CC BY
33УДК 544.653.23
Ш.Ш. Хидиров1, З.М.Магомедова2, М.А.Ахмедов1, Кр.Н.Ашурбекова1
Идентификация продуктов анодных и катодных реакций процесса электросинтеза
анестезина
Дагестанский государственный университет; Россия, 367001, г. Махачкала, ул. М. Гаджиева, 43 а; [email protected];
2Дагестанская государственная медицинская академия; Россия, 367000, г. Махачкала, пр. Ленина, 1; [email protected]
Химический синтез анестезина как в промышленности, так и в лабораторных условиях проводится из п-нитротолуола, включающий реакции его окисления с применением различных окислителей и катализаторов до п-нитробензойной кислоты с последующим переводом его в этиловый эфир п-нитробензойной кислоты реакцией этерификации. Последняя стадия заключается в восстановлении этилового эфирап-нитробензойной кислоты до этилового эфирап-аминобензойной кислоты (анестезина) в присутствии катализаторов.
В отличие от химического метода синтеза этилового эфира п-аминобензойной кислоты (анестезин), электрохимический осуществялют электрохимически в диафрагменном электролизере путем окисления п-нитротолуола (п-К02С6Н5СН3) на аноде и этилового эфира п-нитробензойной кислоты (п-К02С6Н5С(0)2С2Н5) на катоде. Реакции окисления п-нитробензола и восстановление эфира п-нитробензойной кислоты соотвественно на аноде и катоде протекают по сложному механизму через образования промежуточных продуктов.
Вольтамперометрическими измерениями, проведенными в потенциодинамических и в стационарных условиях, были установлены значения потенциалови соотвествующие им плоности тока, при которых п-нитротолуол подвергается окислению с образованием промежуточных и конечных продуктов. Инструментальными методами химического анализа установлена природа этих продуктов. При электроокилении п-нитротолуола промежуточными продуктами являются п-нитробензиловый спирт (п-К02С6Н5СН20Н) и п-нитробензальдегид (п-К02С6Н5С(0)Н), а конечным - п-нитробензойная кислота (п-К02С6Н5С(0)2Н). Продуктом электровосстановления этилового эфира п-нитробензойной кислоты (п-К02С6Н5С(0)2С2Н5) является этиловый эфир п-аминобензойной кислоты (п-КН2С6Н5С(0)2С2Н5). Анодный процесс окисления проводился на гладком платиновом электроде, а катодный процесс восстановления - на медном (Си), оловянном ^п) и серебряном (Ag) электродах. В качестве растворителей были использованы ацетонитрил (СН3С^ и этиловый спирт(С2Н5ОН). Показано, что независимо от природы электрода и растворителя (С2Н5ОН и СН3С^ как окисление, так и восстановление протекает с образованием одних и тех же промежуточных и конечного продуктов, оказывая влияние лишь на скорость их образования и на их выход по току.
Ключевые слова: анестезин, платиновый электрод, электроокисление, электровосстановление, электросинтез.
Введение
Наряду с химическими методами электрохимические методы широко используются для контроля и производства лекарственных веществ [1, 2]. В последнее время значительное внимание уделяется синтезуи изучению свойств лекарственного препарата-анестезина (бензокаина) [3-5].
Авторами [6] предложен электрохимический способ получения этилового эфира п-аминобензойной кислоты (анестезина), включающий анодную реакцию окисления
п-нитротолуола [7] и катодную реакцию восстановления этилового эфира п-нитро-бензойной кислоты [8]по суммарным уравнениям реакций.
H3C—^ \—NO2 + 2H2O-6e -^ /¡—COOH + 6H+
02^^\/^C(0)0C2H5 + 6H+ + 6e H2N^ ^C(0)0C2H5 + 2H20.
В настоящей работе с использованием различных физико-химических методов анализа были изучены промежуточные и конечные продукты приведенных реакций. Исследование электродных реакций с участием пара-нитротолуола и этилового эфира п-аминобензойной кислоты с индентификацией промежуточных и конечных продуктов не только имеет практическое значение, но и способствует дальнейшему развитию теоретических представлений об электродных процессах в растворах органических соединений.
Методика эксперимента
Процессы анодных и катодных реакций были изучены с помощью методов вольт-амперометрии и препаративного электролиза. Вольтамперометрические измерения проводились с использованием потенциостатаГРС - Pro MF.
Препаративный электролиз проводился в диафрагменном электролизере с катиони-товой мембраной марки МК-40.
Продукты электроокисления и электровосстановления анализировались путем реакций качественного анализа, а также на ИК-спектрометре«№со^ 6700» фирмы Ther-moNicolet» США, на газожидкостном хроматографе «Кристаллюкс 4000» и на ЯМР-спектрометре VXR-400мГц и DPX-300мГц (BRUKER) Varian.
Спектры ЯМР!Н сняты на спектрометре VXR-400мГц и DPX-300мГц (BRUKER) Varian с использованием 25%-ных растворов образцов в ампулах диаметром 5 и 10 мм в дейтерохлороформе (CDC13). Точность измерений ±0,005 ppm. В качестве внутреннего стандарта применяли ТМС (при описании спектров ЯМР использовали шкалу 5 м.д.).
Результаты и их обсуждение
Препаративный электролиз п-нитротолуола проводили на платиновом микроэлектроде при плотности тока 0,0035 А/см2,соответствующей потенциалу 1,6 В, по данным стационарных поляризационных кривых. Идентификация вещества, полученного в этих условиях методом газо-жидкостной хроматографии (рис.1) показывает, что по времени удерживания продукта в спиртовом растворе смесь состоит в основном из п-нитробензилового спирта, образующегося по реакции:
+ Н20 -O2N ——СН2ОН + 2Н+ .
Образование спирта также было обнаружено наиболее чувствительной реакцией на спиртовую группу путем смешивания продукта с сероуглеродом в присутствии гидро-ксида калия и сульфата меди (II), которая приводит к образованию ксантогената меди (I) коричневой окраски.
Идентичность ИК-спектров п-нитробензилового спирта, выделенного в процессе электроокисления п-нитротолуола, определяли путем их сопоставления со справочными данными (табл.1). ИК-спектры на справочные были взяты из базы данных информа-
ционной поисковой системы [9,10].
Таблица 1. Сравнение опытных и справочных значений ИК-спектров для функциональных групп п-нитробензилового спирта
Функц. группа -ОН СН ар СН алиф ^ ^ ар.к. N02^ С-О С-Н N02aром
Опытн. данные, см-1 3516 3112 -3081 29242868 1602 1507 1337 1057 859 737
Справочные данные см-1 3500 3100 29002800 1600 1500 1350 1050 850 740
Для интерпретации ЯМР1Н (CDCl3)-спектра и информации о структуре молекулы п-нитробензилового спирта (рис.2) использованы три типа спектральных параметров: положение пика на шкале, площадь сигнала и мультиплетность сигнала - число пиков в сигнале. Расстояние между ними в герцах характеризует энергию спин-спинового взаимодействия J. В структуре молекулы п-нитробензилового спирта имеются две пары эквивалентных протонов водорода бензольного кольца в положении А и В (табл. 2). Они дают два интенсивных сигнала в слабом поле 5=8,16 м.д. и 5=7,46 м.д. Таким образом, опытные данные ЯМР (табл.2) спектра совпадают со справочными значениями
[9,11].
Таблица 2. Сравнение опытных и справочных значений химических сдвигов протонов ЯМР п-нитробензилового спирта
Структура молекулы ^ Гц 5,м.д. опытн. 5,м.д.справ.
(А.) Н Н [В) А(д) 27,38 8,16 8.18
\ / В(Д) 27,31 7,46 7.52
/Г С(Т) 28,13 4,77 4.82
<м- / ))-сн2-он -^у (о <й> \ О(С) 13,73 2,20 2.41
(А.) Н \ [В)
Препаративный электролиз п-нитротолуола, соответствующий потенциалу 2,2 В, проводили по данным стационарных поляризационных измерений при плотноститока 0,02 А/см2.
Идентификация образующегося продукта методом газо-жидкостной хроматографии показывает, что по времени удерживания в спиртовом растворе смесь состоит в основном из п-нитробензальдегида (рис.3). Реакция протекаетпо следующей схеме:
О
Образование п-нитробензальдегида подтверждается также качественной реакцией с гидросульфитом натрия, в результате которой выпадает осадок в виде белых кристаллов гидросульфитного производного п-нитробензальдегида.
ИК-спектры п-нитробензальдегида, выделенного при электроокислении п-нит-
ротолуола (табл.3), совпадают со справочными значениями [9,10].
Таблица 3. Сравнение опытных и справочных значений ИК-спектров для функциональных групп п-нитробензальдегида
Функц. группа СН ар. СН алиф. С=О -С-С ар.к. NO2asim N02^ С=О- др. колеб С-Н деф.кол. -№2аром
Опытн.данные, см-1 3106 2849 1706 1606 1540 1346 1107 859 737
Справочные данные см-1 3107 2852 1710 1609 1543 1347 1104 852 740
Для интерпретации ЯМР1Н (CDClз)-спектра и информации о структуре молекулы п-нитробензальдегида (рис.4) была использована спектрограмма по шкале 5м.д. и J. В структуре молекулы п-нитробензальдегида сигнал 5=10,09 м.д., сдвинутый в более слабое поле и имеющий наименьшую интенсивность, принадлежит протону альдегидной группы, находящемуся в положении А. В положении В и С имеются две пары эквивалентных протонов водорода бензольного кольца. Они дают два интенсивных сигнала в слабом поле 5=8,30 м.д. и 5=8,10 м.д. (табл.4).
Как видно из табл. 4, опытные значения ЯМР-спектра п-нитробензальдегида совпадают со справочными [9,11].
Таблица 4. Сравнение опытных и справочных значений химических сдвигов протонов
ЯМР п-нитробензальдегида
Структура молекулы J Гц 5,м.д. опытн. 5,м.д.справ.
А(с) 14,61 10,09 10,181
В(д) 19,12 8,30 8,399
С(д) 19,39 8,10 8,106
Препаративный электросинтез п-нитробензойной кислоты проводили по данным стационарных поляризационных измерений при плотности тока 0,1А/см2.
Идентификация продукта электросинтеза методом газо-жидкостной хроматографии показывает, что по времени удерживания соотвествует п-нитробензойной кислоте (рис.5).
На ИК-спектрах в случае образца и-нитробензойной кислоты отчетливо проявляется полоса поглощения (табл.5) в области 1682 см-1, являющаяся характеристической для С=О группы в карбоновых кислотах[9,10].
Таблица 5. Сравнение опытных и справочных значений ИК-спектров для функциональных групп п-нитробензойной кислоты
Функц. группа СНар С=О -С- Сар.к. NO2asim N02^ -С=О- др. колеб. С-Н деф.кол. -№2аром СООН сложнколеб.
Опытн. Данные, см-1 31123029 1682 1535 1540 1346 1107 859 737 1296
Справочные данные, см-1 3107 17001680 15001600 1543 1347 1104 852 740 1296
На ЯМР'Н -спектрах (CDCl3) п-нитробензойной кислоты (рис.6) видно два сигнала 5=8,30 м.д. и 5=8,21 м.д., которые следует отнести к протонам бензольного кольца, т.к. возникающие кольцевые токи оказывают деэкранирующее действие, и сигнал ароматического протона проявляется в слабом поле (табл.6). ЯМР-спектр п-нитробензойной кислотыопытного образца совпадает со справочными значениями
[9,11].
Таблица 6. Сравнение опытных и справочых значений химических сдвигов протонов
ЯМР п-нитробензойной кислоты
Структура молекулы I Гц 5,м.д. эксп. 5, м.д.справ.
он Н В> Н А > ыо2 А(д) 11,23 8,30 8.316
В(д) 11,23 8,21 8,192
Продукт препаративного катодного восстановления этилового эфира п-нитробензойной кислоты на Sn-электроде при плотности тока / = 0,005 А/см2 (Е= -0,9 В) определяли методом газо-жидкостной хроматографии (рис.7). Судя по времени удерживания продукта в спиртовом растворе, смесь состоит в основном из этилового эфира пара-аминобензойной кислоты (анестезина).
Идентификацию характеристических групп синтезированного анестезина проводили с использованием метода ИК-спектроскопии. ИК-спектры показывают, что все пики поглощения соответствуют группам, входящим в состав анестезина.
Таблица 7. Сравнение опытных и справочных значений ИК-спектров для функциональных групп этилового эфира п-аминобензойной кислоты (анестезина)
Функц. группа -СК -1ЧН- аром Ж СН ар СН3 СО-О С=О -С-С ар.к. СО-С СН2 -СК СО Ж аром
Опытн. данные, см-1 3421 3344 3224 31123029 2956 1761 1684 1600 1514 1467 1366 1167 834563
Справ. данные, см-1 3421 33003500 3300 3110 2985 1750 1700 16001511 1514 1467 1366 1167 834563
На ЯМР1Н (CDCl3) спектрах синтезированного анестезина (рис.8) показано, что на спектрограмме проявляются два сигнала 5= 7,85 м.д. и 5=6,56 м.д. в слабом поле, которые следует отнести к группе ароматических протонов п-замещенного бензольного кольца(табл.8). Сигналы протонов метиленовой группы, которые проявляются в виде квадруплета 5= 4,28м.д. (С) и аминогруппы 5= 4,05 (О) м.д., сдвинуты в более сильное поле. Сигналы 5=1,30 м.д., имеющие наибольшую интенсивность и расположеные в еще более сильном поле, принадлежат протонам метильной группы (Е) и являются триплетом.
Таблица 8. Опытные и справочные значения химических сдвигов протонов ЯМР этилового эфира п-аминобензойной кислоты (анестезина)
Структура молекулы ^Гц 5,м.д. опытн. 5,м.д. справ.
С В]Н Н<А) W 0 А(д) 17,47 7,85 7,849
В(т) 17,87 6,56 6,626
С(Д) 26,66 4,28 4,305
{D)H2N-П \)-с-0—сн2—сн3 D(c) 10,02 4,05 4,1
у-—"V [О (Е) / \ Е(т) 27,61 1,30 1,354
[В] ht Н (А)
Заключение
Таким образом, индентификация продуктов электроокисления п-нитротолуола до п-нитробензойной кислоты в зависимости от условий проведения электролиза показывает, что промежуточные веществами являются п-нитробензиловый спирт и п-нитробензальдегид, а электровосстановление этилового эфира п-нитробензойной кислоты приводит к конечному продукту - этиловому эфируп-аминобензойной кислоты (анестезину).
Литература
1. Дегтерев Е.В. Анализ лекарственных средств в исследованиях, производстве и контроле качества //Рос. хим. ж. - 2002.- Т. XLVI, № 4. - С.43-51.
2. Ван С.Г., Фан Я.Ж. Новый электрохимический метод определения тринитрофе-нола//Электрохимия. - 2009.- Т.45, №10. - С.1281-1286.
3. Zakina A.Kh., Kurapova M.Yu. and etc. Synthesic and biological of certain derevatives of anesthesine// Russian J. of Gen. Chem. - 2008. - V.78, №6. - P.1253-1254.
4. Абдулаев М.Г. Получениеанестезинагидрированиеэтиловогоэфирап-нитро-бензойной кислоты на паладиевых катализаторах// Химико-фармацевтическийжурнал.-2001.- Т.35, №12. - С.42-45.
5. AltshulerG.N., ShkurenkoG.Yu. andGorlovA.A. Keneticofthereductionofp-nit-robenzoicacideasterinnanoreactorsonthisbasessulfantedpolymer// RussianJ. ofPhys. Chem. A. - 2015. -Vol. 89. - P.372-375.
6. ПатентРФ№ 2302405. Способполученияп-амигобензойнойкислоты (анестези-на)//ХидировШ.Ш., МагомедоваЗМ. Бюл. №19от 10.06.2007.
7. Магомедова З.М., Хибиев Х.С., Хидиров Ш.Ш. Некоторые особенности электродных процессов окисления п-нитротолуола на платиновом электроде// Известия вузов Сев.-Кавк. региона. - Ростовн/Д, 2007.Вып. 3. - С.240.
8. Магомедова З.М., Хидиров Ш.Ш. Об использовании электрохимического метода в процессе синтеза анестезина из п-нитробензойной кислоты// Химико-фармацевтический журнал.- 2009.- Т.43, №4. - С.44-46.
9. http ://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top. cgi
10. Тарасевич Б.Н. ИК спектры основных классов органических соединений. - М.: МГУ им. М.В.Ломоносова, 2012. - С.29-35.
11. Казицына Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ, ИК, ЯМР и масс-спектро-скопии в органической химии. - М.: МГУ им. М.В.Ломоносова, 1979. - С.240.
Поступила в редакцию 12 марта 2015 г.
UDC 544.653.23
Identification products of the anodic and cathodic reactions of anesthesine
electrosynthesis processes
Sh.Sh. Khidirov1, Z.M.Magomedova2, M. A. Akhmedov1, Kr.N. Ashurbekova1
1Dagestan State University; Russia, 367001, Makhachkala, M. Gadzhiev st., 43 а; [email protected]
2Dagestan State Medical Academy; 367000, Russia, Makhachkala, Lenin ave., 1; [email protected]
The chemical synthesis of anesthesine both in industry and in laboratory is carried out from p-nitrotoluene, comprising the oxidation reaction using various oxidants and catalysts to p-nitrobenzoic acid, followed by its transfer to the ethyl ester of p-nitrobenzoic acid esterification reaction. The last step is to restore the ethyl ester of p-nitrobenzoic acid ethyl ester to p-aminobenzoic acid (anesthesine) in the presence of catalysts.
In contrast to the chemical synthesis method of ethyl p-aminobenzoate (anesthesine) is carried out electrochemically in electrochemical diaphragm cell by oxidation of p-nitrotoluene (p-NO2C6H5CH3) at the anode and the ethyl ester of p-nitrobenzoic acid (p-N02C6H5C(0)2C2H5) at the cathode. The oxidation reaction of p-nitrobenzene and the recovery p-ester nitrobenzoic acid, respectively to the anode and the cathode flow for complicated mechanism through the formation of intermediate products.
Voltammetric measurements in the potentiodynamic and steady-state conditions were set to potentials and appropriate current density at which the p-nitrotoluene undergoes oxidation with the formation of intermediate products and end products. The nature of these products is established through the use of instrumental methods of chemical analysis.
At electrooxidation p-nitrotoluene intermediate products are p-nitrobenzyl alcohol (p-NO2C6H5CH2OH) and p-nitrobenzaldehyde (p-NO2C6H5C(O)H), but the end product -p-nitrobenzoic acid. The electroreduction ethyl p-nitrobenzoic acid (p-NO2C6H5C(O)2C2H5) product is ethyl ester p-aminobenzoic acid(p-NO2C6H5C(O)2C2H5). Anodic oxidation process was carried out on a smooth platinum electrode, and the cathode recovery process on a copper (Cu), tin (Sn) and silver (Ag) electrodes. As the solvent were used acetonitrile (CH3CN), ethanol (C2H5OH). It is shown that irrespective of the nature of the solvent, and the electrode (C2H5OH and CH3CN) as oxidation and reduction proceeds with the formation of the same intermediate and final products, affecting only the rate of their formation and their current output.
Keywords: anesthesine, a platinum electrode, electrooxidation, electroreduction, electrosynthesis.
Received12 March, 2015
