Спосіб отримання 4-вінілдифенілу і його 4′-алкільних заміщених

Реферат: Розроблено простий спосіб отримання 4-вінілдифенілу і його 4'-алкільних заміщених, який забезпечує отримання більш якісних продуктів, зменшує енерговитрати. Спосіб включає взаємодію дифенілу або його 4-алкільних заміщених з параформом та бромідом натрію в середовищі оцтової кислоти в присутності сірчаної кислоти, далі одержаний 4бромметилдифеніл або його 4'-алкільні заміщені піддають взаємодії з трифенілфосфіном в середовищі диметилформаміду, в результаті одержують сіль фосфонію дифенілу або його 4'алкільних заміщених, які піддають взаємодії з параформом в присутності третбутилату калію в середовищі тетрагідрофурану при температурі 60-64 °C. . UA 107141 C2 (12) UA 107141 C2 UA 107141 C2 Винахід належить до області органічної хімії, а саме до способу одержання органічної сполуки - 4-вінілдифенілуі його 4-алкільних заміщених загальної формули І R ,I 5 10 15 де R: -СН3, -СН(СН3)2, -С(СН3)3. Сполука має широкий спектр властивостей і може виступати одночасно і як активатор, добре розчинний в основному мономері, і як співполімер. Не дивлячись на те, що 4вінілдифеніл давно відомий, він як і раніше викликає інтерес у дослідників. Про методи отримання ароматичних вуглеводнів з вінільною групою є досить ранні повідомлення [Г.С. Колесников Синтез винильных производных ароматических гетероциклических соединений. Москва. 1960. 304 с.], але пошук нових методів активно продовжується і зараз. Відомий спосіб отримання 4-вінілдифенілу та його заміщених [R. Bejot, Anyu He, John R. Falck, C. Mioskowski. Chromium-carbyne complexes: Intermediates for organic synthesis. Chem. Int. Ed. № 46, 1719-1722, 2007], який включає отримання сполук з вінільною групою в присутності галоїдвмісних сполук металів, зокрема хрому, літію, де як вихідні виступають напівпродукти, що містять в боковому ланцюзі замісник -ССl3. Синтез здійснюють за схемою: CCl3 R LiI, H2O R , 20 25 30 35 40 де R - Н, або алкільний замісник. В цьому способі отримання 4-вінілдифенілу та його заміщених здійснюють, виходячи з літію йодистого, води і 4-трихлорметилдифенілу. Умови синтезу, температури плавлення та виходи продуктів в роботі не наведено. Передбачається і вивчається механізм отримання цих сполук в описуваних умовах. Відомий спосіб отримання 4-вінілдифенілу і його заміщених [Jeanne L. Bolliger and Christian M. Dichloro-bis(aminophosphine) complexes of palladium: Highly convenient, reliable and extremely active Suzuki-Miyaura catalysts with excellent functional group tolerance. Frech Chem. Eur. J., № 16, 4075-4081, 2010], який включає взаємодію арилборної кислоти, взятої з невеликим надлишком (1,1-1,2 екв.) і відповідних галоїдвмісних речовин в присутності 0,2 мол. % паладієвого каталізатора, який використовують у вигляді наночастинок в технічному толуолі, в установці, яка може сполучатися з повітрям. Спосіб носить універсальний характер, виходи високі (95 %). Цінність його в тому, що каталізатор легко розкладається водою і не заважає подальшому виділенню продукту. Температури плавлення в роботі не наведено. Спосіб отримання ненасичених сполук є надійним, вихід цільового продукту високий. Але, він вимагає використання дорогих паладієвих каталізаторів, що є недоцільно в наших умовах. Відомий спосіб отримання 4-вінілдифенілу і його заміщених [J. Lindh, J. Sävmarker, P. Nilsson, Per J. R. Sjcberg, M. Larhed. Synthesis of atyrenes by palladium(II)-catalyzed vinylation of arylboronic acids and aryltrifluoroborates by using vinyl acetate. Chem. Eur. J., № 15, 4630-4636, 2009.], який включає синтез сполук, що містять вінільну групу, яка вводиться шляхом взаємодії різних заміщених арилборних кислот з вінілацетатом, де як каталізатор використовують Pd (II). Досліджується отримання вінільних похідних із застосуванням НВЧ-нагріву за схемою: R B(OH)2 + OAc Pd ligand solvent mikrowave R , 45 де R-Н або алкільний замісник. 1 UA 107141 C2 5 10 15 При отриманні 4-вінілдифенілу в пропонованому способі використовують 4-фенілборну кислоту (1М, 1 ммоль) і вінілацетат (10 екв.). Синтез проводять в мікрохвильовій печі в герметичних ємностях при температурі 140 °C протягом 30 хв. в присутності паладієвого каталізатора (2 мол. %) і 2,9-диметил-1,10-фенантроліну (Dmphen, 2,2 мол. %). Як розчинник використовують диметилформамід. Вихід при цьому виявився невисоким. В роботі досліджується вплив різних фосфоровмісних лігандів на вихід реакції. Так, в разі використання як ліганда трифенілфосфіноксиду (ТРРО), вихід 4-вінілдифенілу складає всього 3 %, а в разі застосування 1,3-біс-(дифенілфосфіно)пропану (DPPP), вихід продукту становить 77 %, температура плавлення не приводиться. Але синтез здійснюють з використанням НВЧ-нагріву і дорогих паладієвих каталізаторів, що неможливо застосовувати в наших умовах. Відомий також спосіб отримання 4-вінілдифенілу і його заміщених [Luke R. Odell, J. Lindh, T. Gustafsson, M. Larhed. Continuous flow palladium(II)-catalyzed oxidative Heck reactions witharylboronic acids. Eur. J. Org. Chem., 2270-2274, 2010], який включає взаємодію вінілацетату з арилборною кислотою та її заміщеними, яка каталізується паладієм (II). Такі реакції можуть давати високі виходи вінільних похідних та мають вибірковість. Синтез здійснюють за схемою: R B(OH)2 + Pd (OAc)2 DPPP OAc DMF, 150 oC R , 20 25 30 35 40 де R-Н або алкільний замісник. Цей спосіб показує успішне застосування методу безперервного потоку із використанням арилборної кислоти і вінілацетату, в якому синтез 4-вінілдифенілу та його похідних проводять в умовах використання безперервного поточного модуля при наступному співвідношенні компонентів: арилборна кислота - 1 ммоль, вінілацетат - 10 ммоль, каталізатор Pd(OAc)2 0,02 ммоль, DPPP-0,22 ммоль. Синтез проводять в диметилформаміді при швидкості потоку 1 мл/хв і при температурі 150 °C. Потім реакційну суміш розбавляють етилацетатом, фільтрують через шприц, промивають NaOH (0,1 Н), а потім сумішшю 1:1 NH 4Cl (10 % водним розчином) і NaCl (30 % водним розчином). Органічну фазу відокремлюють, сушать і концентрують у вакуумі. Очищення здійснюють хроматографією на діоксиді кремнію з суміші етилацетату і гептану. Синтез проводять протягом 2-х годин, вихід 4-вінілдифенілу становить 68 %. Температури плавлення 4-вінілдифенілу та його похідних не наведено. Реакції з використанням арилборної кислоти при утворенні сполук, які мають вінільну групу, є досить популярними. Застосування безперервного поточного модуля також поширено в сучасній органічній хімії, тому що дозволяє контролювати стехіометрію, температуру, тиск, тобто умови синтезу, які можна контролювати автоматично. Але цей спосіб потребує специфічного обладнання, та відомий як мікрометод, який використовується для відпрацювання способу. Відомий спосіб отримання 4-вінілдифенілу та його заміщених [Jung-Yi Yu and Ryoichi Kuwano Angew. Rhodium-catalyzed cross-coupling of organoboron compounds with vinyl acetate. Chem. Int. Ed., № 48, 7217-7220, 2009], який включає кроспоєднання борорганічних сполук з вінілацетатом і використання комплексів родію як каталізатора. Проводять реакції 4третбутилборної кислоти з вінілацетатом у присутності різних комплексів металів (Ni, Pd, Ru, Ir, Re), а також у присутності різних лігандів: Ph2Р(СН2)nРРh2, де n=3-5, за схемою: [{RhCl(cod)}2] 2,5 % R-B(OR!)2 + Ac 45 K3PO4, AmOH, toluene, 100 R oC, 24 h , де cod - циклоокту-1,5-дієн, R - заміщений дифеніл. Вихід 4-вінілдифенілу становить 77 %. В приведеному способі описано прийнятне рішення проведення синтезу. Температури плавлення отриманих сполук в роботі не наведено. Але, також як і в попередніх аналогах, проведення його вимагає використання препаратів, які дорого коштують. 2 UA 107141 C2 5 Відомий спосіб отримання 4-вінілдифенілу і його заміщених [Yan Liu, Jinqu Wang, Synthesis of 4-substituted styrene compounds via palladium-catalyzed Suzuki coupling reaction using free phosphine ligand in air. Synthetic Communications, Vol. 40, № 2, 196-205(10), 2010], який включає синтез 4-вінілдифенілу і його заміщених через реакцію сполучення Сузукі, яка каталізується паладієм. Стабільні на повітрі, доступні в отриманні несиметричні основи Шиффа у цій роботі використовують як ліганди для даної реакції. Схема синтезу заміщених 4-вінілдифенілу: PdCl2(CH3CN)2, ligand, K3PO4 3 H2O Br + R2 BH(OH)2 R toluene, 80 oC R2 R . 10 15 Вихід 4-вінідифенілу та його заміщених є високим (70 % - 77 %), 4-вінілдифеніл за цим способом отримують в вигляді білого порошку з температурою плавлення 115 °C. Але при цьому необхідно використовувати сполуки, які вміщують паладій, що призводить до подорожчання процесу та обмежує його доступність. Відомий спосіб отримання 4-вінілдифенілу і його заміщених [В.Д. Безуглый, А.В. Чернобай, Л.И. Дмитриевская, Р.С. Мильнер, М.И. Довгошея. Пластмассовые сцинтилляторы на основе пвинилдифенила и его производных. В сб. Сцинтилляторы и сцинтилляционные материалы. Вып. 3. Харьков, с. 72-79, 1963]. Синтез здійснюють за схемою: (CH3CO)2O, X X COCH3 AlCl3, PhCl H2 Al, CH3CH(OH)CH3 X CHOHCH3 KHSO4 240 oC X , 20 25 30 35 40 де X - хлор, фтор, метоксигрупа, водень, в такій послідовності: - ацетилування дифенілу за допомогою хлористого алюмінію та оцтового ангідриду; - відновлення ацетильного похідного до відповідного карбінолу з подальшою його дегідратацією; - виділення кінцевого продукту. На першій стадії отримання 4-ацетилдифенілу здійснюють в середовищі хлорбензолу взаємодією дифенілу з оцтовим ангідридом, який повільно додають в реакційну масу, в присутності хлористого алюмінію при перемішуванні та охолодженні (-8, -5 °C). Після додання оцтового ангідриду реакційну масу повільно нагрівають до 70 °C і витримують при цій температурі 2 години та залишають на ніч. Потім отриманий комплекс розкладають сумішшю льоду і соляної кислоти, органічний шар промивають водою та хлорбензол відганяють з водяною парою. Технічний продукт, що містить за даними полярографічного аналізу 80 % ацетилдифенілу, перекристалізовують зі спирту. Вихід: 44 % від теорії. Т пл. - 120,5-121,5 °C. На другій стадії отримання 4-(феніл)-фенілметилкарбінолу здійснюють взаємодією свіжеприготованого ізопропілату алюмінію в ізопропіловому спирті з 4-ацетилдифенілом в колбі зі зворотним холодильником при кипінні протягом 2 годин. Після завершення реакції з реакційної маси відганяють ізопропіловий спирт та ацетон, який утворився за час проходження реакції. До густої реакційної маси додають при перемішуванні розчин соляної кислоти до кислої 3 UA 107141 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 реакції. Технічний продукт очищають перекристалізацією із суміші бензол-гексан (1:1). Вихід: 65 %; Т пл.=95-97 °C. На третій стадії отримують кінцевий продукт таким чином: у колбу для вакуумної перегонки, забезпеченою крапельною лійкою, поміщують прожарений бісульфіт калію і етиленгліколь. До нагрітої до 240 °C суміші додають порціями розчин, що складається з 4-(феніл)фенілметилкарбінолу, гідрохінону і метиленгліколю. Суміш етиленгліколю з 4-вінілдифенілом переганяють при вакуумі 15 мм. рт. ст. 4-Вінілдифеніл виділяють висаджуванням водою. Кристалізують з етанолу. Вихід: 50,7 %; Т пл.=118,5-119 °C. До недоліків цього способу отримання 4-вінілдифенілу і його заміщених в першу чергу належить трудоємкість використання високих температур та небезпечних реагентів. Так, при отриманні ацетилдифенілу (перша стадія) використовують такі небезпечні речовини як хлорбензол, безводний хлористий алюміній, оцтовий ангідрид (прекурсор). Для отримання 4-(феніл)-фенілметилкарбінолу (друга стадія) необхідно використовувати алюміній та соляну кислоту, яка також є прекурсором. Остання стадія вимагає використання дуже високих температур (240 °C), що є небезпечним при проведенні синтезу, а також, вакуумної перегонки для виділення кінцевого продукту. У всіх аналогах, які наведено, для отримання 4-вінілдифенілу і його алкільних заміщених, використовуються високі температури, що пов'язано з чималими енергозатратами і вимагає складного обладнання. Як прототип по кількості загальних ознак нами вибрано останній із наведених аналогів. В основу винаходу поставлено задачу розробки більш доступного способу отримання 4вінілдифенілу і його 4'-алкільних заміщених, який би дозволив за рахунок використання інших реагентів і зміни умов послідовності проведення реакції зменшити енергозатрати і підвищити якість кінцевого продукту. Рішення поставленої задачі забезпечується тим, що в способі отримання 4-вінілдифенілу та його 4'-алкільних заміщених, згідно з винаходом, дифеніл або його 4-алкільні заміщені піддають взаємодії з бромідом натрію та параформом в середовищі оцтової кислоти в присутності сірчаної кислоти, одержаний 4-бромметилдифеніл або його 4'-алкільні заміщені піддають взаємодії з трифенілфосфіном в середовищі диметилформаміду, в результаті одержують сіль фосфонію дифенілу або його 4'-алкільних заміщених, які піддають взаємодії з параформом в присутності третбутилату калію в середовищі тетрагідрофурану при температурі 60-64 °C. Вибір компонентів і проведення реакційних процесів в послідовності, яка заявляється, дає можливість отримувати продукти в м'яких умовах. Це сприяє виділенню більш чистих продуктів, ніж у прототипі, що в свою чергу, дозволяє зменшити затрати розчинників для очищення. Проведення синтезу в умовах, що заявляються, знижує енергозатрати, тому що синтез проводять порівняно при низьких температурах 60-64 °C (в аналогах та прототипі синтези здійснюють при температурі 80-240 °C). Такі температури дозволяють відмовитись від використання інгібітору, який використовують в прототипі. Проведення синтезу при більш високій температурі недоречно, тому, що температура кипіння тетрагідрофурану дорівнює 66 °C. Проведення синтезу при температурах, менших ніж 60 °C, призводить до зменшення виходу кінцевого продукту. Спектральні характеристики 4-вінілдифенілу, отриманого за способом, який заявляється, відповідають літературним даним (λмакс.погл=275 нм, λмакс.флуор=331 нм, розчинник-циклогексан) [В. Berlman, Handbook of Fluorescence Spektra of Aromatsc Molekules, 2nd ed., Academse Press: London, (1971), p. 97]. В таблиці наведено температури реакції, при яких отримують 4-вінілдифеніл та його 4'алкільні заміщені, виходи кінцевих продуктів, а також температури плавлення за способом, що заявляється, за способом прототипу і за способами-аналогами. Синтез, за способом, що заявляється, здійснюється за наступною схемою: 50 4 UA 107141 C2 H2SO4, NaBr, (CH2O)n R Br R CH3COOH Ph3P R DMF CH2P+(Ph)3Br (CH2O)n, (CH3)3C-OK THF, 60-64 oC R , 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 де R: - СН3, -СН(СН3)2, -С(СН3)3. На першій стадії взаємодією дифенілу або його 4'-алкільних заміщених з параформом та бромідом натрію під дією сірчаної та оцтової кислоти отримують 4-бромметилдифеніл або його 4'-алкільні заміщені. На другій стадії 4-бромметилдифеніл або його 4'-алкільні заміщені піддають взаємодії з трифенілфосфіном в середовищі диметилформаміду. Сіль фосфонію дифенілу не потребує очистки. На третій стадії взаємодією солі фосфонію з параформом під дією третбутилату калію в середовищі тетрагідрофурану при температурі 60-64 °C отримують 4-вінілдифеніл або його 4'алкільні заміщені. Очистку здійснюють послідовною перекристалізацією із циклогексану та ізопропілового спирту. По способу, що заявляється, 4-вінілдифеніл отримують з виходом 67,3 %; Т пл.=119-120 °C. Нижче наведено приклади конкретного виконання синтезу 4-вінілдифеніл та його заміщених. Приклад 1. Одержання 4-вінілдифенілу. В тригорлу колбу ємністю 0,5 л, оснащену зворотним холодильником, термометром, крапельною лійкою, поміщають 77 г (0,5 моль) дифенілу, 77,25 г (1,5 моль) броміду натрію, 15 г (0,5 моль) параформу і 100 мл льодяної оцтової кислоти. Реакційну суміш нагрівають при перемішуванні на водяній бані до 98 °C і за три години краплинами додають суміш 65 мл сірчаної кислоти в 35 мл оцтової кислоти. Витримують 6 годин на водяній бані та залишають на ніч. Охолоджену реакційну масу виливають в 300 мл води, промивають до нейтральної реакції за лакмусом, осад виділяють фільтруванням, сушать. Кристалізують із циклогексану. Отримують незабарвлені голчасті кристали 4-бромметилдифенілу. Вихід: 80 % (98,8 г), Т пл.=85 °C. В колбі зі зворотним холодильником кип'ятять 24,7 г (0,1 моль) 4-бромметилдифенілу і 26,2 г (0,1 моль) трифенілфосфіну в диметилформаміді протягом 3-х годин. Охолоджують, фільтрують, промивають ізопропіловим спиртом, сушать. Отримують сіль фосфонію в вигляді дрібнокристалічного незабарвленого порошку. Вихід: 97,5 % (49,6 г), Т пл.=295 °C. В тригорлу колбу ємністю 0,5 л, оснащену зворотним холодильником, змішувачем та термометром, завантажують 50,9 г (0,1 моль) солі фосфонію, 3,0 г параформу, 150 мл тетрагідрофурану. Реакційну суміш нагрівають до 60 °C і порціями додають 14,56 г (0,13 моль) третбутилату калію. Після додання третбутилату калію реакційну суміш витримують при температурі реакції 2 години, після чого виливають в 300 мл води, отриманий осад фільтрують, сушать, та здійснюють очистку 4-вінілдифенілу послідовною перекристалізацією із циклогексану та ізопропілового спирту. Вихід: 67,3 % (12,1 г); Т пл.=119-120 °C. Приклад 2. Отримання 4-вініл-4'-метилдифенілу. В тригорлу колбу ємністю 0,5 л, оснащену зворотним холодильником, термометром, крапельною лійкою, поміщають 84 г (0,5 моль) 4-метилдифенілу, 77,25 г (1,5 моль) броміду натрію, 15 г (0,5 моль) параформу і 100 мл льодяної оцтової кислоти. Реакційну суміш нагрівають при перемішуванні на водяній бані до 98 °C і за три години краплинами додають суміш 65 мл сірчаної кислоти в 35 мл оцтової кислоти. Витримують 6 годин на водяній бані та залишають на ніч. Охолоджену реакційну масу виливають в 300 мл води, промивають до нейтральної реакції за лакмусом, осад виділяють фільтруванням, сушать. Кристалізують із циклогексану. Отримують незабарвлені голчасті кристали. Вихід: 81 % (105,7 г), Т пл.=84,5 °C. В колбі зі зворотним холодильником кип'ятять 26,1 г (0,1 моль) 4-метил-4'бромметилдифенілу і 26,2 г (0,1 моль) трифенілфосфіну в диметилформаміді протягом 3-х годин. Охолоджують, фільтрують, промивають ізопропіловим спиртом, сушать. Отримують сіль фосфонію в вигляді дрібнокристалічного незабарвленого порошку. Вихід: 98 % (51,25 г), Т пл.=295 °C. 5 UA 107141 C2 5 10 В тригорлу колбу ємністю 0,5 л, оснащену зворотним холодильником, змішувачем та термометром, завантажують 52,3 г (0,1 моль) солі фосфонію, 3,0 г параформу, 150 мл тетрагідрофурану. Реакційну суміш нагрівають до 64 °C і порціями додають 14,56 г (0,13 моль) третбутилату калію. Після додання третбутилату калію реакційну суміш витримують при температурі реакції 2 години, після чого виливають в 300 мл води, отриманий осад фільтрують, сушать, та здійснюють очистку послідовною перекристалізацією із циклогексану та ізопропілового спирту. Вихід: 67,8 % (13,2 г); Т пл=120 °C. 4-вініл-4'-ізопропілдифеніл та 4-вініл-4'-третбутилдифеніл отримують аналогічно прикладу 1. Приклад 3. Одержання 4-вінілдифенілу при температурі 55 °C. Синтез проводять аналогічно прикладу 1, але кінцеву стадію здійснюють при 55 °C. Вихід 4вінілдифенілу складає 58,5 %. Таблиця Найменування показника Температура отримання, °C 25 Аналог 3 Аналог 4 Аналог 5 60-64 140 150 100 80 120 115 Вихід, % 20 Аналог 2 Т пл., °C 15 Спосіб, що заявляється 67,3 95 77 68 77 70-77 Аналог 6 Прототип 240 118,5119 50,7 Як видно з таблиці, запропоноване технічне рішення має наступні переваги: - суттєво понижується температура технологічного процесу (з 240 °C до 64 °C); - отримують продукти високої чистоти; - є менш енергоємним (в порівнянні зі способом-прототипом), здешевлює вартість цільових продуктів. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Спосіб отримання 4-вінілдифенілу і його 4'-алкільних заміщених, який відрізняється тим, що дифеніл або його 4-алкільні заміщені піддають взаємодії з параформом та бромідом натрію в середовищі оцтової кислоти в присутності сірчаної кислоти, одержаний 4-бромметилдифеніл або його 4'-алкільні заміщені піддають взаємодії з трифенілфосфіном в середовищі диметилформаміду, в результаті одержують сіль фосфонію дифенілу або його 4'-алкільних заміщених, які піддають взаємодії з параформом в присутності третбутилату калію в середовищі тетрагідрофурану при температурі 60-64 °C. Комп’ютерна верстка М. Шамоніна Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6