СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ ИЗ КАРБОНИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
METHOD OF PREPARATION OF CARBONYL COMPOUND AND CARBOXYLIC ACID ESTERS

Изобретение относится к органической химии, а именно к способу получения сложных эфиров из карбонильных соединений и карбоновых кислот под действием монооксида углерода в присутствии рутениевых катализаторов.
Изобретение наиболее эффективно может быть использовано в химической и полимерной промышленности для получения различных сложных эфиров, а также для модификации биотоплива в целях повышения его качества [Tang Y., Yu W., Mo L., Zheng X. Energy Fuels, 2008, 22 (5), 3484-3488; Yu W., Tang Y., Mo L., Chen P., Lou H., Zheng X. Catal. Commun.; 2011, 13 (1), 35-39].
Сложные эфиры широко используются в качестве растворителей, пластификаторов, ароматизаторов, биотоплива, основы лекарственных препаратов [Общая органическая химия. Т. 4. Карбоновые кислоты и их производные. Соединения фосфора / Пер. с англ. М.: Химия, 1983; Takagaki A., Nishimura S., Ebitani K. Catal. Surv. Asia, 2012, 16 (3), 164-182; Zhou C.-H., Xia X., Lin С.-Х., Tong D.-S.; Beltramini J. Chem. Soc. Rev., 2011, 40 (11), 5588-5617], и поэтому разработка новых способов получения данного класса соединений представляется актуальной для дальнейшего развития таких областей, как органическая химия, фармацевтическая химия, полимерная химия, парфюмерно-косметическая и пищевая промышленность, возобновляемые источники энергии.
На данный момент хорошо разработаны различные пути получения сложных эфиров, но наиболее распространенным из них является этерификация (Схема 1) за счет либо взаимодействия карбоновых кислот со спиртами (уравнение 1), либо ацилирования спиртов активированными производными карбоновых кислот (уравнение 2), либо алкилирования карбоксильных анионов соединениями с легко уходящими нуклеофугами (уравнение 3) [Общая органическая химия. Т. 4. Карбоновые кислоты и их производные. Соединения фосфора / Пер. с англ. М.: Химия, 1983].
Одним из перспективных, но малоизученных способов синтеза сложных эфиров является способ, в котором используется реакция восстановительной этерификации карбонильных соединений, включающая восстановление карбонильного соединения и взаимодействие полученного in situ продукта с карбоновой кислотой (Схема 2).
2
Известно несколько примеров восстановительной этерификации, где альдегиды восстанавливают боргидридом натрия, спиртовые продукты после подкисления не выделяют, а вводят их в реакцию с карбоновыми кислотами в присутствии либо 2,4,6-трихлорбензоилхлорида и триэтиламина [Fernandes R.A., Chowdhury А.K. Eur. J. Org. Chem., 2013, (23), 5165-5170], либо дициклогексилкарбодиимида и 4-диметиламинопиридина [WO 2014189796, 2014], либо каталитических количеств CoCl [Lai P.-S., Ysu C.-Y. Asian J. Org. Chem., 2014, 3 (6), 695-699]. Указанный способ имеет два крупных недостатка: многостадийность и использование небезопасного гидридного восстановителя, приводящего к образованию производных бора в качестве побочных продуктов и требующего осторожного обращения.
Известен способ, который заключается в восстановительной этерификации ароматических альдегидов в присутствии трифторуксусной кислоты под действием гидросиланов - триэтилсилана [Doyle М.Р., DeBruyn D.J., Donelly S.J., Kooistra D.A., Odubela A.A., West C.T.,Zonnebelt S.H. J. Org. Chem., 191 A, 39 (18), 2740-2747] и 1,1,3,3-тетраметилдисилоксана [Aizpurua J.M., Lecea В., Palomo C. Can. J. Chem., 1986, 64 (12), 2342-2347]. К общим недостаткам данного способа относятся использование дорогих восстановителей и превалирующее образование из промежуточных бензиловых спиртов не трифторацетатов, а симметричных простых эфиров.
Известен способ получения сложных эфиров, основанный на восстановлении арилкарбонильных соединений цинковым порошком в уксусной кислоте. Способ приводит к образованию арилметилацетатов - с выходами 92-95% в случае использования бензальдегидов и 30-60% в случае использования фенилалкилкетонов [Rani В. R., Ubukata М., Osada Н. Bull. Chem. Soc. Jpn., 1995, 68 (1), 282-284]. Однако указанный процесс восстановительной этерификации хемоселективен: реализуется только с моноарилкарбонильными соединениями и неосуществим с алифатическими альдегидами и кетонами. К недостаткам системы «цинковый порошок - уксусная кислота» можно отнести также выделение водорода, способного образовывать взрывоопасные смеси с кислородом воздуха.
2
3
3
В последние десятилетия из-за бума в области возобновляемых источников энергии стало активно развиваться направление, посвященное повышению качества биотоплива - жидкого продукта пиролиза биомассы [Huber G.W., Iborra S., Corma A. Chem. Revs., 2006, 106 (9), 4044-4098]. Применение биотоплива ограничено низкой летучестью, высокой вязкостью, коррозионностью и химической нестабильностью - свойствами, обусловленными главным образом наличием в его составе существенного количества органических кислот и реакционноспособных альдегидов [Czernik S., Bridgwater A.V. Energy Fuels, 2004, 18 (2), 590-598]. Для «облагораживания» биотоплива - превращения содержащихся в нем кислот и альдегидов в стабильные горючие компоненты предложен одностадийный процесс гидрогенирования-этерификации под действием водорода над бифункциональными катализаторами, содержащими платину или палладий, нанесенные на кислые подложки, такие как мезопористые силикаты SBA-15, модифицированные сульфокислотами, цеолиты в Н-форме типа HZSM-5, алюмосиликаты Аl(SiO) [Tang Y., Yu W., Mo L., Lou H., Zheng X. Energy Fuels, 2008, 22 (5), 3484-3488; Yu W., Tang Y., Mo L., Chen P., Zheng X. Catal. Commun., 2011, 13 (1), 35-39; Tang Y., Miao S., Shanks B.H., Zheng X. Applied Catalysis A: General, 2010, 375 (2), 310-317; Tang Y., Miao S., Mo L., Zheng X., Shanks B.H. Top. Catal., 2013, 56 (18-20), 1804-1813; Lohitarn N., Shanks B.H. Catal. Commun., 2009, 11 (2), 96-99; патентная заявка КНР CN 101138736 A (2008); патентная заявка КНР CN 101773847 А (2010)].
Основным недостатком описанного способа является дороговизна используемых металлов-катализаторов
Известен способ получения пара-изопропилбензилацетата из куминового альдегида и уксусной кислоты с выходом 94%, в котором в качестве восстановителя используют водород при давлении 13 атм. Способ включает восстановление в отсутствие растворителя с использованием рутения на активированном угле в качестве катализатора и этерификацию полученного куминового спирта после удаления Ru/C в избытке уксусной кислоты в присутствии каталитических количеств соляной кислоты (Схема 3) [патентная заявка КНР CN 102070446 А (2011)]. Данный способ представляется наиболее эффективным, и по ряду существенных признаков (в частности, металлу катализатора для восстановления) он является наиболее близким к заявляемому способу, поэтому был выбран в качестве прототипа.
К недостаткам способа-прототипа относятся двухстадийность, усложняющая технологию, и осуществление его на одном-единственном примере, что не позволяет определить границы применимости способа в отношении других карбонильных соединений, не относящихся к ароматическим альдегидам.
Задачей настоящего изобретения является разработка технологичного и экономичного одностадийного способа получения сложных эфиров из карбонильных соединений и карбоновых кислот, пригодного для применения в промышленности.
Задача решается заявляемым способом получения сложных эфиров из карбонильных соединений и карбоновых кислот под действием восстановителя в присутствии рутениевого катализатора при повышенном давлении и нагревании, причем в качестве восстановителя используют монооксид углерода и восстановление проводят в полярном растворителе, содержащем воду. Мольное соотношение кислоты, карбонильного соединения, катализатора и воды составляет (2-10):1,0:(0,005-0,0015):(0,1-7,1), предпочтительно 10:1:0,005:7, в качестве катализатора используют различные комплексы и соли рутения, предпочтительно димер хлорида бензолрутения (II), а в качестве полярного растворителя - ТГФ, изопропанол, бутанол, изобутанол, этилацетат, предпочтительно ТГФ. Способ осуществляют при давлении 2-35 атм, предпочтительно 30-35 атм, и температуре 115-185°С, предпочтительно 145-155°С (Схема 4).
Заявляемый способ осуществляют в одну стадию: смесь карбонильного соединения, карбоновой кислоты, катализатора, воды, растворителя и монооксида углерода выдерживают при повышенных давлении и температуре в течение 22-48 ч. После удаления газообразных веществ, воды и растворителя продукт очищают хроматографией на силикагеле с использованием элюента, представляющего собой смесь гексана и этилацетата (7-3):1, и получают сложный эфир с выходом 42-90%. Способ включает минимальное количество операций - загрузку реагентов в реактор, нагревание, извлечение целевого продукта и его очистку.
Заявляемый способ, в отличие от большинства аналогов и прототипа, не требует внешнего источника водорода. В нем в качестве восстановителя используют монооксид углерода - крайне привлекательный для промышленного внедрения реагент вследствие низкой стоимости, доступности и разнообразия областей применения в промышленности [Tafesh А. М., Weiguny J. Chem. Rev., 1996, 96 (6), 2035-2052]. Следует отметить, что СО значительно дешевле водорода, так как является основным компонентом конвертерного газа - побочного газообразного продукта при производстве стали.
Известно, что монооксид углерода является потенциальным восстановителем, но область его применения до сих пор ограничивалась в основном неорганической химией и связанными с ней областями промышленности, в частности металлургией. Примеров использования восстановительных свойств монооксида углерода в органической химии очень мало. Тем не менее отмечается селективность его действия: при каталитическом восстановлении нитроароматических соединений: СО не затрагивает связи ОС=O, C=N, С=С, О-Вn и С-Hal, что выгодно отличает его от водорода [Tafesh А. М., Weiguny J. Chem. Rev., 1996, 96 (6), 2035-2052].
Авторами настоящего изобретения обнаружено, что монооксид углерода является эффективным восстановителем в реакции карбоновых кислот с карбонильными соединениями.
2
Заявляемый способ позволяет получать сложные эфиры из коммерчески доступных соединений в одну стадию с довольно высоким выходом. Удаляемый из реакционной смеси СО можно превращать в СО по известной технологии (на палладиевом катализаторе), а можно очищать и регенерировать.
Изобретение иллюстрируется конкретными примерами осуществления, приведенными далее (примеры 1-35).
Из этих примеров следует, что заявляемый способ может быть осуществлен при катализе как солями, так и комплексами рутения в различном валентном состоянии.
Наиболее эффективными являются катализаторы на основе рутения (II), особенно димеры бензол- (пример 7) и цимолрутенийхлорида (пример 3), использование катализаторов на основе рутения (III) - хлорида (пример 4) и ацетилацетоната (пример 5) - приводит к более низким выходам.
Заявляемый способ осуществляют в полярных апротонных растворителях, таких как тетрагидрофуран и этилацетат (примеры 10, 11), в спиртах (примеры 7-9), толуоле (пример 12), диэтиловом эфире (пример 14).
Заявляемый способ можно реализовать даже при давлении 2-3 атм, однако выход при давлении 30-35 атм всегда выше, причем разница в выходах сильно зависит от природы заместителя в ароматическом кольце. Так, выход 4-метилбензилацетата при увеличении давления от 2-3 до 30-35 атм возрастает всего на 2% (примеры 23, 24), а выход 4-хлорбензилацетата - на 31% (примеры 21, 22).
Заявляемый способ осуществим в широком диапазоне температур от 115 до 185°С (примеры 15, 35), однако оптимальной является температура 145-155°С.
В присутствии воды выходы сложных эфиров по заявляемому способу увеличиваются. Так, выход 2-метоксибензилацетата в присутствии 7 эквивалентов воды составляет 44%, а без воды - 33% (примеры 30, 31).
При получении сложных эфиров по заявляемому изобретению необходимо использовать большой избыток карбоновой кислоты. Так, при проведении реакции 1-нафтальдегида с десятью эквивалентами уксусной кислоты выход (1-нафтилметил)ацетата составляет 66% (пример 17), а при использовании двух эквивалентов кислоты - всего 29% (пример 18).
В результате подобраны предпочтительные условия проведения восстановительной этерификации по настоящему изобретению: димер хлорида бензолрутения (II) в качестве катализатора и ТГФ в качестве растворителя, давление 30-35 атм и температура 145-155°С при мольном соотношении карбоновая кислота: карбонильное соединение: катализатор: вода, составляющем 10:1:0,005:7.
Применимость заявляемого способа продемонстрирована на различных карбонильных соединениях, хотя в большинстве примеров использованы замещенные бензальдегиды. При этом наибольшую активность в реакции проявили бензальдегиды с электроноакцепторными заместителями (F, Сl) в параположении ароматического кольца (выходы 82-90%). Паратолуиловый альдегид, содержащий метильную группу со слабым элетронодонорным эффектом дает целевой эфир с умеренным выходом (69%). Ароматические системы с сильными электронодонорными заместителями (ОМе, ОВn) проявили наименьшую активность (выходы 44-58%), как и алифатическое карбонильное соединение - циклогексанкарбальдегид (выход 42%). Заявляемый способ реализован во внутримолекулярном варианте восстановительной этерификации кетона на примере гамма-оксовалериановой кислоты: продукт получен с выходом 72%, но в этом случае требуется более высокая температура (пример 35).
Заявляемый способ осуществим не только с уксусной, но и с пропионовой (примеры 32, 33) и изомасляной (пример 34) кислотами, хотя выходы целевых продуктов с увеличением длины цепи (и ее разветвлением) карбоновой кислоты немного уменьшаются.
Техническим результатом изобретения является новый технологичный и экономичный одностадийный способ получения сложных эфиров из карбоновых кислот и карбонильных соединений с большим потенциалом применения в промышленности.
Заявляемый способ имеет следующие преимущества перед прототипом:
- использование более дешевого и доступного восстановителя;
- снижение вероятности образования взрывоопасной газовоздушной смеси;
- превращение карбонильных соединений и карбоновых кислот в сложные эфиры в одну стадию;
- применимость не только к ароматическим, но и к алифатическим карбонильным соединениям;
- существенно более высокая селективность восстановительного действия монооксида углерода по сравнению с водородом.
Исходные вещества, растворители и реагенты, необходимые для осуществления заявляемого способа, коммерчески доступны.
1
13
3
Спектры Н и С ЯМР записаны на ЯМР-спектрометрах Bruker Avance-300 и Bruker Avance-400. Растворитель - CDCl. В качестве внешнего стандарта использован триметилсилан (дополнительная калибровка проведена по соответствующему пику растворителя).
Пример 1
Получение 2-хлорбензилового эфира уксусной кислоты
ƒ
В стальной автоклав объемом 10 мл помещают: димер хлорида бензолрутения (II) (2 мг, 4 мкмоль), 2-хлорбензальдегид (90 мкл, 0,8 ммоль), уксусную кислоту (457 мкл, 8 ммоль), тетрагидрофуран (430 мкл) и воду (101 мкл, 5,6 ммоль). Из автоклава удаляют воздух трехкратным набором СО (до 10 атм) и последующим сбросом, затем набирают СО до давления 30 атм. Автоклав помещают в масляную баню, заранее нагретую до 150°С, и выдерживают при этой температуре 24 ч, после чего охлаждают до комнатной температуры и сбрасывают давление. Содержимое автоклава переносят в колбу объемом 10 мл, автоклав промывают хлористым метиленом (1 мл×2). Объединенную с промывными водами реакционную смесь упаривают на роторном испарителе. Полученный сырец подвергают препаративной тонкослойной хроматографии на силикагеле, используя в качестве элюента гексан/этилацетат (5:1). Продукт (R=0,46) выделяют в виде легко летучей бесцветной жидкости с выходом 61%.
1
Н ЯМР-спектр (400 МГц), δ, м.д.: 7,43-7,37 (м, 2Н); 7,29-7,25 (м, 2Н); 5,22 (с, 2Н); 2,13 (с, 3Н).
13
С ЯМР-спектр (101 МГц), δ, м.д.: δ 170,76; 133,78; 133,71; 129,94; 129,66; 129,60; 126,97; 63,72; 20,97.
Примеры 2-35 осуществляют по методике, аналогичной описанной в примере 1, с использованием других исходных веществ (реактантов), катализаторов, растворителей, температуры и давления. Результаты представлены в таблице. Все полученные соединения описаны, их характеристики приведены в литературе, ссылки на которую указаны в последнем столбце таблицы.
Полученные сложные эфиры могут найти применение в качестве ароматизаторов и пластификаторов, а также исходных веществ в синтезе сложных природных соединений и лекарственных препаратов. К примеру, гамма-валеролактон (пример 35) используется как пищевая добавка, «зеленый» растворитель и топливная присадка [, Mehdi Н., , Boda L., Mika L. T. Green Chem., 2008, 10 (2), 238-242].