СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛКИЛОВЫХ ЭФИРОВ 4-БИФЕНИЛКАРБОНОВОЙ КИСЛОТЫ
PROCESS OF PRODUCING ALKYL ETHERS OF 4-BIPHENYLCARBONIC ACID

Изобретение относится к области органического синтеза, в частности к способу получения алкиловых эфиров 4-бифенилкарбоновой кислоты.
Бифенилкарбоновые кислоты находят широкое применение в фармацевтической химии. Производные 4-бифенилкарбоновой кислоты обладают противомикробным и антибактериальным действием [Aakash D., Sandeep J., Prabodh С.S., Prabhakar V., Mahesh K., and Chander P. D. // Polish Pharmaceutical Society. 2010. V. 67. № 3. P. 255-259]. Кроме того, бифенилкарбоновые кислоты являются перспективными мономерами для получения композиционных материалов и жидкокристаллических термотропных полимеров. Отличительной особенностью таких полимеров является исключительно высокая прочность и термостойкость, что обеспечивает их широкое применение в оптоэлектронике, приборостроении, аэрокосмической технике [Юнкова Т.А., Лебедева Н.В., Кошель С.Ж. и др. // Известия высших учебных заведений. Химия и Химическая технология. 2007. Т. 50. Вып. 4. С. 31-34; Юнкова Т.А., Лебедева Н.В., Кошель С.Ж. и др. // Известия высших учебных заведений. Химия и Химическая технология. 2006. Т. 49. Вып. 3. С. 11-13].
В работе [Aakash D., Sandeep J., Prabodh С.S., Prabhakar V., Mahesh K., and Chander P. D. // Polish Pharmaceutical Society. 2010. V. 67. № 3. P. 255-259] синтез метилового эфира 4-бифенилкарбоновой кислоты (2) осуществлен из соответствующей кислоты (1) с последующим его превращением в гидразин-гидразон 4-бифенилкарбоновой кислоты (3а-g), обладающей антимикробной и антибактериальной активностью. Выход (2) составил 84%.
Недостатки метода
1. Дорогостоящий исходный реагент - 4-бифенилкарбоновая кислота.
2. Использование концентрированной серной кислоты, что приводит к коррозии технологического оборудования.
3. Серная кислота является прекурсором.
4. Образование токсичных отходов.
В работах [Юнкова Т.А., Лебедева Н.В., Кошель С.Ж. и др. // Известия высших учебных заведений. Химия и Химическая технология. 2007. Т. 50. Вып. 4. С. 31-34] бифенилкарбоновые кислоты получают окислением алкилбифенилов. Так, окислением метилбифенилов (4) при температуре 90°С и в присутствии ацетата кобальта, ацетата марганца и бромистого натрия получены 2-, 3- и 4-бифенилкарбоновые кислоты (5, 6, 1) с выходом 92-97%.
Недостатки метода
1. Дорогостоящие исходные реагенты - 2-, 3-, 4-метилбифенилы.
2. Высокая пожаро- и взрывоопасность метода из-за необходимости использования кислорода под давлением.
3. Образование и обезвреживание отходов.
Представляет интерес метод получения бифенилкарбоновых кислот (1, 5, 6) путем жидкофазного окисления смеси метилбифенилов (4) в уксусной кислоте в присутствии кобальтового катализатора, активированного добавками соединений марганца, циркония и брома при 90°С. Для окисления использовали смесь метилбифенилов (4), полученную при жидкофазном дегидрировании продуктов алкилирования толуола циклогексанолом. Выход (1, 5, 6) составил 80% [Юнкова Т.А., Лебедева Н.В., Кошель С.Ж. и др. // Известия высших учебных заведений. Химия и Химическая технология. 2006. Т. 49. Вып. 3. С. 11-13].
Недостатки метода
1. Дорогостоящий исходный реагент.
2. Дорогостоящий катализатор гипохлорит циркония.
3. Реакция проводится в уксусной кислоте, которая является прекурсором.
4. Коррозия оборудования.
5. Образование большого количества отходов.
Известен способ получения 4-бифенилкарбоновой кислоты (1) окислением 4-ацетилбифенила (7) перманганатом калия. Перманганат калия добавляют к кипящей водной суспензии 4-ацетилбифенила (7) (в шесть приемов с интервалом 45 мин) и затем реакционную массу выдерживают в течение 1 ч при кипячении [GullM., Turner E.E., LXXIII. Orientation-Effectsin in the Diphenyl Series, Part VII. J. Chem. Soc. 1929. 498]. Выход целевой кислоты составляет 80%.
Недостатки метода
1. Использование дорогостоящих исходных реагентов - 4-ацетилбифенила и перманганата калия.
2. Перманганат калия является прекурсором.
3. Образование большого количества сточных вод.
4-Бифенилкарбоновую кислоту (1) можно получить окислением 4-ацетилбифенила (7) гипохлоритом калия, который постепенно добавляют к кипящей водной суспензии 4-ацетилбифенила (7) и затем выдерживают при кипячении до завершения реакции [Реактивы. Особо чистые вещества. Монокристаллы. Сцинциляторы. Методы анализа. Вып. 5. Инф. карта № 2342-69. НИИТЭХИМ - ЦСИФ. 1969]. Выход 4-бифенилкарбоновой кислоты составляет 59-60%.
Недостатки метода
1. Использование дорогостоящего исходного реагента - 4-ацетилбифенила.
2. Гипохлорит калия - нестабильное соединение, которое в промышленном масштабе не производится.
При окислении 4-ацетилбифенила (7) бихроматом натрия в среде ледяной уксусной кислоты в присутствии катализатора - хлорного железа выход 4-бифенилкарбоновой кислоты (1) составил 60%. Реакция проходит при кипячении реакционной смеси в течение 12 ч [Продукты и технология органического синтеза. Вып. 10. Инф. карта. ЦСИФ №5476-70 НИИТЭМИХ - ЦСИФ. 1970].
Недостатки метода
1. Дороговизна 4-ацетилбифенила.
2. Использование ледяной уксусной кислоты, которая является прекурсором.
3. Коррозия оборудования.
4. Бихромат натрия токсичен и по степени влияния на организм человека относится к вредным веществам 1-го класса опасности.
5. Образование большого количества отходов.
В патенте [Пат. 1020424 (1981). СССР] 4-бифенилкарбоновая кислота (1) с выходом 64% синтезирована окислением 4-ацетилбифенила (7) при кипячении в среде 30-35%-ной водной уксусной кислоты с помощью 55-60%-ной азотной кислоты в присутствии соляной кислоты.
Недостатки метода
1. Дороговизна 4-ацетилбифенила.
2. Использование ядовитого НСl.
3. Использование уксусной кислоты в качестве среды, которая является прекурсором.
4. Агрессивная среда, содержащая растворы концентрированных кислот, требует применения оборудования в коррозионно-стойком исполнении.
2
2
8
3
2
Карбонилированием бифенила (8) монооксидом углерода (1 атм) в присутствии KSO в смеси трифторуксусной кислоты и дихлорметана, применяя Pd(OCOCF) в качестве катализатора, были получены бифенилкарбоновые кислоты (1, 5, 6). Реакция протекает 48 ч при 50°С [Fumitoshi S., Shinsuke К., and Kyoko N. // Org. Lett. 2004. V. 6. № 14. 2437-2439]. Выход смеси изомерных бифенилкарбоновых кислот составил 31%.
Недостатки метода:
1. Использование газообразного и токсичного угарного газа.
2. Высокая пожаро- и взрывоопасность метода из-за необходимости использования СО под давлением.
3. Монооксид углерода оказывает вредное воздействие на окружающую среду.
3
2
2
4. Дороговизна Pd(CFCO).
5. Неселективность реакции.
6. Низкий выход целевого продукта.
7. Продолжительность реакции составляет 48 ч.
2
2
5
10
2
40
2
В работе [Shingo Y., Satoshi S., Yasutaka I. // J. Mol. Catal. 2007. V. 262. 48-51] бифенил (8) вовлечен в реакцию окислительного карбонилирования с помощью газовой смеси СО/O (0,5/0,5 атм) в присутствии каталитических систем Pd(OAc) и HPMoVO⋅26 HO в уксусной кислоте при 110°С в течение 15 ч. В результате образуются 2-, 3- и 4-бифенилкарбоновые кислоты (5, 6, 1) (16:36:58), 2- и 4-гидроксибифенил (9а и б) (40:60), и 2'-, 3'- и 4'-гидроксил-4-бифенилкарбоновые кислоты(10а-в) (34:11:55).
Недостатки метода
1. Использование газообразного и токсичного угарного газа.
2. Высокая пожаро- и взрывоопасность метода из-за необходимости использования кислорода и угарного газа под давлением.
3. Монооксид углерода оказывает вредное воздействие на окружающую среду.
4. Дорогостоящая каталитическая система.
5. Неселективность реакции.
6. Значительная продолжительность процесса (15 ч).
7. В качестве среды используется уксусная кислота, которая является прекурсором и корродирующим реагентом.
Авторами предлагается способ получения алкиловых эфиров 4-бифенилкарбоновой кислоты, не имеющий вышеперечисленных недостатков.
12
10
3
2
2
2
2
2
9
4
4
n
Сущность способа заключается во взаимодействии бифенила СН с четыреххлористым углеродом и спиртами (МеОН, EtOH, PrOH) в присутствии катализатора, выбранного из ряда Fe(acac), Fe(OAc), Fe(OAc)*4HO, FeCl и Fe(CO), при 130-150°C в течение 4-10 ч при мольном соотношении [Fe]:[бифенил]:[CCl]:[КОН]=5-20:100:100-2000:100-2000. Оптимальными для проведения реакции являются следующие соотношения катализатора и реагентов [Fe]:[бифенил]:[CCl]:[ROH]=10:100:1000:1000, при температуре 130°С в течение 8 ч. При температуре 130°С и продолжительности реакции 8 ч выход метилового эфира 4-бифенилкарбоновой кислоты составляет 41%, этилового эфира 4-бифенилкарбоновой кислоты - 14%, пропилового эфира - 90%. Синтез проводят в атмосфере аргона.
В отсутствие катализатора и спирта реакция не проходит.
4
2
9
Оптимальные условия реакции отрабатывали на примере взаимодействия бифенила с CCl и н-пропанолом под действием Fe(CO). Примеры, подтверждающие способ, приведены в таблице.
Мольные соотношения реагентов
2
9
4
[Fe(СО)]:[бифенил]:[CCl]:[ROH]=1:10:100:100
n
ROH=МеОН, ЕtOН, PrOH.
Преимущества предлагаемого метода:
1. Высокая селективность.
2. Доступность и дешевизна исходных реагентов.
3. Удешевление себестоимости и упрощение технологии в целом за счет уменьшения энерго- и трудозатрат.
4. Непрореагировавший бифенил легко отделяется от моноэфиров 4-бифенилкарбоновой кислоты перегонкой: его можно возвратить в реакцию.
Строение полученных эфиров 4-бифенилкарбоновой кислоты доказано методами ЯМР, масс-спектрометрии, а также сравнением с известными образцами и литературными данными.
ПРЕДЛАГАЕМЫЙ СПОСОБ ПОЯСНЯЕТСЯ ПРИМЕРАМИ
2
9
2
3
ПРИМЕР 1. Реакцию проводили в стеклянной ампуле объемом 10 мл, помещенной в микроавтоклав из нержавеющей стали объемом 17 мл, при регулируемом нагреве. В ампулу под аргоном загружали 0,0118 г (0,000032 моль) Fe(CO), 0,05 г (0,00032 моль) бифенила, 0,31 мл (0,0032 моль) четыреххлористого углерода и 0,24 мл (0,0032 моль) н-пропанола. Запаянную ампулу поместили в автоклав, автоклав герметично закрыли и нагревали при 130°С в течение 8 часов. После окончания реакции автоклав охлаждали до комнатной температуры, ампулу вскрывали, реакционную массу нейтрализовали NaCO и фильтровали через бумажный фильтр. Растворитель отогнали, остаток перегоняли в вакууме. Целевой продукт от исходного бифенила разделяли перегонкой под вакуумом.
ПРИМЕРЫ 2-22. Аналогично примеру 1. Результаты приведены в таблице.
Строение полученных соединений доказано методами ЯМР, масс-спектрометрии, а также сравнением с известными образцами и справочными данными.
Метиловый эфир 4-бифенилкарбоновой кислоты.
пл.
пл.
3
3
oтн
13
1
2
6
3
5
2'
6'
3'
5'
4'
+
C
Н
Выход 43%. Т 117-118°С (Т 117-118°С [Словарь органических соединений / под ред. И. Хейльборна и Г.М. Бэнбери. М., 1949. Т. 1. С. 1022]). Спектр ЯМР С (δ, м.д., TMS): 145,72 (С-1); 127,16 (С-2,6); 130,24 (С-3,5); 128,89 (С-4); 140,09 (С-1'); 127,28 (С-2',6'); 129,05 (С-3',5'); 128,26 (С-4'); 53,56 (-COOH). Спектр ЯМР Н (δ, м.д., TMS): 7,77 (д, 2Н, С, С); 8,25 (д, 2Н, С, С); 7,73 (д, 2Н, С, С); 7,56 (д, 2Н, С, С); 7,48 (т, 3Н, С); 4,04 (с, 3Н, -СООС). Масс-спектр, m/z (J (%)): 212 [М], 212 (78), 181 (100), 152 (60), 90 (17), 76 (35), 51 (7).
Этиловый эфир 4-бифенилкарбоновой кислоты
пл.
пл.
3
2
3
2
oтн
13
1
2
6
3
5
2'
6'
3'
5'
4'
+
СН2
СН3
CH2
Н3
Выход 14%. Т 46-46.5°С (Т 46°С [Словарь органических соединений / под ред. И. Хейльборна и Г.М. Бэнбери. М., 1949. Т. 1. С. 1022]). Спектр ЯМР С (δ, м.д., TMS): 145,64 (С-1); 127,13 (С-2,6); 130,24 (С-3,5); 129,40 (С-4); 140,13 (С-1'); 127,28 (С-2',6'); 129,06 (С-3',5'); 128,26 (С-4'); 61,11 (-СООСН); 14,52 (-СООСН). Спектр ЯМР Н (δ, м.д., TMS): 7,78 (д, 2Н, С, С); 8,29 (д, 2Н, С, С); 7,74 (д, 2Н, С, С); 7,58 (д, 2Н, С, С); 7,48 (т, 3Н, С); 4,55 (кв, 2Н, -COOCH); 1,55 (т, 2Н, -СООСНС). Масс-спектр, m/z (J (%)): 226 [M], 226 (70), 198 (30), 181 (100), 152 (56), 90 (12), 76 (23), 51 (5).
Пропиловый эфир 4-бифенилкарбоновой кислоты
кип.
2
3
2
3
2
2
2
3
2
3
2
2
отн
13
1
2
6
3
5
2'
6'
3'
5'
4'
+
CH2
СН2
СН3
СН2
СН2
СН3
Выход 90%. Т=114-115°С / 0,2 мм рт.ст. Спектр ЯМР С (δ, м.д., TMS): 145,55 (С-1); 127,03 (С-2,6); 130,07 (С-3,5); 129,28 (С-4); 140,08 (С-1'); 127.29 (С-2',6'); 128,93 (С-3',5'); 128,11 (С-4'); 66,57 (-COOCHCH); 22,16 (-СООСНСН); 10,55 (-СООСНСН). Спектр ЯМР Н (δ, м.д., TMS): 7,67 (д, 2Н, С, С); 8,14 (д, 2Н, С, С); 7,65 (д, 2Н, С, С); 7,49 (д, 2Н, С, С); 7,42 (т, 3Н, С); 4,33 (т, 2Н, -СООСНСН); 1,84 (м, 2Н, -СООСНСН); 1,08 (т, 2Н, -СООСНСН). Масс-спектр, m/z (J(%)): 240 [М], 240 (55), 211 (42), 198 (100), 181 (87), 152 (68), 76 (27), 40 (65).
Другие примеры, подтверждающие способ, приведены в таблице.