СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИМЕТИЛОВОГО ЭФИРА 2,5-ТИОФЕНДИКАРБОНОВОЙ КИСЛОТЫ ИЗ 2-ТИОФЕНКАРБОНОВОЙ КИСЛОТЫ
METHOD OF PRODUCING DIMETHYL ETHER OF 2,5-THIOPHENE DICARBOXYLIC ACID FROM 2-THIOPHENE CARBOXYLIC ACID

Предлагаемое изобретение относится к области органической химии, в частности к способу получения диметилового эфира 2,5-тиофендикарбоновой кислоты.
2,5-тиофендикарбоновая кислота (ТФДК), а также ряд ее производных являются исходными соединениями для синтеза электропроводящих полимеров, электродов, сенсоров, конденсаторов, дисплеев, гельэлектролитов, мембран ([1]. Патент Германии №1298133, 18.09.2002) и жидко- кристаллических полимеров с сильноразвитой ЖК-фазой ([2]. Н-С.Lin, C.-W.Ко, К.Guo, T.-W.Cheng // Liquid Crystals, 26, №4, 613-618, 1999; [3]. J.Xu, Y.Wang, T.-S.Chung, S.H.Goh // J. Mater. Res., V.18, №7, p.1509-1521, 2003).
Кроме того, 2,5-тиофендикарбоновая кислота находит широкое применение для получения оптических отбеливателей (ТФДК является исходным соединением для синтеза дихлор-тетрагидротиофен-2,5-дикарбоновой кислоты)([4]. V.А.Dorlars, C.-W.Schellhammer, J.Schroeder // Angew. Chem., 87, №19, 1975, 693-707; 5. Патент Швейцарии №437347, 30.11.1967).
2,5-Тиофендикарбоновую кислоту (имеющую алкильный заместитель в положении 3) получают металлированием 3-алкилтиофена избытком бутиллития в виде комплекса с тетраметилэтилендиамином с последующим карбоксилированием 2,5-дилитий-3-алкилтиофена ([6]. H.Meng, W.Huang // J. Org.Chem. 65, 3894, 2000; [7]. H. Wynberg, D.J. Zwanenburg // J. Org.Chem. 29, 1919, 1964).
2
4
К раствору (18.3 г, 0.158 моль) тетраметилэтилендиамина в безводном гексане (30 мл) и 1,6 М бутиллития в гексане (98 мл, 0,158 моль) добавляют 12,4 г., 0.0633 моль 3-октилтиофена в атмосфере азота при комнатной температуре. После перемешивания при комнатной температуре в течение 1 ч, смесь кипятят 30 мин, затем охлаждают до -70°C и медленно приливают под азотом в колбу (V=500 мл), наполовину заполненную сухим накрошенным льдом (CO). К реакционной смеси приливают 10 М HCl и добавляют лед. После нейтрализации органической фазы 10%-ным раствором NaOH целевой продукт экстрагируют диэтиловым эфиром. Затем эфирный экстракт промывают водой и водным раствором NaCl, высушивают над MgSO и растворитель отгоняют. После перекристаллизации из смеси этанол-вода было получено 14 г (выход 78%) 3-октил-2,5-тиофендикарбоновой кислоты, ([6]. Н.Meng, W.Huang. // J. Org.Chem. 65, 3894, 2000]
Метод имеет ряд существенных недостатков:
1. Использование дорогостоящего металлоорганического реагента бутиллития, который берется в избытке (2,5 раза).
2. Необходимость проведения реакции при пониженной температуре (-70°C).
3. Применение сильной кислоты (HCl), что требует нейтрализации реакционной массы после окончания процесса.
4. Проведение реакции в атмосфере азота.
5. Сложности выделения целевого продукта и образование трудноутилизуемых отходов и сточных вод, содержащих большое количество LiCl и тетраметилэтилендиамина. Хлорангидрид 2,5-тиофендикарбоновой кислоты можно получить взаимодействием адипиновой кислоты с тионилхлоридом в присутствии пиридина при 140-150°C в течение 5-6 ч, выход хлорангидрида кислоты составляет 63% ([8]. S.Nakagawa, J.Okumura, F.Sakai, H.Toshi, T.Naito //Tetrahedron Lett. №42, 3719, 1970)
Недостатки метода
2
2
4
1. Использование трехкратного избытка тионилхлорида (SOCl), что требует его нейтрализации после завершения реакции и утилизации отходов и сточных вод, содержащих HCl и HSO.
2,5-Тиофендикарбоновая кислота была получена с выходом 45% из метилового эфира 2-тиофенкарбоновой кислоты [9. V.A.Doriars, C.-W.Schellhammer, J.Schroeder // Angew. Chem., 87, №19, 693-707, 1975]
Недостатки метода:
1. Многостадийность процесса.
2. Низкий общий выход целевого продукта.
2
В патенте США ([10] Патент США 2900386, 18.08.1959) описан каталитический метод получения 2,5-тиофендикарбоновой кислоты. Смесь 46 г калиевой соли 2-тиофенкарбоновой кислоты и 23 г оксида кадмия (CdO) помещают в. автоклав (V=200 мл) и нагревают в течение 1 ч при 340°C с в атмосфере диоксида углерода (СО) при давлении 50 атм. Затем полученный порошкообразный продукт вымывают 500 мл воды и отфильтровывают.
Фильтрат нейтрализуют HCl. Выход 2,5-тиофендикарбоновой кислоты составляет 14,9 г. (31%).
Недостатки метода:
1. Низкий выход целевого продукта (31%).
2. Использование большого количества высокотоксичного оксида кадмия.
3. Применение высоких температур и давления (340°C, 50 атм).
2
4. Нейтрализация реакционной среды с помощью HCl, что приводит к образованию большого количества промывных вод, содержащих CdCl и KCl.
2,5-Тиофендикарбоновая кислота получена окислением из 2,5-бис(гидроксиметил)тиофена ([11]. S.Оае, N.Furukawa, Т.Watanade, Y.Otsuji, М.Hamada // Bull. Chem. Soc. Japan, 38, 1247, 1965; [12]. J.M.Griffing, L.F.Salisburg // J.Am.Chem. Soc., 70, 3416, 1948; [13]. R.Lukes, М.Janda, К.Kefurt // Coll. Czech. Chem. Commun. 25, 1058, 1960; [14]. Y.Matsumoto, T.Sone // Kogyo Kagaku Zasshi, 62, 1559, 1959; [15]. S.Gronowitz, A-B. Homfeldt / Thiophenes (The best methods), Elsivier, 2004, P.961].
4
Тиофен сначала хлорметилируют параформом в присутствии HCl с образованием 2,5-дихлорметилтиофена, который затем обрабатывают ацетатом калия в среде уксусной кислоты. Далее полученный 2,5-дигидроксиметилтиофен окисляют до соответствующей дикарбоновой кислоты с помощью перманганата калия KMnO. Общий выход 2,5-тиофендикарбоновой кислоты, считая на 4 стадии, составляет ~52%.
Недостатки метода:
1. Многостадийность (4 стадии)
4
2. Использование 3-кратного избытка сильного окислителя перманганата калия KMnO.
2
3. Образование в качестве отхода MnO (3 моля на 1 моль целевого продукта), который надо утилизовать.
4. Применение большого количества кислот: газообразного HCl и ледяной уксусной кислоты, что требует их нейтрализации после завершения реакции и утилизации отходов и сточных вод.
5. Низкий общий выход ~52%.
4
4
Эфиры 2,5-тиофендикарбоновой кислоты были получены взаимодействием тиофенов с системой CCl-RОН-катализатор с общим выходом 3-22%. Реакция проходит при температуре 140-175°C за 6 ч при следующих оптимальных концентрациях катализатора и реагентов: [катализатор]:[тиофен]:[ROH]:[CCl]=1:100:200÷400:100÷200.
2
6
Наилучшими катализаторами указанной реакции являются VO(acac), Мо(СО), а оснывными продуктами реакции являются алкиловые эфиры 2-тиофенкарбоновой кислоты (44-92%).
Кроме алкиловых эфиров 2-тиофендикарбоновой кислоты в реакционной массе присутствует небольшое количество (3-22%) диалкиловых эфиров 2,5-тиофендикарбоновой кислоты (1e, 1g, 1i) ([16]. Р.И.Хуснутдинов, Н.А.Щаднева, А.Р.Байгузина, P.P.Мукминов, Ю.Ю.Маякова, А.А.Смирнов, У.М.Джемилев // Нефтехимия, 48 (6), 467, 2008].
Прототип имеет следующие недостатки:
1. Низкий выход целевого продукта - диметилового эфира 2,5-тиофендикарбоновой кислоты составляет 9%.
В связи с этим авторы изобретения поставили перед собой задачу разработать метод получения диметилового эфира 2,5-тиофендикарбоновой кислоты с более высоким выходом.
3
3
5
5
4
3
5
5
4
Сущность способа заключается во взаимодействии 2-тиофенкарбоновой кислоты с метанолом в присутствии четыреххлористого углерода под действием катализатора трис(2,4-пентанодионато)железа Fe(асас), активированного азотсодержащим лигандом-пиридином, при температуре 140-160°С в течение 3-6 ч при мольном соотношении [Fe(асас)]:[CHN]:[2-ТФК]:[метанол]:[CCl]=0.01:0.05-0.1:1:45-135:30. В оптимальных условиях ([Fe(асас)]:[CHN]:[2-ТФК]:[метанол]:[CCl]-0.01:0.1:1:45:30, 150°C, 3 ч) выход диметилового эфира 2,5-тиофендикарбоновой кислоты достигает 96%. Конверсия исходной 2-тиофенкарбоновой кислоты достигает 100%.
3
5
5
4
В отсутствие лиганда выход целевого продукта не превышает 60%. Другие азотсодержащие лиганды (α,α'-дипиридил, триэтиламин, морфолин, диметиланилин) активирующим действием по отношению к катализатору не обладают. При соотношении реагентов [Fe(асас)]:[CHN]:[2-ТФК]:[метанол]:[CCl]=0.01:0.05:1:40:10-15 выход диметилового эфира 2,5-тиофендикарбоновой кислоты заметно снижается.
Существенные отличия предлагаемого способа от прототипа.
3
1. Для получения диметилового эфира 2.5-тиофендикарбоновой кислоты из 2-тиофенкарбоновой кислоты используется железосодержащий катализатор Fe(асас), активированный азотсодержащим лигандомпиридином.
2. В качестве исходного соединения используется 2-тиофенкарбоновая кислота.
Преимущества предлагаемого метода.
4
3
3
5
5
1. Доступность исходных реагентов: CCl, СНОН, Fe(асас), CHN.
2. Высокий выход диметилового эфира 2,5-тиофендикарбоновой кислоты 96%.
3. Селективность процесса 96%.
Предлагаемый способ поясняется примерами:
ПРИМЕР 1. Реакции проводят в стеклянной ампуле (V=20 мл) или в микроавтоклаве из нержавеющей стали (V=17 мл).
3
4
3
2
3
3
В микроавтоклав (ампулу) под аргоном помещают 0.01 ммоль Fe(асас), 0.1 ммоль пиридина, 1 ммоль 2-тиофенкарбоновой кислоты, 30 ммоль CCl и 45 ммоль СНОН, автоклав герметично закрывают (ампулу запаивали) и нагревают при 150°С в течение 3 часов с постоянным перемешиванием. После окончания реакции автоклав (ампулу) охлаждают до 20°С, вскрывают, нейтрализуют водным раствором NaCO. Экстрагируют CHCl. Органический слой фильтруют через слой силикагеля (2 грамма) (элюент - хлороформ). Растворитель отгоняют, остаток декантируют гексаном. Гексановую фракцию упаривают, оставляя 1/3, при этом в остатке снова выпадают кристаллы (т.к. продукт частично растворим в гексане). Выпавшие кристаллы снова декантируют гексаном до тех пор пока не перестанут выпадать кристаллы. Выпавшие кристаллы перекристаллизовывают из диэтилового эфира. Выход продукта составляет 96%, т.пл. 145,5-146°С.(лит. 145°C) ([17]. Словарь органических соединений, Изд-во иностр. лит., 1949, т.3]
1
13
2,5
3,4
6,8
7,9
+
3
3
oтн.
Спектр ЯМР H δ, м.д.: 7.73 (2Н, с, СН тиофена), 3.91(6Н, с, СН). ЯМР С (CDCl, δ, м.д.): 131.00 (С), 133.71 (С), 162.09 (С), 52.54 (С). Масс-спектр, m/z (I, %): 200 [М] (25), 38 (5), 39 (4), 45 (5), 53 (10), 59 (5), 69 (5), 81 (4), 82 (6), 98 (3), 111 (3), 168 (5), 169 (100), 170 (7), 171 (4), 199(3).
В гексановой фракции после последнего упаривания содержится только непрореагировавший метиловый эфир 2-тиофенкарбоновой кислоты, его перегоняют под вакуумом, т.кип.120-121°С/10 Па. Выход эфира составляет ~4%.
Другие примеры, подтверждающие способ, приведены в таблице 1.
Таблица 1Результаты опытов по синтезу диметилового эфира 2,5-тиофендикарбоновой кислоты реакцией 2-тиофенкарбоновой кислоты с СН<sub>3</sub>ОН и CCl<sub>4</sub> под действием катализатора Fe(асас)<sub>3</sub>, активированного азотсодержащими лигандами
№№ пп
Лиганд
Мольное соотношение [Fe(асас)<sub>3</sub>]:[лиганд]:[2-ТФК]: [СН<sub>3</sub>ОН]:[CCl<sub>4</sub>]
Температура, °С
Время реакции, ч
Выход диметилового эфира 2,5-тиофендикарбо новой кислоты, %
1
2
3
4
5
6
1.
в отсутствие лиганда
0.01:1:135:30
140
3
59
2.
-«-
-«-
160
3
60
3.
пиридин
0.01:0.05:1:135:30
150
6
72
4.
-«-
-«-
-«-
3
36
5.
-«-
0.01:0.1:1:135:30
-«-
3
72
6.
-«-
-«-
140
3
71
7.
-«-
-«-
160
3
73
8.
-«-
0.01:0.1:1:90:30
-«-
3
84
9.
-«-
0.01:0.1:1:45:30
-«-
3
96
10.
α,α'-дипиридил
0.01:0.1:1:135:30
-«-
6
36
11.
триэтиламин
-«-
-«-
3
36
12.
триэтиламин
-«-
-«-
6
55
13.
морфолин
-«-
-«-
-«-
0
14.
диметиланилин
-«-
-«-
-«-
30