.12-15.

4 Суербаев Х.А., Джиембаев Б.Ж., Жаксылыкова Г.Ж., Туркбенов Т.К., Аппазов Н.О., Каныбетов К.С., Абызбекова Г.М. Карбонилирование олефинов моноксидом углерода и спиртами в присутствии каталитической системы Pd(Acac)2-PPh3-TsOH // Химич. журнал Казахстана. -2006. -№4. -С.115-121.

5 Аппазов Н.О., Абызбекова Г.М., Джиембаев Б.Ж., Суербаев Х.А. Изобутиленді көміртек моноксиді және этиленгликольмен Pd(Acac)2-PPh3-TsOH жүйесі қатысында гидроалкоксикарбонилдеу // Химич. журнал Казахстана. -2006. -№4. -С.216-217.