СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ 5-ГИДРОКСИ-2(5Н)-ФУРАНОНА
METHOD OF PRODUCING 5-HYDROXY-2(5H)-FURANONE

Изобретение относится к области органического синтеза, а именно к способам получения 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона, который используется в качестве полупродукта для получения каротиноидов, рострегуляторов, гербицидов, ангельментативных, протеиносаждающих фармацевтических препаратов.
Аналогом предлагаемого способа служит известный способ получения 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона путем окисления фурфурола пероксидом водорода при 20-60°С в присутствии каталитических количеств 2-оксинафтената ванадия и гидрохинона в среде ацетона [авт.св. РФ №1715806, С07D 307/58, 1992].
Недостатками данного способа получения 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона являются:
- высокая экзотермичность реакции, в связи с чем процесс трудноуправляем и небезопасен, требует специального термостатирования, поэтому не может использоваться в широких, в том числе промышленных масштабах;
- повышенная температура, что также делает процесс небезопасным в связи с легкой воспламеняемостью ацетона;
- использование большого количества токсичного растворителя (ацетона);
- осмоление целевого продукта при его выделении.
Другим аналогом заявляемого способа получения 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона служит способ, основанный на многостадийном синтезе исходного 4-гидроксииноата. Первоначально производят гидролиз исходного реагента водным раствором гидроксида калия с образованием соответствующей карбоновой кислоты, которую затем окисляют реактивом Джонсона до соответствующей замещенной 4-оксиалкиновой кислоты с последующим каталитическим гидрированием последней катализатором Линдлара и образованием целевого 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона [патент США №9116055, С07D 307/62, 307/36,1991].
Недостатками данного способа получения 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона являются:
- длительный многостадийный синтез целевого продукта;
- невысокий выход целевого продукта, вследствие потерь при многостадийном синтезе;
- использование реактива Джонсона и катализатора Линдлара, содержащих ядовитые соединения хрома и свинца соответственно.
Наиболее близким к заявленному является способ получения 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона, принятый за прототип, согласно которому фурфурол подвергают электрохимическому окислению на электродах из двуокиси свинца в 1 Н водном растворе серной кислоты, при анодном потенциале 1,5-1,55 В и температуре 15-60°С [авт.св. СССР №412176].
Недостатками данного способа получения 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона являются:
- длительная предварительная электрохимическая обработка свинцовых электродов, (около 2 ч), для получения на их поверхности необходимой оксидной пленки;
- использование электродов из высокотоксичных свинцовых материалов, загрязняющих целевой продукт, что ограничивает его применение в качестве полупродукта для синтеза фармакологических препаратов;
- небезопасная и агрессивная среда - достаточно концентрированный (20%-ый) водный раствор серной кислоты;
- образование заметного количества смолистых веществ, которые усложняют процесс выделения целевого продукта и снижают его препаративный выход.
Приведенные недостатки значительно ограничивают возможности использования указанных способов получения 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона и не решают актуальную проблему создания рационального и безопасного способа получения этого важного вещества.
Техническим результатом изобретения является упрощение процесса синтеза, повышение экологической и пожарной безопасности, сокращение времени реакции, повышение выхода целевого продукта (до 55%).
Поставленный технический результат достигается тем, что способ получения 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона включает взаимодействие фурфурола с пероксидом водорода в условиях электрохимического анодного синтеза: на графитовых электродах при 25-55°С, силе тока 0,01-0,05 А, напряжении 2-10 В в среде водного раствора перхлората щелочного металла, в присутствии сульфата ванадила, при молярном соотношении фурфурола, пероксида водорода, электролита и сульфата ванадила (0,25-1,0):(0,6-2,6):(0,02-2,0):(0,00015-0,0006) соответственно, с последующим выделением целевого продукта экстракцией этилацетатом.
Упрощение способа получения 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона, повышение экологической и пожарной безопасности достигаются благодаря использованию в электрохимическом анодном синтезе графитовых электродов, а также безопасных водных растворов пероксида водорода и перхлоратов щелочных металлов. Подобранные оптимальные условия, температура 25-55°С, сила тока 0,01-0,05 А и напряжение 2-10 В существенно сокращают время технологического процесса данного синтеза. Соблюдение необходимых молярных соотношений фурфурола (0,25-1,0), водных растворов пероксида водорода (0,6-2,6) и перхлоратов щелочных металлов (0,02-2,0), сульфата ванадила (0,00015-0,0006) способствуют повышению выхода целевого продукта.
Таким образом, предложенная совокупность существенных признаков позволяет достичь заявляемого технического результата.
Заявляемый способ изобретения 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона иллюстрируют нижеследующие примеры.
Пример 1.
4
2
4
2
4
2
2
3
4
К 40 мл 0.1 М водного раствора анолита LiClO·3НО добавляют 0,05 моль (4,3 мл) фурфурола и 0,29 моль (8,7 мл) 30%-ного водного раствора пероксида водорода. Полученную смесь помещают в анодную ячейку электролизера, снабженную мешалкой. В катодную ячейку помещают 40 мл 0.1 М раствора католита LiClO·3HO. Электрическую цепь замыкают U-образным электролитическим ключом, заполненным раствором агар-агара в 0,1 М LiClO·3HO. Используют инертные графитовые электроды квадратной формы сечения, соединенные с регулируемым источником питания постоянного тока при постоянном перемешивании. Реакцию проводят при температуре 50°С, силе тока 0,05 А и напряжении 2 В в течение 4 ч. Затем реакционную смесь охлаждают до комнатной температуры, упаривают на 80% от исходного объема и нейтрализуют NаСО до нейтральной среды. Примеси продуктов некислотного характера извлекают экстракцией CCl. Остаток подкисляют разбавленной НСl до рН около 2, этилацетатом экстрагируют целевой продукт. Полученный экстракт кипятят с активированным углем, отфильтровывают, отгоняют растворитель. Получают 2,15 г 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона, т.пл. 52°С. Выход 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона в зависимости от условий электросинтеза и соотношения реагентов представлен в табл.1.
Найдено, %: С 48,00; Н 4,00. Вычислено, %: С 48,08; Н 4,01.
-1
-1
ИК-спектр, см: 1643 (C=C), 1778 и 1806 (С=О сложноэфирной группы α, β-ненасыщенных γ-лактонов) и 3300-3400 см (ОН).
3
3,4
3,5
5,4
3
5
4
ПМР-спектр, σ, м.д. (в CDCl): 5.44 уш. с (1Н, ОН), 6.20 д. д (1Н, Н, J 6, J 1.2 Гц), 6.24 д. д (1Н, Н, J 1.2), 7.32 д. д (1Н, Н).
+
Масс-спектр, m/z: 100 (М, 7.1), 99 (7.6), 83 (5.2), 82 (5.7), 72 (23.3), 71 (13.3), 56 (22.9), 55 (100.0), 54 (37.1), 53 (10.5), 46 (4.3), 45 (18.6), 44 (10.0), 43 (8.1).
Контроль за полнотой расходования фурфурола и пероксида водорода осуществляют методами ГЖХ, УФ-спектроскопии и тонкослойной хроматографии на пластинках «Силуфол», подвижная фаза - ацетон: хлороформ: этанол в объемном соотношении 4:2:5.
Таблица 1
Температура реакции, °С
Начальная сила тока, А
Напряжение, В
Мольное соотношение С<sub>4</sub>Н<sub>3</sub>ОСНО:Н<sub>2</sub>O<sub>2</sub>:LiClO<sub>4</sub>·3H<sub>2</sub>O
Время реакции,* ч
Выход продукта, % от теории
25
0,05
2,0
1,0:1,6:0,2
12
44
40
0,05
2,0
1,0:1,6:0,2
8,0
46
50
0,05
2,0
1,0:1,6:0,2
6,0
48
55
0,05
2,0
1,0:1,6:0,2
5,3
43
25
0,02
2,0
1,0:1,6:0,2
11
44
50
0,02
2,0
1,0:1,6:0,2
5,3
46
50
0,05
5,0
1,0:1,6:0,2
5,5
45
50
0,05
10,0
1,0:1,6:0,2
5,4
43
50
0,05
2,0
0,5:1,6:0,2
8,0
34
50
0,05
2,0
0,25:1,6:0,2
9,0
30
50
0,05
2,0
1,0:2,6:0,2
6,3
35
50
0,01
2,0
1,0:1,6:0,2
5,5
46
50
0,05
2,0
1,0:0,6:0,2
6,0
20
50
0,05
2,0
1,0:1,6:0,02
6,0
36
50
0,05
2,0
1,0:1,6:2,0
6,0
45
Во всех опытах время реакции определялось на момент полного превращения одного из реагентов, находящегося в недостатке, либо (в оптимальных условиях) обоих реагентов.
Пример 2.
4
2
Получение 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона осуществляют по методике, приведенной в примере 1, с добавлением каталитических количеств VOSO·3НО. Выход 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона в зависимости от присутствия каталитических количеств сульфата ванадила представлен в табл.2.
Таблица 2
Мольное соотношение фурфурол: H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>:LiClO<sub>4</sub>·3H<sub>2</sub>O
VOSO<sub>4</sub>, моль на моль фурфурола
Продолжительность реакции, ч
Выход продукта, % от теории
1,0: 1,6: 0,2
0,00015
4,2
48
1,0: 1,6: 0,2
0,0003
4,0
55
1,0: 1,6: 0,2
0,0006
3,4
52
Пример 3.
Получение 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона осуществляют по методике, приведенной в примере 2, с использованием водных растворов минеральных солей щелочных металлов, представленных в табл.3, в качестве электролитов. Выход 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона в зависимости от использования водных растворов электролитов представлен в табл.3.
Таблица 3
Электролиты
Продолжительность реакции, ч
Выход продукта, % от теории
LiCl
4,1
52
NaCl
4,2
48
КСl
4,4
42
NaClO<sub>4</sub>·3Н<sub>2</sub>О
4,12
53
KClO<sub>4</sub>·3Н<sub>2</sub>О
4,3
40
Таким образом, результаты примеров 1 (табл.1), 2 (табл.2), 3 (табл.3) показывают границы использования заявляемого способа и выходы 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона в зависимости от изменения разных параметров электрохимического анодного синтеза.