CC BY
99
Низкомолекулярные соединения
УДК 547.563
АЛКИЛИРОВАНИЕ п-КРЕЗОЛА КАМФЕНОМ ПОД ДЕЙСТВИЕМ АЛЮМИНИЙСОДЕРЖАЩИХ КАТАЛИЗАТОРОВ
© И.Ю. Чукичева , И.В. Федорова, О.А. Шумова, А.В. Кучин
Институт химии Коми научного центра Уральского отделения РАН, ул. Первомайская, 48, Сыктывкар, 167982 (Россия) e-mail: [email protected]
Изучено алкилирование п-крезола камфеном в присутствии алюминийсодержащих катализаторов: (/-Prü)3Al, AlH3, AlCl3, (/-Bu)2AlH, EtAlCl2, LiAlH4. Показано, что изопропилат алюминия является селективным катализатором для получения орто-изоборнилфенола, но по активности не превосходит фенолят алюминия.
Ключевые слова: крезол, камфен, алкилирование, катализ, терпенофенолы.
Работа выполнена при поддержке Федерального агентства по науке и инновациям (государственный контракт №02.740.11.0081).
Введение
Высокой селективностью орто-алкилирования фенолов обладают некоторые алюминийсодержащие гомогенные катализаторы, среди которых одним из наиболее активных является фенолят алюминия. Большое число работ посвящено применению соединений алюминия в реакциях алкилирования фенолов. В основном это феноксиды алюминия [1, 2], а в качестве олефинов используются изобутеленовые фракции и 2-замещенные алкены [3-5]. При этом реакция проходит с высокой региоселективностью и хорошим выходом. Из литературных данных известно, что алюминийсодержащие соединения легко взаимодействуют с фенолом и приводят к смешанным феноксидам алюминия [6].
Использование в качестве алкилирующих реагентов терпеновых соединений, отличающихся необычайной склонностью к различным скелетным перегруппировкам, вносит большое своеобразие в реакции алки-лирования и выделяет терпенофенолы из общего класса алкилфенолов.
Ранее нами было установлено, что алкилирование пара-крезола камфеном в присутствии крезолята алюминия проходит с высоким выходом орто-изоборнилфенолов (84%) [7]. Было важно провести сравнительное исследование различных алюминийсодержащих соединений в алкилировании фенола. Кроме того, ставилась практическая задача разработки удобного и эффективного метода синтеза 2,6-диизоборнил-4-метилфенола, который обладает широким спектром фармакологической активности [8, 9].
Экспериментальная часть
Спектры ЯМР 1Н и 13С полученных веществ записывали на спектрометрах Bruker AM-300 (рабочая частота 75 и 300 МГц соответственно) в дейтерохлороформе. В качестве внутреннего стандарта использовали сигналы хлороформа (5Н 7,26 м.д., 5С 77,00 м.д.) Отнесение сигналов выполняли с использованием спектров ЯМР 13С, записанных в режиме JMOD, а также в ряде случаев с привлечением методов двумерной спектроскопии ЯМР (эксперименты COSY и HETCORR).
* Автор, с которым следует вести переписку.
Контроль чистоты исходных терпенофенолов и анализ летучих продуктов реакций осуществляли методом ГЖХ на хроматографе Shimadzu GC-2010AF с использованием капиллярной колонки SLB™-5ms (Supelco, 60 м х 0,25 мм х 0,5 мкм, фаза: поли{5% дифенил/95% диметилсилоксан}, температурный режим 135-255 и 85-250 °С, нагрев 6 °С в минуту), детектор пламенно-ионизационный; газ-носитель - гелий.
Тонкослойную хроматографию (ТСХ) выполняли на пластинках Sorbfil (элюент - гексан, гексан : Et20 в соотношениях 5 : 1, 3 : 1). Разделение продуктов реакций проводили с помощью колоночной хроматографии на силикагеле производства Alfa Aesar (70/230д).
Алкилирование п-крезола камфеном (общая методика). Во всех случаях брали исходные компоненты -пара-крезол 1 и камфен 2 в мольном соотношении 1 : 2 соответственно.
Рассчитанные количества пара-крезола 1, камфена 2 и катализатора нагревали при заданной температуре в двугорлой колбе, снабженной термометром и обратным холодильником. Реакцию вели до полной конверсии исходного п-крезола 1 (контроль по ГЖХ и ТСХ). По окончании реакции реакционную смесь охлаждали, растворяли в диэтиловом эфире, промывали два раза раствором HCl для разложения катализатора. Эфирный экстракт промывали 5%-ным раствором NaOH для связывания непрореагировавшего исходного п-крезола, водой до нейтральной реакции. Органический экстракт высушивали безводным Na2SO4, растворитель упаривали при пониженном давлении. Смесь продуктов реакции разделяли методом колоночной хроматографии на силикагеле (Silica gel 70/230 д, элюент - петролейный эфир-E^O с увеличением доли последнего).
При использовании в качестве катализатора LiAlH4 контроль за ходом реакции вели методами ГЖХ и ТСХ и обнаружили, что реакция не идет.
Этилдихлоралюминий EtAlCl2 (Al - 1 и 0,2%) был использован в качестве сокатализатора для крезолята алюминия (4-CH3-Ph0)3Al.
Условия проведения алкилирования и выход продуктов представлены в таблице. Спектральные характеристики выделенных терпенофенолов (3-5) соответствуют литературным данным [10].
Обсуждение результатов
В представленной работе приведены результаты исследований реакции алкилирования пара-крезола 1 камфеном 2 в присутствии различных алюминийсодержащих соединений при разных температурах (схема 1, таблица).
OH
О
о'
OH
R
4(a-d)
OH
R
5(a-c)
+
+
1
R = (a) й
10-
(b) /3
/2.
7
8
Конденсация п-крезола 1 и камфена 2 в присутствии изопропилата алюминия проходит при 180 °С с образованием до 69% диалкилированных продуктов (таблица). В качестве основного продукта выделен 2,6-диизоборнил-4-метилфенол 5(а) с выходом 52%. Выход 2-изоборнил-4-метилфенола 4(а) составил 26%.
При использовании (/-РгО)3А1 сначала происходит образование смешанного алкоксида изопропилата и фенолята алюминия (/-РгО)3-пЛ1(РЮ)п, последний затем участвует в реакции алкилирования в качестве катализатора.
Условия и продукты алкилирования w-крезола камфеном в присутствии алюминийсодержащих катализаторов
Конверсия Продукты реакции, %
w-крезола, % 3 (а) 3 (b) 3 (c) 4 (а) 4 (b) 4 (c) 4 (d) 5 (а) 5 (b) 5 (c) *
(г-РЮ)зА!
180 °С, 7 ч 99 - - - 26 3 - - 52 10 7 -
AlCl3
150 °С, 15 ч 99 - - - 11 12 4 - 29 26 18 -
AlH3
140 °С, 6 ч 91 51 - - 40 4 - - 5 - - -
(-Bu)2 AlH
100 °С, 12 ч 100 42 3 3 44 2 4 - - - - -
(4-MePhO) jAl + EtAlCl2
150 °С, 3 ч, (EtAlCl2 - 0,2%) 98 1 - - 15 10 - 5 28 10 6 16
150 °С, 3 ч, (EtAlCl2 - 1%) 92 25 - - 24 3 - 1 18 5 - 26
* Продукты осмоления.
Кислота Льюиса А1С13 и алюминийорганические соединения - более активные катализаторы, что позволяет уменьшить температурный режим реакции. Реакция проходит с практически полной конверсией, однако селективность этих соединений для синтеза 2,6-диизоборнил-4-метилфенола невысокая. Так, при использовании А1С13 в качестве катализатора образуется смесь моно- 4 и диалкилированных 5 продуктов с изобор-нильным (а), изокамфильным (b) и изофенхильным (с) заместителем. Снижению селективности способствует также выделение HC1. Наличие Н+ приводит к повышению интенсивности протекания побочных реакций. При добавлении пиридина или триэтиламина к реакционной смеси для связывания выделяющейся соляной кислоты алкилирование не идет. Можно предположить, что происходит координация атома азота на атоме алюминия, что препятствует прохождению процесса алкилирования фенола камфеном в организованной координационной сфере алюминия [6].
Использование гидридов алюминия A1H3 и (/-Bu)2A1H приводит к взаимодействию исходного фенола с гидридами с образованием смешанного комплекса (например (/-Bu)2-nA1(Phü)n), который в дальнейшем выступает в качестве катализатора. Использование гидридов алюминия позволило снизить температуру реакционной смеси до 100 °С. Преобладающими продуктами реакции в этих условиях являются фенилизоборни-ловый эфир 3(а) и 2-изоборнил-4-метилфенол 4(а) примерно в равных количествах.
Следует отметить, что при добавлении к крезоляту алюминия в качестве сокатализатора этилдихлоралю-миния при 150 °С селективность процесса падает и получается целый набор продуктов О- и С-алкилирования с различным строением терпенового заместителя. Для этой реакции отмечено образование значительных количеств продуктов осмоления.
При использовании в качестве каталитической системы крезолята алюминия, нанесенного на окись алюминия, алкилирование wapa-крезола камфеном не идет.
Выводы
Исследована реакция алкилирования wapa-крезола камфеном в присутствии алюминийсодержащих соединений: (/'-PrO)3A1, A1H3, А1С13, (/'-Bu)2A1H, EtA1C12, LiA1H4. Установлено, что фенолят алюминия является наиболее селективным катализатором в сравнении с изученными соединениями.
Авторы выражают благодарность сотруднику лаборатории физико-химических методов исследования Института химии Коми НЦ УрО РАН Е.Н. Зайнуллиной за техническую wомощь в заwиси гН и 13С ЯМР сwектров.
Список литературы
1. Патент 1216944 SU. Способ получения 2,6-ди-трет-бутилфенола / Б.И. Пантух, С.А. Егоричева, В.Н. Долидзе, Ф.Б. Гершанов, В.Р. Долидзе, Т.Г. Даутов, Г.И. Рутман 1996.
2. Патент 99104480 RU. Комплексы фенокси- и орто-алкилфеноксиалюминийвисмута, способы их получения и применение их в качестве катализаторов орто-алкилирования фенола или орто-алкилфенола олефинами // Ф.Б. Гершанов, Г.З. Гильмутдинов, В.З. Гильмутдинов. 2001.
3. Patent 4560809 US. Alkylation process / D.E. Goins, H.V. Huggins, E.A. Burt, S.W. Holmes. 1985.
4. Patent 60218346 JP. Ortho-alkylation of phenol / E. Takahashi. 1985.
5. Patent 0347710A3 EP. Phenol alkylation procss // E.S. Batman, J.F. King, C.W. Matthews. 1989.
6. Чукичева И.Ю., Спирихин Л.В., Кучин А.В. Молекулярная тандемная перегруппировка при алкилировании фенола камфеном // Журнал органической химии. 2008. Т. 44, №1. С. 69-73.
7. Чукичева И.Ю., Кучин А.В. Природные и синтетические терпенофенолы // Российский химический журнал. 2004. Т. 48, №3. C. 21-37.
8. Плотников М.Б., Чернышева Г.А., Смольякова В.И., Иванов И.С., Кучин А.В., Чукичева И.Ю., Краснов Е.А. Нейропротекторные эффекты диборнола и механизма: действия при ишемии головного мозга // Вестник Российской АМН. 2009. №11. С. 12-17.
9. Жданкина А.А., Плотников М.Б., Смольякова В.И., Иванов И.С., Колосова Н.Г., Фурсова А.Ж., Кучин А.В., Чукичева И.Ю., Логвинов С.В. Морфологические аспекты применения полусинтетического антиоксиданта диборнола при инволюционной центральной хориоретинальной дегенерации у крыс линии OXYS // Бюллетень сибирской медицины. 2009. №3. С. 27-30.
10. Чукичева И.Ю., Федорова И.В., Кучин А.В. Исследование алкилирования п-крезола камфеном в присутствии кислотных катализаторов // Химия растительного сырья. 2009. №3. С. 63-68.
Поступило в редакцию 24 февраля 2010 г.
