Синтез карбоновых кислот окислением простых эфиров азотной кислотой тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

| а ОН

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ АРМЕНИИ' ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

на правах рукописи

ШШУКЯН АЛИСА ТЕЛМАНОВНА УДК 547.812 + 547.84 + 546.175.323 + 547.27 + 547.296

СИНТЕЗ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ ОКИСЛЕНИЕМ ПРОСТЫХ ЭФИРОВ АЗОТНОЙ КИСЛОТОЙ

Специальность: 02.00.03 - органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Ереван-1991

Работа выполнена в Институте органической химии АН Р Армения

Научные руководители: доктор химических наук, профессор А.А.Геворкян

доктор химических наук, старший научный сотрудник М.С.Саргсян

Официальные оппоненты: доктор химических наук

С.Т.Кочарян

доктор химических наук,

профессор

В.С.Арутвнян

Ведущая организация: НПО "Наирит"

Защита состоится " / О<>.Уе.< £ 1991г. в 14 часов на заседании Специализированного совета (Д.005.14.01.) при Инст! туте органической химии АН Республика Армения

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОХ АН РА (375094, Ереван-94, ул.Камо 167а).

Автореферат разослан " /¿/^/Ve-l— 1991г.

Ученый секретарь Специализированного совета (Д.005.14.01),

к.х.н. Айрапетян С.М.

.1::'-Актуальность. Окисление - одно из наиболее важных и распространенных реакций органических соединений. Одним из дешевых, доступны! и применяемых в лабораторной практике и промышленности окислителей является азотная кислота. Ею окисляются алкены, спирты, эфиры, кетоны, альдегвды и целый ряд других производных углеводородов. Поэтому селективное окисление полифункциональных соединений, особенно тех, которые содержат эфирную группировку, является одной из важнейших проблем препаративной химии. Положение усугубляется тем, что основные закономерности окисления азотной кислотой самих эфиров не раскрыты и некоторые экспериментальные факты их поведения кажутся нелогичными. Одни эфиры окисляются очень легко, а другие - устойчивы к окислению. Иначе говоря, введение в углеводородную цепь такого электроноакцепторного атома как кислород, в одном случае неожиданным образом способствует, а в другом - столь же неожиданно противодействует окислению. Причина такого поведения различных представителей одного и того же класса соединений до сих пор не вывлена, что сильно затрудняет планирование и проведение новых синтезов с использованием азотной кислоты. В связи с вышеизложенным, выяснение закономерностей окисления эфиров азотной кислотой и движущих сил реакции является актуальной задачей.

Работа выполнена в рамках координационного плана по направлению 2.II. "Синтетическая органическая химия" в соответствии с планом научно-исследовательских работ ИОХ АН Армянской ССР № Гос. регистрации 8I0602I8 от 5.06.81.

Цель настоящего исследования - систематическое изучение окисления азотной кислотой органических соединений, содержащих простую эфирную группировку, поиск закономерностей между строением молекулы и ее химическим поведением. При этом, исследование планировалось так, что в нем много места занимали легкодоступные соединения, в том числе отходы и промежуточные продукты производства.

Научная новизна работы. Впервые осуществлено систематическое окисление азотной кислотой 1,3- и 1,4-диоксанов, ¿¿-^-.^-./-хлор-эфиров, диалкилэфиров и тетрагидрогшранов, и выяснены основные закономерности процесса. Анализ этих данных показывает, что имеется симбатная зависимость мезду электронными свойствами заместителей, примыкающих к эфирной связи С-О-С и региоселективностью окисления, а относительная легкость окисления простых эфиров

азотной кислотой обусловлена таким же взаимовлиянием р-электронов неподеленной пары кислорода и электронов связи ¿С-С-Н в фрагменте К' б-С-И ^скРытый°^~эФФект^> которое было обнаружено на примере дегидратации 1,2-гликолей и их эфиров.

Практическая ценность. Представления о движущих силах окисления простых эфиров азотной кислотой могут быть использованы для планирования новых синтезов.

В чисто практическом аспекте важное значение имеют следующие разработки: синтез З-гидрокси-З-метилглутаровой кислоты и мевало-нолактона из 4-метил-4-(^-гидроксиэтил)-1,3-диоксана (отход производства); £-метилкротоновой кислоты из 4,4-димвтил-1,3-диоксана; ^.уЗ-напредельньк кислот из ^-хлорэфиров; ^ -хлоркротоновой кислоты из хлористого аллила; яблочной кислоты из малеинового ангидрида. Некоторые производные этих соединений встречаются в природе и играют важные биохимические функции в жизнедеятельности животных и растений. Синтезирован ряд новых реактивов на основе указанных многотоннажных отходов и промежуточных продуктов производства.

Автор защищает следующие положения работы:

- представление о влиянии электронных эфиров заместителей на легкость и региоселективность окисления простых эфиров азотной кислотой;

- реакции окисления и^-галогенэфиров в </-»<)- и /-га-логенкарбоновые кислоты;

- реакция окисления 1,4- и 1,3-диоксанов в ^-гидроксикарбоновые кислоты;

- новые методы синтеза З-гидрокси-З-метилглутаровой, 3-гадрокси-изовалериановой, яблочной кислот, имеющих широкое прикладное .значение.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на "Региональной научно-технической конференции", Волгоград, 1988 г. и "У Всесоюзном симпозиуме по органическоцу синтезу", Москва, 1988 г.

Публикации. По теме диссертации имеется шесть публикаций.

Объем и структура диссертации. Работа изложена наШстр. машинописного текста, состоит из введения, трех глав, выводов и списка цитируемой литературы.

В первой главе (литературный обзор) обобщен литературный материал по окислению простых эфиров.

Во второй главе (обсуждение результатов) приведены результаты собственных исследований по окислению тетрагидропиранов 1,3- и 1,4-диоксанов, хлорэфиров и диалкилэфиров.

В третьей главе (экспериментальная часть) приведены методики экспериментов и некоторые физико-химические константы вновь синтезированных соединений. Далее следуют выводы и список цитируемой литературы,включающий 176 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава I. Окисление простых эфиров (обзор литературы)

В главе обобщен литературный материал, касающийся окисления простых эфиров различными окислителями. Обсуждены закономерности, механизмы и практическое значение процесса. Из литературы следует; что практически отсутствуют работы по систематическому изучению окисления простых эфиров азотной кислотой, что и составляет предмет настоящего исследования.

Глава П. ОБСЛДЕШЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

П.1. Окисление хлотаЗдтоов азотной кислотой. Синтез хлоркар-боновых кислот. Простые эффы, по сравнению с предельными углеводородами, окисляются азотной кислотой при более мягких условиях. Это в равной мере относится к циклическим аналогам (тетрагидрофу-ран, тетрагвдропиран и его производные) простых эфиров. Надо сказать, что известны и некоторые примеры простых эфиров, не склонных окисляться азотной кислотой. Известно, что при взаимодействии бис(4-нитрозометил-4-хлортетрагидропирана) с азотной кислотой при 60-65°С наряду с другими продуктами окисления всегда образуется и 4-карбокси-4-хлортетрагадропиран I. Последний является единственным продуктом при проведении окисления указанного тетрагидропира-на 50&-ной азотной кислотой при температуре 20°С.

(от ^

Неожиданным образом выяснилось, что кислота 1_ не окисляется в кислоту 2 даде после многочасового нагревания с 70%-ной азотной

кислотой при Ю0°С. Для установления причины инертности кислоты X

по отношению к азотной кислоте вовлекли реакцию с азотной кислотой ее метиловый эфир 3. Выяснилось, что в вышеприведенных условиях эфир 3 подвергается только гадролизу, по существу и в данном случае простая эфирная группировка гетероцикла не подвергается окислению.

Очевидно, что предотвращение окисления тетрагидропиранового цикла в обоих случаях обусловлено наличием хлорной и карбоксильной группировок (при условии, что во втором случае гидролиз эфира происходит быстрее, нежели окисление). Имея введу то обстоятельство, что нитрильная группа, как правило, гидролизуется труднее, чем сложноэфирная, окислению был-подвергнут 4-хлор-4-циантетра-гадропиран 4. Оказалось, что и в этом случае окисление тетрагидропиранового цикла не происходит; снова образуется кислота 1_ с выходом 97%.

Дальнейшие поиски в этом направлении показали, что предотвращение окисления об-углеродного атома простой эфирной группировки тетрагидропиранового цикла свойственно не только кислоте 4, оно носит общий характер для многих аналогично построенных молекул. При сравнении строения тетрагидропиранов 5, б, 7, 0 (которые как

известно легко окисляются) с теми, которые не окисляются, видно, что окисление предотвращается тогда, когда в положении тетрагидропиранового цикла присутствуют одновременно два электроноак-цепторных заместителя. Если это так, то и 4-гццрокси-4-циантет-

згидропиран 9 не должен окисляться. Как показывает эксперимент, | вйствительно, не только он, но и 4-циан-4-ацетилокситетрагедро-лран 10 не окисляются при кипячении с концентрированной азотной ислотой. Оба соединения при этом превращаются в кислоту II с вы-эдами 76^ и 80^, соответственно, но не в лимонную кислоту 13.

С целью выяснения, действительно ли электроноакцепторность ■ аместителей, находящихся в ^-положении тетрагадропиранового цик-з, является причиной предотвращения окисления эфирной группиров-л, наш изучено взаимодействие 4-гедрокси-4-цианметилтетрагцдро-трана 14 с азотной кислотой. Выбор этого модельного соединения Зусловлен тем, что в нем одна из электроноакцепторных групп на-здится в ¡^-положении по отношению к эфирной группировке и это, ) идее, должно влиять на ее реакционную способность. Действи- ■ зльно, нитрил 14, в отличие от нитрила 9 окисляется азотной кис-зтой с образованием трикарбоновой кислоты 15 с выходом 60%.

¡поставив эти данные с данными по окислению 4-гцдрокси-4-нетил-зтрагидропирана 8 и 4-метил-4-хлортетрагидропирана иожно утвер-1ать, что предотвращение окисления с(,-углеродного атот простой Мирной группировки в соединениях I, 3, 4, 9 и 10 действительно [условлено влиянием двух электроноакцепторных заместителей, на->дящихся в ^-положении тетрагцдропиранового цикла.

Если отдаление электроноакцепторных заместителей от реакционно центра способствует протеканию реакции окисления, то надо шагать, что приближение этих заместителей приведет к затрудне-ш окисления. Не имея под рукой способа получения соответствую-

10

- б -

щих ^-замещенных тетрагцдропиранов, указанное предположение проверили на примерах аналогично построенных ациклических эфиров. Надо было ожидать, что при взаимодействии азотной кислоты с бис-(2-цианэтиловым)эфиром 16 и бис-(2-хлорэтиловым)эфиром 17, где нитрильная груша и атом хлора находятся в ^-положении, процесс окисления не произойдет. Действительно, эфир 20 при реакции с 50% -ной азотной кислотой не окисляется в хлоруксусную кислоту 18, а динитрил 16 в аналогичных условиях подвергается только гидролизу с образованием дикислоты 19 с выходом 90$.

.0____ НМЬ, Л ^

л/с ^ см носс^^соон ио]'ъ

■ Примеры предотвращения окисления углеродного атома эфирной группировки электроноакцепторными группировками, находящимися в<>£-положении известны в литературе. Так, при взаимодействии диэти-ленгликоля 21 с азотной кислотой образуется только дигликолевая кислота 22.

Л-Л НСОС-СООН

М 22. Ж

Известно, что д-хлортетрагидропиран подвергается окислению при взаимодействии с азотной кислотой. Следовательно, электроно-акцепторность одного атома хлора недостаточна для предотвращения окисления об- и «¿-углеродных атомов тетрагидропиранового цикла. Естественно, возникает вопрос, как будет влиять атом хлора на реакцию окисления простых ациклических эфиров? Для выяснения этого вопроса исследовано окисление ряда ациклических и ¿Г-)

хлорэфиров азотной кислотой. Необходимость проведения этого исследования диктуется также тем,что, благодаря доступности последних, метод мог стать одним из наиболее удобных для получения с1~,

и ^-хлоркарбоновых кислот. Исследования показали, что метил-/-хлоракриловые эфиры 23 неожиданным образом, не окисляются 50%-ной азотной кислотой даже при многочасовом нагревании при 70-80°С

СНуОСНМ, СН, МА. ? 9

зл

Окисление имеет место при взаимодействии высших гомологов этого ряда 25 с образованием ^-хлоркарбоновых кислот 24 с выходами 50-Ш.

а о

+ сн.соон- ..

24: а. И*СчНъ\ ¿И*С5Ни

М- ; е. елНг; ¿Г зд • {,. .

Показано, что при дегидрохлорировании сложных эфиров этих кислот 26 под воздействием основания образуются сложные эфиры соответствующих транс'-е/,/-непредельных .кислот 27 с выходами 60-70$.

?! Лши ? X • _ 9

26 а-& ЯЛ а/

26. о..СчИ9,СхИ5- %.С;Ни,СгН,

я?. а. С,«,; <Г. С,И1и С^и, С целью получения ^^-непредельных кислот 28 непосредственно из /-хлоркарбоновых кислот 24"нами изучено дегидрохлорирование в присутствии ТгОН. Показано, что при нагревании 120-125°С смеси кислоты 24 с каталитическими количествами ТяОН происходит отщепление хлористого водорода с образованием, по данным спектра ПМР, транс-с^,/-непредельной кислоты 28 с выходом 10%. Аналогично реагирует и соответствующие сложные эфиры 26.

X Л. ТзОН~ 1 '

±¿■2° 23,29

Таким образом по существу найден стратегический подход трансформации терминальных алкенов в /-хлоркарбоновые и транс-^^-не-предельные кислоты, имеющие на один атом углерода больше, чем исходный олефин.

Как уже отмечалось, метил-^-хлоралкиловые эфиры 26 не окисляются азотной кислотой. Следует отметить, что в литературе известны примеры, где метиловые эфиры в реакциях окисления азотной кио-лотой инертны. С целью выяснения причины инертности эфиров 23 в

реакции окисления нами проведены аналогичные реакции и с рядом алкилметиловых эфиров 30.. Оказалось, что в вышеприведенных условиях эти эфиры легко окисляются азотной кислотой, образуя соответствующие жирные кислоты 31.

ясн.ос^ » ясоои я-ад. с9н„

В ¿1

Сопоставляя эти данные, становится очеввдным, что инертность метил-^-хлоралкиловых эфиров к азотной кислоте обусловлена не только наличием атома хлора в молекуле. При сравнении этих результатов с данными по окислению 4,4-дизамещенных тетрагедропи-ранов можно заметить, что электроноакцепторность атома хлора в ^-положении к эфирной связи в метил-^-хлоралкиловых эфирах 23 оказывает столь же достаточное влияние для предотвращения окисления «¿-углеродного атома той ветви, где он находится, как и две акцепторные группировки в 4,4-дизамещенных тетрагидрогшранах. В процессе окисления алкил-^-хлоралкиловых эфиров фактически участ вует та изсС-С-Н связей, которая испытывает влияние электронодо-норного заместителя.

Если наблюдаемая закономерность действительно имеет общий характер, то следовало ожидать, что варьирование положения атома хлора по отношению к эфирной связи приведет к изменению подвижности электронов связи <>С-С-Н и, в конечном итоге, к изменению региосе-лективности окисления эфиров. Подтверждающие эти предположения данные получены при взаимодействии некоторых и (Г-хлоралкило-вых эфиров. Как и надо было ожидать, поведение/-хлорэфиров в реакциях окисления азотной кислотой аналогично поведению ^-хлор-эфиров. Так, метил-^-хлорэтиловый эфир 32 не реагирует с азотной кислотой при многочасовом нагревании при 80-85°С, а этил-/-хлор-этиловый эфир 33 окисляется уже при 50°С с образованием хлорук-сусной кислоты 20 [74%).

^ «V"

22 0 22 ¿з.

Исследования показали, что алкил-^-хлоралкиловые эфиры независимо от характера алкильной группы (метильная, этильная и т.д.), в

отличие от и ^-хлорэфиров, подвергаются окислению при взаимодействии с азотной кислотой с образованием ^-хлоркарбоновых кислот. Так, метил-^-хлорбутиловый эфир 34 окисляется 50%-ной азотной кислотой при 45°С с образованием ^хлормасляной кислоты 35 с выходом 635?.

н^о, _ - - СН

см, а

■34 М 0

Исходя из этих результатов определенный интерес представляло вовлечение в эту реакцию ^»¿-дигалогенэфиров, легко получающихся присоединением ¡¿-галогенэфиров к аллиловым галогеницам. Окисление этих эфиров могло привести к ранее труднодоступным _Д^-дига-логенкарбоновым кислотам. Следует сказать, что ^,сГ-дихлорэфиры в реакции .„окисления азотной кислотой ведут себя так, как ^ -хлор-эфиры. Так, метил-^,({-дихлоралкиловые эфиры не окисляются, а этил-^-дихлоралкиловые эфиры 36 окисляются 50%-ной азотной кислотой с образованием кислоты 37а.б с выходами 52/5, 78%, соответственно.

а 36П/ с* а о

Я:. л-Н; ¿Щ

Аналогично ведет себя и этил-сГ-бром-^-хлорбутиловый эфир 38. В результате окисления образуется ^-бром-^-хлормасляная кислота 39 с выходом 72%.

а о

39

Как и надо было предполагать, полученные галогенкислоты наделены -богатыми синтетическими возможностями; легко дают реакции по карбоксильной группе и по связи С-галоген. Так, показано, что при взаимодействии указанных кислот с суспензией поташа образуют яепредельные лактоны 40а.б с выходами 60-66$.

Я ОН ■ Ч

x^KV КгС0'' )=] т R:a-Н; 6

а 0 X : СС,Вг

17а,<Г ЧйаЛ

Нами исследовано также дегвдрохлорирование дихлоркарбоновых кислот и их эфиров в присутствии ТзОН. Как и ожидалось дегвдрохлорирование в этих случаях происходит при более высокой температуре. Так, дегвдрохлорирование этилового эфира _Д^-дихлормасляной кислоты 41 происходит при 140-145°С с образованием этилового эфира ^-хлор-транс-кротоновой кислоты 42 (73$).

ОТ**** ■а2И-'

« о ^ О :

В вышеприведенных условиях бутиловый эфир ^-метил-^,^-дихлормас-ляной кислоты 43 также подвергается дегвдрохлорированию, однако вместо ожвдаемой непредельной кислоты образуется 4-метил-2,5-ди-гвдрофуран-2-он 406 с выходом 70$. Аналогичным образом реагирует и -дихлормасляная кислота 376. Выход в этом случае

составляет 31,8%.

СН

а 0 о 0 а 0

он

Изучено также дегвдрохлорирование сложных эфиров дигалогенкарбо-новых кислот в присутствии основания. Показано, что бутиловые эфиры ^.¿-дихлор- и ^ -бром-^-хлормасляннойкислот 44а.б при взаимодействии с бензольной суспензией порошкообразного гидроксида калия в присутствии катамина АВ превращаются в бутиловые эфиры J-хлор- и ^-бром-транс-кротоновые кислоты 45а,б. соответственно.

" ° ¡Ш/ 0

В аналогичных условиях дегвдрохлорирование бутилового эфира f-метил-Д^-дихлормасляной кислоты 46 приводит к образованию (по данным ПМР) смеси ? и Е изомеров бутилового эфира /-метил-j-

хлоркротоновой кислоты 47.

«НгЧ^'-Рг- сГу^Т0'"'

а а 0 а, о ¡а

С целью получения ¿.^дигалогенпропионовых кислот окислению подвергается этил-/,^-дигалогенпропиловые эфиры 48а.б. Выяснилось, что указанные эфиры легко подвергаются окислению с образованием соответствующих кислот 49а.б.

X - О

% т он

X

Окисление «¿-хлорэфиров азотной кислотой в принципе, должно протекать без каких-либо осложнений. Это наш показано на примере 2,3-дихлортетрагидропирана 50, который при нагревании с азотной кислотой превращается в 2-хлорглутаровую кислоту 51.

м. X I

СДв —

—

Эпихлоргидрин глицерина 52, являющийся своеобразным _/-хлорэфи-ром, ведет себя несколько иначе. По данным литературы, он окисляется 50^-ной азотной кислотой при 45-50°С с образованием хлор-молочной кислоты 52. Этот результат не является неожиданным, поскольку в условиях окисления эпихлоргидрина может образоваться З-хлор-1,2-пропацциол 53, который и окисляется до хлоркислоты 54.

О

иГУ^Ъ он

^ £1 л

В данном случае неожиданностью является то, что хлормолочная кислота 54, содержащая вторичную гидроксильную группу, в указанных условиях не подвергается дальнейшему окислению. Это наводит на мысль о том, что электроноакцепторные группы способны предотвращать окисление даже вторичной спиртовой группировки. Исходя из этого, мы изучили поведение молочной 55 и яблочной 54 кислот

^ Н

В2

ау^он

бъ

по отношению к азотной кислоте. Выяснилось, что они также не окисляются азотной кислотой. Исходя из этого, мы запланировали стратегический подход, ведущий к синтезу яблочной и молочной кислот через окисление 1,2-пропавдиола 57 и малеинового ангидрида 58 азотной кислотой. Оказалось, что у гликоля 57 первоначально окисляется вторичный углеродный атом; в результате чего получается не молочная, а уксусная кислота.

При взаимодействии же малеинового ангидрида 58 с 50%-ной азотной кислотой при 50-80°С происходит только изомеризация малеинового ангидрида в фумаровую кислоту 59 и лишь при более высоких температурах (100-Ю5°С) наблюдается предполагаемый результат - ангидрид 58 превращается в яблочную 56 (65%) и фумаровую 59 (30%) кислоты. Небезынтересно отметить, что обычно яблочную кислоту 56 получают из того же малеинового ангццрцда, но гидратация вдет лишь под давлением и при 180-200°С. Поэтому, обнаруженный нами факт, помимо теоретического, может иметь также практическое значение.

Таким образом, суммируя данные, полученные при окислении циклических и ациклических эфиров азотной кислотой можно утверждать, что на реакционную способность простых эфиров и на регио-селективность их окисления азотной кислотой сильно влияют электронные эффекты заместителей. Как и следовало ожадать, электроно-акцепторные заместители затрудняют окисление^-углеродного атома эфирной связи. Если это общая закономерность, то остается непонятной участие электронов связи о£-С-Н при окислении простых эфиров, так как именно они должны испытывать ацидифицирующее действие атома кислорода. Кроме того, исходя из легкости окисления простых эфиров азотной кислотой остается неясным значит ли это, что появление любого второго эфирного кислорода в молекуле приведет к еще большей ее уязвимости к окислению? Для выяснения

он

0 ¿5

сн}соон

этих вопросов, а также уточнения роли электронодонорных заместителей в реакциях окисления простых эфиров азотной кислотой нами исследовано окисление-различных диоксанов.

П.2. Окисление диоксанов. Синтез .Р-гидроксикарбоновых кислот Анализ литературных данных показывает, что известны молекулы, содержащие простую эфирную группировку, устойчивые к окислению концентрированной азотной кислотой. Кроме приведенных выше, другими иллюстративными примерами таких молекул является 1,4-диок-сан, и 2,5-дикарбокси-1,4-диоксан. Наиболее вероятным объяснением этого факта могут быть либо особое строение диоксана, либо то, что второй атом кислорода почему-то оказывает на процесс окисления не содействующее, а тормозящее воздействие. С целью выяснения причины этого явления нами исследовано окисление ал-килзамещенных 1,4-диоксанов азотной кислотой. Выяснилось, что монозамещенные 1,4-диоксаны 60а.б в отличие от самого 1,4-диок-сана окисляются 50^-ной азотной кислотой при 60°С с образованием соответствующей монокарбоновой 61а.б и щавелевой (80%) кислот.

-RC00H + НООС-СООН

61а,<Г 1S

60a..S ~

Еще легче протекает окисление 2,2-диметил-1,4-диоксана 62. Он окисляется уже при 35°С, с образованием d-гедрокси-изо-маслянной 63 и щавелевой 18 кислот.

П СН3 ОН

СИз CH?-ct°on + mc~cm

62 бз а

Полученные нами данные показывают, что 1,4-диоксаны могут быть окислены азотной кислотой и версия об устойчивости 1,4-диоксанов, обусловленная их особой структурой, отпадает. Следовательно, можно предположить, что инертность 1,4-диоксана по отношению к азотной кислоте обусловлена электроноакцепторным влияни-эм второго атома кислорода на подвижность электронов связи С-Н, который находится в ^-положении к первому атому кислорода. В соответствии с этим, в случае алкилзамещенных 1,4-диоксанов 60,62

V

электронодонорность алкильной группы компенсируют и перекрывают электроноакцепторное влияние второго атома кислорода и окисление системы азотной кислотой происходит. Сделанное нами предположение подтверждается и тем, что 1,4-диоксаны, содержащие одну или две карбоксильные группы, (соединения 65 и 66), в вышеприведенных условиях вовсе не окисляются.

О^СООН

Чл^ ?

а

о 65 НООС о^ 66

Исходя из вышеприведенных данных надо было ожвдать, что 1,2-ди-метоксиэтан 67, у которого оба атома кислорода также находятся по отношению друг к другу в вицинальном положении, также не окислдотся при взаимодействии с азотной кислотой. Действительно, соединение 67 не подвергается окислению 50^-ной азотной кислотой при 80°С.

сн,осн,сцосн3 н"Г ■ И м

И наконец, об электроноакцепторном действии второго атома кислорода в 1,4-диоксане (и аналогично построенных молекулах) говорит тот факт, что Ы-метилморфолин 68 также не окисляется азотной кислотой.

«А^А.

— 68 — 21 Логично было предположить, что удаление атомов кислорода друг от

друга должно привести к протеканию процесса окисления. Действительно, 1,4-диметоксибутан 69 легко окисляется азотной кислотой с образованием янтарной кислоты 70 с выходом 85^.

СНг01СНх)ч0СН*

69

Таким образом, электронодонорные заместители, находящиеся в юлекуле простого эфира способствуют, а электроноакцепторные, ;ак было обобщено в части П.1, противодействуют окислению.

Поскольку второй атом кислорода, находясь в /-положении по пношению к связи ОС-Н, противодействует участию последней в :роцессе окисления, то необходимо было выяснить его (второго тома кислорода) поведение, когда он находится в {¿-положении. В ачестве такой модели выбраны изомерные 1,4-диоксанам молекулы, оединения ряда 1,3-диоксанов, которые в,последние годы стали сключительно доступными. Выбор этих молекул продиктован также рактической важностью задачи, поскольку ее успешное решение поволило бы получить ряд карбоновых кислот, имеющих широкое при-падное значение. Исследования показали, что окисление 1,3-диок-ана и его производных вдет в гораздо более мягких условиях, чем случае 1,4-диоксанов. Так, 4,4-диметил-1,3-диоксан 72 50%-ной зотной кислотой окисляется при 25°С с образованием ^-гидрокси-зовалериановой кислоты 73 с выходом -85%.

ИМОь

Л31

ГК

он

СИ} «

72

аналогичных условиях окисление 4-метил-4-(_р~этоксиэтил)-1,3-оксана 74 приводит к образованию З-гвдрокси-З-метилглутаровой слоты 75 с выходом 72%.

5 5 о он о

у ^¿ч^ ,

» цц ££

делью получения З-гидрокси-З-метил-5-хлорвалериановой кислоты 4-метил-4-(^-гидроксиэтил)-1,3-диоксан 76 вовлечен во взаимо-1ствие с хлористым тионилом. При этом затрагивается только фоксильная группа с образованием 4-метил-4-(^-хлорэтил)-1,3-жсана 77. Последний при окислении азотной кислотой ведет себя

аналогично другим 1,3-диоксанам, превращаясь при 30-35°С в кислоту 78 с выходом 87%.

Таким образом показано, что 4,4-дизамещенные-1,3-диоксаны окисляются азотной кислотой с образованием _р-гидроксикарбоновых кислот и, тем самым найден новый удобный подход к синтезу таких кислот. Синтезированные /-гидроксикарбоновые кислоты являются ключевыми полупродуктами для различных синтезов. Так, 3-гидрокси-3-метилглутаровая кислота 75 является биохимическим препаратом. Другим важным биохимическим интермедиатом является мевалонолак-тон 89, который был наш .синтезирован взаимодействием 3-гццрокси-З-метил-5-хлорвалериановой кислоты 78 с поташем в присутствии катамина АВ в ацетоне с выходом 60%.

С практической точки зрения важное значение имеет и ^-гидрокси-изовалериановая кислота 73. При ее кислотной дегидратации образуется диметилакриловая кислота 80 с выходом 76%. Она, как и ее эфиры, является полупродуктом для синтеза замещенных циклопро-панкарбоновых кислот, а также лекарственных и душистых веществ. На ее основе в настоящее время за рубежом выпускаются в промышленном масштабе такие инсектициды, как нопинамин, аллетрин, био-аллетрин и другие пиретроиды.

Для сравнения относительной реакционноспособности 1,3-диок-санов и 1,4-диоксанов по отношению к азотной кислоте нами изучено также окисление 1,3-диоксана и 4-метил-1,3-диоксана. Исследование показало, что эти соединения также окисляются легко. Однако, в отличие от 4,4-дизамещенных-1,3-диоксанов, окисление на

90

дии образования р-гвдроксикарбоновой кислоты не останавлива-:н. В результате окисления образуются щавелевая и уксусная лоты, соответственно.

Г О на/О*

и —

НООС-СООН X 7'- сн3соои

■ С с, г

Исключительную легкость окисления 1,3-диоксана и его произ-ных азотной кислотой по сравнению с I,4-диоксаном можно было .яснить тем, что в этих условиях первоначально происходит гид-:из ацетальной группы с образованием соответствующего гликоля частности 82), который далее окисляется до кислоты 73.

нг сн, ^ ' си, о С^ НО^ОН ^^Ш^-ОН

72 82 «з

дует отметить, что против этой версии говорит тот факт, что сление продукта гидролиза 4,4-диметил-1,3-диоксана 72 - 3-ме--1,3-бутандиола 82, в отличие от исходного диоксана 72, про-одит лишь при 45-50°С и дает кислоту 72 с выходом 65%. Относительная легкость окисления I,3-диоксанов по сравнению ,4-диоксаном, а также содействующий эффект электронодонорных естителей на реакцию окисления эфиров азотной кислотой, наво-на мысль о том, что в I,3-диоксанах,по-видимому, второй атом лорода проявляет электронодонорные свойства, приводя к повы-ию электронной плотности связи С-Н ацетальной группы. Таким образом, обобщая данные, полученные при взаимодействии лических, ациклических эфиров и,1,3- и 1,4-диоксанов с азот-

кислотой, а также ряд литературных данных, можно придти к оду, что атом кислорода в эфирах каким-то образом повышает ктронную плотность в ¿-С-Н связи, за счет чего простые эфиры сляются азотной кислотой легче, чем аналогично построенные еводороды. На наш взгляд легкость и региоселективность окис-ия простых эфиров контролируется скрытым «¿-эффектом; окисле-с(.-углеродного атома является таким же электрофильным процес-, какой описан ранее для молекул, проявляющих обычный скрытый ффект.

- 18 -

и н

х-9 к-о-<х = я-о'-ск

кукмарил СИ/чцтии/ аС-Нуклг с<рк*л

Исходя из этих соображений становится логичным то, что 1,3-ди-оксаны наделены несравненно высокой реакционной способностью, чем изомерные им 1,4-диоксаны. Видимо, в случае 1,3-диоксанов электроны ацетальной связи С-Н испытывают двустороннее влияние неподеленных пар геминальных атомов кислорода, вызывая экзальтированно высокую реакционную способность.

К Я'

Инертность же 1,4-диоксана, диметоксиэтана и аналогично построенных молекул в реакциях окисления с азотной кислотой, по-видимому, можно объяснить тем, что в них влияние неподеленной электронной пары кислорода с лихвой компенсируется электроноакцеп-торным влиянием ^-кислорода (или другого акцептора).

И

сн.6г£-сн.оснг Г ж

□

ц й ^ О

■¿К* И У,

н сн,

Естественно возникает вопрос: достаточно ли наличие неподеленной пары электронов кислорода для окисления ^-углеродного атома простого эфира (разумеется в сравнительно мягких условиях) если отсутствуют электроноакцепторные группировки? Выяснилось, что нет. Как уже отмечено выше, некоторые метиловые эфиры (метил--¿-хлоралкиловые эфиры, диметоксиэтан, метоксиуксусная кислота) не окисляются азотной кислотой.

и и .. а о. и .. н

а*-снгс-сн-о-снл

// <*■ л НО' ос Л'

То есть, если<Х-углеродный атом не окисляется из-за наличия той или инрй электроноакцепторной группировки в или ¿/-положении субстрата, то остается непонятным почему не окисляется о(-углеродный атом эфирной группировки. Наши исследования показали, что

ам диметиловый эфир также проявляет более низкую реакционную гсособность, чем серный эфир. С учетом того, что метиловые эфиры этил, пропил и т.д.) легко окисляются азотной кислотой, стано-ится понятным, что для окисления углеродного атома, помимо присутствия атома кислорода в^-положении, необходимо также наличие чектронодонорного заместителя.

ВЫВОДЫ

. Исследовано окисление азотной кислотой органических соединений, содержащих простую эфирную группировку и установлены основные закономерности реакции. . Диалкиловые эфиры, как правило, окисляются с образованием кар-боновых кислот. При этом наблюдаются некоторые особенности: метилалкиловые эфиры окисляются легко пс месту с{-углеродного атома алкильной группы, а диметиловый эфир, циметоксиэтан и аналогично построенные эфиры в тех же условиях вполне устойчивы к окислению.

, Тетрагвдропираны с электронодонорными заместителями окисляются с образованием глутаровой кислоты и ее производных, а тетрагвдропираны , содержащие в ¿-положении две электроноакцептор-ныэ группировки, не подвергаются окислению даже при кипячении. , Алкилхлоралкиловые эфиры, независимо от положения хлора в углеродной цепи, окисляются азотной кислотой с образованием хлоркарбоновых кислот. На основании этого наблюдения предложены простые методы получения (иногда малодоступных) и иЗ-хлоркарбоновых и /,/-дигалогенкарбоновых кислот на основе доступных исходных галогенэфиров.

Метилхлоралкиловые эфиры, в отличие от алкилхлоралкиловых эфи-ров не окисляются азотной кислотой, если атом хлора находится в/- или (/-положениях. Атом хлора в </- и последующих положениях (к эфирной связи) не создает помех окислению эфиров в хлоркарбоновые кислоты.

Алкилзамещенные 1,4-диоксаны, в отличие от самого 1,4-диокса-на окисляются азотной кислотой с образованием карбоновых кислот. 1,4-Диоксаны, содержащие электроноакцепторные заместители, в тех же условиях не окисляются.

В отличие от 1,4-диоксана, 1,3-диоксан и его производные окисляются азотной кислотой легко. В результате окисления получа-

ются .¿-гвдроксикарбоновые кислоты. На основе этой реакции ра работаны простые способы получения ^з-гвдроксиизовалериановой З-гцдрокси-З-метилглутаровой кислот, а также мевалонолактона исходя из 4,4-диметил-1,3-диоксана и 4-метил-4-(^-гидрокси-этил)-1,3-диоксана. Окисление 1,3-диоксанов азотной кислотой происходит непосредственно, минуя стадию гвдролиза ацетально группы.

П. Показано, что относительная легкость окисления простых эфиро азотной кислотой обусловлена скрытым «^-эффектом.

Ш. Исходя из закономерностей, выявленных при окислении простых эфиров азотной кислотой, разработаны новые методы синтеза: Р гидроксикарбоновых кислот, в частности >-гидрокси-/-метилглу таровой и .р-гидроксиизовалериановой кислот, и о>-хло

карбоновых,/-,^-дигалогенкарбоновых, яблочной кислот и мева лонолактона.

1. Саргсян М.С., Манукян А.Т., Мкртумян С.А., Геворкян A.A. Предотвращение окисления эфиров азотной кислотой под влияние <к-,р- и </-нитрильной и карбоксильной групп// Арм.хим.ж.-1987 Т.40.-Ю 9.-С.548-552.

2. Геворкян A.A., Саргсян М.С., Мкртумян С.А., Петросян К.А., Манукян А.Т. Синтез карбоновых кислот окислением отходов и промежуточных продуктов производства изопрена из изобутилена Региональная науч.технич.конф.: Тез.докл.-Волгоград.-2&-29 июня 1988г.-С.б.

3. Геворкян A.A., Саргсян М.С., Хизанцян Н.М., Манукян А.Т., Мкртумян С.А. Синтез карбоновых кислот окислением хлорэфиров азотной кислотой// У Всесоюз.симпозиум по органическому синт эу: Тез.докл.-М.-12-14 декабря 1988г.-С.67.

4. Саргсян М.С., Манукян А.Т., Хизанцян Н.М., Геворкян A.A. Синтез хлоркарбоновых кислот окислением и ^-хлорэфиров азотной кислотой// Арм.хим.ж.-1989.-Т.42.~.» 6.-С.397-400.

5. Саргсян М.С., Манукян А.Т., Мкртумян С.А.,-Геворкян A.A. Син тез мевалонолактона из 4-0з-гвдроксиэтил)-4-метил-1,3-диокса на// Ж.П.С.-1990.-№ I.-С.31-32.

6. Геворкян A.A., Манукян А.Т., Саргсян М.С. Синтез и некоторые реакции А/-дигалогенбутановых.кислот//Ары.хим.ж.-1990.-Т.43

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

№ 6.-С.390-393.