Кобальткатализируемое карбонилирование малоактивных арилгалогенидов (06.07.2009)

Автор: Боярский Вадим Павлович

Образующиеся первоначально в результате карбонилирования эфиры карбоновых кислот частично гидролизуются в процессе реакции, судя по литературным данным, под действием гидрокарбоната калия.

Синтез производных ароматических карбоновых кислот

С целью оптимизации метода получения арилкарбоновых кислот с использованием новой каталитической системы было проведено исследование влияния различных параметров процесса карбонилирования на выход целевого продукта – арилкарбоновой кислоты. Для упрощения выделения конечного продукта целесообразно после окончания карбонилирования проводить дополнительный щелочной гидролиз реакционной смеси путем добавления гидроксида щелочного металла, после чего соль карбоновой кислоты легко выделить из реакционной смеси в виде водного раствора.

На примере реакции карбонилирования 1-бромнафталина была изучена зависимость конверсии арилгалогенида от природы используемого основания (КОН, NaOH, К2СО3 и Na2СО3). Полученные результаты показали, что б?льшие степени превращения субстрата достигаются при использовании в качестве основания карбонатов щелочных металлов. Использование в качестве основания гидроксидов этих металлов приводит к заметному уменьшению выхода карбоновой кислоты в результате ускорения метанолиза оксирана.

С целью подбора оптимальных условий проведения карбонилирования в системе карбонил кобальта – оксиран была изучена зависимость скорости реакции от температуры на примере карбонилирования 1-хлорнафталина в качестве модельного соединения. Полученные данные свидетельствуют о том, что с уменьшением температуры заметно снижается и скорость карбонилирования. Реакция описывается уравнением Аррениуса с коэффициентом корреляции ?0.997, эффективная энергия активации составляет 73 кДж/моль.

Также было показано, что скорость реакции и выход целевого продукта уменьшаются при использовании в качестве растворителя вместо метанола других низших спиртов – этанола или пропан-2-ола.

Полученные результаты, позволяющие оптимизировать методику карбонилирования, были использованы при разработке методов синтеза арилкарбоновых кислот. Было апробировано получение ряда имеющих практическое значение арилкарбоновых кислот карбонилированием соответствующих моноарилгалогенидов в лабораторном масштабе в количествах до нескольких сотен граммов (табл. 2).

Таблица 2. Карбонилирование арилмоногалогенидов

t = 60 °С, РСО = 0.1 МПа ([CO]MeOH = 4·10?5 М),

[Co2(CO)8] = 2.7 г/л (0.008 М)

Субстрат Мольное

соотношение а Время реакции, ч Конверсия субстрата б, % Выход продук-

20 : 1 : 40 : 60 4.0 90 87

6-MeO-2-Br-C10H6 67 : 1 : 100 : 220 10.5 100 100

5-Br-аценафтен 130 : 1 : 157 : 260 6.0 70 50

п-CH3COС6H4Br 290 : 1 : 153 : 447 6.0 78 74

4-MeO-3-BrС6H3CHO 81 : 1 : 67 : 193 9.0 95 80

4-BnO-3-BrС6H3CHO 97 : 1 : 104 : 245 10.0 74 64

а Мольное соотношение субстрат : Co2(CO)8 : метилоксиран : карбонат калия. б По данным ГЖХ. в Препаративный выход соответствующей арилкарбоновой кислоты.

В табл. 2 представлены основные примеры высокоэффективного синтеза арилкарбоновых кислот, труднодоступных другими способами, осуществленного методом карбонилирования соответствующих ароматических галогенидов с использованием новой каталитической системы Co2(CO)8 – метилоксиран – К2СО3 в метаноле. В литературе приведены способы получения некоторых из этих кислот, играющих важную роль в разработке новых лекарственных препаратов, но описанные методы уступают по эффективности реакции карбонилирования (табл. 3). Особенно это относится к получению арилкарбоновых кислот, имеющих в своем составе другую карбонильную функцию. Наличие в молекуле субстрата –арилгалогенида – карбонильной группы (как, например, в случае 4-бромацетофенона) препятствует использованию для введения карбоксильной группы методов, основанных на использовании литий- или магнийорганических производных. В то же время кобальткатализируемое карбонилирование таких соединений протекает с высоким выходом. То же можно сказать и о получении продуктов, имеющих в своем составе фрагмент, чувствительный к окислению (примером являются алкил- и алкоксиарилкарбоновые кислоты, для которых окислительные методы получения дают сравнительно низкие выходы.

Кроме того, важным достоинством разработанного нами препаративного метода синтеза является его универсальность.

Таблица 3. Сравнение эффективности разработанного метода синтеза

арилкарбоновых кислот с литературными данными

штштзтбтштЧтСтСтСтСтСтЙтСтє±т«з¤з±тљтљтљтЙтљтз“тзт礓тєтз¤

E ариллитиевое производное 61

4-F-2-CH3-С6H3CO2H 4-F-2-CH3-С6H3Br 97 п-F-С6H4CO2H через ариллитиевое производное 86

6-MeO-2-CO2H-C10H6 6-MeO-2-Br-C10H6 100 6-MeO-2-CHO-C10H6 окисление 60

п-CH3CO-С6H4CO2H п-CH3CO-С6H4Br 95 п-CH3CO-С6H4Br карбонилирование с использованием комплексов Pd 70

а Выход в расчете на прореагировавший арилгалогенид.

Хорошие результаты показала разработанная нами каталитическая система и при получении дикарбоновых кислот (табл. 4). В последние годы важной сферой применения синтезированных нами и им подобных кислот становится получение новых полимерных нанокомпозитов – органических полупроводников и фоточувствительных пленок. Поэтому, помимо очевидного препаративного значения, разработанная каталитическая система может также играть важную роль в создании гибкой технологии получения дикарбоновых кислот карбонилированием арилдигалогенидов.

Таблица 4. Карбонилирование арилдигалогенидов с образованием

дикарбоновых кислот

t = 60 °С, РСО = 0.1 МПа, [Co2(CO)8] = 2.7 г/л (0.008 М)

10 : 1 : 20 : 60 4.5 96 82

а Мольное соотношение субстрат : Co2(CO)8 : метилоксиран : карбонат калия. б По данным ГЖХ. в Кроме дикарбоновых кислот реакционные смеси содержали продукты неполного карбонилирования субстратов – соответствующие моногалогенсодержащие монокарбоновые кислоты.

Кроме того, на основе разработанного нами метода была успешно апробирована схема получения 5-(4-гидроксифенокси)изофталевой кислоты, которая представляет интерес для получения дендримерных нанокомпозитов, содержащих в своем составе дифенилоксидный фрагмент:

Как видно из представленных данных, разработанная эффективная каталитическая система Co2(CO)8 – метилоксиран – К2СО3 в метаноле может успешно применяться для селективного синтеза ароматических моно- и дикарбоновых кислот с высоким выходом в мягких условиях, как в лабораторной практике, так и в промышленности – для производства необходимых продуктов как сырья в тонкой химии. Следует отметить, что для достижения высокого выхода продуктов приходится использовать достаточно высокое количество модификатора (оксирана). Однако данный факт не снижает ни лабораторного, ни промышленного значения метода, так как при метанолизе из метилоксирана образуется монометиловый эфир пропиленгликоля, а из незамещенного оксирана – метилцеллозольв. Оба эти соединения вполне совместимы с метанолом как растворители, легко отделяются от ароматических карбоновых кислот (основных продуктов реакции) и в дальнейшем на стадии регенерации метанола могут быть выделены путем ректификации как самостоятельные продукты.

Предлагаемый способ синтеза ароматических кислот карбонилированием соответствующих арилгалогенидов был успешно апробирован с использованием автоклавной установки опытного завода с наработкой опытных партий ряда продуктов.

Синтез гетероароматических карбоновых кислот

карбонилированием гетарилгалогенидов


загрузка...