СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ 3,4-ДИАЛКОКСИ-2,5-ТИОФЕНДИКАРБОНОВОЙ КИСЛОТЫ
METHOD FOR PRODUCING 3,4-DIALKOXY-2,5-THIOPHENEDICARBOXIC ACID ESTERS

Изобретение относится к химии гетероциклических соединений, а именно к сложным эфирам 3,4-диалкокси-2,5-тиофендикарбоновой кислоты (формула I и II):
Изобретение относится к методам получения соединений формул I и П.
Сложные эфиры 3,4-диметокси-2,5-тиофендикарбоновой кислоты I и II применяют как исходные вещества в синтезе разнообразных 3,4-дилакокситиофенов, таких как, например, 3,4-этилендиокситиофен и 3,4-дигексилокситиофен. Подобные соединения, а также их производные находят широкое применение в качестве мономеров для проводящих полимеров, [патент US 10892445 B2; статья Ming, Li et al // Chem. Eng. J., 2020, Vol. 390] Последние применяются в изготовлении смарт-стекол, антистатиков и др.
Существуют методы переалкилирования гидроксильных групп в положении 3 и 4 тиофена путем кипячения 3,4-диметоксипроизводного с более высококипящим спиртом, например, этиленгликолем в присутствии пара-толуолсульфокислоты [патент KR 101558628 B1], приводящем к образованию 3,4-этилендиокситиофена. Исходные 3,4-диметокситиофены можно получить путем гидролиза сложного эфира 3,4-диметокситиофен-2,5-дикарбоновой кислоты [статья Merz, Rehm // Advanced Synthesis and Catalysis, 1996, Vol. 338, №7] с последующим декарбоксилированием [патент US 6369239 B2].
К настоящему моменту известно несколько методов получения соединений формул I и П. В одном из них диэтиловый эфир 3,4-дигидрокси-2,5-тиофендикарбоновой кислоты алкилируется диазометаном с выходом 95.4% [статья Overberger, Joginder Lai // J. Am. Chem. Soc, 1951, Vol. 73, №7]. Однако этот метод трудно реализуем в промышленности, поскольку диазометан является нестабильным, высокотоксичным и взрывоопасным веществом, что ограничивает возможности его применения и условия хранения. Диазометан получают из различных N-нитрозоамидов и их производных, являющихся достоверными канцерогенами, в связи с чем охрана труда и оформление производства затрудняются еще больше. Другой метод представлен взаимодействием дикалиевой соли диэтил-3,4-дигидрокси-2,5-тиофендикарбоксилата с диметилсульфатом с выходом 82% [статья Merz, Rehm // Advanced Synthesis and Catalysis, 1996, Vol. 338, №7]. Диметилсульфат является дешевым, доступным и удобным в промышленном применении, благодаря чему в настоящее время широко используется в производстве. Однако недостатками такого метода введения метальных групп в молекулу являются использование не самих сложных эфиров 3,4-дигидрокси-2,5-тиофендикарбоновой кислоты, а калиевых солей соответствующих кислот, что в результате реакции приводит к образованию на один моль продукта двух молей метил сульфата калия. Последний является отходом производства, который необходимо каким-либо способом утилизировать. Кроме того, применение высокотоксичного и проявляющего канцерогенные и мутагенные свойства диметилсульфата требует повышенных затрат на охрану труда и окружающей среды в ходе организации и эксплуатации производства. Синтез целевых сложных эфиров 3,4-диалкокси-2,5-тиофендикарбоновых кислот может быть также осуществлен при использовании других алкилаторов, таких как алкилгалогениды с выходом 90% [статья Coffey, McKellar et al. // Synthetic Communications, 1996, Vol. 26, №11]. Метод имеет те же недостатки, что и использующий диметилсульфат, поскольку алкилирование осуществляется в присутствии неорганических оснований, что приводит к образованию солевых отходов. При этом алкилгалогениды как реагенты значительно дороже диметилсульфата.
Ближайшим аналогам настоящего изобретения является схема алкилирования пирокатехинов [патент CN 106518631 А] с применением в качестве алкилирующего агента малотоксичного диметилкарбоната в присутствии хлорида бензилтриметиламммония в качестве катализатора с выходом 99%.
Задачей настоящего изобретения является создание экологически безопасного и безотходного «зеленого» способа получения сложных эфиров 3,4-диалкокситиофен-2,5-дикарбоновых кислот I и II с возможностью организации рецикла непрореагировавших веществ.
Поставленная задача решается способом получения сложных эфиров 3,4-диалкокситиофен-2,5-дикарбоновых кислот, 3,4-дигидрокси-2,5-тиофендикарбоновой кислоты с диалкилкарбонатами в присутствии бромидов или хлоридов четвертичных аммонийных оснований в автоклаве, изготовленном из титана, при перемешивании при 150-180°С в течение 10-48 часов.
Настоящий способ получения соединений формулы I и II отличается от известных ранее способов применением диалкилкарбонатов в сочетании с хлоридами или бромидами четвертичных аммонийных оснований, использующимся в качестве катализатора. Преимуществами настоящего метода являются применение малотоксичных алкилирующих агентов с выходами вплоть до 90%, возможность выделения непрореагировавших исходных веществ, их отправка на рецикл, а также малое количество отходов.
Новый метод синтеза сложных эфиров 3,4-диалкокситиофен-2,5-дикарбоновых кислот заключается во взаимодействии диэтилового эфира 3,4-дигидрокси-2,5-тиофенкарбоновой кислоты (1 мольн. част.) с диалкилкарбонатом (1-24 мольн. част.) в присутствии бромидов или хлоридов четвертичных аммонийных оснований (0.2 мольн. част.) в автоклаве, изготовленном из титана, при перемешивании при 150-180°С в течение 10-48 часов. Полученный сложный эфир 3,4-диалкокситиофен-2,5-дикарбоновой кислоты выделяют экстракцией с последующей перекристаллизацией.
Стоит отметить, что при проведении процесса при температуре ниже 150°С целевая реакция не проходит. При температурах выше 180°С существенно падает выход целевого продукта ввиду протекания побочных реакций.
Изобретение может быть проиллюстрировано следующим примерами.
Пример 1. В титановый автоклав помещают 1 г (3.85 ммоль) диэтил-3,4-дигидрокси-2,5-тиофендикарбоксилата, 8.24 г (7.7 мл, 92 ммоль) диметилкарбоната и 0.25 г (0.77 ммоль) бромида тетрабутиламмония. Автоклав заполняют аргоном и нагревают при температуре 160°С в течение 10 часов. После охлаждения реакционную массу разбавляют 20 мл толуола. Осадок катализатора отфильтровывают, фильтрат последовательно промывают 10 мл воды, 10 мл × 3 2М NaOH и снова 10 мл воды. Органическую фазу высушивают над сульфатом натрия, растворитель отгоняют под вакуумом. Полученный желто-белый кристаллический осадок перекристаллизовывают из метанола. Получают 0.645 г диметил-3,4-диметокси-2,5-тиофендикарбоксилата (выход 64%)
1
3
Н-ЯМР (CDCl, 400 МГц): δ 3.88 s (6Н), 4.01 s (6Н)
Пример 2. В титановый автоклав помещают 1 г (3.85 ммоль) диэтил-3,4-дигидрокси-2,5-тиофендикарбоксилата, 8.24 г (7.7 мл, 92 ммоль) диметилкарбоната и 0.25 г (0.77 ммоль) бромида тетрабутиламмония. Автоклав заполняют аргоном и нагревают при температуре 180°С в течение 30 часов. После охлаждения реакционную массу разбавляют 20 мл толуола. Осадок катализатора отфильтровывают, фильтрат последовательно промывают 10 мл воды, 10 мл × 32M NaOH и снова 10 мл воды. Органическую фазу высушивают над сульфатом натрия, растворитель отгоняют под вакуумом. Полученный желто-белый кристаллический осадок перекристаллизовывают из метанола. Получают 0.905 г диметил-3,4-диметокси-2,5-тиофендикарбоксилата (выход 90%).
1
3
Н-ЯМР (CDCl, 400 МГц): δ 3.88 s (6Н), 4.01 s (6Н)
Пример 3. В титановый реактор помещают 0.3 г (1.15 ммоль) диэтил-3,4-дигидрокси-2,5-тиофендикарбоксилата, 3.3 г (3.4 мл, 28 ммоль) диэтилкарбоната, 74 мг (0.23 ммоль) бромида тетрабутиламмония. Автоклав заполняют аргоном и нагревают при 150°С в течение 48 часов. После охлаждения реакционную массу разбавляют 10 мл толуола. Осадок загрязненного катализатора отфильтровывают, фильтрат промывают последовательно 10 мл воды, 6 мл × 3 2М NaOH и снова 10 мл воды. Органическую фазу отделяют, высушивают над сульфатом натрия, растворитель отгоняют под вакуумом. Масса полученного диэтил-3,4-диэтокси-2,5-тиофендикарбоксилата составляет 91 мг (выход 25%).
1
3
3
3
3
3
Н-ЯМР (CDCl, 400 МГц): δ 0.98 t (6Н, J 7.05), 1.39 t (6Н, J 7.06), 4.25 q (4Н, J 7.05), 4.35 q (4H, J 7.06)
Пример 4. В титановый автоклав помещают 0.3 г (1.15 ммоль) диэтил-3,4-дигидрокси-2,5-тиофендикарбоксилата, 0.101 г (1.15 ммоль) этиленкарбоната, 74 мг (0.23 ммоль) бромида тетрабутиламмония и 5 мл ацетонитрила. Автоклав заполняют аргоном и нагревают при 150°С в течение 10 часов. После охлаждения реакционную массу разбавляют 10 мл воды и 10 мл толуола. Взвесь отфильтровывают, фильтрат промывают последовательно 10 мл воды, 6 мл × 3 2М NaOH и снова 10 мл воды. Органическую фазу высушивают над сульфатом натрия, растворитель отгоняют под вакуумом. Масса диэтил-3,4-этилендиокси-2,5-тиофендикарбоксилата составляет 0.4 г (выход 35%).
1
3
3
3
Н-ЯМР (CDC1, 400 МГц):δ 1.36 t (6Н, J 6.9), 4.34 q (4H, J 6.9), 4.38 s (4H)
Пример 5. В титановый автоклав помещают 0.26 г (1 ммоль) диэтил-3,4-дигидрокси-2,5-тиофендикарбоксилата массой, 2.14 г (2 мл, 23.8 ммоль) диметилкарбоната и 0.45 г (0.2 ммоль) триэтилбензиламмония хлорида. Автоклав заполняют аргоном и нагревают при 160°С в течение 10 часов. После охлаждения реакционную массу разбавляют 10 мл толуола. Осадок загрязненного катализатора отфильтровывают, фильтрат промывают последовательно 10 мл воды, 2М NaOH 10 мл ×3 и снова 10 мл воды. Органическую фазу высушивают над сульфатом натрия, растворитель отгоняют под вакуумом. Масса полученного диметил-3,4-диметокси-2,5-тиофендикарбоксилата составляет 0.11 г (выход 42%).
1
3
Н-ЯМР (CDC1, 400 МГц): δ 3.88 s (6Н), 4.01 s (6Н).