Синтез, изомерный состав и каталитические свойства циклогексанокраун-эфиров тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ



РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК \.С ИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ НОВОСИБИРСКИЙ ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

На правах рукописи

КУСОВ Солтан Заурбекович

СИНТЕЗ, ИЗОМЕРНЫЙ СОСТАВ И КАТАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦИКЛОГЕКСАНОКРАУН-ЭФИРОВ

(02.00.03 - органическая химия)

Автореферат диссертации на соискание учбной степени кандидата химических наук

Новосибирск - 1993 г.

Работа выполнена в Новосибирском институте органической химии СО РАН

Научный руководитель: кандидат химических наук, ст. н. с. Лубенец Э. Г.

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Шварцберг М. С.

кандидат химических наук, ст. н. с. .Табацкая А. А.

Ведущая организация: Ташкентский государственный университет, кафедра органической химии

Защита состоится 1993 г в ^ '"часов на заседании

Специализированного совета Д002.42.01 при Новосибирском институте органической химии СО РАН - 630090 г. Новосибирск-90, проспект акад. Лаврентьева, 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского института органической химии СО РАН.

ЛЗ* бе^/'Г)/-

Автореферат разослан " ¿-С/-/ /'/ ' 1993 г.

Учбный секретарь специализированного совета

кандидат химических наук ^ Т* ПетР°ва

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Одним из достижений современной органической химии является синтез нового класса макроциклических полиэфиров (краун-эфиров). Способность краун-эфиров к образованию устойчивых комплексов с ионами и нейтральными молекулами определяет,в основном,все известные направления использования этих соединений в химии, биологии и медицине. В синтетической органической химии краун-эфиры находят применение в качестве катализаторов фазового переноса. В связи с этим большой интерес представляют циклогекса-нокраун-эфиры, поскольку введение циклогексановых заместителей е молекулу краун-эфира сопровождается изменением органофильности и конформации макроцикла, что в конечном счёте сказывается на его ионосвязывающей способности и влияет на каталитическую активность.

Из описанных в литературе методов синтеза циклогексанокраун-эфиров наибольшее распространение получил разработанный К. Д. Пе-дерсеном метод каталитического гидрирования бензокраун-эфиров на рутениевых катализаторах. В связи с дефицитностью последних представляет интерес изучение возможности синтеза циклогексанокраун-эфиров с использованием более доступных катализаторов гидрирования. либо другими методами, например, взаимодействием 1,2-цикло-гександиола с его производными.

Известно, что индивидуальные диастереомеры циклогексанокраун-эфиров различаются по способности к комплексообразованию с катионами щелочных металлов. В то же время их каталитическая активность изучена мало, поэтому весьма актуальной представляется задача получения индивидуальных изомеров циклогексанокраун-эфиров и исследования их каталитической активности в различных реакциях нуклео-фильного замещения.

Целью работы является разработка новых удобных методов синтеза циклогексанокраун-эфиров, изучение изомерного состава полученных соединений, их каталитической активности и возможности использования в практике.

Научная новизна. Разработаны удобные методы получения циклогексанокраун-эфиров и их индивидуальных диастереомеров. Синтезированы и изучены комплексные соединения индивидуальных цис.син.цис-и цис.анти.цис-диастерзомеров дициклогексано-18-краун-6 с хлоридом кальция. Осуществлён синтез новых хромогенных соединений введением в молекулу бензоциклогексано-18-краун-6 нафтохинонильной хромофорной группы.

Показана высокая эффективность межфазного катализа индивиду-

- г -

альными цис-диастереомерами дициклогексано-18-краун-6 в реакциях этерификации, замены атомов хлора в ароматических соединениях на

фтор и конденсации.

1

Методом ЯМР С изучен изомерный состав синтезированных цик-логексанокраун-эфиров, что позволило проследить взаимосвязь изомерного состава смесей и их каталитических свойств. Показано, что между содержанием цис-диастереомеров в изомерных смесях ДЦГ-18-К-6 и их каталитической активностью в исследуемых реакциях наблюдается симбатность.

Практическая значимость работы. На основании проведЭнных исследований разработана технологическая документация получения цик-логексанокраун-эфиров, 2-нитродибензо-п-диоксина и октафторнафта-лина, которая была использована в Опытном химическом цехе НИОХ СО РАН для производства опытных партий продуктов.

Апробация работы. Результаты работы доложены на IV Всесоюзном симпозиуме по органическому синтезу (Москва, 1984); II Всесоюзной конференции по химии макроциклов (Одесса,. 1984); II Региональной конференции "Аналитика Сибири-86" (Красноярск, 1986); Международном симпозиуме по химии макроциклов (Одесса, 1990).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 5 статьях, 7 тезисах докладов и 2 авторских свидетельствах.

Объёи и структура работы. Диссертационная работа изложена на 102 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, включающего 93 наименования, и приложений. Иллюстрационный материал - 19 таблиц и 17 рисунков. В первой главе приведбн обзор литературы по методам синтеза, комплек-сообразующим и каталитическим свойствам циклогексанокраун-эфиров. Последующие главы содержат обсуждение результатов и описание экспериментальных исследований. В приложениях даны указатель номеров, названий, формул соединений и акты об использовании изобретений.

СИНТЕЗ ЦИКЛОГЕКСАНОКРАУН-ЭФИРОВ

В качестве первого объекта исследования возможности получения циклогексанокраун-эфиров гидрированием бензо-аналогов на палладие-вом катализаторе (5Ж Рй/С) нами был использован доступный дибензо-18-краун-6 (ДБ-18-К-6):

ГоСло

В результате этой реакции образуется дициклогексано-18-краун-б (ДЦГ-18-К-6), выход которого существенно зависит от величины давления водорода (в интервале 6-15 атм) и относительного содержания катализатора в реакционной смеси. Наибольший выход ДЦГ-18-К-6 получен при давлении водорода 15 атм, соотношении ДБ—18-K-6:Pd/C 2:1 и температуре 150-170°С. Синтезированные в этих условиях циклогексанокраун-эфиры содержат, по данным ЯМР 13С и ТСХ, от 20 до 35% продуктов гидрогенолиза полиэфирного кольца. Последние легко отделяются колоночной хроматографией. Выходы моно- и дициклогексано-краун-эфиров приведены в табл. 1.

Таблица 1. Циклогексанокраун-эфиры

Соединение Темп., °С Время, час Выход, %

ДЦГ-24-К-8 150 5 66.6

ДЦГ-18-К-6 170 5 72.7

ЦГ-18-К-6 170 3 72.3

ЦГ-15-К-5 170 3 76.9

ЦГ-12-К-4 170 3 81 .2

В связи со сложностью выделения циклогексанокраун-эфиров из растворов в декане из-за высокой температуры кипения последнего нами изучена возможность синтеза ДЦГ-18-К-6 в бензине "галоша". С этой целью проведена оптимизация процесса методом Бокса-Уилсона. За параметр оптимизации (У) принято значение выхода ДЦГ-18-К-6, рассчитанное по данным ГЖХ. После обработки экспериментальных данных получено следующее уравнение регрессии:

У = 66.57 - 12.98-Х., + 22.4-Хз - 2.87-Хд, где Х1 - температура реакции, - давление водорода, Хд - количество растворителя.

Из уравнения регрессии видно, что наибольшее влияние на ход реакции оказывает величина давления водорода. В оптимальных условиях (20 атм, 150°С) выход ДЦГ-18-К-6 составил 70%.

Циклогексанокраун-эфиры, синтезированные на палладиевом катализаторе, представляют собой, по данным ЯМР 13С-спектроскопии, смеси цис,транс-диастереомеров. При кристаллизации смеси изомеров ДЦГ-18-К-6, полученной гидрированием ДБ-18-К-6 или цис-бензоцикло-гексано-18-краун-6 (БЦ-18-К-6), из бензина "галоша" выделены индивидуальные цис,син,цис (А)- и цис.аши.цис (В)-диастереомеры ДЦГ-18-К-6. При комнатной температуре кристаллизуется диастереомер В,

из фильтрата при -5°С вшадает диастрреомер А. При кристаллизации смеси изомеров ДЦГ-18-К-6, полученной гидрированием транс-изомера БЦ-18-К-6, из гексана выделен индивидуальный транс,сип,транс-(С)-диастереомер. По данным ЯМР 13С, остаток, полученный после удаления растворителя из фильтрата, является цис.транс (Е)-диастереоме-ром ДЦГ-18-К-6.

При выдерживании хлороформных растворов изомеров А и В ДЦГ-18-К-6 над хлоридом кальция нами получены комплексные соединения состава 1:1 аналогичные комплексу [18-К-6-СаС12] [Раевский 0. А. и др. 19841. Сравнение ИК-спектров комплексов и лигандов показало, что при комплексообразовации сглаживается тонкая структура полос поглощения эфирной связи и появляется сильная полоса в области 1000 см"1. По данным термогравиметрического анализа комплексы устойчивы при нагревании до 220°С. Под действием воды они легко разрушаются с выделением краун-эфира. Способность ДЦГ-18-К-6 к ком-плексообразованию с хлоридом кальция использована нами для выделения краун-эфира из смесей с низким (5-30%) его содержанием. После разложения комплекса получали ДЦГ-18-К-6 с чистотой выше 95%. Степень выделения краун-эфира составляет 90-95%.

Гидрирование бензокраун-эфиров обычно протекает при повышенном давлении и требует специального оборудования и катализаторов на основе металлов платиновой группы. В связи с этим нами исследована возможность синтеза ДЦГ-18-К-6 реакцией 1,2-бис(6-хлор-1,4-диоксагексил)циклогексана с 1,2-циклогександиолом в условиях МФК:

О

г\ Г\

О Gl

+ . , -Ii 1

О С1 ^-^-ОН о er"

Ч—/ W W W

Лучшие результаты получены при использовании избытка 1,2-цик-логександиола в -системе толуол - 50% водный раствор КОН в присутствии тетрабутиламмонийбромида при 90°С в течение 12 часов. В этих условиях конденсация цис-1,2-бис(6-хлор-1,4-диоксагексил)циклогек-сана с цис-1,2-циклогександиолом приводит к образованию смеси изомеров А и В ДЦГ-18-К-6 с общим выходом 70% (отношение А:В 3:2): н

ан пп Н^^н й АП н

О С1 к^-он 0 0

-о о 01 -5—з—V 1—О о""г~-— о оА—1

н ^ ^ (с.Нс,) ,ы+вг н^^н н ^^ а

4 9 4 . А В

Взаимодействием цис- и транс-изомеров 1,2-бис(6-хлор-1,4-ди-оксагексил)циклогексана с транс-1,2-циклогександиолом получены диастереомеры С и В ДЦГ-18-К-6 (выходы 35 и 45% соответственно), а циклизацией с 1,2-диоксиэтаном - цис- и транс-изомеры циклогекса-но-18-краун-б (ЦГ-18-К-6) (выходы 57 и 46% соответственно):

Н гл гл ^vf^O о 01

4-0 О С1

н w W

3 лл лл f^-J^O О 01

-о О 01

н W V/

3 л /л ^-vJ^O О 01

^----О 01

н '

н

но"Ь*— я

н

нсгь^ н

но.

н

НО'

2

С1

d„o о .-о о 01

н w W

но.

hi

£

50% р-р кон

iwTiT

50% р-р кон

(c4h9)4n+b?

50% р-р КОН

(c4h9)4n+b?

50% р-р кон (С4н9)4ы+в?

Н АА Н

о о о.

d

Ч^-о о сУ fl w w н

Ь •

н /S /~\ н

,0 О

'^i^o о cr-k-J н w w й Б

rfr

а11 пп

-О о о

—О О СГ н w W

0

ЛО О 0<

н

о

W W

Цис- и трсшс-изомеры 1,2-бис(6-хлор-1,4-диоксагексил)цикло-гексана синтезированы взаимодействием соответствующих изомеров 1,2-циклогександиола с 1,5-дихлор-З-оксапентаном в условиях МФК в присутствии тетрабутиламмонийсульфата [Di Cesare P., Gross В., 19791. При проведении этой реакции с использованием более доступного тетрабутиламмонийбромида нами получена смесь 2-(6-хлор-1,4-диоксагексил)циклогексанола и 1,2-бис(6-хлор-1,4-диоксагексил)цик-логексана (выходы 30 и 10% соответственно):

/S г\

„он с1 о с1,

22 С, 12 час

C^-qh (C4H9)4NTBr, 50% р-р NaOH

Oí?"1* о

„О О С1

-о О С1

W W

Выход диалкилированного соединения удалось повысить до 45% оптимизацией реакции симплексным методом планирования эксперимента. При этом содержание моноалкилированного соединения в реакционной смеси было снижено до 3%.

Цис- и транс-1,2-бис(6-хлор-1,4-диоксагексил)циклогексаны были использованы нами также для получения цис- и транс-изомеров БЦ-18-К-6 [Di Cesare'P., Gross В., 19791:

я

Я гл г\

О О С1

"ТЗ О 01

2 гл гл

о о 01

ГО О С1 н ^ ^

НО^ НСг

НО^ НСГ

ЫаОН

ЯаОН

СК

/"Л лл

о о.

о сг

¿Ь О 0„ XI о сг

Наличие в полученных соединениях бензольного кольца, способного вступать в реакции электрофильного замещения, дабт возможность вводить различные заместители непосредственно в молекулу краун-э<1нра. Нами осуществлен синтез цис- и транс-изомеров 4' -нит-ро- и 4'-амино-БЦ-18-К-6. Последние являются удобными интермедиа-тами для синтеза хромогенннх соединений введением в молекулу кра-ун-эфира хиноновой группы.

о

<1

о

О о„

~х> о (Г

ООС

°о

гл ^л Н

°0 "Р ^ ^ 8

Выход 70*

Выход 64%

и транс-И-(2-хлор-1,4-нафтохинон-З-ил)-

Взаимодействие м цис--4'-амино-БЦ-18-К-(э с пиперидином получены цас- и транс-И- (2-пипе-ридино-1,4-нафтохи,нон-3-ил }-4' -амино-БЦ-18-К-6.

Таблица 2.

Влияние солей металлов на ЭСП тракс-Ы-(2-хлор-1,4-

нафтохинон-3-ил) -4'-амино-БЦ-18-К-6

^тах- ш)

соль

- N8010^ ЮЗСИ Ш^СИ Ва(ЗС102

491.8 485.0 (-6.8) 488.5 (-3.3) 484.7 (-7.1) 481.8 (-10.0)

Электронный спектр поглощения (ЭСП) тракс-К-(2-хлор-1,4-наф-тохинон-3-ил)-4'-амино-БЦ-18-К-6 имеет в видимой области одну ши-

рокую полосу поглощения (А.тах = 4.91.8 нм). При добавлении солей металлов к раствору этого соединения в ацетонитриле длинноволновая полоса в ЗСП смещается гипсохромно с увеличением абсолютного значения ЬХ при переходе от однозарядных ионов к катиону бария (табл. 2)

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАСТЕРЕОМЕРОВ ЦЙКЛОГЕКСАНОКРАУН-ЭФИРОВ МЕТОДОМ ЯМР 13С-СПЕКТР0СК0ПИИ

Исследование индивидуальных диастереомеров ДЦГ-18-К-6 и ЦГ-18-К-6 методом ЯМР 13С-спектроскопии показало, что сигналы атомов углерода транс-диастереомеров наблюдаются в более слабом поле относительно аналогичных сигналов цис-диастереомеров на 1-3 м. д. Спектр диастереомера Е ДЦГ-18-К-6 содержит сигналы атомов углерода цис- и транс-изомеров равной интенсивности. Диастереомеры А и В ДЦГ-18-К-6 существенно различаются по значениям химических сдвигов е-атомов углерода полиэфирного фрагмента (на 0.6 м. д.), менее заметны различия значений химических сдвигов циклогексановых колец.

Таблица 3.

Химические сдвиги атомов углерода в спектрах ЯМР 13С индивидуальных диастереомеров циклогексанокраун-эфиров (5С, м. д.)

Я соед а Ъ 0 а е,Г ig.li

ЦИС транс цис транс ЦИС транс ЦИС транс цис,транс

1. 21 .98 27.51 77.50 67.96 71 .12

2. 22.00 27.59 77.25 67.88 70.51

3. 23.99 30.59 82.17 69.96 70.61

4. 21 .99 23.74 27.79 30.27 77.32 81 .56 68.18 69.06 70.29,70.47

22.07 77.46 81 .64 68.28 69.18 70.74

5. 22.02 27.75 77.46 68.24 70.31,70.58

70.66

6. 23.45 29.89 81 .13 68.99 70.35,70.62

70.70

1 ь 2 ^ ^ н . н п ? ъ 2 ^ ^ 2

о ---О агЛр о

н н Н ^^ Н Н н

1.Изомер А ДЦГ-18-К-6 2.Изомер В ДЦГ-18-К-6 3.Изомер С ДЦГ-18-К-6

ЬО о 0 1^ аЛ].о о о аГЛ^о о о

о сгЬ-^ О ОТ 1---о сг

Н^Ч^Н н ^ ^ н ^ ^

4.Изомер Е.ДЦГ-18-К-6 5. цис-ЦТ-18-К-6 6. транс- ЦГ-18-К-6

В спектрах ЯМР 13С цис- и транс-изомеров БЦ-18-К-6 имеются сигналы атомов углерода как бензольного, так и циклогексанового колец (табл. 4). Атомам углерода полиэфирных фрагментов обоих кра-ун-эфиров в области 68-72 м. д. соответствуют четыре сигнала. Сигналы атомов углерода траис-БЦ-18-К-6 сдвинуты в слабое поле по сравнению с сигналами цис-БЦ-18-К-6.

Таблица 4.

Химические сдвиги 13С атомов углерода цис- и транс-диастереомеров бензоциклогексанокраун-эфира (бс, м. д.)

№ а Ъ с а. е, i ё 11 1 3

1. 2. 22.20 24.30 27.18 30.75 78.06 82.40 68.01 69.21 69.50,71.36 69.77,71.43 68.63 69.36 148.85 149.75 121 .42 121 .73 113.33 114.25

н й е * в

•¿к: ^

н ^ ^

1. цис-БЦ-18-К-6

Изучение комплексных соединений диастереомеров А к В ДЦГ-18-К-6 с хлоридом кальция методом ЯМР 13С-спектроскопии показало, что сигналы атомов углерода комплексов (табл. 5) наблюдаются в более сильном поле по сраннению с сигналами атомов углерода соответствующих лигандов (табл. 3).

Таблица 5.

1 ч

Химические сдвиги С атомов углерода комплексов изомеров А и В ДЦГ-18-К-6 с хлоридом кальция (ес, м. д.)

1. [А ДЦГ-18-К-6-СаС12] 2. 1В ДЦГ-18-К-6-СаС12]

Изомерный состав циклогексанокраун-эфиров, синтезированных каталитическим гидрированием бензо-аналогов, установлен сравнением химических сдвигов атомов углерода 13С смесей изомеров (табл. 6) и индивидуальных диастереомеров (табл. 3). Следует отметить, что в спектрах всех циклогексанокраун-эфиров имеются сигналы атомов углерода цис- и транс-изомеров. Отношение интенсивностей сигналов цис:транс обычно составляет 3:1.

„ а е 1е ь ; г\ ГЛ 1

•¿к: ^

н ^ ^

2. транс-БЦ-18-К-6

Л а Ъ с а е

1. 20.40 24.63 77.20 64.51 69.65

2. 20.55 24.72 77.61 64.95 69.77

Таблица 6.

Химические сдвиги С атомов углерода смесей изомеров

циклогексанокраун-эфиров, (ôc, м. д.)

» n/n a b С d e.f .g,h

ЦИС транс ЦИС транс цис транс ЦИС транс цис.транс

1. 21 .80 23 .76 27.39 30.51 77 .35 82 .21 67.96 69 10 70.54 ,70.72

77 .46 69 23 70 .80

77 .54

2. 22 .00 23 .72 27.74 30.26 77 .24 81 .56 68.18 69 13 70.33 70.52

77 .38 81 .67 68.27 69 15 70 78

3. 22 .00 23 .63 27.76 30.14 77 .42 81 .38 68.22 68 98 70.29 70.45

81 .45 68.33 69 13 70 71

4. 21 .97 23 .67 27.77 30.18 77 .39 81 .43 68.20 69 02 70.29 70.45

22 .06 30.35 77 .51 81 .51 68.33 69 16 70 74

81 .60

5. 22 .03 23 .45 27.78 29.89 77 .55 81 .13 68.30 68 99 70.35 70.62

70 70

6. 21 .63 23 .52 27.06 30.03 77 .06 81 .76 67.58 68 84 70.10 70.30

70. 40 70.54

70 64

7. 21 .72 23 .99 27.41 30.93 76 .76 82 .22 68.26 69. 57 69.92 70.28

71 .01 71 .14

def de defg

0ЛЛ Г% ЛЛ V, /~\ /~\ к П n

о о crk^J о cr—^ о cT

www ww ww

1. ДЦГ-24-К-8 2-4. ДЦГ-18-К-6 5. ЦГ-18-К-6

de de

w w

6. ЦГ-15-К-5 7. ЦГ-12-К-4

Наличие в спектре дициклогексано-24-краун-8 (ДЦГ-24-К-8) (табл. G, п. 1 ) тр'бх сигналов с-атомов углерода в области 77-78 м. д. свидетельствует о присутствии в смеси трёх диастереомеров с цис-конфигурацией, один из которых, по-видимому, является цис, транс-даастереомером, а два других - цис,сын,цис- и цис,аши,цис-

диастереомерами. „ „

а" /~\ /~\ (J

-ООО

^0 0 0 tf\---' и

/ \ / \ f \ н www и ; п аг\ ;

r° ° ° + 0 0 ^

о о Н Г\ Г\ Г\ н ^«-'Î'^O О О -------

WWW Ш^о о о' й w W W н

а-О О 0 o^L-^

^0 0 0 ------'

H w w w H

Гидрированием цис-БЦ-18-К-6 получен ДЦГ-18-К-6, в спектре ЯМР 13С которого имеются сигналы атомов углерода диастереомеров А, В и Е (табл. 6, п. 2) с отношением интенсивностей е-сигналов 10:5:1 соответственно. Образование диастереомера Е ДЦГ-18-К-6 подтвервда-ется наличием в спектре сигналов транс-изомера.

н пп "

О оЛ

пл Н ---О о^К^- Н пп н

£) н

о рй/с н ^ ^ н Г--Ч-0 0 М^ч

'^"о о сГЬ^ н /—\ /—^ н о

^ ^ н с^!"0 0 й ^ ^н

н ^ ^ й

Аналогичное расположение сигналов атомов углерода зарегистрировано в спектре ЯМР 13С смеси изомеров ДЦГ-18-К-6, полученной гидрированием ДБ-18-К-6 (табл. 6, п. 3). Отношение интенсивностей сигналов атомов углерода диастереомеров А, В и В в этом случае составляет 5:3:1 соответственно.

В спектре ЯМР 13С смеси изомеров ДЦГ-18-К-6, полученной гидрированием транс-БЦ-18-К-6, болов интенсивны сигналы атомов углерода транс-диастереомеров (табл. 6, п. 4). Диастереомер С ДЦГ-18-К-6 выделен нами из этой смеси в индивидуальном состоянии. Остаток, полученный после выделения диастереомера С, является, по-видимому, диастереомером В, поскольку в его спектре ЯМР 13С имеются сигналы атомов углерода цис- и транс-изомеров равной интенсивности.

ап н н пп н н пп «

©с: яэ^ск: -СЕ: уо

\-f\-f» н ^ ^ н н ^ ^ н

с в

При гидрировании бензо-12-краун-4, бензо-15-краун-5, бензо-18-краун-6 образуются, по данным ЯМР 13С-спектроскопии, смеси циста траке-диастереомеров циклогексанокраун-эфиров (табл. 6) с преимущественным содержанием цис-изомеров.

^ — * сьг>

^ н ^ н ^

ПРИМЕНЕНИЕ ЦИКЛОГЕКСАНОКРАУН-ЭФИРОВ В КАЧЕСТВЕ КАТАЛИЗАТОРОВ ФАЗОВОГО ПЕРЕНОСА

Каталитическая активность индивидуальных диастереомеров цик-логексанокраун-эфиров и их смесей была исследована нами в реакции бензилхлорида с ацетатом калия в среде ацетонитрила (табл. 7):

краун-эфир

с6н5сн2с1 + СН3С00К ————>- с6н5сн2ооссн3

Установлено,: что наиболее высокой каталитической активностью, превышающей действие' 18-К-6, обладает диастереомер А ДЦГ-1б-К-6. Диастереомер В менее активен по сравнению с 18-краун-6 (18-К-б), а диастереомер С уступает по активности не только 18-К-6, но даже ДБ-18-К-6. Смесь изомеров А и В ДЦГ-18-К-6 (А:В 2:1) метше активна по сравнению с диастереомером А, но -превышает по активности диастереомер В. Индивидуальные цис- и транс-изомеры ЦГ-18-К-6 и БЦ-18-К-6 также различаются по каталитической активности: более активны цис-изомеры.

Таблица 7.

Каталитическая активность краун-эфиров*

Я п/п Краун-эфир Выход бензилаце-тата по ГЖХ, %

1. А-ДЦГ-18-К-6 85.4

2. В-ДЦГ-18-К-6 63.3

3. С-ДЦГ-18-К-6 35.3

4. Е-ДЦГ-18-К-6 46.7

5. ДЦГ-18-К-6 (см.из.) 73.8

6. ДЦГ-18-К-6 (Tex.Nl) 45.5

7. ДЦГ-18-К-6 (тех.Рй) 66.4

8. цис-ЦГ-18-К-6 56.7

9. транс-ЦГ-18-К-6 34.4

10. ЦГ-18-К-6 (см.из.) 49.2 -

11. ЦИС-НЦ-18-К-6 52.6

12. транс-БЦ-18-К-6 37.5

13. 18-К-6 78.4

14. Б-18-К-6 47.4

15. ДБ-18-К-6 42.2

16. Без катализатора 3.4

*мольное соотношение С-НсСН^С!: СН^СООК: краун-эфир 1:1.6:0.015 ь 0 а *

Техническая смесь ДЦГ-18-К-6, полученная гидрированием ДБ-18-К-б на катализаторе Рй/С, менее активна по сравнению со смесью изомеров А я В, но более активна по сравнению с технической смесью ДЦГ-18-К-6, полученной на катализаторе никель Ренея. По данным ТСХ в составе последней преобладает малоактивный изомер С (до 50%), а

содержание изомера А составляет всего 16%. Кроме того, в технических смесях циклогексанокраун-эфиров содержатся примеси продуктов гидрогенолиза, которые снижают относительную каталитическую активность макроциклов.

Применение метода МФК особенно выгодно в тех случаях, когда проведение реакции требует жбстких условий, например, для арилиро-ыния фенолов арилгалогенидами. Нами исследована каталитическая активность диастереомеров А, В, С ДЦГ-18-К-6 и 18-К-6 в реакции 3,4-дихлорнитробензола с пирокатехином (табл. 8):

„он

С1> сг

КдСОз,

"т,

краун-эфир

Таблица 8. Влияние краун-эфиров на выход 2-нитродибензо-п-диоксина

* п/п Краун-эфир Время, час Выход, %

1. А-ДЦГ-18-К-6 2 84.9

2. , В-ДЦГ-18-К-6 2 61 .7

3. С—ДЦГ—18-К-6 2 26.5

4. 18-К-6 2 59.0

5. 18-К-6 12 79.5

6. Отсутствует 2 13.6

7. Отсутствует 12 48.1

Можно видеть, что диастереомер А ДЦГ-18-К-6 и в этой реакции является наиболее активным катализатором. В присутствии каталитических количеств диастереомера В ДЦГ-18-К-6 и 18-К-6 конденсация идёт также довольно легко и позволяет получать 2-нитродибензо-гс-диоксин с выходами около 60%. При использовании диастереомера С ДЦГ-18-К-6 так же, как и в отсутствие катализатора, циклизация протекает менее селективно -с образованием смолообразных примесей. Проведение реакции 3,4-дихлорнитробензола с пирокатехином при 95°С в присутствии краун-эфира приводит к образованию наряду с диоксином 1,2-бис(2-хлор-4-нитробензокси)бензола (выходы 20 и 28% соот-ве тс твенно). с хх „Л0„

„он 01, +

'ОН С1'

18-К-6

¿Г

С1"

¿к.

-(Г

В отсутствие краун-эфира в последнем случае из реакционной смеси выделен только 2-нитродибензо-л-диоксин с выходом 47%. В сульфола-не 2-нитродибензо-гс-диоксин образуется с высоким выходом (79%) в мягких условиях (115°С, 4 часа, 18-К-6).

Известно, что обмен атомов хлора в перхлорароматических соединениях на фтор может быть осуществлен действием фторида калия в отсутствие растворителя при 300-500°С [Якобсон Г. Г. и др. 1964], либо в сульфолане при 230-245°С [Puller G, 1965]. Выходы продуктов при этом невысоки (30-50%), а процессы длительна.

Нами изучена каталитическая активность краун-эфиров в реакции октахлорнафталина (ОХН) с фторидом калия в сульфолане при 200°С (табл. 9). В результате реакции образуются октафторнафталин (ОФН) и продукты с меньшей степенью замещения атомов хлора в ОХН на фтор.

KF, краун-ефир

С1ПС1„ -->- С1ПРЯ + CinF7Cl + С1ПРо_пС1п

10 8 сульфолан, 200 С 10 8 10 7 10 8 n п

Таблица 9.

Влияние краун-эфиров на реакцию октахлорнафталина с фторидом калия*

J* п/п Краун-ефир Время реакции, час Выход с10р8, % Состав реакционной смеси, %

°10Р8 c10p7ci We-iW

1. А-ДЦГ-18-К-6 4 69.2 95.3 4.7 _

2. В-ДЦГ-18-К-6 Л 59.0 80.4 19.0 0.6

3. С-ДЦГ-18-К-6 4 25.8 46.3 47.3 6.4

4. 18-К-6 4 71 .0 92.0 7.8 0.2

5. 18-К-6 10 71 .8 98.1 1 .9 -

6. ДБ-18-К-6 4 59.4 54.1 42.2 3.7

7. ДБ-18-К-6 10 64.3 97.4 2.6 -

8. Без кат-ра 4 2.7 • 9.3 40.3 50.4

9. ТЛ *** Без кат-ра 14 51 .0 97.0 - -

* мольное отношение ОХН:краун-эфир 1:1; **п =2-6; ***лит. данные при 240-245°С [Puller G,'1965].

Установлено, что в присутствии изомера А ДЦГ-18-К-6 процесс замены атомов хлора в ОХН на фтор практически заканчивается за 4 часа. В случаях использования 18-К-6, ДБ-18-К-6 время реакции необходимо увеличить до 10 часов. Изомер С оказался наименее активным катализатором среди исследованных краун-эфиров.

Уменьшение относительного количества краун-эфира в 2 раза или замена сульфолана на диметилацетамид ведбт'к снижению выхода ОФН до 30-50%. Низкие выходы ОФН получены при проведении реакции в сульфолане при 150°С или в кипящих 1-метил-2-пирролидоне и ДМФА. В

ДМСО, ацетонитриле и нитробензоле замещения атомов хлора в ОХН на фтор практически не наблюдается.

Каталитическая активность изомеров А и В ДЦГ-18-К-6 в процессе замены атомов хлора в гексахлорбензоле (ГХБ) на фтор действием фторида калия изучена в сульфолане при 200°С (табл. 10).

С6С16 крзун-эфир >- С6Ге + С6Г5С1 + С6Р4С12 + С6Р3С13

При катализе изомером В ДЦГ-18-К-6 получена смесь тетрафтор-дихлорбензолов и трифтортрихлорбензолов, тогда как при использовании изомера А ДЦГ-18-К-6 образуются и более высокофторированные соединения [гексафторбензол (ГФБ) и пентафторхлорбензол]. Увеличение мольного отношения краун-эфир:ГХБ в 2.5 раза ведбт к повышению выхода ГФБ в 4 раза. Как и ожидалось, каталитическая активность смеси изомеров А и В ДЦГ-18-К-6 оказалась ниже по сравнению с активностью изомера А.

Таблица 10.

Влияние ДЦГ-18-К-6 на замещение хлора на фтор в гексахлорбензоле

Краун-эфир Соотн. молей кр:ГХБ Время реак., час Выход* C6F6' % Состав реакционной смеси, %

СбРб СсРсС1 О Э C6F4012 °бР3С13

ДЦГ-18-К-6** 0.6:1 10 4.8 5.0 24.6' 41 .0 28.7

А-ДЦГ-18-К-6 0.6:1 10 7.6 11 .0 33.6 34.8 18.0

А-ДЦГ-18-К-6 1:1 10 • 24.9 26.0 28.1 40.4 11 .5

А-ДЦГ-18-К-6 1 .5:1 10 34.3 37.0 33.2 21 .7 8.1

А-ДЦГ-18-К-6 1:1 5 3.0 5.8 25.5 48.0 15.2

В-ДЦГ-18-К-6 1:1 5 - - - 21 .4 70.6

♦ _____фф

по данным ГЖХ; смесь изомеров А и В (2:1).

Таким образом, каталитическая активность краун-эфиров в исследованных реакциях нуклеофильного замещения снижается в ряду: изомер А ДЦГ-18-К-6 > 18-К-6 > смесь А к В ДЦГ-18-К-6 > изомер В ДЦГ-18-К-6 > цис-ЦГ-18-К-6 > цис-БЦ-18-К-6 > изомер В ДЦГ-18-К-6 >

> Б-18-К-6 > ДБ-18-К-6 > изомер С ДЦГ-18-К-6 > транс-ЦГ-18-К-6 >

> транс-БЦ-18-К-6.

выводы

1. Разработан новый, технологически удобный метод синтеза цикло-гексанокраун-эфиров гидрированием ароматических аналогов на доступном палладиевом катализаторе. Метод освоен в Опытном химическом цехе НИОХ СО РАН и использован для производства опытных партий продуктов.

2. Методом ЯМР 13С исследован изомерный состав синтезированных циклогексанокраун-эфиров. Показано, что гидрирование бензокраун-эфиров на палладиевом катализаторе приводит к образованию смесей циа,транс-изомеров циклогексанокраун-эфиров с преимущественным содержанием цис-изомеров.

3. Предложены методы получения индивидуальных диастереомеров ди-циклогексано-18-краун-6 разделением их смесей.

4. Разработан метод синтеза диастереомеров циклогексанокраун-эфиров реакцией производных 1,2-циклогександиола с 1,2-диолами в условиях межфазного катализа. .

5. Исследована каталитическая активность диастереомеров циклогексанокраун-эфиров в реакциях этерификации, замены атомов хлора в перхлорароматических соединениях на фтор и конденсации. Показано, что наиболее активным катализатором является цис,сгш,цис-диасте-реомер дициклогексано-18-краун-6.

6. Синтезированы цис- и транс-изомеры бензоциклогексано-18-краун-6 с введбнными в молекулы нафтохинонильными хромофорными группами.

7. Разработаны технологически удобные методы получения 2-нитроди-бензо-n-диоксина и октафторнафталина в присутствии краун-эфиров, которые освоены в масштабах Опытного химического цеха НИОХ СО РАН и использованы для производства опытных партий продуктов.

Основное содержание диссертации изложено в публикациях:

1. Кусов С.З., Сметанина Л.М., Лубенец Э.Г., Хмельницкий А.Г. // Применение метода межфазного катализа в синтезе дициклогексил-18-краун-6. В кн. "IV Всесоюзный симпозиум по органическому синтезу." Тез. докл. М. 1984. С. 98.

2. Кусов С.З., Сметанина Л.М., Лубенец Э.Г., Хмельницкий А.Г. // Синтез дициклогексил-18-краун-6 с применением метода межфазного катализа. В кн. "II Всесоюзная конференция по химии макроциклов." Тез. докл. Одесса. 1984. С. 10.

3. Кусов С<.3., Лубенец Э.Г., Кобрина В.Н., Кобрин B.C., Егоров Е.М., Хмельницкий А.Г. // Дициклогексил-18-краун-6. Спектральные характеристики и хроматографическое поведение индивидуальных изомеров. В кн. "II Всесоюзная конференция по химии макроциклов." Тез. докл. Одесса. 1984. С. 29.

4. Кусов С.З., Лубенец Э.Г., Кобрин B.C., Хмельницкий А.Г. // Каталитическая активность диастереомеров дициклогексано-18-краун-6. Изв. АН СССР. Серия хим. 1986. JS 3. С. 709.

5. Кусов Q.3., Лубенец Э.Г., Кобрина В.Н., Хмельницкий А.Г.// Синтез октафторнафталина в присутствии краун-эфиров. Изв. Сиб. отд. АН СССР. Серия хим. наук. 1986. Вып. 3. С. 81.

6. Козлова Е.Ю., Кобрина В.Н., Кусов С.З. // Разделение и количественное определение диастереомеров 2,5,8,15,18,21-гексаокса-трицикло(20.4.009•14)гексакозана. В кн. "II Региональная конференция "Аналитика Сибири-86". Тез. докл. 1986. Ч. I. С. 35.

7. Козлова Е.Ю., Кобрина В.Н., Кусов С.З.' // Разделение и количественное определение диастереомеров дициклогексано-18-краун-6. Изв. Сиб. отд. АН СССР. Серия хим. наук. 1988. Вып. 1. С. 94.

8. Кусов С.З., Лубенец Э.Г., Семиколенов В.А., Кобрин B.C. Хмельницкий А.Г.// Синтез и изомерный состав алициклических краун-эфиров. Изв. Сиб.отд. АН СССР. Серия хим.наук. 1989. Вып. 4. С. 62.

9. Кусов С.З., Лубенец Э.Г., Шеремет О.П., Кобрин B.C. // Выделение цис-диастереомеров дициклогексано-18-краун-6 комплексооб-разованием с хлоридом кальция. Изв. Сиб. отд. АН СССР, серия хим. наук. 1989. Вып. 5. С. 40.

10. Кусов С.З., Лубенец Э.Г., Хмельницкий А.Г., Кобрин B.C.// Получение индивидуальных изомеров дициклогексано-18-краун-6 и их применение в органическом синтезе. В кн. "Перспективы развития малотоннажной химии. Региональная конференция Сибири и Дальнего Востока." Тез. докл. Красноярск. 1989. С. 3.

• 11. Kusov S.Z., Lubenets E.G., Komoukova L.M., Pavlova N.V.,

Eroshkin V.l., Kobrln V.S. // Synthesis and. properties oi N-(2-pi-peridino-1,4-naphtoquinon-3-yl)-4'-amine-1',2'-benzocrown-ethers. "15th International Symposium on Macrocyclic Chemistry." Abstracts. Odessa. 1990. P. 18.

12. Kusov S.Z., Kobrin V.S. // Synthesis of alicycllc crown-ethers from eis- and trans-isomers of 1,2-cyclohexanediol. "15th International Symposium on Macrocyclic Chemistry. Abstracts." Odessa. 1990. P. 47.

13. Кусов C.3., Лубенец Э.Г., Хмельницкий А.Г., Семиколенов В.А., Лихолобоз В.А., Ермаков Ю.И. //Способ получения и разделения

■ цис,син,цис- и цис,анти,цис-изомеров дициклогексано-18-краун-6. Авт. свид СССР * 1268583. Опубл. в Б.И. 1986. * 41.

14. Кусов С.З., Лубенец Э.Г., Хмельницкий А.Г., Кузовникова Л.А. // Способ получения 2-нитродибензо-n-диоксина. Авт. свид. СССР Ji 1009052. Опубл. в Б.К. 1991. * 7.

СР/Л