СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОЛЕЙ ФОСФОРИЛЗАМЕЩЕННЫХ 1,4-ДИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
METHOD OF PRODUCING SALTS OF PHOSPHORYL-SUBSTITUTED 1,4-DICARBOXYLIC ACIDS

Настоящее изобретение относится к области органической химии, в частности к разработке способов синтеза 1,4-дикарбоксильных соединений, модифицированных фосфиноксидным фрагментом, с целью их практического применения в промышленности и лабораторном синтезе.
Для синтеза огнестойких полимерных композиций в производстве полимеров используют соединения, сочетающие в одной молекуле способные к полимеризации функциональные группы наряду с фосфорильными заместителями. Наиболее перспективными в этом плане являются мономеры, модифицированные фосфиноксидными группами. Именно стабильные фосфиноксидные группы обеспечивают полимерам на их основе более высокую устойчивость к химической деструкции, огнестойкость, долговечность и иные полезные свойства [M.-D. Shau, T.-S. Wang. Synthesis, structure, reactivity and thermal properties of new cyclic phosphine oxide epoxy resins cured by diamines. J. Polym. Sci. Polym., Chem. Ed. 1996. V.34. № 3. P.387-396]. Высокими потребительскими качествами отличаются полиамидные смолы на основе бис(β-карбоксиэтил)алкилфосфиноксидов [Jr. Pickert, A.Oscar, J.W.Stoddard. Phosphorus-containing copolyamides and fibers thereof. US Pat. №.4032517 МПК C08G 69/26, опубл. 22.06.197 7]. Однако они не нашли широкого применения из-за низкой доступности исходных мономерных соединений.
Поэтому поиск новых дикарбоксильных соединений, содержащих в структуре фосфиноксидные заместители, и разработка способов их синтеза является актуальной задачей и в последние годы привлекает внимание исследователей [J.W.Connell, J.G.Smith, P.M.Hergenrother, K.A.Watson, G.M.Thompson. Space environmentally durable polyimides and copolyimides. US Pat. №.7109287 МПК C08G 69/26, опубл. 19.09.2006]. Существующий метод получения диэтилового эфира 2-(дифенилфосфинил)-янтарной кислоты (А) заключается в алкилировании этил(дифенилфосфинилметил)ацетата хлоруксусным эфиром в присутствии карбоната калия [А.Н.Яркевич, Е.Н.Цветков. Межфазное алкилирование этилдифенилфосфонацетата. ЖОХ. 1994. Т.64. Вып.10. С.1629-1633]. Далее синтезирована 2-(дифенилфосфинил)-янтарная кислота (В) в результате щелочного гидролиза соответствующего диэтилового эфира [А.Н.Туранов, В.К.Карандашев, А.Н.Яркевич, З.В.Сафронова, А.В.Харитонов, Н.И.Родыгина, A.M.Федосеев. Экстракция U(VI), Th(IV), Pu(IV), Аm(III) и редкоземельных элементов из азотнокислых растворов оксидами дифенил(диалкилкарбамоилметил)фосфинов с заместителями в метиленовом мостике. Радиохимия. 2004. Т.46. Вып.5. С.427-432]:
Однако высокая длительность первой стадии процесса, большое количество неорганических отходов из-за применения избытка карбоната калия вкупе с малодоступностью исходного соединения делают этот метод далеким от возможности практического применения в промышленности.
Известен также способ синтеза фосфорсодержащих дикарбоновых кислот и их эфиров общей формулы
[H.-J.Kleiner, V.Freudenberger, P.Klein. Process for preparing phosphorus-containing dicarboxylic acids alkye esters thereof. US Pat. 5693842; МПК C07F 9/02; опубл. 02.12.1997], принятый нами за прототип, включающий в том числе и соединения с фосфиноксидными заместителями (при n=0).
Способ синтеза, предложенный в прототипе, заключается в медленном прибавлении расплавленных фосфорорганических соединений общей формулы
в том числе и вторичных фосфиноксидов (при n=0) к нагретым до температуры 80-150°С эфирам непредельных 1,4-дикарбоновых кислот.
Главным недостатком этого способа является его ограниченность при использовании высокоплавких диарилфосфиноксидов, способных к диспропорционированию при нагревании.
Известен пример получения фосфорилированных диалкиловых эфиров 1,4-дикарбоновых кислот путем алкилирования непредельных дикарбоксильных соединений дибензил- и диоктилфосфиноксидами в специальных условиях: в абсолютном спирте в присутствии алкоголятов щелочных металлов [R.C.Miller, J.S.Bradley, L.A.Hamilton. Disubstituted phosphine oxides. III. Addition to α,β-unsaturated Nitriles and carbonyl compounds. Journal of American Chemical Society, 1956, 78, p.5299-5303]. При этом для проведения гидролиза соответствующие диэфиры предварительно выделяли из реакционной смеси и проводили гидролиз в жестких условиях - при 16-часовом кипячении в водном растворе NaOH.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в разработке удобного метода синтеза заявляемых соединений, позволяющего расширить круг получаемых 1,4-дикарбоксильных соединений с устойчивым фосфиноксидным фрагментом за счет использования диарилфосфиноксидов. Поставленная задача решается разработкой способа получения ранее не описанных солей фосфорилзамещенных 1,4-дикарбоновых кислот, представленных общей формулой (I),
2
в которой заместитель R может быть прямой или разветвленный алкил с количеством атомов углерода от 1 до 8, незамещенный или замещенный фенил, где заместителями фенильной группы могут быть низшие алкильные группы в количестве от 1 до 5 групп, низшие алкокси группы в количестве от 1 до 5 групп, галогены в количестве от 1 до 5 атомов, диалкиламиногруппы в количестве от 1 до 5; R' и R" означают ОМ, где М - однозарядный катион металла; символ Y обозначает прямую связь или метиленовую группу, включающего нагревание вторичных фосфиноксидов общей формулы RP(O)H (II), в которой R имеют значения, представленные выше для формулы (I), и соответствующих диалкиловых эфиров ненасыщенных 1,4-дикарбоновых кислот в органических растворителях в присутствии щелочного катализатора при температуре 20-80°С с последующим щелочным гидролизом при температуре 20-80°С в условиях однореакторного синтеза.
Заявитель предлагаемого изобретения обнаружил, что фосфорилсодержащие диэфиры, полученные в результате алкилирования диалкиловых эфиров ненасыщенных 1,4-дикарбоновых кислот диарилфосфиноксидами, могут быть с высокими выходами гидролизованы в органических растворителях в присутствии водных растворов неорганических оснований. Это существенно упрощает получение солей и позволяет проводить последующий гидролиз фосфорилсодержащих диэфиров в условиях однореакторного синтеза при добавлении в реакционную смесь 2 эквивалентов неорганических оснований в виде концентрированного водного раствора.
Заявляемые соединения представляют собой устойчивые бесцветные кристаллические вещества, легко растворимые в воде. Подкислением водных растворов синтезированных солей они количественно превращаются в соответствующие кислоты, востребованные как в лабораторной практике, так и в промышленности.
В предложенном способе в качестве диалкиловых эфиров ненасыщенных 1,4-дикарбоновых кислот, содержащих двойную связь в прямой цепи, предпочтительно используют диалкиловые эфиры малеиновой кислоты общей формулы III, с выделением соответствующих фосфорилированных солей янтарной кислоты общей формулы 1.2 (схема 1):
В качестве диалкиловых эфиров ненасыщенных 1,4-дикарбоновых кислот, содержащих двойную связь в боковой цепи, предпочтительно используют диалкиловые эфиры итаконовой кислоты общей формулы IV (схема 2), с выделением соответствующих фосфорилметилзамещенных солей янтарной кислоты общей формулы 1.5 (схема 2):
Реакцию проводят в органическом растворителе, выбранном из ряда: апротонные диполярные растворители (предпочтительно ДМСО) или протонные растворители (предпочтительно низшие спирты) в присутствии щелочных катализаторов.
При этом предпочтительно проводят реакцию присоединения и последующий гидролиз в условиях однореакторного синтеза при температуре 20-80°С. В качестве неорганических оснований предпочтительно применяют гидроокиси щелочных металлов.
Исходные диалкиловые эфиры непредельных 1,4-дикарбоновых кислот, применяемые в синтезе соединений настоящего изобретения, хорошо известны и являются товарными продуктами.
2
В качестве исходных вторичных фосфиноксидов RP(O)H (II) в предлагаемом изобретении используют вторичные фосфиноксиды, способы получения которых описаны в научной литературе [например: Organic phosphorus compounds. V.4. Ed. by G.M. Kosolapoff. New-York. 1973; R.H.Williams, L.A.Hamilton. J. Amer. Chem. Soc. 1952. V.74. P.5418; M.Grayson, C.E.Farley, C.A.Streuli. Tetrahedron. 1967. V.23. N.3. P.1065-1078; E.H.Цветков, Р.А.Малеванная, М.И.Кабачник. Журнал Общ. хим. 1967. Т.37. N 3. С.695-699; И.И.Пацановский, Э.А.Ишмаева, E.H.Сундукова, А.Н.Яркевич, E.H.Цветков. Журнал общ. хим. 1986. Т.56. N.3. С.567-576; А.Н.Яркевич, C.E.Ткаченко, E.H.Цветков. Журнал общ. хим. 1986. Т.56. N.7. С.1613-1620].
1
31
Соединения, синтезированные в настоящем исследовании, охарактеризованы данными спектров ЯМР Н и Р.
Приведенные ниже примеры иллюстрируют, но не ограничивают, варианты осуществления способа синтеза, заявляемого в настоящем изобретении, и характеристики конкретных соединений, полученных заявляемым способом.
Примеры осуществления способа получения соединений формулы 1.2 в соответствии со схемой 1.
6
5
2
2
Пример 1.1. Получение 2-(дифенилфосфинил)-сукцината натрия (CH)P(O)CH(CHCOONa)COONa.
3
3
6
5
2
2
6
4
2
2
2
2
6
5
2
1
31
Раствор 1.08 г (0.0075 моль) диметилмалеата СНОС(O)СН=СНС(O)ОСН в 4 мл МеОН прибавили при перемешивании к смеси 1.51 г (0.0075 моль) дифенилфосфиноксида (СН)Р(O)Н и 2 мл 0.5 М (0.001 моль) раствора NaOMe в 5 мл МеОН, реакционную массу перемешивали 20 мин при 45-50°С, затем добавили раствор 0.6 г (0.015 моль) NaOH в 1 мл НО и перемешивали 1 час при 20°С. Кристаллический осадок отфильтровали, промыли на фильтре метиловым спиртом, высушили в вакуум-эксикаторе. Получили 2.00 г дисоли (СН)Р(O)СН(СНСООNа)СОONа, выход 74%. Спектр ЯМР Н (DО, δ, м.д.): 2.30 м (1Н) и 2.68 м (1Н) (СНСР); 3.82 м (СНР, 1Н); 7.46 м (6Н) и 7.70 м (4Н) (2СН). Спектр ЯМР P (DO, δ, м.д):40.83.
3
6
4
2
2
Пример 1.2. Получение 2-[бис-(2-метилфенил)фосфинил]-сукцината натрия (2-СНСH)Р(O)СН(СHСООNа)СООNа.
3
3
3
6
4
2
2
3
6
4
2
2
2
3
2
6
4
2
1
31
Раствор 1.08 г (0.0075 моль) диметилмалеата СНОС(O)СН=СНС(O)ОСН в 4 мл МеОН добавили при перемешивании к раствору 1.73 г (0.0075 моль) 2-метилфенил)фосфиноксида (2-СНСН)Р(O)Н и 1.5 мл 0.5М (0.00075 моль) раствора NaOMe в 4 мл МеОН и нагревали реакционную смесь при слабом кипении растворителя 20 мин. Затем добавили 0.60 г (0.015 моль) NaOH в 1 мл НО и продолжали перемешивание 2 часа при 20°С. Кристаллический осадок отфильтровали, промыли на фильтре метанолом, высушили на воздухе. Получили 2.60 г дисоли (2-CHCH)P(O)CH(CHCOONa)COONa, выход 89%. Спектр ЯМР Н (DO, δ, м.д.): 2.08 с (6Н, 2СН), 2.60 м (1Н) и 2.84 м (1Н) (СНСО); 4.00 м (1Н, СНР); 7.30 м (4Н) и 7.78 м (4Н) (2СН). Спектр ЯМР Р (DO, δ, м.д.): 42.35.
3
2
6
3
2
2
Пример 1.3. Получение 2-[бис-(2,5-диметилфенил)фосфинил]-сукцината натрия [2,5-(CH)CH]P(O)CH(CHCOONa)COONa.
3
3
3
2
6
3
2
2
3
2
6
3
2
2
2
3
3
3
3
3
6
3
2
1
31
Раствор 1.44 г (0.01 моль) диметилмалеата СНОС(O)СН=СНС(O)ОСН в 5 мл МеОН добавили при перемешивании к раствору 2.57 г (0.01 моль) бис-(2,5-диметилфенил)фосфиноксида [2,5-(СН)СН]Р(O)Н и 1.0 мл 1М (0.001 моль) раствора NaOMe в 5 мл МеОН. Реакционную смесь нагревали 30 мин при слабом кипении растворителя. Затем охладили, добавили раствор 0.80 г (0.02 моль) NaOH в 1.5 мл НО и продолжали перемешивание 2 часа при 20°С. Осадок отфильтровали, промыли метанолом и высушили в вакууме. Получили 3.80 г дисоли [2,5-(CH)CH]P(O)CH(CHCOONa)COONa, выход 91%. Спектр ЯМР Н (DO, δ, м.д.): 2.00 с (3Н, СНС), 2.03 с (3Н, СНС), 2.20 с (3Н, СНС), 2.24 с (3Н, СНС); 2.54 м (1Н) и 2.84 м (1Н) (СНСО); 4.02 м (1Н, СНР); 7.08 м (2Н), 7.24 м (2Н) и 7.58 м (2Н) (2СН). Спектр ЯМР P (DО, δ, м.д.): 42.45.
4
9
2
2
Пример 1.4. Получение 2-(дибутилфосфинил)-сукцината натрия (CH)P(O)CH(CHCOONa)COONa.
2
5
2
5
4
9
2
4
9
2
2
2
3
2
2
2
2
2
2
1
31
Раствор 1.29 г (0.0075 моль) диэтилмалеата СНOС(O)СН=СНС(O)ОСН, 1.22 г (0.0075 моль) (СН)Р(O)Н и 0.75 мл 1М (0.0075 моль) раствора NaOEt в 8 мл EtOH перемешивали 15 часов при слабом кипении растворителя. Смесь охладили, добавили 0.60 г (0.015 моль) NaOH в 1 мл воды и продолжали перемешивание 6 часов при 20°С. Растворитель удалили в вакууме, получили 1.96 г дисоли (CH)P(O)CH(CHCOONa)COONa, выход 81%. Спектр ЯМР Н (DO, δ, м.д.): 0.90 м (6Н, 2СН), 1.44 м (8Н, 2СНСН), 1.88 м (4Н, СНРСН), 2.41 м (1Н) и 2.66 м (1Н) (СНСО), 3.24 м (1Н, СНР). Спектр ЯМР P (DO, δ, м.д.): 59.57.
Примеры осуществления способа получения соединений формулы 1.5 в соответствии со схемой 2.
3
2
6
3
2
2
2
Пример 2.1. Получение 2-[бис-(2,5-диметилфенил)фосфинилметил]-сукцината натрия [2,5-(CH)CH]P(O)CHCH(CHCOONa)COONa.
2
2
3
3
3
2
6
3
2
2
3
2
6
3
2
2
2
2
3
3
2
2
6
3
2
1
13
Раствор 0.79 г (0.005 моль) диметилитаконата СН=С(СНСООСН)СООСН в 4 мл МеОН добавили к раствору 1.29 г (0.005 моль) [2,5-(СН)СН]Р(O)Н и 1 мл 0.5М (0.0005 моль) раствора NaOMe в 6 мл МеОН и перемешивали при 20°С 10 часов. Затем добавили 0.40 г (0.01 моль) NaOH в 0.6 мл НO и продолжали перемешивание при 20°С 6 часов. Осадок динатриевой соли отфильтровали, промыли метанолом, высушили на воздухе. Получили 2.00 г дисоли [2,5-(CH)CH]P(O)CHCH(CHCOONa)COONa, выход 93%. Спектр ЯМР Н (DO, δ, м.д.): 2.10 с (6Н, 2СН), 2.38 с (6Н, 2СН), (2.48 м (3Н, СН+СНСО); 2.80 м (2Н, CHP); 7.08 м (2Н), 7.24 м (2Н) и 7.58 м (2Н) (2СН). Спектр ЯМР Р (DO, δ, м.д.): 40.33.
6
4
2
2
2
Пример 2.2. Получение 2-[бис-(4-хлор-фенил)фосфинилметил1-сукцината натрия (4-ClCH)P(O)CHCH(CHCOONa)COONa.
2
2
3
3
6
4
2
2
6
4
2
2
2
2
2
2
6
4
2
1
31
Раствор 0.40 г (0.0025 моль) диметилитаконата СН=С(СНСООСН)СООСН в 2 мл МеОН добавили к суспензии 0.68 г (0.0025 моль) (4-СlСН)Р(O)Н и 0.25 мл 1М (0.00025 моль) раствора NaOMe в 3 мл МеОН и перемешивали 1 час при 20°С. Затем добавили 0.20 г (0.005 моль) NaOH в 0.5 мл НO и продолжали перемешивание при 20°С 6 часов. Осадок отфильтровали, промыли метанолом и высушили на воздухе. Получили 1.00 г дисоли (4-ClCH)P(O)CHCH(CHCOONa)COONa, выход 97%. Спектр ЯМР Н (DO, δ, м.д.): 2.24 м (1Н, СНСО), 2.42 м (2Н, CHСО), (2.72 м (2Н, СНР); 7.20 м (4Н) и 7.46 м (4Н) (2СН). Спектр ЯМР P (DO, δ, м.д.): 38.35.