СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ С-ФОСФОРИЛИРОВАННЫХ ДИНИТРИЛОВ МАЛОНОВОЙ КИСЛОТЫ
METHOD OF PRODUCING S-PHOSPHORYLATED DINITRILES OF MALONIC ACID

Изобретение относится к химии элементоорганических соединений, а именно к новому способу получения C-фосфорилированных динитрилов малоновой кислоты общей формулы
3
2
5
4
9
где R=CH, CH, CH,
которые являются новыми по структуре элементоорганическими соединениями и могут служить для получения потенциально биологически активных соединений для нужд медицины и сельского хозяйства.
Известно, что фосфонаты обладают инсектицидной, гербицидной и фунгицидной активностью, полезной для сельского хозяйства [Мельников Н.Н. Пестициды. Химия, технология и применение. - М.: Химия, 1987. - с.467-470]. Также была доказана возможность использования соединений малонодинитрила в качестве пестицидов [Пат. 7011838 В2 США, МПК A01N 25/00. Malononitrile compounds and their use as pesticides / Otaka Ken, Oohira Daisuke, Okada Satoshi; заявитель и патентообладатель Sumitomo Chemical Co., Ltd.; Заявлено 08.05.2002; Опубликовано 14.03.2006].
Известно фосфорилирование диалкилфосфитами аллилпроизводных малонового эфира. Процесс осуществляли присоединением диалкилфосфитов к кратным связям по свободнорадикальному механизму, что позволяет получить функциональные диалкилфосфонаты [А.К.Брель, Н.В.Блинцова. Вестник Волгоградской медицинской академии, 1998, №4, с.47-49].
Недостатком данного метода является обязательное применение инициатора третбутилпербензоата, трехкратного избытка фосфорилирующего агента и относительно высокие температуры проведения процесса 140-150°C. В результате получают продукты фосфорилирования аллилпроизводных диалкилфосфитами, которые являются соединениями иной структуры, чем в предлагаемом изобретении.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка нового технологичного малостадийного метода синтеза C-фосфорилированных динитрилов малоновой кислоты.
Техническим результатом является расширение арсенала химических соединений, получение новых C-фосфорилированных динитрилов малоновой кислоты с высоким выходом более 80%.
Указанный технический результат достигается разработкой нового способа получения C-фосфорилированных динитрилов малоновой кислоты формулы
заключающегося во взаимодействии динитрила малоновой кислоты с этилатом натрия с последующим фосфорилированием полученного натриевого производного диалкилхлорфосфатом, выбранным из диметилхлорфосфата, диэтилхлорфосфата или дибутилхлорфосфата, в среде диэтилового эфира при мольном соотношении динитрил малоновой кислоты: этилат натрия: диалкилхлорфосфат=1:1:1÷1.1 соответственно и температуре 20÷34°C.
Химическая схема предложенного способа получения С-фосфорилированных динитрилов малоновой кислоты:
N
Реакции фосфорилирования сводятся к нуклеофильному замещению галогена в молекуле диалкилхлорфосфата, причем в качестве нуклеофильного реагента выступает анион CH-кислотного соединения. На основании изучения литературных данных можно утверждать, что реакция фосфорилирования натриевого производного динитрила малоновой кислоты протекает по механизму S2. В диалкилхлорфосфатах на атоме фосфора имеется большой дефицит электронной плотности, обусловленный электроноакцепторным воздействием атома кислорода и атома галогена. Анион натриевого производного динитрила малоновой кислоты можно рассматривать как амбидентный анион, в котором местом с наибольшей нуклеофильной реакционной способностью является атом углерода метиновой группы, а местом наибольшей электронной плотности - атом азота нитрильной группы. Принимая во внимание все вышесказанное, механизм взаимодействия диалкилхлорфосфатов с натриевым производным динитрила малоновой кислоты можно представить следующим образом:
При выборе растворителя для проведения реакций фосфорилирования следует принять во внимание, что при использовании неполярных или малополярных растворителей натриевое производное существует в виде ионных пар, причем ион натрия координируется по местам с наибольшей электронной плотностью. Натриевому производному динитрила малоновой кислоты правильнее приписывать структуру, согласно которой ион натрия координирован одновременно по двум атомам азота нитрильных групп - местам с наибольшей электронной плотностью, а не по какому-либо одному из них или по атому углерода:
В этих условиях ион натрия экранирует атом азота нитрильной группы и реакция фосфорилирования протекает в основном по атому углерода метиновой группы. Если же использовать апротонные полярные растворители (ДМФА, ДМСО), то их молекулы будут сольватировать ион натрия, разъединять ионные пары и тем самым благоприятствовать протеканию реакции по местам с наибольшей электронной плотностью - атомам азота, что приведет к смеси продуктов.
При выборе в качестве растворителя диэтилового эфира руководствовались следующим: в диэтиловом эфире хорошо растворяются исходные реагенты и он абсолютно инертен в данной реакции.
В начальный момент взаимодействия нет необходимости в дополнительном нагреве, так как реакция начинается самопроизвольно даже при комнатной температуре. Затем для завершения реакции фосфорилирования реакционную массу нагревали до 34°С. Для проведения реакции оптимальное соотношение реагентов динитрил малоновой кислоты: этилат натрия: диалкилхлорфосфат составляет 1:1:1÷1.1.
Предложенный метод получения С-фосфорилированных динитрилов малоновой кислоты характеризуется простотой эксперимента, не требует выделения промежуточного натриевого производного, осуществляется в достаточно мягких условиях и обеспечивает высокий (более 80%) выход целевых соединений.
Способ осуществляется следующим образом.
Синтез натриевого производного динитрила малоновой кислоты осуществляют прибавлением эквимольного количества динитрила малоновой кислоты, растворенного в безводном диэтиловом эфире, к этилату натрия при перемешивании и температуре 20÷25°С. Так как выход натриевого производного является количественным, то фосфорилирование проводят без выделения последнего. Для этого в реакционную массу, полученную вышеописанным способом, при перемешивании и температуре 20÷25°С прибавляют по каплям расчетное количество диалкилхлорфосфата в диэтиловом эфире. Для завершения процесса фосфорилирования рекомендуется постепенное повышение температуры реакционной смеси до 30÷34°С. Для выделения целевого вещества реакционную массу охлаждают до температуры 20÷25°С, хлорид натрия отделяют фильтрованием, растворитель удаляют отгонкой. Выход составил более 80%. Для получения химически чистых соединений осуществляется дополнительная очистка полученных соединений методом вакуумной перегонки. Идентификацию синтезированных соединений проводят по данным элементного анализа, молекулярной рефракции, определения молекулярной массы, ИК- и ПМР-спектроскопии. Для лучшего понимания сущности предложенного технического решения приводятся конкретные примеры синтезов.
Пример 1. Диметоксифосфорилмалонодинитрил
к
D
4
D
5
7
3
2
20
20
К 2.82 г (0.0415 моль) твердого этилата натрия в 8 мл безводного диэтилового эфира при температуре 20-25°С и перемешивании прибавляют по каплям 2.74 г (0.0415 моль) динитрила малоновой кислоты, растворенного в 53 мл диэтилового эфира. Затем реакционную смесь перемешивают в течение 2 часов при температуре 25-30°С. Полученное натриевое производное без дополнительного выделения используют в дальнейшем синтезе. К натриевому производному динитрила малоновой кислоты при перемешивании и температуре 20-25°С прибавляют по каплям 6.00 г (0.0415 моль) диметилхлорфосфата, растворенного в 6 мл диэтилового эфира. Мольное соотношение динитрил малоновой кислоты: этилат натрия: диметилхлорфосфат=1:1:1. Температуру реакционной массы повышают до 34°С и перемешивают в течение 2 часов. Соль хлорида натрия отделяют фильтрованием, растворитель удаляют отгонкой. Полученный диметоксифосфорилмалонодинитрил подвергают перегонке при 1 гПа. Получают 6.20 г диметоксифосфорилмалонодинитрила. Выход 86%. t 53-55°C (при 1 гПа), n  1.4080, d  1.1914. MR 36.03, выч. 35.79. Найдено, %: N 16.09, P 17.82. CHONP. Вычислено, %: N 15.95, P 17.67.
1
4
3
Спектр ЯМР H (CCl), м.д.: 4.03 д (6H, CHO); 3.67 д (1H, CHP);
-1
ИК-спектр, ν, см: 988-1022 (POC); 1276 (P=O); 2284 (C≡N).
Пример 2. Диэтоксифосфорилмалонодинитрил
к
D
4
D
7
11
3
2
20
20
К 3.75 г (0.0551 моль) твердого этилата натрия в 10 мл безводного диэтилового эфира при температуре 20-25°C и перемешивании прибавляют по каплям 3.64 г (0.0551 моль) динитрила малоновой кислоты, растворенного в 71 мл диэтилового эфира. Затем реакционную смесь перемешивают в течение 4 часов при температуре 25-30°C. Полученное натриевое производное без дополнительного выделения используют в дальнейшем синтезе. К натриевому производному динитрила малоновой кислоты при перемешивании и температуре 20-25°C прибавляют по каплям 10.45 г (0.0606 моль) диэтилхлорфосфата, растворенного в 10 мл диэтилового эфира. Мольное соотношение динитрил малоновой кислоты: этилат натрия: диэтилхлорфосфат=1:1:1.1. Температуру реакционной массы повышают до 34°C и перемешивают в течение 4 часов. Соль хлорида натрия отделяют фильтрованием, растворитель удаляют отгонкой. Полученный диэтоксифосфорилмалонодинитрил подвергают перегонке при 1 гПа. Получают 9.02 г диэтоксифосфорилмалонодинитрила. Выход 81%. t 68-70°C (при 1 гПа), n  1.4155, d  1.2981. MR 44.91, выч. 45.09. Найдено, %: N 13.71, P 15.23. CHONP. Вычислено, %: N 13.86, P 15.35.
1
4
2
3
Спектр ЯМР Н (CCl), м.д.: 4.00 м (4H, CHO); 3.90 д (1H, CHP); 1.28 т (6H, CH);
1
ИК-спектр, ν, см-:988-1012 (РОС); 1288 (P=O); 2242 (C≡N).
Пример 3. Дибутоксифосфорилмалонодинитрил
к
D
4
D
11
19
3
2
20
20
К 3,27 г (0.0481 моль) твердого этилата натрия в 10 мл безводного диэтилового эфира при температуре 20-25°C и перемешивании прибавляют по каплям 3.17 г (0.0481 моль) динитрила малоновой кислоты, растворенного в 62 мл диэтилового эфира. Затем реакционную смесь перемешивают в течение 3 часов при температуре 25-30°C. Полученное натриевое производное без дополнительного выделения используют в дальнейшем синтезе. К натриевому производному динитрила малоновой кислоты при перемешивании и температуре 20-25°C прибавляют по каплям 11.77 г (0.0515 моль) дибутилхлорфосфата, растворенного в 11 мл диэтилового эфира. Мольное соотношение динитрил малоновой кислоты: этилат натрия: дибутилхлорфосфат=1:1:1.07. Температуру реакционной массы повышают до 34°C и перемешивают в течение 3 часов. Соль хлорида натрия отделяют фильтрованием, растворитель удаляют отгонкой. Полученный дибутоксифосфорилмалонодинитрил подвергают перегонке при 1 гПа. Получают 9.02 г дибутоксифосфорилмалонодинитрила. Выход 83%. t 95-97°C (при 1 гПа), n  1.4270, d  1.0531. MR 62.90, выч. 63.68. Найдено, %: N 10.61, P. 12.23. CHONP. Вычислено, %: N10.85, P 12.02.
1
4
2
3
2
2
Спектр ЯМР Н (CCl), м.д.: 3.97 м (4H, CHO); 3.76 д (1H, CHP); 0.91 т (6H, CH); 1.260 м (4H, CH) 1.59 м (4H, CH);
-1
ИК-спектр, ν, см: 982-1018 (POC); 1294 (Р=O); 2308 (C≡N).
Предложенный метод заключается во взаимодействии динитрила малоновой кислоты с этилатом натрия с образованием натриевых производных, которые не выделяются из реакционной смеси, а подвергаются сразу же взаимодействию с диалкилхлорфосфатами с образованием C-фосфорилированных динитрилов малоновой кислоты, что оказалось возможным вследствие высоких CH-кислотных свойств активированной метиленовой группы исходного динитрила малоновой кислоты.
Достоинством разработанного метода является простота технологии и универсальность.