СПОСОБ СУЛЬФОНИЛИРОВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ГИДРОКСИЛИРОВАННОГО СОЕДИНЕНИЯ
METHOD OF SULPHONYLATING ORGANIC HYDROXYLATED COMPOUND

Настоящее изобретение относится к способу сульфонилирования органического гидроксилированного соединения.
Более конкретно, изобретение относится к способу трифторметилсульфонилирования органического гидроксилированного соединения.
В частности, изобретение имеет целью алифатические гидроксилированные, более конкретно те из них, которые содержат алифатическую перфторированную цепь.
Изобретение предпочтительно распространяется на перфторированные алифатические спирты и, в частности, на 2,2,2-трифторэтанол.
3
3
2
3
3
2
В соответствии с FR-A 1470669 известно получение трифторэтилтрифлата (CFSOCHCF) упрощенным способом, упрощенно называемое «TfOTFE», взаимодействием 2,2,2-трифторэтанола с трифлилхлоридом (CFSOCl) в присутствии основания, такого как триэтиламин, и в органическом растворителе, которым является дихлорметан.
Недостаток этого способа заключается в том, что он сопряжен с чрезвычайно загрязняющими выбросами из-за присутствия больших количеств солей аммония.
В соответствии с ЕР-А 1322601 предложен способ сульфонилирования органического гидроксилированного соединения, который заключается во взаимодействии названного соединения с сульфонилирующим агентом в присутствии достаточного количества кислоты Льюиса.
Кислотой Льюиса является соединение, содержащее катион металла или металлоида, считающееся промежуточным по классификации «твердости (hard) и мягкости (soft)», предложенной Р. Пирсоном. Примером кислоты Льюиса, подходящим для способа, описанного в ЕР-А 1322601, является хлорид сурьмы.
Хотя этот катализ и представляет интерес, заявитель искал способ, использующий более простые реактивы.
Задача настоящего изобретения заключается в разработке способа, позволяющего избежать указанных выше недостатков.
Он был найден и это то, что составляет предмет настоящего изобретения - способ сульфонилирования органического гидроксилированного соединения, отличающегося тем, что он включает реакцию названного соединения с сульфонилирующим агентом в органической среде и в присутствии гетерогенного минерального основания.
В своем предпочтительном воплощении изобретение относится к способу трифторметансульфонилирования органического гидроксилированного соединения, отличающегося тем, что он включает взаимодействие названного соединения с трифторметансульфонилирующим агентом в органической среде и в присутствии гетерогенного минерального основания.
Более конкретно - органическое гидроксилированное соединение, которое используется в способе по изобретению, отвечает следующей формуле (I):
1
R-O-H (I)
в этой формуле (I):
1
- R представляет углеводородную группу, замещенную или нет, содержащую от 1 до 40 атомов углерода, которая может быть алифатической ациклической, насыщенной или ненасыщенной, линейной или разветвленной; группой карбоциклической или гетероциклической, насыщенной, ненасыщенной или ароматической, моноциклической или полициклической, последовательностью перечисленных групп.
1
Более конкретно, R представляет углеводородную группу, имеющую от 1 до 20 атомов углерода, которая может быть алифатической ациклической, насыщенной или ненасыщенной, линейной или разветвленной; карбоциклическую или гетероциклическую группу, насыщенную, ненасыщенную или ароматическую, моноциклическую или полициклическую; алифатическую насыщенную или ненасыщенную, линейную или разветвленную, имеющую циклический заместитель.
1
Предпочтительно, чтобы R представлял алифатическую ациклическую насыщенную группу, линейную или разветвленную, предпочтительно имеющую от 1 до 12 атомов углерода, и еще более предпочтительно от 1 до 4 атомов углерода.
Изобретение не исключает наличия ненасыщенности в углеводородной цепи, такой как одна или несколько двойных связей, которые могут быть сопряжены или нет, или одна тройная связь.
При необходимости, углеводородная цепь может быть прервана гетероатомом (например, кислородом или серой) или функциональной группой, по мере того как она не реагирует, и из таких можно указать группу, в частности, такую как -СО-.
Углеводородная цепь может необязательно иметь один или несколько заместителей (например, галоген, сложноэфирная группа, альдегидная группа) в той мере, как они не влияют на реакцию сульфонилирования.
Таким образом, углеводородная цепь имеет один или несколько атомов фтора.
Ациклическая алифатическая группа, насыщенная или ненасыщенная, линейная или разветвленная, может необязательно иметь циклический заместитель. Под циклом подразумевают карбоциклический или гетероциклический цикл, насыщенный, ненасыщенный или ароматический.
Алифатическая ациклическая группа может быть соединена в цикл валентной связью, гетероатомом или функциональной группой, такой как оксигруппа, карбонильная, карбоксильная, сульфонильная и т.д.
В качестве примеров циклических заместителей можно привести циклоалифатические, ароматические или гетероциклические заместители, в частности, циклоалифатические, содержащие 6 атомов углерода в цикле, или бензольные, причем эти циклические заместители могут, в свою очередь, необязательно иметь какие-либо заместители, если они не затрудняют реакции, входящие в способ настоящего изобретения. В частности, можно упомянуть алкильные, алкоксильные группы, имеющие от 1 до 4 атомов углерода.
Среди алифатических групп, имеющих циклический заместитель, более конкретно рассматриваются аралкильные группы, имеющие от 7 до 12 атомов углерода, в частности, бензил или фенилэтил.
1
В формуле (I) R может в равной степени представлять группу карбоциклическую, насыщенную или нет, предпочтительно имеющую 5 или 6 атомов углерода в цикле; гетероциклическую группу, насыщенную или нет, в частности, состоящую из 5 или 6 атомов в цикле, из которых 1 или 2 гетероатома являются такими атомами, как азот, сера и кислород; группу карбоциклическую или ароматическую, гетероциклическую, моноциклическую, предпочтительно, фенильную или пиридильную, или полициклическую, конденсированную или нет, предпочтительно, нафтильную.
1
Если R включает цикл, то последний может в равной степени быть замещенным. Обычно наибольшее количество заместителей в одном цикле составляет 4, но чаще всего составляет 1 или 2. Природа заместителя не важна, если он не вступает в реакцию в условиях изобретения, в частности с сильным основанием. В качестве примеров заместителя можно, в частности, привести алкильные, алкоксильные группы, имеющие от 1 до 4 атомов углерода, или атомы галогенов.
Изобретение не исключает случая, в котором органическое гидроксилированное соединение является бифункциональным, то есть имеет другую ОН группу, расположенную в алифатической цепи, или в качестве заместителя в ароматическом цикле.
В качестве более конкретных примеров можно упомянуть следующую цепочку ароматических циклов, необязательно имеющих заместителей:
1
1
Среди всех значений, приведенных ранее для R, предпочтительно, чтобы R являлся линейной или разветвленной алкильной группой, имеющей от 1 до 12 атомов углерода, и предпочтительно от 1 до 4 атомов углерода.
В частности, способ изобретения применим к алифатическим спиртам и более конкретно - к фторированным и перфторированным спиртам, отвечающим формуле (Ia):
1
R-O-H (Ia),
1
в названной формуле (Ia) R представляет фторированную или перфторированную алкильную цепь, содержащую от 1 до 10 атомов углерода и от 1 до 21 атома фтора, предпочтительно от 3 до 21 атома фтора.
1
Более конкретно - изобретение относится к алифатическим перфторированным спиртам, отвечающим формуле (Ia), в которой R представляет алкильную перфторированную цепь, содержащую от 1 до 10 атомов углерода и от 3 до 21 атома фтора.
Способ изобретения распространяется, в частности, на соединения формулы (I) или (Ia), такие как этанол, 2,2,2-трифторэтанол, 2,2-дифторэтанол, 1,1-дифторэтанол, пентафторэтанол, гексафторизопропанол, пентафторфенол, п-нитрофенол, п-трифторметилфенол.
В отношении сульфонилирующего агента речь идет о галогениде перфторалкилсульфоновой кислоты.
В частности, он отвечает следующей формуле (II):
в названной формуле (II):
2
f
- R представляет перфторалкильную углеводородную группу типа R, имеющую от 1 до 10 атомов углерода;
- Z представляет атом фтора, хлора или брома.
В формуле (II) предпочтительным является случай, когда Z является атомом хлора или брома. Наиболее предпочтительно, чтобы Z являлся атомом брома.
f
p
a
b
R определяет группу, отвечающую следующей формуле CHF, в которой р представляет число от 1 до 10; b - число от 3 до 21 и a+b=2p+1.
Более предпочтительно, чтобы р составляло от 1 до 8 и b - число от 3 до 17.
2
2
Предпочтительные сульфонилирующие агенты отвечают формуле (II), в которой группа -SO-R представляет:
2
3
- трифторметансульфонильную группу (трифлил) -SO-CF;
2
2
5
- пентафторэтансульфонильную группу -SO-CF;
2
4
9
- нонафторбутансульфонильную группу (нонафлил) -SO-CF;
2
8
17
- перфтороктансульфонильную группу -SO-CF.
f
3
2
3
Наиболее предпочтительно, чтобы группа R являлась группой CF или группой CF-CF.
2
3
Предпочтительный сульфонилирующий агент по изобретению, который называется «трифторметансульфонилирующий агент», отвечает формуле (II), в которой R представляет группу CF и Z представляет атом фтора, хлора или брома.
В качестве предпочтительных примеров сульфонилирующих агентов предпочтительно можно использовать трифторметансульфонилфторид, трифторметансульфонилхлорид или трифторметансульфонилбромид.
Предпочтительным является трифторметансульфонилбромид.
В соответствии с изобретением взаимодействие между органическим гидроксилированным соединением и сульфонилирующим агентом проводится в жидкой фазе, в присутствии органического растворителя и основания.
Соотношение между числом моль сульфонилирующего агента и числом моль органического гидроксилированного соединения может меняться между 0,5 и 2 и предпочтительно составлять от 0,8 до 1,2.
В способе настоящего изобретения используется основание, чья функция заключается в захватывании галогенводородной кислоты, образующейся в реакции.
Можно использовать гидроксид аммония или одновалентного металла, и/или двухвалентного металла, предпочтительно щелочного и/или щелочноземельного металла.
В качестве более конкретных примеров оснований, которые можно использовать, можно назвать гидроксид щелочного металла, такого как натрий, калий или цезий, и гидроксид щелочноземельного металла, такого как магний, кальций, барий; гидроксид металла IIB группы, такого как цинк.
В настоящем тексте здесь и далее ссылаются на периодическую систему элементов, опубликованную в Bulletin de la Société Chimique de France, №1 (1966).
Из оснований выбирают предпочтительно гидроксид натрия или калия.
Другой класс оснований, которые могут быть использованы в способе изобретения, состоит из карбонатов и гидрокарбонатов щелочных или щелочноземельных металлов.
Предпочтительно выбирать карбонат натрия или калия.
В соответствии с признаком изобретения используют основание в виде твердого вещества, главным образом, в виде порошка и более конкретно, в измельченном виде в случае гидроксидов щелочных или щелочноземельных металлов, конкретно - в случае с гидроксидом натрия, калия и лития.
Процесс измельчения основания может быть осуществлен в измельчителе любого типа, устойчивого к щелочной коррозии (например, из нержавеющей стали).
Количество используемого основания таково, что соотношение между числом моль основания и числом моль сульфонилирующего агента изменяется от 1 до 2 и предпочтительно от 1,4 до 1,6.
Реакция проводится в присутствии органического растворителя.
Выбирают такой растворитель, который является инертным в реакционных условиях.
Подходящими растворителями являются аполярные органические растворители, такие как алифатические, циклоалифатические или ароматические углеводороды, галогенированные или нет, или более полярные органические растворители, в частности, такие как простые эфироксиды, нитрилы.
В качестве неограничительных примеров таких растворителей можно привести алифатические и циклоалифатические углеводороды, более конкретно - парафины, в частности, такие как гексан, гептан, октан, изооктан, нонан, декан, ундекан, тетрадекан, петролейный эфир и циклогексан; ароматические углеводороды, в частности, такие как бензол, толуол, ксилолы, этилбензол, диэтилбензолы, триметилбензолы, кумол, псевдокумол, петролейные фракции, состоящие из смеси алкилбензолов, в частности, фракции типа Solvesso©.
Также можно назвать алифатические или ароматические галогенированные углеводороды, и среди них можно упомянуть: перхлорированные углеводороды, в частности, такие как трихлорметан, тетрахлорэтилен; частично хлорированные углеводороды, такие как дихлорметан, дихлорэтан, тетрахлорэтан, трихлорэтилен, 1-хлорбутан, 1,2-дихлорбутан; монохлорбензол, дихлорбензолы или их смеси; трифторметилбензол, трифторметоксибензол.
Также в качестве растворителей можно использовать простые эфиры. Можно, например, указать алифатические, циклоалифатические или ароматические простые эфиры, и более конкретно - метил-трет-бутиловый эфир, дипентилоксид, диизопропилоксид, диметиловый эфир этиленгликоля (или 1,2-диметоксиэтан), диметиловый эфир диэтиленгликоля (или 1,5-диметокси-3-оксапентан) или циклические простые эфиры, например, диоксан, тетрагидрофуран.
Также можно выбрать растворитель типа нитрила. В частности, можно указать алифатические или ароматические нитрилы, предпочтительно ацетонитрил, пропионитрил, бутаннитрил, изобутаннитрил, пентаннитрил, 2-метилглютаронитрил, адипонитрил, бензонитрил, толунитрилы, малонитрил, 1,4-бензонитрил.
В соответствии со способом изобретения было неожиданно найдено, что выход реакции сульфонилирования, осуществляемой в присутствии гетерогенного минерального основания, был значительно выше, если использовать аполярный органический растворитель.
Предпочтительно, чтобы в способе изобретения использовались аполярные органические растворители.
Таким образом, предпочтительными растворителями, используемыми в способе изобретения, являются ксилолы, хлорбензол и дихлорбензолы или их смеси.
Также можно использовать смесь органических растворителей.
Предпочтительно, чтобы количество используемого органического растворителя было выбрано таким образом, чтобы весовая концентрация сульфонилирующего агента составляла от 5 до 50%, предпочтительно от 20 до 40%.
В соответствии с предпочтительным воплощением изобретения выбирают работу в безводных условиях. Тем не менее, есть возможность допустить в реакционной смеси небольшое количество воды, предпочтительно менее 1% по весу и более предпочтительно менее 0,5% по весу.
Реакция проводится, главным образом, при температуре от 0°С до температуры кипения органического растворителя, предпочтительно при температуре от 15°С до 30°С.
Реакция сульфонилирования проводится, главным образом, при атмосферном давлении, но предпочтительно в контролируемой атмосфере инертного газа. Возможно установить атмосферу инертных газов, предпочтительно аргона, но более экономично использовать азот. Может подойти давление, несколько большее или меньшее, чем атмосферное давление.
Способ изобретения прост в осуществлении.
Реагенты могут быть введены в реакцию многими способами, но некоторые из них являются предпочтительными.
Первый способ воплощения заключается в приготовлении основы, состоящей из органического гидроксилированного соединения и минерального основания, затем постепенном введении, предпочтительно одновременном добавлении по каплям сульфонилирующего агента в органический растворитель.
Другой способ осуществления, который имеет преимущество простоты перемешивания реакционной среды, заключается в образовании основы, включающей минеральное основание и органический растворитель, затем постепенном введении, предпочтительно одновременном добавлении по каплям сульфонилирующего агента и органического гидроксилированного соединения.
После выдерживания при перемешивании реакционной среды при выбранной температуре по окончании реакции получают сульфоновый эфир, отвечающий следующей формуле:
1
2
2
ROSOR (III)
1
2
в названной формуле R и R - каждый имеет значение, данное выше.
Выделяют полученный продукт обычным способом. Главным образом, добавляют воду, что позволяет выделять в водной фазе образовавшиеся соли.
Отделяют водную и органическую фазы.
Собирают органическую фазу, которую при необходимости промывают.
В соответствии с обычно используемыми способами из органической фазы выделяют сульфоновый эфир.
Например, можно провести перегонку или экстракцию органическим растворителем, выбранным таким образом, чтобы он не образовывал азеотропа с водой.
Таким образом, способ изобретения позволяет получить эфир простым способом с хорошим выходом и хорошей селективностью.
Другое преимущество способа изобретения заключается в том, что он позволяет использовать сульфонилирующий агент типа бромида, который отличается гораздо меньшей летучестью, чем сульфонилирующий агент типа хлорида, что является особенно интересным с точки зрения промышленности.
Представленные ниже примеры иллюстрируют изобретение без какого-либо его ограничения.
Примеры с 1 по 5 относятся к сульфонилированию трифторэтанола в присутствии гетерогенного основания (твердый карбонат калия), за исключением примера 4, в котором описывается водный раствор карбоната калия.
Пример 6 относится к сульфонилированию этанола в присутствии гетерогенного основания.
Примеры от 7 до 10 являются сравнениями, в которых основание является органическим азотистым основанием.
Пример 11 относится к сульфонилированию этанола трифторметансульфонилхлоридом в присутствии гетерогенного основания.
В примерах следующие аббревиатуры обозначают:
- ТФЭ - трифторэтанол,
- ТФБ - трифторметансульфонилбромид (трифлилбромид),
- ТФХ - трифторметансульфонилхлорид (трифлилхлорид),
- ACN - ацетонитрил,
- МХБ - монохлорбензол,
- ОДБ - ортодихлорбензол.
3
2
3
2
Степень превращения (СП) бромида или хлорида трифлила (CFSOBr CFSOCl) относится к соотношению между числом моль превратившегося бромида или хлорида трифлила и числом моль введенного бромида или хлорида трифлила.
TfOTFE
Выход TfOTFE (RR) относится к соотношению между числом моль образовавшегося TfOTFE и числом моль введенного бромида или хлорида трифлила.
TfOEt
Выход TfOEt (RR) относится к соотношению между числом моль образовавшегося TfOEt (трифлата этила) и числом моль введенного бромида или хлорида трифлила.
TfOTFE
Селективность TfOTFE (RT) относится к соотношению между числом моль образовавшегося TfOTFE и числом моль превратившегося бромида или хлорида трифлила.
Примеры от 1 до 5
В стеклянный реактор объемом 150 мл в атмосфере азота вводят:
2
3
- KCO: 7 г (50,14 ммоль)
- ТФЭ: 3,2 г (32 ммоль)
- растворитель: 7 г
Образующуюся гетерогенную среду выдерживали при перемешивании при температуре Т, указанной в следующей таблице (I), затем в течение времени t, также указанном в таблице (I), добавляли ТФБ (7 г, 32 ммоль), разбавленный ТФЭ (3,2 г, 32 ммоль) или растворителем (7 г).
19
После добавления реакционную среду выдерживали при температуре T' в течение времени t', указанном в таблице (I), затем определяли содержание в ней реагентов и полученных продуктов F ЯМР.
Таблица (I)
Реакция
Условия
Пример
Реагенты в основе
Т в колбе (°С)
Прикапы-ваемые реагенты
Время прикапы-вания (ч)
Т′ (°С)
t′ (ч)
СП (%)
RR (%)
RT (%)
1
К<sub>2</sub>СО<sub>3</sub>/ТФЭ/ACN
55°C-60°C
ТФБ/ACN
1
60°C
1
94
62
66
2
К<sub>2</sub>СО<sub>3</sub>/ТФЭ/МХБ
40°С
ТФБ/МХБ
1,5
40°С
0,5
85
82
96
3
К<sub>2</sub>СО<sub>3</sub>/ОДБ
25°С
ТФБ/ТФЭ (1/2)
1
25°C
0,5
45
89*
89
4
К<sub>2</sub>СО<sub>3</sub>/ТФЭ/Н<sub>2</sub>О
40°С
ТФБ/ОДБ
1,5
40°С
0,7
44
27
61
5
К<sub>2</sub>СО<sub>3</sub>/ксилолы
25°С
ТФБ/ТФЭ
1,2
25°С
0,8
56
95*
95
*=рассчитано по отношению к ТФБ
Пример 6
В стеклянный реактор объемом 150 мл в атмосфере азота вводят:
2
3
- KCO: 7 г (50,14 ммоль)
- ТФЭ: 3,2 г (32 ммоль)
- ОДБ: 25 г
Образующуюся гетерогенную среду выдерживали при перемешивании при 25°С, затем в течение 1 ч добавляли ТФБ (7 г, 32 ммоль), разбавленный EtOH (1,5 г, 31 ммоль).
После добавления реакционную среду выдерживали при температуре 25°С в течение времени 1 ч.
Были получены следующие результаты:
- СП=100%,
TfOEt
- RR=53% (рассчитано по отношению к ТФБ).
Сравнительные примеры от 7 до 10
В стеклянный реактор объемом 150 мл в атмосфере азота вводят:
- ТФЭ: 7,05 г (79,5 ммоль)
3
- третичный амин NR: 7,2 г (70,5 ммоль)
- растворитель: 14 г
Образующийся раствор выдерживали при перемешивании при температуре Т, указанной в следующей таблице (II), затем в течение времени t, также указанном в таблице (II), добавляли ТФБ (15 г, 79,5 ммоль), разбавленный или нет растворителем (14 г).
19
После добавления реакционную среду выдерживали при температуре T' в течение времени t', указанном в таблице (II), затем определяли содержание в ней реагентов и полученных продуктов F ЯМР.
Следующая таблица (II) отражает соответствующие результаты.
Таблица (II)
Реакция
Условия
Пример
Реагенты в основе
Т в колбе (°С)
Прикапы-ваемые реагенты
Время прикапы-вания (ч)
Т′ (°С)
t′ (ч)
СП (%)
RR (%)
RT (%)
7
ТФЭ/Net<sub>3</sub>
0
ТФБ
2
0
1
100
12
12
8
ТФЭ/Net<sub>3</sub>
60
ТФБ
1,7
60
0,3
100
0
0
9
ТФЭ/Net<sub>3</sub>/ACN
60
ТФБ/ACN
1,5
60
0,3
100
0
0
10
ТФЭ/Net<sub>2</sub>i-Pr
0
ТФБ
3
0
1
100
0
0
Пример 11
Воспроизводили пример 6 с той лишь разницей, что в нем использовали ТФХ (5,35 г, 32 ммоль), были получены следующие результаты:
- СП=100%,
TfOEt
- RR=51% (рассчитано по отношению к ТФХ).