Современные методы синтеза гетероциклических соединений (110

Схема 12

Ионные жидкости используют в органическом синтезе (растворители и каталитические системы на их основе), электрохимии, экстракции, получении наночастиц, ферментном биокатализе. Как реакционная среда ионные жидкости применяются в реакциях алкилирования и ацилирования различных субстратов, ароматического нуклеофильного замещения, циклоприсоединения по Дильсу–Альдеру, в катализируемых переходными металлами процессах (гидрирование, гидроформилирование, арилирование винильных систем по Хеку). Выходы целевых продуктов, как правило, не ниже или даже выше, чем при проведении реакций в обычных растворителях. Кроме того, в некоторых случаях отмечена более высокая селективность реакций (хемо-, региоили стерео-). Еще одним достоинством ионных жидкостей является возможность их многократного применения без потери каких-либо свойств. Но, вследствие высокой растворяющей способности по отношению ко многим органическим соединениям, на стадии выделения продуктов необходимо применение экстракционных или дистилляционных методов (схема 13).

Перспективным представляется использование ионных жидкостей как среды для разрушения токсичных органических соединений (полихлорированных углеводородов, диоксинов, пестицидов и т.д.).

11

Схема 13

O Ar1 O

Таким образом, как нелетучие, невоспламеняющиеся и имеющие высокую термостабильность ионные жидкости обычно рассматриваются как экологически чистые растворители. Однако многие ионные жидкости обладают определенной токсичностью, особенно с полифторированными анионами, и, что наиболее существенно, не являются биоразлагаемыми. В последнее время предпринимаются попытки изменить их структуру с целью снизить экологически неблагоприятное воздействие этих факторов, но и в этих случаях остается нерешеннойещеоднапроблема– относительновысокаястоимость.

В ионных жидкостях можно проводить различные типы реакций. Например, присоединение азид-иона к α,β-непредельным карбонильным соединениям протекает в ионных жидкостях – [bmim][РF6] или [bmim][BF6], которые можно использовать повторно. Новым является то, что в реакциях Михаэля можно использовать непосредственно азид натрия (схема 14).

Схема 14

12

Использование перфторированных соединений в качестве растворителей

Уникальная близость и химически инертные свойства перфторалканов позволяют широко использовать их в качестве растворителей. Перфторалканы инертны по отношению к воде, протонным и полярным растворителям, углеводородам и их различным функциональным производным. Эта особенность перфторалканов позволяет проводить в них каталитические процессы.

Первоначально реакции с использованием перфторалканов заключались в экстракции последними реактивов и катализаторов вследствие гомогенизации реакционной массы при нагревании. При охлаждении происходит разделение органической фазы и перфторированной жидкости, что позволяет легко выделять продукты реакции. Такой подход вполне приемлем для многих органических реакций. Однако в данной схеме есть определенные недостатки – двухфазное протекание процесса, дороговизна перфторалканов и негативное воздействие перфторалканов на озоновый слой, что делает экологически неприемлемой данную схему проведения процесса. В настоящее время процесс синтеза гетероциклов модифицирован реакции проводятся на границе раздела фаз, одной из которых является перфторалкан.

Спектр используемых перфторалканов достаточно широк. В качестве примера можно привести синтез пирролоиндолов (схема 15).

Схема 15

В синтезе оксииндолов, тетрагидроизохинолинонов (схема 16), тетрагидробензазепинонов используют 1Н,1Н,2Н,2Н-перфтордекантиол.

Схема 16

13

Для достижения сверхкритического состояния воды необходимо давление 218 атм. и температура 374 oС. Для создания таких условий требуется специальное дорогостоящие оборудование. Достичь сверхкритического состояния диоксида углерода намного проще. Реакции в сверхкритическом СО2 можно проводить в автоклавах простого устройства, загружая туда сухой лед и реагенты. СО2 сам при испарении создаст нужные условия.

Энергетические затраты при проведении реакции с использованием диоксида углерода в качестве растворителя значительно ниже, чем при использовании других растворителей. Так, если реакция проводится в воде, необходимо затратить большое количество энергии на ее выпаривание. Все эти преимущества сделали диоксид углерода привлекательным для промышленности реагентом, который широко используют.

Недавно описано использование сверхкритических углеводородов для проведения важных нефтехимических процессов. Например, каталитическая изомеризация н-бутана в изо-бутан эффективно протекает в сверхкритическом н-бутане; при этом стабильность работы катализатора и срок службы существенно возрастает, потому что сверхкритический растворитель эффективно очищает поверхность катализатора от образующейся сажи.

Таблица 1

Величины критических параметров

Интересный подход описан в работе, реакцию карбонилирования пиррола проводят в среде срехкритического углекислого газа, при этом образуется пиррол-2-илкарбоновая кислота (схема 19).

15

Схема 19

Каталитические процессы

Одним из ключевых направлений современной синтетической химии является катализ. Разработанные в последнее время каталитические процессы обладают очень высокой эффективностью. Например, выходы в реакции окисления метанола до уксусной кислоты на родиевом катализаторе составляет около 90 % (схема 20).

Схема 20

Rh

CH3OH + CO CH3COOH

Можно провести сравнение получения трет-бутиламина из изобутилена традиционным путем и каталитическим. В классическом методе сначала получают (CH3)3CNHCNO обработкой изобутилена цианистым водородом, на второй стадии отщеплением муравьиной кислоты получают целевой продукт. Кроме крайне низких выходов, традиционный процесс характеризуется использованием очень ядовитой синильной кислоты. Количество отходов возрастает, поскольку процесс идет в две стадии. В то же время возможен одностадийный процесс получения целевого продукта (схема 21) обработкой изобутилена аммиаком в присутствии цеолитного катализатора.

Схема 21

16

Катализ развивается бурными темпами. Можно только упомянуть основные направления развития каталитической науки:

1)катализ наночастицами;

2)цеолиты и мезопористые катализаторы;

3)закрепление гомогенных катализаторов на носителе;

4)предотвращение потерь катализатора;

5)катализ энзимами (ферментами), в том числе закрепленными (гетерогенизированными).

Так, чрезвычайно разнообразны использования биокатализаторов –

ферментов. Это и кормовые добавки, и процессы пищевой промышленности (гидролиз некрахмальных полисахаридов, уменьшение вязкости растворов, увеличение выхода целевого продукта), в том числе производство пива, спирта, белковых гидролизатов: бета-глюканазы, целлюлазы, протеазы, амилазы, кератиназы; процессы текстильной промышленности (изменение свойств поверхности текстильных изделий), в том числе изготовление джинсовых изделий (удаление индиго), биополировка, удаление ворса, предотвращение пиллинга, облагораживание шерсти; процессы целлюлознобумажной промышленности (биоотбеливание пульпы, удаление тонеров и чернил при вторичной переработке бумаги/макулатуры); производство моющих средств (разрушение загрязнений, придание свежести тканям, предотвращение пиллинга).

В последнее время нитрование ароматических соединений стремятся проводить с использованием только азотной кислоты, а не ее смеси с серной, что снижает экологические риски. При этом найдено, что определенные сорта цеолитов в качестве катализаторов позволяют проводить процесс с высокой скоростью и селективностью. Сами же цеолиты – природные или синтетические глины – вполне экологичны, легко отделяются от реакционной среды и регенерируются азеотропным удалением воды. Относительно новое направление использования катализаторов – синтез биоразлагаемых полимеров вместо используемых в настоящее время устойчивых марок. Так, каталитический процесс позволил снизить температуру получения и улучшить физико-химические свойства полиаспаргиновой кислоты. Этот полимер можно использовать вместо полиакриловой кислоты, которая в природе не разлагается. Кроме того, его можно использовать в качестве ингибитора коррозии и образования накипи в системах очистки воды.

Применение каталитических процессов в будущем позволит создавать материалы (в том числе полимеры), которые не нуждаются в добавках, пластификаторах, ингибиторах горения и пр., т.е. веществах, затрудняющих повторное использование материалов.

Среди пока нерешенных проблем в катализе – проблема активации атмосферного азота и кислорода. Как известно, растения способны усваивать азот из атмосферы. Если бы это удалось сделать доступным каталитическим

17

путем, многие химические проблемы были бы решены. Например, процесс получения азотной кислоты протекает в четыре стадии. Атомная эффективность этого ключевого для химической промышленности процесса очень низкая. И как эффективно бы он протекал с участием атмосферного азота при наличии подходящего катализатора.

Нобелевская премия 2007 года в области химии была присуждена ученому из Германии, почетному профессору факультета физической химии Института Фрица Габера (Берлин) Герхарду Эртлу «за новаторские исследования в области химии поверхности». Подходы, разработанные Эртлом, базируются на результатах, полученных им при изучении процесса Боша– Габера, используемого при фиксации атмосферного азота (схема 22).

Схема 22

3H2 + N2 = 2NH3.

Эртл также изучал процесс окисления моноксида углерода на поверхности платины, реакции, использующейся для каталитической очистки автомобильных выхлопов. Разработанные Эртлом подходы к анализу поверхности широко используются в катализе.

18

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основная литература

1.Исидороф В.А. Экологическая химия : учеб. пособ. для студ. вузов / В.А. Исидороф. – СПб. : Химиздат, 2001. – 302 с.

2.Введение в химию окружающей среды / А. Джулиан [и др.]. – М. :

Мир, 1999. – 270 с.

3.Чоркендорф Н. Современный катализ и химическая кинетика / Н. Чоркендорф, Х. Наймантсвердрайт. – Долгопрудный : Интеллект, 2010. – 500 с.

Дополнительная литература

1.Корте Ф. Экологическая химия. Основы и концепции : учеб. пособ. / Ф. Корте, М. Бахадир, Б. Клайн. – М. : Мир, 1997. – 393 с.

2.Варфоломеев С.Д. Химическая энзимология : учебник для студ. /

С.Д. Варфоломеев. – М. : Academia, 2005. – 471 с.

3.Зеленая химия в России : сб. статей / под ред. В.В. Лунина, П. Тундо, Е.С. Локтевой ; Московск. ун-т. – М. : Изд-во Московск. гос. ун-та, 2004. – 230 с.

4.Stanley E. Green Chemistry / E. Stanley. – Manahan : Chem. Char. Reserch., Inc., 2005. – 377 p.

5.Bommarius A.S. Biocatalysis fundamentals and applications / A.S. Bommarius, B.R. Riebel. – Weinhein : Wiley-VCH, 2004. – 611 p.

6.Смит В. Органический синтез. Наука и искусство / В. Смит, А. Боч-

ков, Р. Кейпл. – М. : Мир, 2001. – 573 с.

7.Граник В.Г. Основы медицинской химии / В.Г. Граник. – М. : Вузовская книга, 2001. – 384 с.

8.Anastas P.T. Green Chemistry: Theory and Practice / P.T. Anastas, J.C. Warner. – Oxford University Press : U. K. 2000. – 135 p.

9.Caddick S. Microwave assisted organic reactions / S. Caddick // Tetrahedron. – 1995. – V. 51. – P. 10403–10432.

10.Ranu B.C. Synthesis of alkyl-substituted pyrroles by three-component coupling of carbonyl compound, amine and nitro-alkane/alkene on a solid surface of silica gel/alumina under microwave irradiation / B.C. Ranu, A. Hajra // Tetrahedron. – 2001. – V. 57. – P. 4767–4773.

11.Ranu B.C. Microwave-Assisted Synthesis of Substituted Pyrroles by a Three-Component Coupling of a,b-Unsaturated Carbonyl Compounds, Aminesand Nitroalkanes on the Surface of Silica Gel / B.C. Ranu, A. Hajra, U. Jana // Synlett. – 2000. – № 1. – P. 75–76.

12.Dessole G. H-Bonding Organocatalysed Friedel–Crafts Alkylation of

Aromatic and Heteroaromatic Systems with Nitroolefins / G. Dessole, R.P. Herrera, A. Ricci // Synlett. – 2004. –№ 13. – P. 2374–2378.

19

13.Mukhopadhydic Ch. Water-Promoted Dowex 50W Catalyzed Highly Efficient Green Protocol for 2-Arylbenzotiazole Formation / Ch. Mukhopadhydic, A. Datta // J. Heterocyclic Chem. – 2009. – V. 46. – P. 91.

14.Khalili B. Novel One-Pot, Three-Component Synthesis of New 2-Alkyl-5-aryl-(1H)-pyrrole-4-ol in Water / B. Khalili [et. al] // J. Org. Chem. – 2008. – V. 73. – P. 2090–2095.

15.Breslow R. On the origin of product selectivity in aqueous diels-alder reactions / R. Breslow, U. Maitra // Tetrahedron Lett. –1984. – V. 25. – P. 1239– 1240.

16.Breslow R. Selective diels-alder reactions in aqueous solutions and suspensions / R. Breslow, U. Maitra, D. Rideout // Tetrahedron Lett. – 1983. – V. 24. – P. 1901–1904.

17.Rideout D.C. Hydrophobic acceleration of Diels-Alder reactions / D.C. Rideout, R. Breslow // J. Am. Chem. Soc. – 1980. – V.102. – P. 7816–7817.

18.Attanasi O.A. Different Behavior of the Reaction between 1,2-Diaza- 1,3-butadienes and 1,2- iamines under Solvent or Solvent-Free Conditions / O.A. Attanasi, [et. al] // Synlett. – 2005. – № 9. – P. 1474–1476.

19.Lubineau A. In Modern SolVents in Organic Synthesis / A. Lubineau, J. Auge. – Berlin : Springer, 1999. – 206 P.

20.Lu G.-P. An Еfficient Synthesis of Dihydrothiophene Ureidoformamides by Domino Reactions of 1,3-Thiazolidinedione under Catalyst-Free Conditions / G.-P. Lu, L.-Y. Zeng, Ch. Cai // Green Chem. – 2011. – V. 13. – P. 998.

21.Polshettiwar V. Microwave-Assisted Organic Synthesis and Transformations using Bening Reaction Media / V. Polshettiwar, R.S. Varma // Accounts of Chemical Research. – 2008. – V. 41, № 5. – P. 629–639.

22.Shi D.-Q. An Efficient Synthesis of Polyhydroacridine Derivatives by the Three-component Reaction of Aldehydes, Amines and Dimedone in Ionic Liquid / D.-Q. Shi [et. al] // Heterocyclic Chem. – 2008. – V. 45. – P. 653–660.

23.Bonhote P. Hydrophobic, Highly Conductive Ambient-Temperature Molten Salts / P. Bonhote [et. al] // Inorg. Chem. – 1996. – V. 35. – P. 1168– 1178.

24.Kim H.S. Imidazolium and Phosphonium Alkylselenites for the Catalytic Oxidative Carbonylation of Amines: Mechanistic Studies / H.S. Kim, [et. al] // Organometallics. – 2003. – V. 22. – P. 2498–2504.

25.Ionic Liquides in Synthesis / Ed by P. Wasserscheid and T. Welton. – Weinheim : Wiley-VCH, 2003. – 363 P.

26.Xu L.W. The first ionic liquids promoted conjugate addition of azide ion to α,β-unsaturated carbonyl compounds / L.W. Xu [et. al] // Tetrahedron Lett. – 2004. – V. 45. – P. 1219–1221.

27.Matsugi M. Reverse Fluorous Solid-Phase Extraction: A New Technique for Rapid Separation of Fluorous Compounds / M. Matsugi, D.P. Curran // Org. Lett. – 2004. – № 6. – P. 2717–2720.

20