Гидрокарбалкоксилирование алкенов в присутствии фосфиновых комплексов палладия при низких давлениях оксида углерода тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.15 ВАК РФ

62 12/14

КАЗАХСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. АЛЬ ФАРАБИ

УДК 544.41: 544.342 + 542.9

На правах рукописи

Шалмагамбетов Каиржан Мустафинович

ГИДРОКАРБАЛКОКСИЛИРОВАНИЕ АЛКЕНОВ В ПРИСУТСТВИИ ФОСФИНОВЫХ КОМПЛЕКСОВ ПАЛЛАДИЯ ПРИ НИЗКИХ ДАВЛЕНИЯХ ОКСИДА УГЛЕРОДА

02.00.15 - химическая кинетика и катализ

диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

а

Научный руководитель: _ 1 доктор химических наук, -,ст 1 профессор X.А. Суербаев

—х - -j. 1

№9-

Научный консультант: член-корр. HAH PK, доктор технических наук, профессор К.А. Жубанов.

Республика Казахстан Алматы 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ,

СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ..........................4

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................5

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР......................................................7

1.1. Синтез сложных эфиров карбоновых кислот карбонили-рованием олефинов оксидом углерода и спиртами в присутствии гомогенных металлокомплексных катализаторов с фосфорсодержащими лигандами................ 7

1.2. Синтетические душистые вещества на основе сложных эфиров карбоновых кислот......................... 18

2. КАРБОНИЛИРОВАНИЕ АЛКЕНОВ ОКСИДОМ УГЛЕРОДА И СПИРТАМИ В ПРИСУТСТВИИ КАТАЛИТИЧЕС-СКИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ФОСФИНОВЫХ КОМПЛЕКСОВ ПАЛЛАДИЯ.................................... 42

2.1. РаС12(РР11з)2. Каталитические системы РаС12(РРЬз)2-РРЬз

и РсЮ12(РРЬз)2-п-Т80Н......................................................47

2.1.1. Гидрокарбэтоксилирование изобутилена оксидом углерода и этанолом................................................................48

2.2. Каталитическая система РаС12(РРЬ3)2-РР11з-п-Т80Н............50

2.2.1. Гидрокарбэтоксилирование изобутилена оксидом углерода и этанолом. Оптимальные условия реакции........ 50

2.2.2. Гидрокарбалкоксилирование алкенов-1 оксидом углерода

и спиртами........................................................................54

2.3. Каталитическая система РёСЬ-РРЬз-п-ТзОН....................55

2.3.1. Гидрокарбэтоксилирование изобутилена оксидом углерода и этанолом................................................................57

2.3.1.1. Предварительная активация каталитической системы плавлением..........................................................................57

2.3.1.2. Оптимальные условия реакции..........................................59

2.3.1.3. Стабильность катализатора............................61

2.3.2. Гидрокарбалкоксилирование алкенов-1 оксидом углерода 63 и спиртами....................................

2.3.3 Разработка лабораторного регламента получения этилового эфира изовалериановой кислоты................. 64

2.4. Другие каталитические системы на основе фосфиновых комплексов палладия, кобальта и никеля..........................64

2.5. О механизме реакции гидрокарбалкоксилирования оле-финов оксидом углерода и спиртами в присутствии гомогенных катализаторов на основе фосфиновых комплексов палладия........................................................................64

3. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДУШИСТЫХ ВЕЩЕСТВ НА ОСНОВЕ СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ ЖИРНЫХ КИСЛОТ, ПОЛУЧЕННЫХ РЕАКЦИЕЙ ЭТЕРИ-ФИКАЦИИ ПОСЛЕДНИХ СПИРТАМИ (ПРОМЫШЛЕННЫЙ СПОСОБ) И РЕАКЦИЕЙ ГИДРОКАРБАЛКОКСИЛИРОВАНИЯ ОЛЕФИНОВ ОКСИДОМ УГЛЕРОДА И СПИРТАМИ (ПРЕДЛАГАЕМЫЙ СПОСОБ) . . 69

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ......................................78

4.1. Синтез исходных соединений............................................78

4.2. Эфиры жирных кислот......................................................81

4.3. Лабораторный регламент получения этилового эфира изовалериановой кислоты..................................................98

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................116

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........... 120

ПРИЛОЖЕНИЕ..............................................................................131

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ

ГЖХ - газо-жидкостная хроматография д.- дублет

ИКС - инфракрасная спектроскопия квад. - квадруплет Кт - катализатор м. - мультиплет м - мета

МКт - металлокомплексный катализатор

МКФЛ - металлокомплексы с фосфорсодержащими лигандами н. - нормальный о - орто п- пара

ПМР - протонный магнитный резонанс с. - синглет сеп. - септет т. - триплет

ЯМР - ядерный магнитный резонанс

Ас - ацетил

Асас - ацетилацетонат

А1к - алкил

Аг- арил

Ви - бутил

Шор - 4,5-бис(дифенилфосфинметил )-2,2-диметил-1,3-Диоксалан

с1рре - 1,2-бис(дифенилфосфин)этан

ёррт - бис(дифенилфосфин)метан

Е1 - этил

\ - изо

Ь - лиганд

Ме - метил

Р11 - фенил

Рг - пропил

Я - замещаемая группа

Тб - тозил

ВВЕДЕНИЕ

Синтезы органических соединений на основе окиси углерода - обширная и перспективная область основного органического синтеза. Эта важная область синтетической органической химии непрерывно развивается и с каждым годом приобретает все большее практическое значение. На основе окиси углерода можно получать практически все кислородсодержащие органические соединения, являющиеся ценным сырьем для синтеза лекарственных препаратов, пестицидов, пластических масс, синтетических волокон и т.д. Использование окиси углерода в качестве сырьевой базы промышленности основного органического синтеза позволит успешно решить задачи по рациональному использованию природных ресурсов и удовлетворению растущих потребностей народного хозяйства страны в вышеназванных продуктах. Важно отметить, что вовлечение окиси углерода, являющегося многотоннажным вредным выбросом многих промышленных производств республики (производство желтого фосфора, карбида кальция и др.), в полезный производственный процесс имеет огромное природоохранное значение.

Подавляющее большинство синтезов на основе окиси углерода являются каталитическими. Наибольший интерес и практическое значение представляют гомогенно-каталитические синтезы на основе окиси углерода в присутствии комплексов переходных металлов. Среди этих синтезов, несомненно, лидирующее место принадлежит синтезам кислородсодержащих соединений карбонилированием органических соединений окисью углерода, многие из которых легли в основу крупномасштабных промышленных производств спиртов, альдегидов, кар-бон!<;шрб(1шга[иравшиироивфвдсшхоксидом углерода и спиртами в условиях гомогенного катализа позволяет легко и удобно синтезировать в одну стадию сложные эфиры карбоновых кислот. Последние находят многообразное практическое применение. Некоторые из них обладают биологической активностью и входят в состав лекарственных средств (валидол, корвалол и др.) или же являются ценными полупродуктами для их синтеза. Многие сложные эфиры обладают характерным запахом и широко применяются как душистые вещества в качестве пахучих компонентов в производстве парфюмерных и косметических изделий, мыла, синтетических моющих средств, пищевых и других продуктов.

Как известно, после распада Советского Союза Казахстан, практически не имеющий фармацевтической промышленности, испытывает определенные трудности в обеспечении своего населения лекарственными средствами и вынужден в настоящее время принимать меры по организации собственного производства лекарственных препаратов. В республике также полностью отсутствует производство душистых веществ. 97 % необходимого количества медикаментов и 100% необходимого количества потребности в

синтетических душистых веществах республика импортирует из ближнего и дальнего зарубежья. В связи с вышеизложенным исследования в области разработки экономичных и совершенных новых технологий получения душистых веществ, лекарственных препаратов или полупродуктов для синтеза последних являются весьма актуальными.

В работе проведены исследования по разработке нового, эффективного и конкурентоспособного способа получения ряда душистых веществ на основе сложных эфиров жирных кислот, один из которых (этилизовалерат) является ценным полупродуктом для синтеза лекарственного вещества -этилового эфира а-бромизовалериановой кислоты (основного действующего компонента лекарственного средства корвалол). Исследована реакция гидроэтерификации алкенов-1 оксидом углерода и спиртами при низких давлениях СО (7-30 атм) в присутствии различных каталитических систем на основе фосфиновых комплексов палладия; определена наиболее оптимальная из последних. Разработаны новый эффективный одностадийный способ синтеза и на основе последнего новая технологическая схема получения душистых веществ на основе сложных эфиррисиерртщжя кшшлит из введения, основной части, заключения, списка использованных источников и приложения. Первый раздел основной части посвящен литературному обзору, в котором рассмотрены синтез сложных эфиров карбоновых кислот карбонилированием олефинов оксидом углерода и спиртами в присутствии металлокомплексных катализаторов с фосфорсодержащими лигандами и синтетические душистые вещества на основе сложных эфиров карбоновых кислот. Во втором и третьем разделах обсуждаются результаты настоящей работы. Четвертый раздел посвящен экспериментальной части. В приложении приведены результаты независимого анализа сторонней организацией (НИИ синтетических и натуральных душистых веществ, г.Москва) состава душистых веществ, синтезированных новым способом. В работе принята сквозная нумерация разделов, соединений, таблиц и рисунков.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Литературный обзор состоит из двух разделов. Предметом первого раздела является синтез эфиров карбоновых кислот карбонилированием олефи-нов оксидом углерода и спиртами в присутствии гомогенных металлоком-плексных катализаторов с фосфорсодержащими лигандами. Второй раздел посвящен синтетическим душистым веществам на основе сложных эфиров карбоновых кислот. Выбор тем литературного обзора обусловлен содержанием настоящей работы.

1.1. Синтез сложных эфиров карбоновых кислот

карбонилированием олефинов оксидом углерода и спиртами в присутствии гомогенных металлокомплексных катализаторов с фосфорсодержащими лигандами

Сложные эфиры карбоновых кислот, представляющие общирный и важный класс органических соединений, широко распространены в природе (эфирные масла, жиры, воски, фосфатиды, таннины) и находят многообразное практическое применение (растворители, экстрагенты, приготовление лаков и олиф и т.д.). На основе полиэфиров полифункциональных кислот и многоатомных спиртов производятся многие смолы и синтетические волокна. Эфиры низших и средних карбоновых кислот с низшими и средними спиртами, обладающие приятным запахом, применяются как душистые вещества для парфюмерно-косметических изделий и ароматических пищевых эссенций (см. второй раздел литературного обзора) /1-3/. Некоторые сложные эфиры обладают биологической активностью и применяются в производстве лекарственных средств (валидол, корвалол и др.) /4,5/.

Широкий круг лекарственных средств содержит в своем составе соединения, в молекулы которых входит сложноэфирная группа. Например, мест-ноанестезирующие средства (новокаин, анестезин, дикаин), тропоновые, ин-доловые алкалоиды, много кортикостероидные препараты, некоторые гормоны и витамины характеризуются наличием в их молекулах сложноэфир-ных групп 161. В качестве примеров можно привести также соединения (1)-(5), обладающие противовоспалительным, анальгетическим и жаропонижающим действием /7-11/.

сн, О

сн.

-€Н—С—О-СН —СН—ОЯ

СНз

с=о

РИ

(1)

Я=Н, алканоил, СОРЬ

СНз О -€Н-С-0

СН,

СНзО

СН

СНз СНз

(2)

СН2СН=СМе2

СНз - СН - СН2 - СН2 - СООЕ1 СНз - СН - СООЕ1

Е181Ви2

НСМе

I

СО (Ж2

(4)

Е181Ви2

(5)

(3)

И2= алкил, алкоксиалкил, циклоалкил, тетрагидрофурил.

Для синтеза сложных эфиров имеется ряд широкоизвестных синтетических методов. Наиболее важными из них являются этерификация, ацилиро-вание спиртов и фенолов, ацидолиз и алкоголиз сложных эфиров, переэте-рификация сложных эфиров, алкоголиз нитрилов и алкоксикарбонилирова-ние электрофильного атома углерода оксидом углерода и спиртами (схема 1) /12/.

О

СО Я2ОН II

Я!3С+-►я13сс+о -►Я^С—С - оя2

Схема 1

Последний способ, осуществляемый на практике в условиях гомогенного металлокомплексного катализа, открывает возможность прямого синтеза сложных эфиров из алкил - и арилгалогенидов (схема 2).

О

МКт || Я1 На1 + СО + Я2ОН-►Я1 — С—ОЯ2 + ННа1

Схема 2

В этом способе успешно используются гомогенные катализаторы на основе фосфиновых комплексов палладия. Например, взаимодействием п-ди-хлорбензола с оксидом углерода и метанолом в присутствии в качестве катализатора РёС12(РРЬ3)2 и АсОН при температуре 80 °С и давлении СО 14 атм получают диметилтерефталат с выходом 52 % /13 /:

О

МКт

С1-</ —С1+2СО+2СН3ОН-»СН30—С

Важным методом получения сложных эфиров является реакция окислительного карбонилирования олефинов, осуществляемая также в условиях гомогенного катализа /14/. Окислительное карбонилирование соединений с двойными связями (в том числе незамещенных и замещенных олефинов и диенов) приводят к получению карбоновых кислот или сложных эфиров в результате взаимодействия олефина (диена), монооксида углерода и воды (или спирта) в присутствии окислителя. В подавляющем большинстве таких процессов используются катализаторы на основе системы РсЮ2 -СиС12. В качестве примера можно привести синтез эфиров коричной кислоты (алкил-циннаматов) из стирола, монооксида углерода и спирта /15/:

рась—сись

С6Н5СН=СН2+СО+1 /202+Я0Н-► с6н5сн=снсооя+н2о

Медный сокатализатор служит для повторного окисления (реокисления) палладиевого катализатора, который в ходе процесса восстанавливается до нульвалентного состояния:

Рс1° + 2СиС12 -► 2СиС1 + Рс1С12

Хлорид меди (I) окисляется кислородом, регенерируя СиС12: 2СиС1 + 1/202 + 2НС1 —► 2СиС12 + Н20

Общепринят следующий механизм реакции окислительного карбонили-рования олефинов, где ключевой стадией является первоначальное образование в каталитическом цикле карбалкоксилатного комплекса ХРёСООЯ (6) в результате взаимодействия Рс1Х2 с СО и ИОН:

СО, БЮН С2Н4 1МХ2-►ХРсЮООЯ-►ХРаСН2СН2СООЯ-СН2=СН^СООК+Р(10+НХ

-нх

(6)

Анализ литературных данных позволяет сделать заключение о том, что на настоящий момент, по-видимому, наиболее перспективным методом синтеза сложных эфиров является карбонилирование ненасыщенных соединений (олефинов, ацетиленов) оксидом углерода и спиртами в присутствии металлокомплексных катализаторов (реакция гидроалкоксикарбонилирова-ния олефинов и ацетиленов) (схема 3).

МКт

ЯСН = СН2 + СО + Я'ОН-►ЯСН2СН2СООЯ' + ЯСН(СН3)СООЯ'

Схема 3

Преимуществом этого метода синтеза сложных эфиров является относительная доступность исходных реагентов (алкены, спирты, оксид углерода) и возможность влияния на ход реакции варьированием условий проведения процесса и природы металлокомплексных катализаторов. В качестве последних часто и успешно используются металлокомплексы с фосфорсодержащими лигандами ( МКФЛ ) /16-23/.

МКФЛ являются исключительно важными лигандами во многих каталитических системах на основе комплексов металлов /20,22,23/. Со времени открытия в середине шестидесятых годов каталитической активности в органических растворителях трис(трифенилфосфин)хлорродия (I) Ш1С1(РР11з)з в реакции гидрирования алкенов и алкинов в исключительно мягких услови-

ях (при комнатной температуре и атмосферном давлении) /24-26/ начались интенсивные исследования каталитических реакций с участием МКФЛ. Комплекс Ш1С1(РР11з)з (катализатор Уилкинсона) является одним из наиболее активных и универсальных катализаторов, известных в настоящее время.

В настоящее время на основе использования МКФЛ освоен ряд промышленных процессов. В качестве примера можно привести процесс гидроформилирования олефинов (оксосинтез) (схема 4), катализируемый комплексами родия с три(м-сульфонатофенил)фосфином /16, 17/. Этим способом в мире производится свыше 4 млн. т альдегидов и их производ-ныхМКФЛ успешно применяются и в практике лабораторного органического синтеза. Например, нашли применение в л^боркторном органическом синтезе комплексы РЬС1(РРЬз)3 (реакция гидрирования олефинов, 25 °С, 1 атм), №С12 (фре)г (активация арилгалогенидов в реакции с реагентами Гриньяра и литийалкилами, 25 °С) и РёС12(РР11з)2 (реакция активирования метиленовых соединении, 50 °С, 1 атм; алкоксикарбонилирование арилгалогенидов, 60-100 °С)/17/.

. / МКФЛ

^ с=с + со + н2 ——с—с—с ^ ^ I I ^Н

Схема 4

Многие катализаторы на основе МКФЛ обладают избирательностью и высокими регио-, энантио- и диастереоселективностями, что позволяет их широко использовать в асимметрических синтезах. Последние являются исключительно важными в фармацевтической промышленности, носколько зачастую оптические изомеры имеют заметную разницу в биологической активности. Только один оптический изомер хиралы-юго лекарственного препарата может обладать необходимой терапевтической активностью, тогда как другой "неактивный" изомер может быть не просто неактивным, но и в некоторых случаях даже вредным. Успехи в области применения МКФЛ в асимметрических синтезах были тесно связаны с успехами в синтезе оптически активных третичных фосфинов с хиральным атомом фосфора ( Р- хи-ральные трет, фосфины ) /27,28/. Наряду с Р-хиральными третичными фос-финами эффективны в асимметрическом синтезе также более доступные С-хираль�