СПОСОБ ГИДРИРОВАНИЯ АЛЬФА, БЕТА-НЕНАСЫЩЕННЫХ КЕТОНОВ
METHOD OF HYDROGENATING ALPHA, BETA-UNSATURATED KETONES

Изобретение относится к способу гидрирования водородом α,β-ненасыщенных кетонов общей формулы
1
2
1
2
2
3
где R, R=Н или R-R=-(СН)-
который позволяет получать насыщенные кетоны, 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 ОС 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], а также способ гидрирования 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., I960, 25 (5), pp.802-804].
Недостатком данных методов является необходимость использования дорогостоящих катализаторов, невысокая селективность гидрирования в ряде случаев.
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. Stryk-er // 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 изо-пропанола 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]. Показана высокая зависимость селективности гидрирования от состава и размера частиц катализатора.
Недостатком данного метода является невысокая селективность процесса, 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 бор-гидрида 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 бензилацетона (15%) и 4-фенилбутан-2-ола (30%), 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 Isostruc-tural Iron(II), Ruthenium(II), and Osmium(I1) cis Hydride η-Dihydrogen Complexes / C. Bianchini, E. Farnetti, M. Graziani, M. Peruzzini, A. Polo // Organometallics, 1993, 12, 3753-3761]. Показана зависимость селективности гидрирования от строения исходного ненасыщенного кетона.
Недостатками данного метода гидрирования является 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.
Известен способ гидрирования α,β-ненасыщенных кетонов лимоненом на катализаторе "палладий на активированном угле" [A SELECTIVE REDUCTION OF α,β-UNSATURATED KETONES / M.L.A. von Holleben, M. Zucolotto, C.A. Zini, E.R. Oliveira // Tetrahedron, 1994. - Vol.50. No. 4. рр.973-978]. Способ приводит к образованию насыщенных кетонов.
Недостатком данного метода является использование дорогостоящего и труднодоступного гидрирующего агента, высокая стоимость катализатора.
2
8
2
Известен способ гидрирования α,β-ненасыщенных кетонов системой октакарбонил дикобальта - вода в диметоксиэтане [Selective 1,4-reduction of unsaturated carbonyl compounds using Co(CO)-HO / Hee-Yoon Lee, Mihyun An // Tetrahedron Letters, 44 (2003) pp.2775-2778]. Способ приводит к образованию насыщенных кетонов.
Недостатком данного способа является использование токсичного и труднодоступного карбонила металла.
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, 2006, Vol.47, pp.7703-7705]. Способ приводит к образованию насыщенных кетонов.
Недостатком данного способа является использование дорогостоящего катализатора, двухкратного мольного избытка цинка по отношению к гидрируемым α,β-ненасыщенным кетонам.
Известны способы гидрирования α,β-ненасыщенных кетонов водородом при 50 атм. и комнатной температуре в присутствии комплексов иридия [Iridium-Catalyzed Highly Enantioselective Hydrogenation of the C=C Bond of a, b-Unsaturated Ketones / Wei-Jing Lu, Yun-Wei Chen, Xue-Long Hou // Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, pp.10133-10136; Development of Catalysts for the Stereoselective Hydrogenation of α,β-Unsaturated Ketones / Frauke Maurer, Volker Huch, Angelika Ullrich, and Uli Kazmaier // J. Org. Chem. 2012, 77, 5139-5143]. Способы приводят к образованию насыщенных кетонов.
Недостатком данных способов является использование дорогостоящего катализатора, высокое давление водорода.
Известен способ гидрирования α,β-ненасыщенных кетонов (арилмети-ленциклоалканонов) 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, нанесенные 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]. Показана зависимость селективности гидрирования от типа катализатора и строения исходных α,β-ненасыщенных кетонов.
Недостатком данного способа является использование дорогостоящих катализаторов, применение водорода под давлением, образование смеси продуктов в ряде примеров.
4
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является способ гидрирования α,β-ненасыщенных кетонов водородом при 5.5 атм и комнатной температуре на катализаторе "родий, нанесенный на фосфат алюминия" [Liquid-Phase Regioselective 1,4-Hydrogenation of Benzylidene Ketones on Rh/AlPO Catalysts / J.A. Cabello, J.M. Campelo, A. Garcia, D. Luna, J.M. Marinas // Org. Chem. 1986, 51, 1786-1790]. Способ приводит к образованию насыщенных кетонов.
Недостатком данного способа является использование дорогостоящего катализатора, высокое давление водорода.
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 кетонов по исходным α,β-ненасыщенным кетонам с использованием доступных реагентов.
Техническим результатом является упрощение способа селективного гидрирования α,β-ненасыщенных кетонов.
Поставленный результат достигается в способе гидрирования α,β-ненасыщенных кетонов общей формулы
1
2
1
2
2
3
где R, R=Н или R-R=-(СН)-
заключающемся в гидрировании бензальалканона газообразным водородом 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) алюмогидридом лития, и процесс проводят при атмосферном давлении водорода в среде тетрагидрофурана при температуре 55-60°C.
Сущностью метода является реакция гидрирования α,β-ненасыщенных кетонов из ряда: бензальацетон или бензальциклогексанон газообразным водородом в среде тетрагидрофурана в присутствии наночастиц никеля.
Способ осуществляется следующим образом.
В плоскодонную колбу загружается алюмогидрид лития, осушенный тетрагидрофуран и безводный хлорид никеля (II) в мольном соотношении алюмогидрид лития: хлорид никеля (II), равном 1:2, и получают раствор коллоидных частиц никеля. После получения черного, прозрачного в тонком слое коллоидного раствора металла загружается α,β-ненасыщенные кетоны из ряда бензальацетон или бензальциклогексанон и через реакционную массу барботируется сухой газообразный водород при атмосферном давлении в течение 5-6 часов при температуре 55-60°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 и высокой селективностью, которая определяется выбором растворителя. Использование в качестве растворителя тетрагидрофурана позволяет получать частицы катализатора, селективно гидрирующего ненасыщенные связи углерод-углерод, не затрагивая 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
<mrow><msubsup><mi>n</mi><mi>D</mi><mrow><mn>20</mn></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>n</mi><mi>D</mi><mrow><mn>20</mn></mrow></msubsup></mrow>
1
3
2
2
6
5
В плоскодонную колбу, снабженную барботером и обратным холодильником, загружают суспензию 0.3 г (0.008 моль) алюмогидрида лития в 20 мл тетрагидрофурана и 2.1 г (0.016 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 55°C в течение 5 часов. По окончании реакции прибавляют 0.5 мл воды и после коагуляции черного осадка отфильтровывают катализатор. Фильтрат перегоняют с дефлегматором, получают 11 г (0.075 моль, 75%) бензилацетона, бесцв. жидкость, т.кип. 234-236°C,
1.5116 (лит. т.кип. 235°C,
1.5111). Спектр ЯМР Н, δ, м.д.: 1.90 с (3Н, СН); 2.53 т (2Н, СН-С(О)); 2.70 т (2Н, СН-Ar); 6.92-7.08 м (5Н, СН).
Пример 2
Гидрирование 2-бензальциклогексанона
<mrow><msubsup><mi>n</mi><mi>D</mi><mrow><mn>20</mn></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>n</mi><mi>D</mi><mrow><mn>20</mn></mrow></msubsup></mrow>
1
2
2
2
6
5
В плоскодонную колбу, снабженную барботером и обратным холодильником, загружают суспензию 0.4 г (0.01 моль) алюмогидрида лития в 20 мл тетрагидрофурана и 2.6 г (0.02 моль) безводного хлорида никеля (II), получают раствор наночастиц никеля. После этого добавляют 28 г (0.15 моль) 2-бензальциклогексанона и включают барботаж водорода. Реакцию проводят при 60°C в течение 6 часов. По окончании реакции прибавляют 1 мл воды и после коагуляции черного осадка отфильтровывают катализатор. Фильтрат перегоняют с дефлегматором, получают 20.7 г (0.11 моль, 73%) 2-бензилциклогексанона, т.пл. 27-29°C, т.кип. 185-187°C (20 мм рт.ст),
1.5356 (лит. т.пл. 29-30°C, т.кип. 103-105°C (0.2 мм рт.ст),
1.5360). Спектр ЯМР Н, δ, м.д.: 1.19-1.93 м (6Н, 3 СН); 2.19 т (1Н, СН); 2.10-2.50 м (4Н, СНС(O), СН-Ar); 6.98-7.30 м (5Н, СН).
Таким образом, разработан новый способ гидрирования С=С-связи α,β-ненасыщенных кетонов, который протекает при температуре 55-60°C в течение 5-6 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).