СПОСОБ ГИДРИРОВАНИЯ α, β-НЕНАСЫЩЕННЫХ КЕТОНОВ
METHOD OF HYDROGENATING α, β-UNSATURATED KETONES

Изобретение относится к способу получения насыщенных вторичных спиртов, в частности к новому способу гидрирования водородом α,β-ненасыщенных кетонов общей формулы
который позволяет получать насыщенные вторичные спирты, находящие применение в качестве полупродуктов в органическом синтезе.
Известен способ гидрирования окиси мезитила над платиновым, палладиевым, родиевым или рутениевым катализатором водородом при атмосферном давлении, при котором протекает в основном гидрирование непредельной связи С=С и образуется метилизобутилкетон с выходами 0-80% в зависимости от условий и применяемого катализатора [Low Pressure Hydrogenation of Ketones with Platinum Metal Catalysts / E. BREITNER, E. ROGINSKI, P.N. RYLANDER // J. Org. Chem., 1959, 24 (12), pp.1855-1857], a также способ гидрирования циклических α,β-ненасыщенных кетонов циклического строения на катализаторе “палладий на активированном угле” [Catalytic Hydrogenation of α,β-Unsaturated Ketones. 11. The Mechanism of Hydrogenation in Acidic Medium / R.L. AUGUSTINE, A.D. BROOM // J. Org. Chem., 1960, 25 (5), pp.802-804].
Недостатком данных методов является необходимость использования дорогостоящих катализаторов.
Известен способ каталитического гидрирования α,β-ненасыщенных кетонов водородом при 3.5-4.8 атм в присутствии полифосфинового комплекса меди [Highly Chemoselective Catalytic Hydrogenation of Unsaturated Ketones and Aldehydes to Unsaturated Alcohols Using Phosphine-Stabilized Copper(I) Hydride Complexes / Jian-Xin Chen, J.F. Daeuble, D.M. Brestensky J.M. Stryker // Tetrahedron, 2000, (56), pp.2153-2166].
Данный способ приводит к гидрированию карбонильной группы кетона, не затрагивая ненасыщенную углерод-углеродную связь, и приводит к получению вторичных аллиловых спиртов.
Известен способ гидрирования α,β-ненасыщенных кетонов изопропанолом в присутствии рутениевых комплексов и трет-бутилата калия [An Efficient Catalyst System for the Asymmetric Transfer Hydrogenation of Ketones: Remarkably Broad Substrate Scope // M.T. Reetz, Xiaoguang Li / J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, pp.1044-1045]. Данным способом были получены вторичные непредельные спирты. Очевидным недостатком данного метода является сложность получения и высокая стоимость катализатора, использование изопропанола в качестве донора водорода.
Известен способ гидрирования α,β-ненасыщенных альдегидов водородом при 2 атм. и 150°C в присутствии различных металлических катализаторов на носителе из ряда: платина, осмий, родий, приводящий к смеси насыщенных альдегидов и аллиловых спиртов [Selective hydrogenation of α,β-unsaturated aldehydes and other C=O and C=C bonds containing compounds / P. Claus // Topics in Catalysis, 5 (1998), pp.51-62].
Недостатком данного метода является использование высокой температуры и водорода под давлением. Данным способом не были гидрированы α,β-ненасыщенные кетоны.
Известен способ гидрирования α,β-ненасыщенных кетонов в водно-метанольном растворе действием смеси гексагидрата хлорида никеля и боргидрида натрия при мольном соотношении 1:5-30:2-30 соответственно [Chemoselective Reduction of α,β-Unsaturated Aldehydes, Ketones, Carboxylic Acids, and Esters with Nickel Boride in Methanol-Water / J.M. Khurana, P. Sharma // Bull. Chem. Soc. Jpn., 2004, 77, pp.549-552]. Способ приводит к образованию насыщенных кетонов.
Недостатком данного метода гидрирования является использование значительного избытка соли никеля и восстановителя, а также использование в качестве восстановителя достаточно дорогостоящего боргидрида натрия вместо промышленно доступного и дешевого водорода.
Известен способ гидрирования α,β-ненасыщенных кетонов муравьиной кислотой или изопропанолом в присутствии карбоната калия в течение 6 часов при 100°C в присутствии сложного комплекса рутения [Regiospecific solvent-free transfer hydrogenation of α,β-unsaturated carbonyl compounds catalyzed by a cationic ruthenium(II) compound / S. Naskar M. Bhattacharjee // Tetrahedron Letters, 48 (2007). pp.465-467].
Показано, что применение в качестве донора водорода изопропанола приводит к смеси продуктов, в частности, бензилиденацетон гидрируется в смесь 4-фенилбутан-2-ола (30%) и бензилацетона (15%), гидрирование данного α,β-ненасыщенного кетона муравьиной кислотой не изучалось. Также недостатком данного метода гидрирования является использование в качестве гидрирующих агентов муравьиной кислоты или изопропанола вместо дешевого и доступного водорода.
Известен способ гидрирования α,β-ненасыщенных кетонов изопропанолом или циклопентанолом в тетрагидрофуране или диоксане при катализе гидридными комплексами железа, рутения и осмия [Chemoselective Hydrogen-Transfer Reduction of α,β-Unsaturated Ketones Catalyzed by Isostructural Iron(II), Ruthenium(II), and Osmium(I1) сis Hydride η-Dihydrogen Complexes / C. Bianchini, E. Farnetti, M. Graziani, M. Peruzzini, A. Polo // Organometallics, 1993, 12, 3753-3761]. Показана зависимость направленности гидрирования от строения исходного ненасыщенного кетона.
Недостатками данного метода гидрирования являются применение труднодоступных и дорогих катализаторов, а также использование в качестве гидрирующих агентов спиртов вместо доступного и дешевого водорода.
Известен способ гидрирования α,β-ненасыщенных кетонов водородом при 1 атм в присутствии металлокомплексного палладиевого катализатора [Pd-Catalyzed Asymmetric Hydrogenation of C=C Bond of α,β-Unsaturated Ketones / Duo-Sheng Wang, Da-Wei Wang, Yong-Gui Zhou // SYNLETT 2011, No.7, pp 0947-0950]. Способ приводит к образованию насыщенных кетонов.
Недостатком данного метода является высокая стоимость и труднодоступность катализатора.
2
Известен способ гидрирования α,β-ненасыщенных кетонов системой цинк-вода в диоксане при катализе комплексом [RhCl(cod)] при 90°C в течение 20 часов [Hydrogenation of olefins using water and zinc metal catalyzed by a rhodium complex / Takashi Sato, Shoji Watanabe, Hiroyoshi Kiuchi, Shuichi Oi, Yoshio Inoue // Tetrahedron Letters 47 (2006) 7703-7705]. Способ приводит к образованию насыщенных кетонов.
Недостатком данного способа является использование дорогостоящего катализатора, двукратного мольного избытка цинка по отношению к гидрируемым α,β-ненасыщенным кетонам.
Известен способ гидрирования α,β-ненасыщенных кетонов (арилметиленциклоалканонов) водородом при 6-50 атм в присутствии трет-бутилата калия в изопропаноле при 25-30°C в течение 0.5-5 часов [Highly Enantioselective Hydrogenation of α-Arylmethylene Cycloalkanones Catalyzed by Iridium Complexes of Chiral Spiro Aminophosphine Ligands / Jian-Bo Xie, Jian-Hua Xie, Xiao-Yan Liu, Wei-Ling Kong, Shen Li, Qi-Lin Zhou // J. AM. CHEM. SOC. 2010, 132, 4538-4539]. Способ приводит к образованию ненасыщенных вторичных спиртов.
Недостатком данного способа является использование дорогостоящего катализатора, высокое давление водорода.
Известен способ гидрирования α,β-ненасыщенных кетонов водородом при 2 атм и температуре 60°C на катализаторах из ряда: палладий, платина, рутений, золото, нанесенных на активированный уголь [Mechanistic Insights on the Hydrogenation of α,β-Unsaturated Ketones and Aldehydes to Unsaturated Alcohols over Metal Catalysts / M. S. Ide, В. Hao, M. Neurock, R. J. Davis // ACS Catal. 2012, 2, 671-683].
Недостатком данного способа является использование дорогостоящих катализаторов, применение водорода под давлением, образование смеси продуктов в ряде примеров.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является способ гидрирования α,β-ненасыщенных кетонов водородом при 1 атм и комнатной температуре в среде метанольного раствора NaOH на полимерном родиевом катализаторе [2,2'-BIPYRIDINE-4,4'-DICARBOXYLIC ACID AND 2,6-DIAMINOPYRIDINE POLYAMIDES: COMPLEXES WITH RHODIUM/ YU-PEI WANG, D.C. NECKERS // Reactive Polymers, 3 (1985) 181-189]. Способ приводит к образованию смесей насыщенных спиртов и кетонов. Показана зависимость выхода насыщенных вторичных спиртов от строения исходных α,β-ненасыщенных кетонов: чем больше заместителей, тем сложнее их гидрирование в насыщенные вторичные спирты.
Недостатком данного способа является использование дорогостоящего катализатора, получение смеси продуктов в ряде примеров.
Задачей заявляемого технического решения является разработка технологичного способа гидрирования α,β-ненасыщенных кетонов газообразным водородом, не требующего использования дорогостоящих катализаторов, который позволяет достигать высоких значений выхода насыщенных вторичных спиртов по исходным α,β-ненасыщенным кетонам с использованием доступных реагентов.
Техническим результатом является упрощение способа гидрирования α,β-ненасыщенных кетонов до насыщенных вторичных спиртов.
Поставленный результат достигается в способе гидрирования водородом α,β-ненасыщенных кетонов общей формулы
заключающемся в гидрировании бензальалканона газообразным водородом при атмосферном давлении в среде растворителя в присутствии катализатора, отличающемся тем, что в качестве бензальалканона используют бензальацетон или бензальциклогексанон, а в качестве катализатора используют коллоидные частицы никеля, предварительно полученные восстановлением хлорида никеля (II) боргидридом натрия и процесс проводят в среде изопропанола при температуре 60-65°C.
Сущностью метода является реакция гидрирования α,β-ненасыщенных кетонов из ряда: бензальацетон или бензальциклогексанон газообразным водородом в среде изопропанола в присутствии коллоидных частиц никеля.
Способ осуществляется следующим образом.
В плоскодонную колбу загружают изопропанол и боргидрид натрия, далее прибавляют безводный хлорид никеля (II) в мольном соотношении боргидрид натрия:хлорид никеля (II), равном 2:1, и получают раствор коллоидных частиц никеля. После этого загружают α,β-ненасыщенные кетоны из ряда: бензальацетон или бензальциклогексанон, и через реакционную массу барботируется сухой газообразный водород при атмосферном давлении в течение 8-10 часов при температуре 60-65°C. По окончании реакции для коагуляции частиц катализатора в реакционную смесь добавляют небольшое количество воды. Реакционную массу отфильтровывают, из фильтрата выделяют целевой продукт перегонкой при атмосферном давлении или в вакууме. Свойства синтезированных насыщенных кетонов соответствуют литературным данным.
Предлагаемый способ характеризуется простотой, дешевизной применяемых реактивов. Использование в качестве растворителя изопропанола и боргидрида натрия для восстановления ионов никеля позволяет получать частицы катализатора, гидрирующего как ненасыщенные связи углерод-углерод, так и карбонильную группу. Стабилизации коллоидных растворов частиц никеля не требуется, это значительно упрощает и удешевляет предлагаемый способ гидрирования. Так как и при синтезе катализатора, и восстановлении заявленных веществ используются одинаковые условия, весь процесс сводится к одностадийному синтезу, при котором катализатор образуется непосредственно перед гидрированием из доступного хлорида никеля.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1
Гидрирование бензальацетона
1
3
2
2
6
5
В плоскодонную колбу, снабженную барботером и обратным холодильником, загружают суспензию 0.5 г (0.014 моль) боргидрида натрия в 20 мл изопропанола и 0.9 г (0.007 моль) безводного хлорида никеля (II), получают коллоидный раствор катализатора. После этого добавляют 14.6 г (0.1 моль) бензальацетона и включают барботаж водорода. Реакцию проводят при 60°C в течение 8 часов. По окончании реакции прибавляют 0.5 мл воды и после коагуляции черного осадка отфильтровывают катализатор. Фильтрат перегоняют с дефлегматором, получают 10.4 г (0.071 моль, 71%) 4-фенилбутанола-2, бесцв. жидкость, т.кип. 155-157°C/25 мм рт.ст. (лит. т.кип. 128-130°C/12 мм рт.ст.). Спектр ЯМРН, δ, м.д.: 1.09 т (3Н, СН); 1.59 м (2Н, СН-СО); 2.52 м (2Н, СН-Ar); 3.62 м (1Н, СН-О); 4.36 с (1Н, ОН); 6.91-7.12 м (5Н, СН).
Пример 2
Гидрирование 2-бензальциклогексанона
1
2
2
6
5
В плоскодонную колбу, снабженную барботером и обратным холодильником, загружают суспензию 0.5 г (0.014 моль) алюмогидрида лития в 20 мл тетрагидрофурана и 0.9 г (0.007 моль) безводного хлорида никеля (II), получают раствор наночастиц никеля. После этого добавляют 18.6 г (0.1 моль) 2-бензальциклогексанона и включают барботаж водорода. Реакцию проводят при 65°C в течение 10 часов. По окончании реакции прибавляют 1 мл воды и после коагуляции черного осадка отфильтровывают катализатор. Фильтрат перегоняют с дефлегматором, получают 12.7 г (0.067 моль, 67%) 4-фенилбутанола-2, бесцв. жидкость, т.кип. 195-198°C/20 мм рт.ст. Спектр ЯМРН, δ, м.д.: 0.93-1.57 м (8Н, 4 СН); 2.19 т (1Н, СН); 2.38-2.68 м (2Н, СН-Ar); 3.15 кв (1Н, СН-О); 4.32 уш. с (1Н, ОН); 6.99-7.08 м (5Н, СН).
Таким образом, разработан новый способ одностадийного гидрирования C=C-связи и восстановления C=O-связи α,β-ненасыщенных кетонов, который протекает при температуре 60-65°C в течение 8-10 часов с высоким выходом по исходным веществам, заключающийся в гидрировании бензальацетона или бензальциклогексанона при атмосферном давлении водорода в присутствии коллоидных частиц никеля, предварительно полученных из хлорида никеля (II).