СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНО- И ДИГИДРОКСИПОЛИФТОРБЕНЗОЛОВ
METHOD OF OBTAINING MONO- AND DIHYDROXYPOLYFLUOROBENZENES

Изобретение относится к способам получения полифторгидроксибензолов, в частности пентафторфенола, тетрафторфенолов и дигидрокситетрафторбензолов.
Полифторгидроксибензолы находят широкое применение для создания полимеров, обладающих уникальными свойствами (J. Polym. Sci. A, Polym. Chem., 1992, vol. 30(7), p. 1279-1286), синтеза аминокислот, пептидов и нуклеозидов, являющихся интермедиатами в синтезе противоопухолевых агентов, ингибиторов ВИЧ (Патент США №7262169 (2007), WO 9616931 (1996), J. Org. Chem., 2000, vol. 65(4), p.979), в качестве компонентов металлоценовых каталитических систем для полимеризации олефинов (J. Organomet. Chem., 2001, vol. 621, p. 184; Organometallics, 2002, vol. 194, p.265).
Известен способ получения пентафторфенола реакцией гексафторбензола с водным раствором гидроокиси калия в автоклаве при температуре 175°С и давлении выше 15 атм с выходом 83,5% (J. Res. NBS, 1963, 67A, p. 481-497). При проведении указанной реакции в присутствии катализаторов межфазного переноса - галогенидов N,N-гексаалкилзамещенного гуанидиния или тетракис(диалкиламидо)фосфония удалось снизить необходимую для реакции температуру до 100-140°С и повысить выход целевого продукта до 92%. (Патент РФ №2343142, 2009), однако реализация таких способов требует специального оборудования для работы при высоком давлении. Известен способ получения пентафторфенола из гексафторбензола и гидроокиси калия в среде органического растворителя. В трет-бутаноле выход пентафторфенола достигает 71% (J. Chem. Soc., 1959, р.13-17). В среде безводного пиридина выход пентафторфенола составляет 52% (Science, 1958, vol.127, p.643).
Известен способ получения пентафторфенола разложением пентафторфенилалкиловых эфиров; которые получают реакцией соответствующих алкоголятов с гексафторбензолом (выход для пентафторанизола 72%). Разложение проводят кислотами или хлоридом алюминия, выход пентафторфенола 20-58% (J. Chem. Soc., 1959, р.2019-2021).
Главным препятствием к промышленному использованию указанных способов является то, что в настоящее время гексафторбензол не является промышленно доступным продуктом в связи с тем, что гексахлорбензол, из которого его получали ранее, запрещен к производству по причине его высокой канцерогенности. Именно поэтому возникла настоятельная потребность в разработке способов синтеза пентафторфенола из промышленно доступного в настоящий момент сырья, а именно пентафторбензола, бромпентафторбензола и пентафторбензойной кислоты.
Известен способ получения пентафторфенола из бромпентафторбензола, в котором сначала взаимодействием последнего с магнием в эфире получают пентафторфенилмагнийбромид, затем получают пентафторфенилдиметоксиборат либо пентафторфенилборную кислоту взаимодействием с триметоксибором, далее окисляют их перекисью водорода с получением пентафторфенола. (J. Fluorine Chem., 128 (2007), p. 1153-1157, заявка на патент Японии JP 82548(A), 2005).
Известен способ получения пентафторфенола из бромпентафторбензола, в котором взаимодействием бромпентафторбензола с магнием в эфире получают пентафторфенилмагнийбромид, последний далее подвергают взаимодействию с пероксидами, получая пентафторфенол (Заявка на патент Китая CN 1847210 А, 2006). Эти способы обладают недостатком, препятствующим их широкому промышленному применению, а именно получение пентафторфенилмагнийбромида (реактива Гриньяра) в диэтиловом эфире является процессом повышенной опасности и требует использования инертной атмосферы.
Общих способов получения тетрафторфенолов как и дигидрокситетрафторбензолов не описано.
2,3,5,6-Тетрафторфенол получают замещением фтора в пентафторбензоле под действием щелочей в различных растворителях. Описано получение 2,3,5,6-тетрафторфенола с выходом 68% действием гидроксида натрия на пентафторбензол в циклогексане в присутствии гидросульфата тетрабутиламмония (J. Org. Chem., 1991, V.56, р.7350-7354).
3
Известен способ получения 2,3,5,6-тетрафторфенола из октафтортолуола взаимодействием его со щелочью в трет-бутаноле с последующим гидролизом CF-группы и декарбоксилированием соли полученной кислоты (Журн. орг. химии, 1974, т.10, №2, с.343-348).
Известен способ получения тетрафторрезорцина (мета-дигидрокситетрафторбензола) действием гидроокиси калия на пентафторфенол при температуре 150°С и повышенном давлении (J. Res. NBS 1964, v.68A, p.277-283).
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание простого в технологическом отношении способа получения полифторгидроксибензолов из доступного промышленного сырья - полифторароматических кислот, в том числе пентафторфенола из пентафторбензойной кислоты.
Поставленная задача решается заявляемым способом получения полифторгидроксибензолов из фторированных ароматических кислот, включающим
- получение триметилсилилового эфира или бис-триметилсилилового эфира из соответствующей фторсодержащей одно- или двухосновной ароматической кислоты взаимодействием с триметилхлорсиланом;
- превращение триметилсилилового эфира или бис-триметилсилилового эфира кислоты в соответствующее цинковое производное в результате реакции с солью цинка или оксидом цинка в полярном апротонном растворителе, таком как ДМФА, диметилацетамид, N-метилпирролидон или ацетонитрил;
- окисление полученного цинкового производного в виде раствора в том же растворителе пероксисоединением в присутствии солей одновалентной меди CuX, где Х=Cl, Br, I, с последующей обработкой соляной кислотой, после которой целевой моно- или дигидроксиполифторбензол выделяют известными приемами с выходами, достигающими 90%. В качестве пероксисоединения используют трет-бутиловый эфир пероксикислоты, например, трет-бутилпероксибензоат, трет-бутилпероксиацетат, трет-бутилперокситрифторацетат или пероксид мочевины. В качестве фторсодержащей ароматической кислоты используют или одноосновные ароматические кислоты, такие как пентафторбензойная кислота или тетрафторбензойные кислоты или двухосновные ароматические кислоты - тетрафторфталевую, тетрафтортерефталевую и тетрафторизофталевую.
Заявляемый способ включает три стадии:
(i) Первой стадией является получение триметилсилилового эфира соответствующей полифторароматической кислоты нагреванием ее с триметилхлорсиланом, причем после отгонки избытка триметилхлорсилана сырец триметилсилилового эфира соответствующей полифторароматической кислоты используется в следующей стадии без дополнительной очистки.
(ii) Вторая стадия включает взаимодействие триметилсилилового эфира соответствующей полифторароматической кислоты с предварительно обезвоженными солями цинка или окисью цинка при нагревании в полярном апротонном растворителе, таком как диметилформамид, диметилацетамид, N-метилпироллидон, ацетонитрил, в результате получают раствор соответствующего цинкового производного, при этом высвобождается триметилсилилацетат.
(iii) Третья стадия заключается во взаимодействии полученного раствора цинкорганического соединения в одном из перечисленных растворителей с пероксисоединением, либо таким как трет-бутиловый эфир пероксикислоты, например трет-бутилпероксибензоатом, трет-бутилпероксиацетатом, трет-бутилперокситрифторацетатом (способ А), либо пероксидом мочевины (способ В), при катализе галогенидами одновалентной меди (хлоридом, бромидом или йодидом) при комнатной температуре. При взаимодействии с трет-бутиловый эфиром пероксикислоты (способ А) получают трет-бутиловый эфир соответствующего полифторфенола, для выделения которого к реакционной смеси добавляют разбавленную соляную кислоту, после чего перемешивают и отделяют нижний слой, состоящий в основном из трет-бутилового эфира полифторфенола, который затем кипятят с соляной кислотой, после чего выливают реакционную смесь в воду, продукт отделяют и ректифицируют, получая целевой полифторгидроксибензол с выходом 32-90%.
Если в качестве пероксисоединения используют пероксид мочевины (способ В), после проведения реакции с соответствующим цинковым производным, реакционную смесь сразу обрабатывают разбавленной соляной кислотой и выделяют целевой полифторгидроксибензол с суммарным выходом 14-65%, загрязненный соответствующим гидрополифторбензолом.
где
Все стадии способа осуществляются без выделения и очистки промежуточных соединений. Полифторгидроксибензолы, полученные таким образом, очищают ректификацией до чистоты 99%.
Если в качестве исходной фторсодержащей ароматической кислоты используют дикарбоновую перфторароматическую кислоту, на первой стадии получают бис-триметилсилиловый эфир соответствующей кислоты, на второй - раствор бис-цинкового производного в апротонном полярном растворителе, после окисления последнего перекисным соединением при катализе галогенидами одновалентной меди (хлоридом, бромидом или йодидом) при комнатной температуре и последующего гидролиза действием концентрированной соляной кислоты при нагревании и перемешивании получают соответствующий дигидроксиполифторбензол.
Выходы составляют 14-90%.
Результаты экспериментов приведены в табл.1.
Таблица 1
Получение моно- или дигидроксиполифторбензолов в ДМФА
Исходная кислота
Полученный гидроксибензол
Выход no способу A
Выход по способу В
<img file="00000006.tif" he="17" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000007.tif" he="17" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
90
65
<img file="00000008.tif" he="18" wi="31" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000009.tif" he="18" wi="24" img-content="undefined" img-format="tif" />
32
14
<img file="00000010.tif" he="17" wi="30" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000011.tif" he="18" wi="26" img-content="undefined" img-format="tif" />
76
51
<img file="00000012.tif" he="17" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000013.tif" he="18" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
87
63
<img file="00000014.tif" he="18" wi="30" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000015.tif" he="18" wi="25" img-content="undefined" img-format="tif" />
28
18
<img file="00000016.tif" he="17" wi="31" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000017.tif" he="17" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
71
60
<img file="00000018.tif" he="18" wi="40" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000019.tif" he="17" wi="25" img-content="undefined" img-format="tif" />
80
59
Технический результат изобретения состоит в создании общего способа получения полифторгидроксибензолов из промышленно доступных полифторароматических кислот с выходами до 90%, в том числе пентафторфенола из пентафторбензойной кислоты, без использования высоколетучих пожароопасных растворителей и простого в аппаратурном оформлении. При этом из двухосновных кислот получают дигидрокситетрафторбензолы.
Осуществление способа иллюстрируется следующими примерами:
Пример 1. Получение пентафторфенола по методу А.
(а) Получение триметилсилилпентафторбензола.
В четырехгорлую колбу объемом 2,5 л к 1150 г (10,09 моль) триметилхлорсилана при перемешивании порциями присыпают 746 г (3,52 моля) пентафторбензойной кислоты. Реакционную смесь нагревают до кипения и кипятят до завершения газовыделения. Затем отгоняют избыток триметилхлорсилана до температуры в кубе 120-130°С.
Получают 1000 г триметилсилилового эфира пентафторбензойной кислоты, который используют в следующей стадии без очистки.
19
3
F ЯМР (в м.д. от CFCl): -140 м. (2F), -152 м. (1F), -163 м. (2F).
(б) Получение трет-бутоксипентафторбензола.
2
2
Смесь 800 г толуола, 1200 г ДМФА и 430 г (1,51 моль) ZnAc·2HO нагревают до кипения и отгоняют воду с насадкой Дина-Старка. После прекращения выделения воды насадку Дина-Старка и обратный холодильник заменяют соответственно капельной воронкой и системой для отгонки, состоящей из дефлегматора, холодильника Либиха, аллонжа и приемной колбы, и к реакционной смеси по каплям добавляют 1000 г (3,52 моль) триметилсилилового эфира пентафторбензойной кислоты, после чего ее нагревают до температуры в кубе 140-150°С, отгоняя фракцию с т.кип. 120-130°С. После этого добавляют сначала 2 г (0,02 моль) CuCl, а затем по каплям добавляют 760 г (3,91 моль) трет-бутилпероксибензоата. Реакционную смесь перемешивают в течение 4 часов, охлаждают до температуры 10-15°С, добавляют 2 л 10%-ной соляной кислоты, перемешивают 20 минут. Верхний слой декантируют, к нижнему добавляют 2-2,5 объема воды и перегоняют с паром.
Получают 890 г сырца, содержащего по данным ГХ 90% трет-бутокси-пентафторбензола, который используют далее без дополнительной очистки. Т.кип~60°С/20 мм рт.ст.
19
3
F ЯМР (в м.д. от CFCl): -153,5 м, (2F), -165,0 м. (1F), -166,8 м. (2F).
(с) Получение пентафторфенола.
19
3
3
К 890 г сырца трет-бутоксипентафторбензола добавляют двухкратный объем 35% соляной кислоты, нагревают до кипения и кипятят в течение 4 часов. Затем реакционную массу охлаждают до 10°С, жидкость декантируют, а твердый сырец ректифицируют и выделяют 585 г пентафторфенола, чистотой 99% (по ГХ), т.кип. 139-142°С, т.пл. 34-36°С. Выход 90% F ЯМР (CDCl)(в м.д. от CFCl): -165,5 м, (2F), -168,6 м, (2F), -174,6 м. (1F),. соответствует описанному в (J. Organic Chem., 1991, v.56, p.7330-7354).
Пример 2. Получение пентафторфенола по методу В
19
Смесь 800 г толуола, 1200 г ДМФА и 122 г ZnO (1,51 моль) нагревают до кипения и кипятят с насадкой Дина-Старка, отделяя воду. После прекращения выделения воды насадку Дина-Старка и обратный холодильник заменяют соответственно капельной воронкой и системой для отгонки, состоящей из дефлегматора, холодильника Либиха, алонжа и приемной колбы, и к реакционной смеси по каплям добавляют 1000 г (3,52 моль) триметилсилилового эфира пентафторбензойной кислоты, полученного как в примере 1(а), после чего ее нагревают до температуры в кубе 140-150°С, отгоняя фракцию с т.кип. 120-130°С. В реакционную смесь при охлаждении добавляют 2 г хлористой меди и затем порциями добавляют 500 г гидроперита. По завершении добавления, реакционную смесь дополнительно перемешивают 1-2 часа. Затем содержимое колбы выливают в 2,5 л 10% соляной кислоты, перемешивают 10 минут, отделяют нижний слой массой 812 г, а затем перегоняют с паром над концентрированной соляной кислотой. Получают 540 г сырца качеством (85% по ГХ), который затем ректифицируют и получают 432 г пентафторфенола чистотой 99% (спектр F ЯМР совпадает с описанным в примере 1), и 267 г предгона, содержащего пентафторбензол. Выход составляет 65%.
Пример 3. Получение 2,3,5,6-тетрафторфенола по методу А
(а) Получение триметилсилилового эфира 2,3,5,6-тетрафторбензойной кислоты.
К 202 г триметилхлорсилана при перемешивании всыпают порциями 120 г (0,62 моля) 2,3,5,6-тетрафторбензойной кислоты. Реакционную смесь нагревают до кипения и кипятят до завершения газовыделения, а затем отгоняют избыточный триметилхлорсилан до 120-130°С в кубе. Получают 165 г триметилсилилового эфира 2,3,5,6-тетрафторбензойной кислоты, который используют далее без дополнительной очистки.
19
3
3
F ЯМР (CDCl)(в м.д. от CFCl): -139,8 м, (2F), -140,6 м., (2F)
(б) Получение 2,3,5,6-тетрафторфенола.
В колбу помещают 200 г толуола и 68 г дигидрата ацетата цинка, реакционную смесь нагревают до кипения (110-115°С) и отгоняют воду, после прекращения выделения воды, реакционную смесь остужают, воду отделяют, к реакционной смеси добавляют 300 г ДМФА и снова нагревают до кипения, отгоняя толуол до температуры 130°С в парах. Реакционную смесь остужают и при перемешивании по каплям добавляют 165 г триметилсилилового эфира 2,3,5,6-тетрафторбензойной кислоты, наблюдается разогрев реакционной смеси и растворение ацетата цинка. По завершении добавления реакционную смесь нагревают с одновременной отгонкой триметилсилилацетата, отгонку продолжают до температуры в кубе 140-150°С. К полученному раствору цинкового производного 2,4,5,6-тетрафторбензола при перемешивании добавляют 0.6 г CuCl и при 20-25°С по каплям добавляют 120,4 г третбутилпероксибензоата. По завершении добавления реакционную смесь перемешивают в течение часа. Затем содержимое колбы выливают в 0,5 л 10% соляной кислоты, перемешивают 10 минут, отделяют нижний слой, который затем кипятят с концентрированной соляной кислотой в течение 2 часов, после чего перегоняют с паром над концентрированной соляной кислотой и получают 78 г 2,3,5,6-тетрафторфенола чистотой 99% (76% выход).
19
19
3
3
F ЯМР (CDCl)(в м.д. от CFCl): -141,7 м, (2F), -161,7 м., (2F), спектр F ЯМР согласуется с литературными данными (Analytical Chemistry, 2001, vol.73, p.4286-4294).
Пример 4. Получение тетрафторгидрохинона по методу А
(а) Получение бис-(триметилсилилового)эфира тетрафтортерефталевой кислоты.
К 50 г тетрафтортерефталевой кислоты добавляют 182 г триметилхлорсилана, кипятят до прекращения газовыделения, отгоняют избыток триметилхлорсилана. Получают 80,2 г бис-(триметилсилилового)эфира тетрафтортерефталевой кислоты
19
1
3
3
3
F ЯМР(CDCl), (в м.д. от CFCl) -141 м (4F), Н ЯМР(CDCl) 0,78 с.
(б) Получение тетрафторгидрохинона.
19
19
3
3
К 80,2 г бис-(триметилсилилового)эфира тетрафтортерефталевой кислоты, полученного как в примере 7, добавляют 250 мл ДМ ФА и 38,5 г безводного ацетата цинка и нагревают реакционную смесь с одновременной отгонкой триметилсилилацетата. После окончания газовыделения реакционную смесь охлаждают до 0°С, присыпают 0,2 г однохлористой меди и по каплям добавляют 81 г трет-бутилпероксибензоата. Затем реакционную смесь перемешивают дополнительно 2 часа при 0°С и затем 6 часов при комнатной температуре, после чего выливают на лед с 10% соляной кислотой и отделяют нижний слой, к нему добавляют двухкратный объем соляной кислоты, кипятят 3 часа, остужают, декантируют водный слой. Нижний слой перегоняют и получают 30 г тетрафторгидрохинона чистотой 99%. Выход 80%. F ЯМР (CDCl),(в м.д. от CFCl) -165,3 м (4F), спектр F ЯМР согласуется с литературными данными (Analytical Chemistry, 2001, vol.73, p.4286-4294).