CC BY
105
УДК 547.26’118
Э. М. Касымова, Т. Р. Шаехов, Д. Б. Криволапов,
А. Р. Бурилов, С. В. Бухаров, Н. А. Мукменева
СИНТЕЗ ПРОСТРАНСТВЕННО-ЗАТРУДНЕННЫХ ФОСФОРСОДЕРЖАЩИХ ФЕНОЛОВ
Ключевые слова: пространственно-затрудненный фенол, фосфорорганические соединения, синтез, метил-3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензилхлорфосфонат, гибридные антиоксиданты.
Впервые исследовано взаимодействие диметил-3,5-ди-трет-бутил-4-
гидроксибензилфосфоната с пятихлористым фосфором. Показано, что направление реакции и тип образующегося продукта существенно зависит от экспериментальных условий. Впервые получен метил-3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензилхлорфосфонат.
Кеумвтйз: sterically hindered phenol, phosphororganic compounds, synthesis, methyl-3,5-di-tret-buthyl-4-hydroxybenzylchlorphosphonate, “hybrid” antioxydante.
For the first time interaction dimethyl-3,5-di-tret-buthyl-4-hydroxybenzylphosphonate with five-chloride phosphorus is investigated. It is shown, that the direction of reaction and type of a formed product essentially depends on experimental conditions. For the first time methyl-3,5-di-tret-buthyl-4-hydroxybenzylchlorphosphonate is received.
Антиоксиданты широко применяются для предотвращения различных окислительных процессов [1,2]. В последние десятилетия одной из основных тенденций в развитии ассортимента антиоксидантных (АО) добавок является создание полифункциональных (гибридных) АО, среди которых важное место занимают производные 2,6-ди-трет-бутилфенола [3, 4, 5, 6]. Результаты исследований последних лет подтверждают
необходимость сочетания в молекуле функционально-замещенного фрагмента и пространственно-затрудненной фенольной группы, что способствует созданию новых соединений, обладающих комплексом полезных свойств, в том числе проявляющих биологическую активность [7]. В связи с этим основой использования и поиска фосфорорганических соединений в качестве антиоксидантов является исключительная способность атома фосфора вступать в электронные взаимодействия самых различных типов. Наличие вакантных орбиталей и неподеленной электронной пары, высокая поляризуемость и полярность связей фосфора позволяет конструировать практически любые необходимые структуры фосфорорганических соединений [8]. Было установлено, что наиболее сильным антиокислительным действием обладают ароматические и алкилароматические эфиры фосфористых кислот, которые способны проявлять значительный синергический эффект в смесях с фенолами, хорошо совмещаются с полимерами, имеют низкую летучесть и окисляемость молекулярным кислородом [9, 10]. С целью получения полупродуктов для синтеза фосфорсодержащих пространственно-затрудненных фенолов, нами предложен подход, который заключается в синтезе пространственно-затрудненных фенолов с хлорфосфонатными фрагментами с использованием доступных реагентов.
Нами впервые было проведено взаимодействие диметил-3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензилфосфоната (1) с пятихлористым фосфором (схема 1). Анализ спектров ЯМР 31P реакционной смеси показал наличие продуктов моно- (5р 39 м.д.) и дизамещения (5р 44 м.д.) диметил-3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензилфосфоната (рис.1).
При попытке разделения смеси происходил гидролиз и разрушение полученных продуктов. С целью синтеза хлорфосфонатов нами был проведен подбор экспериментальных условий, таких, как соотношение исходных реагентов, температура и время реакции. В результате взаимодействия диметил-3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензилфосфоната с пятихлористым фосфором в абсолютнном толуоле при соотношении реагентов 1:2 и времени
реакции 10 часов впервые был получен в чистом виде метил-3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензилхлорфосфонат (2) (схема 2).
1>Ви
НО
1-Ви
1-Ви
1-Ви
^рООсНз-Осн3
РСІ
V но
Р^СІ + НО"
2
Схема 1
31
Рис. 1 - Спектр ЯМР Р реакционной смеси
\ //
1-Ви
3
ь
1-Ви
НО
1-Ви
Р^ОсНз Осн3
РСІ
V НО
1-Ви
О
НзсО^'
Схема 2
Полученное соединение 2 представляет собой белое кристаллическое вещество с Тпл. 115-117°С, в спектре ЯМР 31Р присутствует единственный сигнал в области 39 м.д. Строение соединения 2 подтверждено данными спектроскопии ЯМР (1Н, 31Р), ИК-спектроскопии,
состав доказан методом элементного анализа. Структура данного соединения также была подтверждена методом РСА (рис. 2).
При взаимодействии диметил-3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензилфосфо-ната с хлоридом фосфора (V) в концентрированном растворе и соотношение исходных реагентов 1:4 удалось получить дихлорфосфонат 3 в чистом виде. Контроль за ходом реакции осуществлялся спектроскопией ЯМР 31Р, путем последовательных отборов проб реакционной
Рис. 2 - Молекулярная
соединения 2
структура
1
смеси. В спектре ЯМР Р мы наблюдали постепенное исчезновение сигнала в области 39 м.д и появление сигнала в области 44 м.д., которое и соответствовало дизамещенному продукту 3. На основание полученных данных мы можем предположить, что образования дихлорфосфоната 3 протекает через промежуточное соединения 2, согласно схеме 3.
1-Ви
НО'
1-Ви
•р°ОсН3 ОсН3
1-Ви
Полученное соединение 3 представляет собой маслообразное вещество темного цвета с Тпл. 109-1110С. Строение соединения 3 подтверждено данными спектроскопии ЯМР (1Н, 31Р), ИК-спектроскопии, состав доказан методом элементного анализа.
С целью исследования реакционной способности метил-3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензилхлорфосфоната 2 и 3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензилдихлорфосфоната 3 было проведено их взаимодействие с диэтиламином. В случае взаимодействия монохлорфосфоната 2 с избытком диэтиламина происходит образование молекулярного комплекса 4 (схема 4).
1-Ви
2
МН2(с2Н5)2 сі
Соединение 4 представляет собой белое кристаллическое вещество с Тпл. 136-138°С, хорошо растворимое в воде. Строение соединения 4 подтверждено данными спектроскопии ЯМР (1Н, 31Р), ИК-спектроскопии, состав доказан методом элементного анализа. В ИК-спектре полученного соединения 4 присутствуют полосы валентных колебаний, соответствующие колебаниям связи Р-О-С (1046 см-1), поглощению ОН-группы (3445 см-1), также наблюдается пик в области 1238 см-1, соответствующий валентным колебаниям Р=О связи, характеристические полосы в области 2100-2600 см-1 свидетельствуют о наличие солянокислого диэтиламина.
При взаимодействии дихлорфосфоната 3 с диэтиламином образуется маслообразный продукт 5 темно-красного цвета (схема 5). Строение полученного соединения 5 подтверждено данными спектроскопии ЯМР (1Н, 31Р), ИК-спектроскопии, состав доказан методом элементного анализа.
1-Ви
МН2(с2На)2 сі
Схема 5
В ИК-спектре соединения 5 присутствуют полосы валентных колебаний, соответствующие колебаниям связи P-O-C (1025см- ), поглощению ОН-группы (34В5 см- ), также наблюдается пик в области 1233 см-1, соответствующий валентным колебаниям P=О связи, пики в области 2100-2600 см-1 свидетельствуют о наличие солянокислого диэтиламина.
Таким образом, нами впервые исследовано взаимодействие диметил-3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензилфосфоната с пятихлористым фосфором. Показано, что направление реакции и тип образующегося продукта существенно зависит от экспериментальных условий. Впервые получен метил-3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензилхлорфосфонат. Предложен оптимальный метод его синтеза. В результате взаимодействия метил-3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензилхлорфосфоната и 3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензилдихлорфосфоната с диэтиламином впервые получены гидрохлориды ^^диэтиламидо-(3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензил)-фосфонатов. В изученных реакциях производные хлорфосфонатов проявили высокую реакционную способность.
Экспериментальная часть
Спектры ЯМР 1Н регистрировали на приборе «Bruker Avance-400» (с рабочей частотой 400,13 МГц) относительно сигналов остаточных протонов дейтерированного растворителя CDCI3. Спектры ЯМР 31Р также регистрировали на приборе Bruker MSL-400 (с рабочей частотой 166,93 МГц) относительно внешнего стандарта - 85%-ной Н3РО4. ИК спектры записаны на Фурье-спектрометре Vector 22 фирмы Bruker в интервале 400-4000 см-1. Образцы исследовались в таблетках KBr. Элементные анализы были выполнены на элементном анализаторе Карло-Эрба (Carlo-Erba) марки EA 1108.
Рентгеноструктурный анализ соединения выполнен при 20о на автоматическом дифрактометре “Bruker Smart APEX2”(A, MoK, графитовый монохроматор, ю-сканирование). Учет поглощения не проводился ввиду его малости. Структура расшифрована прямым методом по программе SIR [11] и уточнена в изотропном, затем в анизотропном приближении по программе SHELXL-97 [12]. Координаты атомов водорода выявлены из разностных рядов Фурье и уточнены изотропно. Все расчеты проведены с помощью программ WinGX [13] и APEX2. Анализ межмолекулярных контактов в кристаллах, рисунки молекул и кристаллической упаковки выполнены с использованием программы PLATON. Координаты атомов, геометрические параметры структур депонированы в Кембриджской кристаллоструктурной базе данных.
Реакционные смеси анализировали методом ТСХ на пластинках Silufol UV-254. Все операции проводили в атмосфере сухого аргона. Растворители очищали и обезвоживали по известным методикам [14]. Диметил-3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензилфосфонат синтезировали по методике [15].
Метил-3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензилхлорфосфонат (2). 1 г диметил-3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензилфосфоната 1 растворили в 10 мл абс. толуола., при температуре 500С добавили 1,25 г хлорида фосфора (V). Реакционную смесь выдерживали при температуре 500С в течение 10 часов. Выпавший после охлаждения реакционной смеси белый кристаллический осадок 2 промывали толуолом, высушивали в эксикаторе над Р2О5. Выход 0,8 г (80%), Тпл. 115-117 С. ИК-спектр, v, см-1: 525 (P-CI); 1032 (POC); 1225 (PO); 3478 (OH). ЯМР 31P (CDCI3, 5, м.д.): 39,82. ЯМР 1Н (CDCI3, 5, м.д.): 1,44 (с, 18H, С(СНз)з); 3,45 (д, 2H, CH2, Jhh 19,8 Гц); 3,84 (д, 3H, OCH3, Jhh 19,8 Гц); 5,22 (c, 1H, OH); 7,10 (c, 1H, Hap); 7,11 (c, 1H, Hap). Найдено, %: С 57,21; H 7,18; Cl 10,45; P 9,14.C16H26CIO3P. Вычислено, %: С 57,74; H 7,87; Cl 10,65; P 9,31.
3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензилдихлорфосфонат (3). 1 г диметил-3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензилфосфоната 1 растворили в 3,5 мл абс. толуола, нагревали смесь до 550С и в течение 4 часов порциями добавляли 2,5 г хлорида фосфора (V). Реакционную смесь выдерживали при температуре 550С в течение 16 часов. Затем отогнали растворитель, получили маслообразный продукт темного цвета 3, промывали охлажденным эфиром, высушивали в эксикаторе над Р2О5. Выход 0,5 г (53%), Тпл. 109-111C. ИК-спектр, v, см-1 : 525 (P-CI); 1032 (POC); 1225 (PO); 3478 (OH). ЯМР 31P
(CDCI3, 5, м.д.): 47,29. ЯМР 1Н (CDCI3, 5, м.д.): 1,44 (с, 18H, C(CH3)3); 3,45 (д, 2H, CH2, Jhh 19,8 Гц); 5,22 (c, 1H, OH); 7,10 (c, 1H, Hap); 7,11 (c, 1H, Hap). Найдено, %: С 55,21; H 7,18; CI 19,45; P 9,14 C15H23CI2O2P. Вычислено, %: С 53,42; H 6,87; CI 21,03; P 9,18.
Гидрохлорид метил^,^диэтиламидо-(3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензил)-фосфонат (4).
0,5 г метил-3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензилхлорфосфоната 2 растворили в 4 мл абс. диэтилового эфира при 400С. После охлаждения реакционной смеси до комнатной температуры, добавили 4 мл
диэтиламина. Выдерживали реакционную смесь 1 час при комнатной температуре. Полученный осадок солянокислого диэтиламина отфильтровывали. Из фильтрата удаляли растворитель, промывали эфиром, получили продукт белого цвета 4. Выход 0,48 г (85%). Тпл. 136-138°С. ИК-спектр, v, см-1: 1046 (POC); 1238 (PO); 3445 (OH). ЯМР 31P (CDCI3, 5, м.д.): 21,38. ЯМР 1Н (CDCI3, 5, м.д.) : 1,02 (т, 6H, NCH2CH3, Jhh 10,26 Гц ); 1,09 (т, 6H, N^CHs, Jhh 10,8 Гц ); 1,29 (с, 18H, C(C^b); 2,52 (к, 4H, NCH2CH3 Jhh 10,26 Гц); 2,78 (д, 2H, CH2, Jhh 29,7 Гц); 3,36 (к, 4H, N/CH^CHs , Jhh 10,26 Гц); 3,45 (д, 3H, OCH3 , Jhh 15,36 Гц); 4,96 (c, 1H, OH); 6,97 (c, 1H, Нар); 6,98 (c, 1H, Нар); 9,84 (c, 1H, NH). Найдено, %: С 60,69; Н 9,88; N 4,25; P 7,47; Cl 6,45. C20H36NO3P. Вычислено, %: С 65,01; Н 9,82; N 3,79; P 8,38; Cl 5,02.
Гидрохлорид бис(диэтиламидо)-(3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензил)-фосфонат (5). Растворили 0,24 г 3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензилдихлорфосфоната 3 в 2 мл абс. диэтилового эфира при температуре 40°С. После охлаждения реакционной смеси до комнатной температуры добавили 1,5 мл диэтиламина. Выдерживали реакционную смесь 1 час при комнатной температуре. Полученный осадок отфильтровали, из фильтрата удалили растворитель получили маслообразный продукт темнокрасного цвета 5. Выход 0,25 г (85%). ИК-спектр, v, см-1 : 1025 (POC); 1233 (PO); 3485 (OH). ЯМР 31P (CDCl3, 5, м.д.): 34,10. ЯМР 1Н (CDCl3, 5, м.д.): 1,06 (т, 12Н, NCH2CH3); 1,09 (т, 6Н, N/CH2CH3); 1,39 (с, 18Н, C(CH3)3); 2,85 (уш.м., 8Н, NCH2CH3); 3,01 (д, 2Н, CH2, Jhh 25,68 Гц); 3,36 (к, 4Н, N/CH2CH3); 5,10 ( уш.c, 1Н, OH); 7,11 (c, 1Н, Нар); 7,12 (c, 1Н, Нар); 9,82 (c, 1Н, NH). Найдено, %: С 61,69; Н 9,88; N 9,25; P 6,07; Cl 7,54. C23H43N2O2P. Вычислено, %: С 62,34; Н 10,66; N 8,08; P 5,95; Cl 6,82.
Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России 2009-2013 г.г.», гос.контракт № П837.
Литература
1. Denisov, E. Handbook of Antioxidants / Е. Denisov // CRC Press, Boca Raton, Fla, USA, 1995.
2. Niki, Е. Lipid peroxidation: mechanisms, inhibition, and biological effects / Е. Niki, Y. Yoshida, Y. Saito, and N. Noguchi // Biochemical and Biophysical Research Communications. - 2005. - Vol. 338. Iss. 1. -P.668-676.
3. Мукменева, Н.А. Полифункциональные стабилизаторы полимеров, содержащие фрагменты гидроксибензофенона и пространственно затрудненного фенола / Н.А. Мукменева, С.В. Бухаров, Г.Н. Нугуманова, Н.В. Лысун, В.Б. Иванов // Высокомол. соед. - 1998 - Т. 40. - №9. - С. 1506-1510.
4. Просенко, А.Е. Синтез и исследование антиокислительных свойств новых серосодержащих производных пространственно-затрудненных фенолов / А.Е. Просенко, Е.И. Терах, Н.В. Кандалинцева, П.И. Пинко, Е.А. Горох, Г.А. Толстиков // Журн. прикл. химии. - 2001. - Вып. 11.
- С. 1839-1842.
5. Касымова, Э.М. Реакции 4-ацилрезорциновых соединений с 3,5-ди-трет.бутил-4-гидроксибензилацетатом / Э.М.Касымова, А.Р.Бурилов, Н.А.Мукменева, С.В.Бухаров, Т.Н.Нугуманова, Д.Б.Криволапов, М.А.Пудовик, И.А.Литвинов, А.И.Коновалов. // Изв. АН. Сер. хим.
- 2006. - № 7. - С. 1128-1133.
6. Бухаров, С.В. Синтез производных изониазида с пространственно затрудненными фенольными фрагментами / С.В. Бухаров, Р.Г. Тагашева, Г.Н. Нугуманова, Л.В. Мавромати // Вестник Казанского технологического университета -2010 - №8 - С. 23-27.
7. Зенков, Н.К., Антиоксидантные и противовоспалительные свойства новых водорастворимых серосодержащих фенольных соединений / Н.К. Зенков, Е.Б. Меньщикова, Н.В. Кандалинцева, А.С. Олейник, А.Е. Просенко, О.Н. Гусаченко, О.А. Шкляева, В.А. Вавилин, В.В. Ляхович // Биохимия. -2007. - Т. 72. Вып. 6. - С. 790-798.
8. Кирби, А. Органическая химия фосфора / А. Кирби, С. Уоррен // М.: Мир. 1971.
9. Кирпичников, П.А. Синтез и антиокислительные свойства фосфорорганических соединений. / П.А.Кирпичников, Н.А. Мукменева, Е.Н. Черезова // Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. - 1999. - №1. - C. 83-91.
10. Антонова, Н.А. Исследование антиоксидантных свойств фосфорилзамещенных фенолов / Н. А. Антонова, М. Н. Коляда, В. П. Осипова, Ю. Т. Пименов, Н. Т. Берберова, В. Ю. Тюрин, Ю. А. Грачева, E. Р. Милаева // Доклады Академии наук. - 2008. Т. 419. - №3. - С. 342-344.
11. Altomare, A. E-map improvement in direct procedures / A. Altomare, G. Cascarano, C. Giacovazzo, D. Viterbo // Acta Crystallogr.Sec. A. - 1991. - Vol. 47, №6. - P.744 - 748.
12. Sheldrick, G. M. SHELXL-97 Program for Crystal Structure Refinement, University of Goettingen, Germany. - 1997.
13. Farrugia, L.J, WinGX 1.64.05 An Integrated System of Windows Programs for the solution, Refinement and Analysis of Single Crystal X-Ray Diffraction Data / L.J. Farrugia // J.Appl.Crystallograph. - 1999. -Vol. 32. - P.837 - 838.
14. Вайсбергер, А. Органические растворители / А. Вайсбергер, Э. Проскауэр, Д. Риддик, Э. Тунис. - М. ИЛ., 1959. -518 с.
15. Мукменева, Н.А. Синтез диалкил(арил)(3,5-ди-трет.-бутил-4-гидроксибензил)фосфонатов / Н.А. Мукменева, В.Х. Кадырова, В.М.Жаркова // Журнал общей химии. - 1992. Т. 62. - Вып. 7. -С. 1670.
© Э. М. Касымова - канд. хим. наук, науч. сотр. ИОФХ им. А. Е. Арбузова Каз.НЦ РАН, [email protected]; Т. Р. Шаехов - асп. ИОФХ им. А. Е. Арбузова КазНЦ РАН; Д. Б. Криволапов - канд. хим. наук, ст. науч. сотр. ИОФХ им. А. Е. Арбузова Каз.НЦ РАН, [email protected]; А. Р. Бурилов - д-р хим. наук, проф., зав. лаб. элементоорганического синтеза ИОФХ им. А. Е. Арбузова Каз.НЦ РАН, [email protected]; С. В. Бухаров - д-р хим. наук, проф. каф. технологии основного органического и нефтехимического синтеза КГТУ; Н. И. Мукменева - д-р хим. наук, проф. каф. технологии синтетического каучука КГТУ.
