ЭФФЕКТИВНЫЙ СИНТЕЗ 5-(ГИДРОКСИМЕТИЛ)ФУРАН-2-ЕНОНОВ ПО ВИТТИГУ Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 547.721/.729

DOI: 10.33184/bulletin-bsu-2021.3.21

ЭФФЕКТИВНЫЙ СИНТЕЗ 5-(ГИДРОКСИМЕТИЛ)ФУРАН-2-ЕНОНОВ ПО ВИТТИГУ © Г. Ф. Сахаутдинова, Р. Н. Маликова*, А. Г. Мустафин

Уфимский институт химии УФИЦ РАН Россия, Республика Башкортостан, 450054 г. Уфа, пр. Октября, 69.

* Email: [email protected]

5-Гидроксиметилфурфурол (5-HMF), как известно, «соединение-платформа»; весьма лабильное и в этой связи нуждающееся в определенных условий хранения. Целесообразен выход на стабильные производные 5-HMF непосредственно из углеводов. Причем, имея в виду, что в природе наиболее распространенный моносахарид - фруктоза, актуально привлечение именно этого вещества для выхода на стабильные производные 5-HMF. Разработан простой и доступный однореакторный способ получения новых устойчивых производных 5-гидро-ксиметилфурфурола на основе фруктозы путем олефинирования по Виттигу активной альдегидной группы 5-HMF с различными илидами фосфора. Установлено, что реакция протекает при 20 С в течение 1 ч и в результате образуются 5-(гидроксиметил)фуран-2-еноны. Максимальная конверсия 5-HMF фиксируется при небольшом избытке фосфоранов (20%) в пересчете на исходную фруктозу.

Ключевые слова: 5-гидроксиметилфурфурол, илиды фосфора, реакция Виттига, малеи-мид, еноны, фруктоза.

Введение

Истощение невозобновляемых природных ресурсов определяет необходимость развития альтернативных методов переработки возобновляемых источников сырья. В этом направлении весьма перспективна переработка углеводов, занимающих большую часть ежегодно возобновляемой биомассы [1]. Особый интерес представляют фурановые соединения, которые находят применение во многих областях химической промышленности [2-3]. Активно исследуются превращения фуранового соединения растительного происхождения 5-HMF и его производных, преимуществом последних является возможность получения из любых углеводов [4-10]. В химии конверсии биомассы 5-гидроксиметилфурфурол занимает ведущее место, а его производство достигло промышленных масштабов [11-12]. К настоящему времени развитие получили два основных направления использования 5-HMF: это синтез мономеров и предшественников жидких топлив [13-14]. В первом случае проводят окисление боковых групп до альдегидных или карбоксильных, во втором - боковые группы восстанавливают до спиртов, в некоторых случаях затрагивается и само фурановое кольцо. Однако известно, что 5-гидроксиметилфурфурол лабильное соединение [15], и синтез стабильных производных 5-HMF непосредственно из углеводов является важной задачей современной химии. В связи со сказанным выше, цель настоящей работы - однореактор-ный выход на стабильные производные 5-HMF путем олефинирования по Виттигу.

Результаты и их обсуждение

Синтез 5-HMF осуществлен путем кипячения фруктозы в среде ДМСО в течение 2 ч с после-

дующим его введением в реакцию Виттига с различными фосфоранами (1-фенил-2-(трифенилфосфоранилиден)этанон, 1 -фенил-3 -(трифенилфосфоранилиден)пирролидин-2,5-дион, метил 2-(трифенилфосфоранилиден)ацетат). Реакция протекает при комнатной температуре в течение 1 ч, в результате которой образуются 5-(гидроксиметил)фуран-2-еноны, которые удалось выделить в индивидуальном виде хроматографией на силикагеле (петролейный эфир/этилацетат).

Структура полученных соединений 1-4а-Ь, выделенных в индивидуальном виде, доказана с помощью физико-химических методов анализа. Основным показателем является исчезновение альдегидного фрагмента 5-HMF, проявляющееся в спектрах ЯМР 13С в области 178.56 м.д., и образование кратной связи. Удалось выделить изомерные формы только в случае соединения 4 в соотношении 4:1 с преобладанием транс-формы, так кратная связь резонирует при 115.37 и 115.76 м.д. в соединение 4а, при 114.09 и 118.04 м.д. в соединение 4Ь. Более точное подтверждение структуры енонов 1, 2 проводили с использованием ЯМР 2D экспериментов HSQC и НМВС, указывающие на образование только транс-формы. Лучший выход во всех случаях наблюдаем при небольшом избытке фосфора-на (х1,2) в пересчете на исходную фруктозу. Хотелось бы отметить и тот факт, что илид, полученный на основе малеинового ангидрида, в реакцию не вступает даже при термической активации. В этом случае наблюдается осмоление илида, вероятно, из-за межмолекулярной цепной реакции за счет нук-леофильной атаки карбаниона илида по несущему частично положительный заряд карбонильного углерода ангидридной группы другой молекулы илида.

Схема

'sP^N-Of 2(78%) °

0'/ DMSO

-, . A, 150°C,2.5h

Fructose —

Экспериментальная часть

В работе использовалось оборудование центра коллективного пользования «Химия» УфИХ УФИЦ РАН. Спектры ЯМР регистрировали на спектрометре высокого разрешения Bruker Avance III 500 [рабочие частоты 500 МГц (1Н), 125.76 МГц (13С)] в CDCI3, внутренний стандарт - ТМС. Элементный анализ выполнен на С, H, N, S-анализаторе «EURO EA-3000». Ход реакции контролировали методом тонкослойной хроматографии на пластинках Sorbfil ПТСХ-АФ-А, вещества обнаруживали с помощью паров йода. Температуру плавления определяли на нагревательном столике Boetius. Продукты реакции выделяли с помощью колоночной хроматографии на силикагеле «Chemapol» с размером частиц 40/100 мкм.

Методика получения соединений 1-4a, b.

Навеску 0.5 г (2.8 ммоль) кристаллической фруктозы «Сладис» (натуральный фруктовый сахар, изготовитель ООО «Арком») растворили в 2.5 мл ДМСО и нагревали до 150 °С в масляной бане в течение 2 ч при постоянном перемешивании (в случае выделения 5-HMF выход составил 67%). Затем реакционную массу доводили до комнатной температуры с последующим добавлением небольшого избытка трифенилфосфоранилиденов (х1,2) в пересчете на образующийся в реакционной массе 5-HMF и выдерживали реакционную массу в течение 1 ч и далее продукты выделяли с помощью колоночной хроматографии на силикагеле (схема).

(2E)-3-[5- (Гидроксиметил)фуран-2-ил]-1-фенилпроп-2-ен-1-он (1). Выход 50%, т.пл. 8688 °С [петролейный эфир-этилацетат, 1-1]. Rj=0.3. ЯМР 1H (CDCl3, 5 м.д., J/Гц): 3.24 (1Н, уш. с, OH), 4.62 (2Н, с, CH2), 6.31 (1Н, д, J=3.2, HC=), 6.62 (1Н, д, J=3.2, HC=), 7.31-7.58 (5Н, м, 2HC=, 3HC), 7.95 (2Н, м, HC). ЯМР 13C (CDCl3, 5 м.д.): 57.25 (CH2), 110.19 (=CH), 117.58 (=CH), 118.88 (=CH), 128.46 (=CHx2), 128.63 (=CH *2), 130.77 (=CH),

132.91 (=CH), 137.97 (=С), 151.37 (=С), 157.30 (=С), 190.10 (O=C). Найдено, %: С 73.59; H 5.32. C14H12O3. Вычислено, %: С 73.67; H 5.30. M 228.

(3Е)-3-{[5-(Гидроксиметил)фуран-2-ил]метилиден}-1-фенилпирролидин-2,5-дион (2). Выход 78%, т.пл. 165 °С[петролейный эфир-этилацетат, 7-3]. R(=0.35. ЯМР 1H (CDCl3, 5 м.д., J/Гц): 3.71(с, 2Н, СН2), 4.13(уш. с, 1Н, ОН), 4.49(с, 2Н, СН2), 6.44 (д, 1Н, J=3.2, =СН), 6.83 (д, 1Н, J=3.2, =СН), 7.34 (с, 1Н, =СН), 7.27-7.49 (м, 5Н, QH^. ЯМР 13C (CDCl3, 5 м.д.): 34.53 (Œ2), 56.21 (Œ2), 110.13 (=Œ), 111.82 (=Œ), 118.14 (=Œ), 120.02 (=Œ), 121.67 (=С), 127.32 (2Шаром), 128.43 (С^ом), 129.01 (2Шаром), 132.99(Саром), 150.40(=С), 159.52(=С), 169.93 (0=С), 174.18 (0=С). Найдено, %: С 67.85; H 4.63; N 4.95. C16H13N04. Вычислено, %: С 67.84; H 4.63; N 4.94. M283.

(Е)-Метил 3-(5-( гидроксиметил)фуран-2-ил)акрилат (4a). Выход 50.2%, т.пл. 51 °С[петро-лейный эфир-этилацетат, 4-1]. Rî=0.3. ЯМР (CDCl3, 5 м.д., J/Гц): 7.38 (1Н, д, J=15.8), 6.54 (1Н, д, J=3.3), 6.36 (1Н, д, J=3.3), 6.28 (1Н, д, J=15.8), 4.62 (2Н, с), 3.78 (3Н, с), 2.19 (1Н, уш. с), ЯМР 13C (CDCl3, 5 м.д.): 51.70 (Œ3), 57.58 (Œ2), 110.19 (=СЩ 115.37 (=Œ), 115.76 (=Œ), 131.11 (=СЩ 150.72 (=С), 156.62 (=С), 167.58 (0=С). Найдено, %: С 59.39; H 5.58. C9H1004. Вычислено, %: С 59.34; H 5.53. M 182.

(.2)-Метил 3-(5-( гидроксиметил)фуран-2-ил)акрилат (4b). Выход 16.8%, т.пл. 128 °С [петролейный эфир-этилацетат, 4-1]. Rî=0.35. ЯМР (CDCl3, 5, м.д., J/Hz): 7.61 д (1Н, J 3.3), 6.74 д (1Н, J 12.9), 6.39 д (1Н, J 3.3), 5.74 д (1Н, J 12.9), 4.64 с (2Н), 3.77 с (3Н), 2.01 уш. с (1Н), ЯМР 13C (CDCl3, 5 м.д.): 51.36 (Œ3), 57.66 (Œ2), 110.61 (=Œ), 114.09 (=Œ), 118.04 (=Œ), 130.54 (=Ш), 150.62 (=С), 155.49 (=С), 166.42 (0=С). Найдено, %: С 59.29; H 5.56. C9H1004. Вычислено, %: С 59.34; H 5.53. M 182.

Вывод

Таким образом, разработан однореакторный способ получения стабильных производных 5-HMF (5-(гидроксиметил)фуран-2-енонов) на основе фруктозы, обладающих хорошей растворимостью в системе вода-диметилсульфоксид, что имеет практическую значимость в плане поиска новых биологически активных соединений на основе производных 5-HMF и их направленного синтеза.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ФГБУН Уфимского института химии РАН по теме «Создание материалов с заданными функциональными свойствами электропроводимость, антикоррозионность и биологическая активность» (№ Гос. регистрации АААА-А19-119020890014-7). Спектральная часть исследования проведена на оборудовании ЦКП «Химия» УфИХ УФИЦ РАН.

ЛИТЕРАТУРА

1. Besson M., Gallezot P., Pinel C. Conversion of Biomass into Chemicals over Metal Catalysts // Chem. Rev. 2014. Vol. 114. Pp. 1827-1870.

2. Moreau C., Belgacem M. N., Gandini A. Recent Catalytic Advances in the Chemistry of Substituted Furans from Carbohydrates and in the Ensuing Polymers // Top. Catal. 2004. Vol. 27. Pp. 11-29.

3. Bekkum H. van. Studies on Selective Carbohydrate Oxidation, In Carbohydrates as Organic Raw Materials // Ed. Lichtenthaler, F.W., VCH: Weinham. 1991. Pp. 289.

4. Chernyshev V. M., Kravchenko O. A., Ananikov V. P. Conversion of plant biomass to furan derivatives and sustainable

access to the new generation of polymers, functional materials and fuels // Russ. Chem. Rev. 2017. Vol. 86(5). Рр. 357-387.

5. Fan W., Verrier Ch., Queneau Y. and Popowycz F. 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) in Organic Synthesis: A Review of its Recent Applications Towards Fine Chemicals // Curr. Org. Synth. 2019. Vol. 16. Рр. 583-614.

6. Lewkowski J. Synthesis, chemistry and applications of 5-hydroxymethylfurfural and its derivatives // Arkivoc. 2001. Vol. 2001. Pp. 17-54.

7. El-Hajj T., Masroua A., Martin J. C. Synthese de l'hyd-roxymethyl-5 furanne carboxaldehyde-2 et de ses derives par traitement acide de sucres sur resins echangeuses d'ions // Bull. Soc. Chim. Fr. 1987. Pp. 855-860.

8. El-Hajj T., Martin J. C., Descotes G. Dérivés de l'hydroxyméthyl-5 furfural. I. Synthèse de derives du di- et terfuranne // J. Heterocyclic Chem. 1983. Vol. 20. Pp. 233238.

9. Kiermayer J. Über ein Furfurol derivat aus Lävulose // Chem. Ztg. 1995. Vol. 19. Pp. 1003-1006.

10. Zhao, H., Holladay, J. E., Brown, H., Zhang, Z. C., Metal Chlorides in Ionic Liquid Solvents Convert Sugars to 5-Hydroxymethylfurfu-ral // Science. 2007. Vol. 316. Pp. 1597-1600.

11. Kläusli T., AVA Biochem: commercialising renewable platform chemical 5-HMF // Green Proc. Synth. 2014. Vol. 3. Рр. 235.

12. Krawielitzki S., Kläusli T. M., Modified Hydrothermal Carbonization Process for Producing Biobased 5-HMF Platform Chemical // Ind. Biotech. 2015. Vol. 11. Рр. 6-8.

13. Putten R. J., Waal J. C., Jong E., Rasrendra C. B., Heeres H. J., Vries J. G. Hydroxymethylfurfural, A Versatile Platform Chemical Made from Renewable Resources // Chem. Rev. 2013. Vol. 113. Рр. 1499-1597.

14. Serrano-Ruiz J. C., Luque R., Sepulveda-Escribano A. Transformations of biomass-derived platform molecules: from high added-value chemicals to fuelsvia aqueous-phase processing // Chem. Soc. Rev. 2011. Vol. 40. Рр. 5266-5281.

15. Ромашов Л. В.: дис. ... канд. хим. наук. М., 2017. 52 с.

Поступила в редакцию 14.05.2021 г.

DOI: 10.33184/bulletin-bsu-2021.3.21

EFFECTIVE SYNTHESIS OF 5-(HYDROXYMETHYL)FURAN-2-ENONES BY THE WITTIG REACTION

© G. F. Sakhautdinova, R. N. Malikova*, A. G. Mustafin

Ufa Institute of Chemistry, Ufa Federal Research Center of RAS 71 Oktyabrya Avenue, 450054 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.

*Email: [email protected]

The depletion of non-renewable natural resources determines the need to develop alternative methods of processing renewable raw materials. In this direction, the processing of carbohydrates, which occupy a large part of the annually renewable biomass, is very promising. Of particular interest are furan compounds, which are used in many areas of the chemical industry. The transformations of the plant-derived furan compound 5-hydroxy-methylfurfural (5-HMF) - the "platform-chemical" and its derivatives, are actively studied. The formation of plant biomass occurs during photosynthesis from carbon dioxide and water, while water is the only byproduct during the conversion of carbohydrates to 5-HMF, which makes this approach extremely attractive from the standpoint of environmentally friendly (ecofriendly) organic synthesis. In the chemistry of biomass conversion, 5-HMF occupies a leading place, and its production has reached an industrial scale. To date, two main directions of the use of 5-HMF have been developed: the synthesis of monomers and precursors of liquid fuels. In the first case, the side groups are oxidized to aldehyde or car-boxyl groups; in the second, the side groups are reduced to alcohols. In some cases, the furan ring itself is also affected. It is known that 5-HMF is a labile compound and requires certain storage conditions. In this regard, the yield of stable 5-HMF derivatives directly from carbohydrates is an urgent problem of modern chemistry. In this work, a one-pot method for obtaining new stable derivatives of 5-HMF based on fructose by Wittig olefination was developed.

Keywords: 5-hydroxymethylfurfural, phosphorus ylides, Wittig reaction, maleimide, enones, fructose.

Published in Russian. Do not hesitate to contact us at [email protected] if you need translation of the article.

REFERENCES

1. Besson M., Gallezot P., Pinel C. Chem. Rev. 2014. Vol. 114. Pp. 1827-1870.

2. Moreau C., Belgacem M. N., Gandini A. Top. Catal. 2004. Vol. 27. Pp. 11-29.

3. Bekkum H. van. Studies on Selective Carbohydrate Oxidation, In Carbohydrates as Organic Raw Materials. Ed. Lichtenthaler, F.W., VCH: Weinham. 1991. Pp. 289.

4. Chernyshev V. M., Kravchenko O. A., Ananikov V. P. Russ. Chem. Rev. 2017. Vol. 86(5). Pp. 357-387.

5. Fan W., Verrier Ch., Queneau Y. and Popowycz F. Curr. Org. Synth. 2019. Vol. 16. Pp. 583-614.

6. Lewkowski J. Arkivoc. 2001. Vol. 2001. Pp. 17-54.

7. El-Hajj T., Masroua A., Martin J. C. Bull. Soc. Chim. Fr. 1987. Pp. 855-860.

8. El-Hajj T., Martin J. C., Descotes G. J. Heterocyclic Chem. 1983. Vol. 20. Pp. 233-238.

9. Kiermayer J. Chem. Ztg. 1995. Vol. 19. Pp. 1003-1006.

10. Zhao, H., Holladay, J. E., Brown, H., Zhang, Z. C. Science. 2007. Vol. 316. Pp. 1597-1600.

11. Kläusli T. Green Proc. Synth. 2014. Vol. 3. Pp. 235.

12. Krawielitzki S., Kläusli T. M. Ind. Biotech. 2015. Vol. 11. Pp. 6-8.

13. Putten R. J., Waal J. C., Jong E., Rasrendra C. B., Heeres H. J., Vries J. G. Chem. Rev. 2013. Vol. 113. Pp. 1499-1597.

14. Serrano-Ruiz J. C., Luque R. Chem. Soc. Rev. 2011. Vol. 40. Pp. 5266-5281.

15. Romashov L. V.: dis. ... kand. khim. nauk. Moscow, 2017.

Received 14.05.2021.