CC BY
7УДК 547.789.1.3
Д.А. Буровик1, М.В. Рутто2, А.И. Гинак3
ОСОБЕННОСТИ РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ СОЛЕЙ АМБИФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ В ТВЕРДОЙ ФАЗЕ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Санкт-Петербург, Московский пр. 26
Исследовано влияние катиона на реакционную способность солей амбифункциональных соединений в твердой фазе. Показано, что направление реакции кристаллических солей 4-оксо-2-тиоксо-1,3-тиазолидинов определяется природой катиона и структурой кристаллического кластера.
Ключевые слова: катионы лития, натрия, калия и цезия, ам-бидентные соединения, алкилирующий реагент.
Известно, что природа катиона в щелочных солях амбидентных соединений может оказывать существенное влияние на реакционную способность их нукле-офильных центров. Так, например, при алкилировании недиссоциированной ионной пары щелочных солей (Ы, Na, К) 4-оксо-2-тиоксо-5-фурфурилиден-1,3-тиазолидина в полярных растворителях выход ^алкильного производного увеличивается в ряду Li+>Na+>K+. Тогда как при алкилировании свободного аниона 4-оксо-2-тиоксо-5-фурфу-рилиден-1,3-тиазолидина влияние природы противоиона на соотношение изомеров N/S продуктов алкилирования не прослеживается [1].
Представляло интерес исключить влияние растворителя на реакционную способность амбидентной триады 4-оксо-2-тиоксо-5-илиден-1,3-тиазолидина и оценить только влияние противоиона, проведя реакции твердых щелочных солей 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазо-лидина с электрофильными реагентами в газообразном состоянии, то есть без сольватации реагентов и субстратов [2].
В качестве амбидентного субстрата были взяты щелочные соли (и, Na, К, Cs) 4-оксо-2-тиоксо-5-бензили-ден-1,3-тиазолидина. Выбор данного амбидентного соединения обусловлен тем, что реакционная способность его в растворах и твердой фазе достаточно хорошо исследована. Например, показано, что в малополярных растворителях и твердой фазе соли 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидина в реакции с иодистым метилом образуют только S-метильный изомер - 4-оксо-Д2-метилмеркапто-5-бензилиден-1,3-тиазолидин, ^метильный изомер - 3-ме-тил-4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидин при этом не образуется. Также известно, что щелочные соли 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидина с органическими растворителями образуют кристаллосольваты, разрушение которых при нагревании может дать различные кристаллические структуры, которые также могут отличаться по реакционной способности [2]. С этой целью были взяты щелочные соли 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидина, кристаллизованные из ацетона и метанола, образующие кристаллосольваты, разрушение которых может дать различные кристаллические формы солей.
В качестве электрофильных реагентов был взят слабополярный газообразный хлористый водород, который при взаимодействии с солями 4-оксо-2-тиоксо-5-бен-зилиден-1,3-тиазолидина может образовать смесь тау-томеров, и жесткий полярный диметилсульфат, реакции которого с 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидина в растворах хорошо изучены [3].
Реакцию десольватированных солей 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидинов, кристаллизованных из ацетона и метанола, с газообразным хлористым водородом проводили в проточном реакторе при температуре 100 °С пропуская реагент до конечного превращения исходной соли в продукты реакции. Реакция образования смеси таутомеров 4-оксо-Д2-метилмеркапто-5-бензилиден-1,3-тиазолидина и 3-метил-4-оксо-2-ти-оксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидина проходит с количественным выходом, практически мгновенно без диффузионного торможения по схеме:
f _ M+ С6Н5С№=С /C=S S
HCl
0=C-
c6HsC^C C=S с6н5с^а C—SH SS
Результаты эксперимента приведены в таблице 1.
Таблица 1. Влияние природы катиона на отношение выходов 4-оксо-Д2-метилмеркапто-5-бензилиден-1,3-тиазолидина и 3-метил-4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидина в реакции твердых щелочных солей 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидина с газообразным хлористым водородом.
Соотношение изомеров N/S
Катион Растворитель для кристаллизации
ацетон метанол
Li+ 6,6 13,7
Na+ 6,5 10,5
K+ 6,6 6,2
Cs+ 6,5 2,1
0
NH
N
+
1 Буровик Дмитрий Александрович, канд. хим. наук, директор ОАО «ГЕРОФАРМ-БИО», Московская область, Серпуховский район, п. Оболенск, ул. Науки, строение 4, корп. 82, Докторант каф. молекулярной биотехнологии, e-mail: [email protected]
2 Рутто Марика Валерьевна, канд. хим. наук, доцент каф. молекулярной биотехнологии, e-mail: [email protected]
3 Гинак Анатолий Иосифович, д-р хим. наук, профессор, зав. каф. молекулярной биотехнологии, e-mail: [email protected]
Дата поступления - 18 марта 2014 года
Из полученных данных, видно, что растворитель существенным образом влияет на кристаллическую структуру субстрата и реакционную способность его центров: если при реакции с газообразным хлористым водородом солей, кристаллизованных из ацетона, это влияние не прослеживается и соотношение изомеров не изменяется в ряду Li+, Na+, К+, Cs+, то в щелочных солях, кристаллизованных из метанола, влияние катиона на соотношение продуктов реакции по И- и S-центрам существенно - с увеличением радиуса противоиона увеличивается доля продукта реакции по более поляризуемому центру - атому серы.
Сопоставляя полученные данные с известными в литературе [1, 5] можно сделать вывод о том, что при реакции с хлористым водородом соли кристаллизованные из ацетона реагируют как свободный анион в растворах полярных растворителей не испытывая электростатического и стерического влияния противоиона. В тоже время влияние природы катиона в солях, кристаллизованных из метанола, свидетельствует о более плотной упаковке кристаллической структуры (тесной ионной паре) аналогичной таковой для ионных пар 4-оксо-2-тиоксо-1,3-тиазо-лидинов в растворах.
Увеличение объема реагента и его жесткости приводит к дифференциации реакционной способности S и N центров амбидентной триады 4-оксо-2-тиоксо-1,3-ти-азолидинов, что видно на примере с реакции паров диме-тилсульфата с щелочными солями, кристаллизованными из ацетона, где доля выхода продукта по И-центру возрастает с увеличением радиуса противоиона (таблица 2). Реакция идет по схеме:
Рисунок 1. Горизонтальная установка
0=С-
_ || М+ (СНз0)дв02 с С6Н5С^С ,С=Б
0с
^ С6Н5СН^СХ С6Н5С^^ /С— Я-СНз
Таблица 2. Влияние природы катиона на соотношение выходов N,S-изомеров в реакции твердых солей 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидина с диметильсульфатом
Катион 1_Г Иа+ К+
Соотношение изомеров И/в 2,55 2,83 3,25 3,66
газ
(азот, аргон)
вакуум
Поэтому было решено провести реакцию в кипящем слое на вертикальной установке (рисунок 2). С целью экономии газообразных реагентов для формирования основного газового потока использовали азот или аргон, который барботировали через слой газообразного реагента.
Полученные данные хорошо согласуются с аналогичными результатами реакции в растворах [1, 5] где ионная пара и свободный анион при метилировании ио-дистым метилом и диметилсульфатом ведут себя аналогичным образом, что свидетельствует о едином механизме реакции в растворах и твердой фазе.
Экспериментальная часть
Алкилирование натриевой соли 4-оксо-2-ти-оксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидина парами диметиль-сульфата. Реакцию проводили на установке, представленной на рисунке 1. Для проведения реакции субстрат брали в количестве 0,01 моля и выдерживали в атмосфере паров алкилирующего агента. Температуру в зоне реакции поддерживали в диапазоне 100-110 °С на 10 °С ниже температуры плавления самого низкоплавкого компонента твердой фазы субстрата и продуктов реакции. За ходом реакции следили по убыли кристаллического субстрата методом количественной ТСХ [3, 6]. Пробы для анализа из реакционной смеси отбирали каждые 30 минут.
При проведении реакции в стационарном режиме в горизонтальном реакторе со всеми кристаллическими субстратами и реагентами наблюдается сильное диффузионное торможение слоем продуктов реакции и выход целевых продуктов не превышал 30 % от исходного кристаллического субстрата.
Рисунок 2. Вертикальная установка
Для создания однородного взвешенного слоя использовали мелкокристаллические субстраты с размером грани кристаллов 0,1-0,5 мм. Поддерживая критерий Фру-да в точке начала взвешенного состояния меньше 1 обеспечивали легкое волнообразное движение («кипящий» слой) без выбросов агрегатов частиц:
Р =а2 / drg (1)
где м - скорость потока, dr - диаметр частиц, д -ускорение свободного падения м/с2,
Поддерживая число псевдоожижения
К = ю/ю, < 2 (2)
- отношение рабочей скорости потока к скорости начала псевдоожижения [7].
Мольное соотношение субстрат : реагент составило 1:10. При выдерживании приведенных выше условий процесса диффузионное торможение отсутствовало до 85 % превращения по субстрату. Для достижения полного превращения субстрата в продукт реакции необходимо было увеличивать скорость потока до Рх > 1, К > 2. Однако, при этом наблюдался унос продуктов реакции
Ы-СН
N
из реактора при ы > ыкр«. Таким образом проведение твердофазной реакции в условиях интенсивного перемешивания приводит к скалыванию продукта реакции с граней кристаллического субстрата и устраняет эффект диффузионного торможения.
Аналогично было проведено алкилирование парами диметилсульфата и, К, Cs солей 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидина.
Реакция натриевой соли 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидина с газообразным хлористым водородом. Реакцию проводили в горизонтальной установке (рисунок 1). Газообразный хлористый водород, подавали из генератора хлористого водорода, пропущенный через колонку с гидроксидом калия для удалении влаги. Соотношение образующихся таутомеров: 4-оксо-Д2-метилмеркапто-5-бензилиден-1,3-тиазолидина и 3-ме-тил-4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидина определяли по методике [8].
Литература
1. Масиас А., Торрес Д., Белецкая И.П. Двойственная реакционная способность щелочных солей 5-фурфурилиденроданина в реакциях алкилирования // Журн. орг. химии. 1979. Т. XV. Вып. 4. С. 665-669.
2. Гинак А. И., Дымшиц В. А., Вьюнов К.А. Кинетика анизотропных реакций. II. Деструкция кристаллов натриевой соли роданина // Кинетика и катализ, 1989. Т. 30. Вып. 2. С. 454-463.
3. Волков А.А., Вьюнов К.А., Гинак А.И., Рамш С.М., Сочилин Е.Г. Исследование реакционной способности и таутомерии азолидинов. XXIX. Влияние природы алкилирующего агента на двойственную реакционную способность солей 5-бензилиденроданинов // Журн. орг. химии. 1979. Т. XV. Вып. 5. С. 1718-1720.
4. Гинак А.И., Сочилин Е.Г., Вьюнов К.А. Тонкослойная хроматография роданинов // Журн. прикл. химии. 1971. Т. 44. С. 2123-2124.
5. Масиас А., Торрес Д., Белецкая И.П. Двойственная реакционная способность щелочных солей 5-фурфурилиденроданина в реакциях алкилирования. III. Влияние природы уходящей группы на соотношение S- и N-алкилированных изомеров // Журн. орг. химии. 1979. Т. XV. Вып. 5. С. 889-892.
6. Шталь Э. Хроматография в тонких слоях. М.: Мир. 1965. 508 с.
7. Смирнов Н.Н., Курочкина М.И., Волжинский А.И. [и др.] Процессы и аппараты химической технологии. СПб.: Химия, 1986. 408 с.
8. Гинак А.И., Вьюнов К.А., Сочилин Е.Г. Исследование реакционной способности и таутомерии в ряду азолидинов. VI. Спектральное определение констант та-утомерного равновесия 5-бензилиденродонинов. // Журн. орг. химии. 1971. Т. VII. Вып. 7. С. 1718-1720.
