СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИАЛКИЛОВЫХ ЭФИРОВ 4,5-ДИЦИАНОФТАЛЕВОЙ КИСЛОТЫ
METHOD OF OBTAINING DIALKYL ETHERS OF 4,5-DICYANOPHTHALIC ACID

Настоящее изобретение относится к органической химии, конкретно - к способу получения диалкиловых эфиров 4,5-дицианофталевой кислоты или 4,5-дикарбалкоксифталонитрилов (эфиры ДЦФК).
Эфиры ДЦФК используются как исходные соединения для получения 2,3,9,10,16,17,23,24-октакарбалкокси- и 2,3,9,10,16,17,23,24-октакарбоксифталоцианинов (ОСРс), которые находят применение в виде их водорастворимых щелочных солей в качестве препаратов для фотодинамической, сонодинамической и каталитической терапии онкозаболеваний (Патент РФ 2193563, C07D 487/22, 2002.; ЖОХ. 2002. Т.72. №2. С.325; Росс. Хим. Журнал. 1998. Т.42. №5. С.140; J. Porphyrins Phthalocyanines. 1999. Vol.3. P. 592; Патент РФ 2106146, А61К 31/40, 1998; РБЖ. 2009. №2. С.3; РБЖ. 2010. №2. С.82; Патент РФ 2375090, A61N 7/00, 2009).
Использование эфиров ДЦФК в качестве исходных соединений позволяет получать как металлические комплексы ОСРс, так и безметальное соединение селективно и с высоким выходом, однако, применение данного метода на сегодняшний день ограничивается труднодоступностью эфиров ДЦФК (ЖОХ. 1980. Т.50, №5. С.1122-1131; Chem. Mater. 2008. Vol.20. P.6889-6896.; Tetrahedron. 2008. Vol.64. P.4155-4161.; Inorg. Chem. 2007. Vol.46. P.7136-7141).
Имеется сообщение о получении эфиров ДЦФК цианированием алкиловых эфиров 4,5-дихлорфталевой кислоты в присутствии соединений палладия (Tetrahedron. 2008. Vol.64. P.4155-4161). Недостатком метода является использование дорогих катализаторов и токсичного цианистого цинка.
Другой описанный метод получения алкиловых эфиров ДЦФК заключается в цианировании алкиловых эфиров 4,5-дибромфталевой кислоты цианистой медью по реакции Роземунда-Брауна. Исходные эфиры 4,5-дибромфталевой кислоты в свою очередь получают в несколько стадий из орто-ксилола. На первой стадии орто-ксилол бромируют, получая 1,2-дибром-4,5-диметилбензол, который затем окисляют перманганатом калия до 4,5-дибромфталевой кислоты, которую затем этерифицируют (Inorg. Chem. 2007. Vol.46. Р.7136-7141; Chem. Mater. 2008. Vol.20. P.6889-6896). Этот метод имеет ряд недостатков, а именно - низкий выход продукта, наличие длительных и нетехнологичных реакционных стадий (окисление 1,2-дибром-4,5-диметилбензола перманганатом калия), использование токсичных реагентов (цианистая медь, бром).
Известен способ получения этилового эфира ДЦФК из пиромеллитового ангидрида (прототип) (J. Porphyrins Phthalocyanines. 2012. Vol.16. P.1244-1251). Согласно этому способу, пиромеллитовый ангидрид этерифицируют триэтилортоформиатом, полученный тетраэтиловый эфир пиромеллитовой кислоты гидролизуют в водно-спиртовом растворе щелочи до 2,4,5-триэтилпиромеллитата (J. Org. Chem - 2008. Vol.73. P.4929-4938), который затем сплавляют с мочевиной с получением 4,5-дикарбэтоксифталимида. Далее 4,5-дикарбэтоксифталимид обрабатывают концентрированным водным раствором аммиака с получением диэтилового эфира 4,5-дикарбамоилфталевой кислоты, который затем дегидратируют хлорокисью фосфора до этилового эфира ДЦФК. Достоинствами метода являются хороший выход продукта (60%) и доступность исходного пиромеллитового ангидрида. Недостатком метода является его неэкономичность: для получения тетраалкиловых эфиров пиромеллитовой кислоты, как правило, требуется проведение реакции в жестких условиях (применение большого избытка спирта, длительное нагревание), в то время как в последующих реакционных стадиях происходит последовательное отщепление двух из четырех введенных спиртовых остатков. К другим недостатком метода можно отнести трудоемкий и нетехнологичный процесс выделения 2,4,5-триэтилпиромеллитата - две последовательные экстракции этиловым эфиром. Кроме этого, было найдено, что при переходе к другим алкильным заместителям (Me, Hex) в процессе гидролиза соответствующего тетраэфира в водно-спиртовой среде происходит частичная переэтерификация эфирных групп с образованием смеси продуктов. Таким образом, данный метод получения эфиров ДЦФК не является универсальным.
Задачей изобретения является разработка экономичного, экологичного и универсального метода получения эфиров ДЦФК.
Задача решается тем, что в качестве исходного продукта используют пиромеллитовую кислоту, которую превращают в 4,5-дикарбоксифталимид (2,3-дигидро-1,3-диоксо-1H-изоиндол-5,6-дикарбоновую кислоту) I взаимодействием с водным аммиаком с последующим нагреванием полученной соли до 260-270°С, который затем этерифицируют с образованием 4,5-дикарбалкоксифталимида II, раскрывают имидный цикл с получением эфира 4,5-дикарбамоилфталевой кислоты III с последующей его дегидратацией до соответствующего диалкилового эфира 4,5-дицианофталевой кислоты IV.
Процесс протекает по схеме:
На первой стадии к водному раствору пиромеллитовой кислоты прикалывают расчетное количество 25% водного аммиака, образовавшуюся, смесь аммонийных солей пиромеллитовой кислоты выделяют и нагревают до 260-270°С в течение часа. В результате образуется смесь ангидрида целевого продукта I, ангидрида непрореагировавшей пиромеллитовой кислоты и побочного продукта - диимида пиромеллитовой кислоты. Полученную смесь разделяют однократной кристаллизацией из воды, при этом нерастворимый диимид пиромеллитовой кислоты отделяют методом горячего фильтрования. Выпавшие при охлаждении раствора кристаллы I отфильтровывают, из маточного раствора после отгонки растворителя получают возвратную пиромеллитовую кислоту. Выход продукта составляет 50% или 84% с учетом возвратной пиромеллитовой кислоты.
На второй стадии имид I этерифицируют любым известным способом, например нагреванием с триалкилортоформиатом или избытком спирта в толуоле с азеотропной отгонкой образующейся воды. На следующей стадии имидный цикл раскрывают обработкой 25% водным аммиаком с образованием диамида III.
Эфир ДЦФК IV получают дегидратацией III стехиометрическим количеством хлорокиси фосфора или хлористого тионила в диметилформамиде при температуре 0-+5°C с последующей выдержкой при температуре 20-25°С. Суммарный выход эфиров ДЦФК по всем стадиям составляет 52-60% с учетом возвратной пиромеллитовой кислоты.
3
2
5
3
7
6
13
Iva-d, где R=CH (a), CH (b), n-CH (c), n-CH (d)
Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. Получение 4,5-дикарбоксифталимида (2,3-дигидро-1,3-диоксо-1H-изоиндол-5,6-дикарбоновой кислоты, I). Пиромеллитовую кислоту в количестве 20.0 г (78.7 ммоль) нагревают в 400 мл дистиллированной воды до полного растворения. Затем к охлажденному раствору при перемешивании прикалывают 4.7 мл (63.0 ммоль) 25% раствора аммиака. Перемешивание продолжают в течение 1-2 ч. После этого растворитель отгоняют на роторном испарителе, а полученную смесь аммонийных солей пиромеллитовой кислоты нагревают в круглодонной колбе, снабженной воздушным холодильником, в течение часа при температуре 260-270°С. Образовавшуюся смесь продуктов нагревают в дистиллированной воде до растворения большей части осадка. Нерастворимый в воде диимид пиромеллитовой кислоты (1.3 г, 8%) отделяют горячим фильтрованием, осадок на фильтре промывают небольшим количеством горячей воды. Из фильтрата при остывании выпадают кристаллы I, которые отфильтровывают и высушивают в вакуум-эксикаторе над хлористым кальцием. Получают 9.2 г (50%) I в виде крупных прозрачных кристаллов.
-1
1
6
Найдено, %: С 50. 89; Н 2.21; N 5.90. Вычислено, %: С 51.08; Н 2.14; N 5.96. ИК спектр (KBr), ν, см: 3458, 3217, 3065, 1782, 1732, 1705. Спектр ЯМР Н [ДМСО-d], δ, м. д.:7.98 (с, 2Н), 11.64 (с, 1Н).
Маточный раствор упаривают на роторном испарителе, выделяя возвратную пиромеллитовую кислоту (8.1 г, 41%).
Пример 2. Получение 4,5-дикарбэтоксифталимида (IIb). В круглодонной колбе, снабженной дефлегматором, нагревают 9.2 г (39.1 ммоль) имида I и 14.3 мл (86.1 ммоль) триэтилортоформиата при 150°С (внешняя температура) в течение 2 ч, затем при 180°С в течение 1 ч с одновременной отгонкой летучих продуктов реакции. Затем реакционную массу охлаждают до комнатной температуры, обрабатывают 100 мл гексана, осадок отфильтровывают и высушивают на воздухе. Получают 10.7 г (94%) IIb в виде бесцветных кристаллов с т.пл. 155-156°С.
-1
1
+
6
2
3
Найдено, %: С 57.57; Н 4.56; N 4.71. Вычислено, %: С 57.73; Н 4.50; N 4.81. ИК спектр (KBr), ν, см: 3465, 3275, 2987, 1790, 1730. Спектр ЯМР H [хлороформ-d], δ, м. д.: 8.20 (2Н, s, ArH), 8.14 (1Н, s, МД), 4.44 (4Н, q, J=7.0 Hz, CH), 1.41 (6H, t, J=7.5 Hz, CH). ГХ/МС: m/z 292.2 [M+H].
Пример 3. Получение диэтилового эфира 4,5-дикарбамоилфталевой кислоты (IIIb). В круглодонную колбу помещают 100 мл 25% водного раствора аммиака. При интенсивном перемешивании добавляют 10.7 г (36.8 ммоль) мелко растертого имида IIb. В течение одной-двух минут исходный имид полностью растворяется, и выпадает осадок диамида IIIb. Осадок отфильтровывают, промывают на фильтре небольшим количеством водного раствора аммиака и высушивают на фильтре до исчезновения запаха аммиака, затем в вакуум-эксикаторе над хлористым кальцием. Получают 10.5 г (93%) IIIb в виде белого порошка с т.пл. 197-198°С.
-1
1
6
Найдено, %: С 54.32; Н 5.27; N 8.81. Вычислено, %: С 54.55; Н 5.23; N 9.09. ИК спектр (KBr), ν, см: 3401, 3355, 3187, 2983, 1729, 1663, 1618. Спектр ЯМР Н [ДМСО-d], δ, м. д.: 7.95 (2Н, s, NH2), 7.76 (2Н, s, ArH), 7.56 (2Н, s, NH2), 4.30 (4H, q, J=7.0 Hz, CH2), 1.29 (6H, t, J=7.0 Hz, СН3).
Пример 4. Получение диэтилового эфира 4,5-дицианофталевой кислоты (IVb).
Способ А
Диамид IIIb в количестве 10.5 г (34.2 ммоль) и 50 мл сухого диметилформамида перемешивают 15 минут до образования однородной суспензии. Затем реакционную массу охлаждают до 0°С и в течение 2 ч прикалывают 6.7 мл (71.8 ммоль) хлорокиси фосфора, поддерживая температуру в колбе в интервале от 0 до +5°С. После прибавления хлорокиси фосфора температуру реакционной массы поднимают до +20-25°С и выдерживают еще 1 ч при этой температуре. Затем реакционную массу выливают на измельченный лед, осадок отфильтровывают, промывают ледяной водой до нейтральной реакции фильтрата по индикаторной бумаге, высушивают в вакуум-эксикаторе над хлористым кальцием. Получают 7.6 г (82%) IVb с т.пл. 121-122°С.
Способ Б
Диамид IIIb в количестве 10.5 г (34.2 ммоль) и 50 мл сухого диметилформамида перемешивают 15 минут до образования однородной суспензии. Затем реакционную массу охлаждают до 0°С и в течение 1 ч прикалывают 5.2 мл (71.6 ммоль) хлористого тионила, поддерживая температуру в колбе в интервале от 0 до +5°С. После прибавления хлористого тионила температуру реакционной массы поднимают до +20-25°С и выдерживают еще 1 ч при этой температуре. Затем реакционную массу выливают на измельченный лед, осадок отфильтровывают, промывают ледяной водой до нейтральной реакции фильтрата по индикаторной бумаге, высушивают в вакуум-эксикаторе над хлористым кальцием. Получают 5.1 г (55%) IVb с т.пл. 119-121°С.
-1
1
+
6
Найдено, %: С 61.82; Н 4.29; N 10.38. Вычислено, %: С 61.76; Н 4.44; N 10.29. ИК спектр (KBr), ν, см: 2959, 2239, 1732. Спектр ЯМР Н [хлороформ-d], δ, м. д.: 8.15 (2Н, s, ArH), 4.44 (4Н, q, J=7.0 Hz, СН2), 1.41 (6H, t, J=7.5 Hz, СН3). ГХ/МС: m/z 273.3 [M+H].
Пример 5. Получение 4,5-дикарбометоксифталимида (IIa). Диметиловый эфир IIа получают по примеру 2, используя в качестве алкилирующего агента триметилортоформиат вместо триэтилортоформиата. Т. пл. 198-200°С. Выход 93%.
-1
+
3
Найдено, %: С 54.89; Н 3.36; N 5.38. Вычислено, %: С 54.76; Н 3.45; N 5.32. ИК спектр (KBr), ν, см: 3454, 3268, 3049, 2962, 2926, 1789, 1730. ГХ/МС: m/z 232.1 [М-СНО].
Пример 6. Получение 4,5-дикарбопропоксифталимида (IIc). Дипропиловый эфир IIс получают по примеру 2, используя в качестве алкилирующего агента трипропилортоформиат вместо триэтилортоформиата. Т.пл. 128-130°С. Выход 94%.
-1
+
Найдено, %: С 59.88; Н 5.53; N 4.38. Вычислено, %: С 60.18; Н 5.37; N 4.39. ИК спектр (KBr), ν, см: 3250, 3052, 2977, 2938, 2879, 1781, 1738, 1719. ГХ/МС: m/z 320.1 [М+Н].
Пример 7. Получение 4,5-дикарбогексоксифталимида (IId). Имид I в количестве 0.5 г (2.1 ммоль), 0.05 г n-толуолсульфокислоты, 20 мл толуола и 3 мл гексанола кипятят с насадкой Дина-Старка в течение 18 ч, затем растворитель отгоняют, остаток хроматографируют на окиси алюминия хлороформом. Получают 0.73 г (85%) дигексилового эфира IId с т.пл. 79-81°С.
-1
+
Найдено, %: С 65.19; Н 7.25; N 3.49. Вычислено, %: С 65.49; Н 7.24; N 3.47. ИК спектр (KBr), ν, см: 3252, 3052, 2959, 2932, 2875, 2860, 1781, 1735. ГХ/МС: m/z 404.4 [M+H].
Пример 8. Получение диметилового эфира 4,5-дикарбамоилфталевой кислоты (IIIa). Диметиловый эфир IIIa получают по примеру 3 из диметилового эфира IIa. Т.пл. 212-214°С. Выход 91%.
-1
Найдено, %: С 51.49; Н 4.25; N 10.06. Вычислено, %: С 51.43; Н 4.32; N 10.00. ИК спектр (KBr), ν, см: 3529, 3379, 3181, 2956, 1726, 1680.
Пример 9. Получение дипропилового эфира 4,5-дикарбамоилфталевой кислоты (IIIc). Дипропиловый эфир IIIc получают по примеру 3 из дипропилового эфира IIc. Т.пл. 186-188°С. Выход 93%.
-1
Найдено, %: С 57.14; Н 5.98; N 8.27. Вычислено, %: С 57.14; Н 5.99; N 8.33. ИК спектр (KBr), ν, см: 3349, 3207, 3142, 2985, 2944, 2884, 1728, 1663.
Пример 10. Получение дигексилового эфира 4,5-дикарбамоилфталевой кислоты (IIId). Дигексиловый эфир IIId получают по примеру 3 из дигексилового эфира IId. Т.пл. 82-84°С. Выход 92%.
-1
Найдено, %: С 62.22; Н 7.88; N 6.54. Вычислено, %: С 62.84; Н 7.67; N 6.66. ИК спектр (KBr), ν, см: 3382, 3202, 2959, 2932, 2872, 2860, 1733, 1655, 1629.
Пример 11. Получение диметилового эфира 4,5-дицианофталевой кислоты (IVa). Диметиловый эфир IVa получают по примеру 4 (способ А) из диметилового эфира IIIa. Т.пл. 128-130°С. Выход 71%.
-1
+
Найдено, %: С 59.13; Н 3.21; N 11.49. Вычислено, %: С 59.02; Н 3,30; N 11.47. ИК спектр (KBr), ν, см: 3049, 2961, 2241, 1732. ГХ/МС: m/z 245.1 [М+Н].
Пример 12. Получение дипропилового эфира 4,5-дицианофталевой кислоты (IVc). Дипропиловый эфир IVc получают по примеру 4 (способ А) из дипропилового эфира IIIc. Т.пл. 68-70°С. Выход 82%.
-1
+
Найдено, %: С 64.05; Н 5.47; N 9.26. Вычислено, %: С 63.99; Н 5.37; N 9.33. ИК спектр (KBr), ν, см: 3044, 2973, 2947, 2885, 2243, 1728. ГХ/МС: m/z 301.4 [М+Н].
Пример 13. Получение дигексилового эфира 4,5-дицианофталевой кислоты (IVd). Дигексиловый эфир IVd получают по примеру 4 (способ А) из дигексилового эфира IIId. Т.пл. 49-51°С. Выход 79%.
-1
+
Найдено, %: С 68.82; Н 7.39; N 7.23. Вычислено, %: С 68.73; Н 7.34; N 7.29. ИК спектр (KBr), ν, см: 3056, 2955, 2926, 2870, 2852, 2237, 1726. ГХ/МС: m/z 385.6 [М+Н].
Пример 14. Получение 2,3,9,10,16,17,23,24-октакарбоксифталоцианина кобальта. Диэтиловый эфир 4,5-дицианофталевой кислоты IVb в количестве 1.0 г (3.7 ммоль), 0.16 г (1.2 ммоль) сухого хлорида кобальта, 0.27 мл (1.8 ммоль) 1,8-диазабицикло[5,4]ундец-7-ена и 6 мл сухого диглима нагревают до температуры кипения растворителя и выдерживают в течение 4 ч. Затем реакционную массу охлаждают, выливают в 100 мл дистиллированной воды, осадок отфильтровывают, промывают водой, высушивают на фильтре. Комплекс очищают хроматографированием на окиси алюминия (элюент хлороформ-этанол, 10:1). Получают 0.52 г октаэтилового эфира ОСРс кобальта. Выход 50%.
56
48
8
16
-1
Найдено. %: С 58.84; Н 4.13; N 9.76. CHNOCo. Вычислено, %: С 58.59; Н 4.21; N 9.76. ИК спектр (KBr), ν, см: 2982, 2932, 2867, 2858, 1722.
0,52 г октаэтилового эфира ОСРс кобальта прибавляют к раствору 0,55 г гидроксида калия в 3 мл триэтиленгликоля и перемешивают при температуре 135-140°С в течение 3,5 ч в инертной атмосфере. Реакционную массу охлаждают, выливают в 10% соляную кислоту. Суспензию фильтруют, осадок на фильтре промывают 5% соляной кислотой, затем дистиллированной водой до нейтральной реакции и высушивают при 100-105°С до постоянного веса. Получают 0,39 г ОСРс кобальта. Выход 94% в расчете на октаэтиловый эфир ОСРс кобальта.
40
16
8
16
2
макс
-1
Найдено, %: С 50.56; Н 2.31; N 12.06. CHNOCo×1.5 HO. Вычислено, %: С 50.54; Н 2.01; N 11.79. ИК спектр (KBr), ν, см: 1698. Электронный спектр поглощения (ДМСО), λ, нм: 672 (5.04), 611, 337.
Пример 15. Получение 2,3,9,10,16,17,23,24-октакарбоксифталоцианина цинка. Октаэтиловый эфир ОСРс цинка получают по примеру 14, используя ацетат цинка вместо хлорида кобальта. Выход 58%.
56
48
8
16
-1
Найдено, %: С 58,02; Н 4,90; N 9,51. CHNOZn. Вычислено, %: С 58,26; Н 4,20; N 9,71. ИК спектр (KBr), ν, см: 2981, 2933, 2864, 2861, 1723.
ОСРс цинка получают по примеру 14. Выход 83% в расчете на октаэтиловый эфир ОСРс цинка.
40
16
8
16
2
макс
-1
Найдено, %: С 50.81; Н 2.12; N 12,14. CHNOZn×HO. Вычислено, %: С 50.68; Н 1.91; N 11.82. ИК спектр (KBr), ν, см: 1699. Электронный спектр поглощения (ДМСО), λ, НМ: 686 (5.31), 616, 351.
Таким образом, разработан новый метод получения эфиров ДЦФК, достоинствами которого являются:
1. Универсальность;
2. Хороший выход продукта;
3. Доступность и дешевизна всех используемых реагентов и растворителей, в том числе исходного сырья - пиромеллитовой кислоты;
4. Технологичность всех реакционных стадий;
5. Отсутствие необходимости дополнительных очисток промежуточных и конечного продуктов, в частности применения колоночной хроматографии (за исключением однократной кристаллизации на первой стадии);
6. Значительное снижение количества используемых токсичных реагентов.