Помощь студентам в учебе
Разработка научных основ и принципиальной технологической схемы производства пиридиновых бетаинов
|
Введение
1 Литературный обзор
1.1Малоновая кислота
1.2Эфиры малоновой кислоты
1.3Малононитрил
1.4Кислота Мельдрума
1.5Бетаины и бетаиновые структуры
2Результаты и их обсуждение
2.1Взаимодействие с малоновой кислотой
2.1.1Двухкомпонентная реакция
2.1.2Трехкомпонентная реакция
2.2Взаимодействие с кислотой Мельдрума
2.2.1Двухкомпонентная реакция
2.2.2Трехкомпонентная реакция
2.3Взаимодействие с малоновыми эфирами
2.3.1Двухкомпонентная реакция
2.3.2Трехкомпонентная реакция
3Расчетно-техническая часть
3.1Принципиальная технологическая схема синтеза альдегида
3.2Принципиальная технологическая схема получения бетаинов
3.3Расчет материального баланса
4Экспериментальная часть
Заключение
Список используемой литературы
1 Литературный обзор
1.1Малоновая кислота
1.2Эфиры малоновой кислоты
1.3Малононитрил
1.4Кислота Мельдрума
1.5Бетаины и бетаиновые структуры
2Результаты и их обсуждение
2.1Взаимодействие с малоновой кислотой
2.1.1Двухкомпонентная реакция
2.1.2Трехкомпонентная реакция
2.2Взаимодействие с кислотой Мельдрума
2.2.1Двухкомпонентная реакция
2.2.2Трехкомпонентная реакция
2.3Взаимодействие с малоновыми эфирами
2.3.1Двухкомпонентная реакция
2.3.2Трехкомпонентная реакция
3Расчетно-техническая часть
3.1Принципиальная технологическая схема синтеза альдегида
3.2Принципиальная технологическая схема получения бетаинов
3.3Расчет материального баланса
4Экспериментальная часть
Заключение
Список используемой литературы
В современной науке существует множество способов синтеза биологически активных соединений, большинство из них сводится к многостадийным реакциям, в которых тратится большое количество реагентов, растворителей и времени на синтез, очистку и описание каждого из исходных соединений. В последние десятилетия больший интерес вызывают мультикомпонентные реакции, позволяющие значительно сократить количество затрачиваемого времени на проведение реакций, а также объем используемых реактивов [1]-[3].
Среди прочих реакций отдельный интерес вызывают взаимодействия на основе метиленактивных соединений (также их можно называть CH- кислотами за счёт высокой подвижности атомов водорода при метиленовом фрагменте). Такие соединения обладают рядом преимуществ, а именно:
-позволяют быстро прийти к биологически активным соединениям (например арилгидразонам, адамантиевым производным, различным гетероциклам [4]-[7]);
-в большинстве случаев значительно сокращают скорость реакции за счёт высокой реакционной способности;
-облегчают дальнейшую модернизацию получаемых структур (за счёт наличия нитрильных, карбонильных и других группировок в составе исходных метиленактивных соединений).
Среди прочих представителей СН-кислот наибольший интерес представляют коммерчески доступные, либо легко синтезируемые в лабораторных условиях, вещества. К ним можно отнести малоновую кислоту 1, эфиры малоновой кислоты 2, малононитрил 3, кислоту Мельдрума 4, барбитуровую кислоту 5 (рисунок 1).
Рисунок 1 - Некоторые коммерчески доступные СН-кислоты
Эти соединения достаточно хорошо изучены и про них написано большое количество научных обзоров и статей. Отмечается их высокая реакционная способность, в частности в реакциях с карбонильными структурами. Взаимодействие алифатических и ароматических альдегидов с СН-кислотами достаточно широко описано в литературе [8]-[12].
Стоит отметить, что взаимодействие а-ацетиленовых альдегидов с СН- кислотами слабо изучено. Наличие тройной связи в соединениях позволяет сильно расширить возможности дальнейшей модификации структур путем взаимодействия с нуклеофильными агентами.
Актуальность и научная значимость настоящего исследования: заключается в необходимости разработки методик получения биологически активных веществ в количествах, способных удовлетворить потребность внутреннего рынка. Научная значимость состоит в получении и изучении химических свойств продуктов на основе а-ацетиленовых альдегидов.
Объект исследования: а-ацетиленовые альдегиды и CH-кислоты, а также продукты конденсации Кневенагеля.
Предмет исследования: некоторые аспекты химических свойств и технологии промышленного получения бетаиновых соединений на основе а- ацетиленовых альдегидов.
Цель исследования: оптимизация условий для проведения синтеза Кневенагеля между а-ацетиленовыми альдегидами и CH-кислотами для получения бетаиновых структур в мультиграммовых количествах и создание принципиальной технологической схемы предлагаемой синтетической схемы.
Гипотеза исследования состоит в том, что, используя ацетиленовый фрагмент в молекуле, а также взаимодействия с СН-кислотами, можно разработать новые схемы синтеза бетаиновых и прочих потенциально биологически активных структур.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1.Провести анализ литературы по взаимодействию ненасыщенных альдегидов с СН-кислотами;
2.Подобрать условия и провести синтез аддуктов конденсации Кневенагеля;
3.Подтвердить строение полученных соединений;
4.Изучить химические свойства получаемых аддуктов;
5.Разработать основы технологической схемы для получения данных аддуктов.
Теоретико-методологическую основу исследования составили научные наработки в данном направлении научного руководителя - к.х.н., доцента Голованова А.А., а также ранее выполненные работы научного коллектива под руководством научного руководителя.
Методы исследования: изучение, анализ и обобщение литературных источников по теме магистерской диссертации. Проведение экспериментальных исследований, обработка и анализ полученных результатов с применением современных физико-химических методов анализа.
Научная новизна исследования заключается в:
- использовании в качестве исходных веществ алкильных и арильных а-ацетиленовых альдегидов. В литературе слабо описаны химические свойства данных веществ, в отличие от химии а, 0-ненасыщенных альдегидов;
-разработке быстрого и эффективного метода образования бетаиновых соединений с участием а-ацетиленовых альдегидов, что не было описано ранее;
-разработке принципиальной технологической схеме получения бетаиновых структур.
Личное участие автора в организации и проведении исследования состоит в постановке цели и основных задач, выполнении аналитического обзор литературных данных по теме исследования. Изложенные в диссертации результаты исследований получены непосредственно автором работы или совместно с соавторами опубликованных работ. Обсуждение, обобщение и интерпретация полученных результатов исследования, подготовка научных публикаций и тезисов докладов проведены совместно с научным руководителем к.х.н., доцентом А.А. Головановым. Автором диссертации осуществлялось непосредственное планирование и проведение лабораторных экспериментов, анализ и обработка экспериментальных результатов, выполнение расчетов и подведение итогов работы.
Апробация и внедрение результатов работы велись в течение всего исследования. Его результаты докладывались на следующих конференциях:
-международная конференция "Менделеев-2019", г. Санкт-Петербург;
-университетская конференция "Студенческие дни науки - 2019", г. Тольятти.
На защиту выносятся:
1.Условия для двух- и трехкомпонентных вариантов проведения конденсации Кневенагеля между а-ацетиленовыми альдегидами и CH- кислотами - кислотой Мельдрума, барбитуровой и малоновой кислотой, эфирами малоновой кислоты;
2.Подтверждение структуры полученных соединений с использованием современных методов анализа - методами ЯМР 1H, 13C и ИК спектроскопии и в отдельных случаях монокристальной рентгеновской дифракцией;
3.Принципиальная технологическая схема получения бетаинов и исходного а-ацетиленового альдегида;
4.Способность взаимодействия получаемых аддуктов с нуклеофильными агентами.
Структура магистерской диссертации диссертации.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 48 рисунков, 10 таблиц, список использованной литературы (105 источников). Основной текст работы изложен на 80 страницах.
Среди прочих реакций отдельный интерес вызывают взаимодействия на основе метиленактивных соединений (также их можно называть CH- кислотами за счёт высокой подвижности атомов водорода при метиленовом фрагменте). Такие соединения обладают рядом преимуществ, а именно:
-позволяют быстро прийти к биологически активным соединениям (например арилгидразонам, адамантиевым производным, различным гетероциклам [4]-[7]);
-в большинстве случаев значительно сокращают скорость реакции за счёт высокой реакционной способности;
-облегчают дальнейшую модернизацию получаемых структур (за счёт наличия нитрильных, карбонильных и других группировок в составе исходных метиленактивных соединений).
Среди прочих представителей СН-кислот наибольший интерес представляют коммерчески доступные, либо легко синтезируемые в лабораторных условиях, вещества. К ним можно отнести малоновую кислоту 1, эфиры малоновой кислоты 2, малононитрил 3, кислоту Мельдрума 4, барбитуровую кислоту 5 (рисунок 1).
Рисунок 1 - Некоторые коммерчески доступные СН-кислоты
Эти соединения достаточно хорошо изучены и про них написано большое количество научных обзоров и статей. Отмечается их высокая реакционная способность, в частности в реакциях с карбонильными структурами. Взаимодействие алифатических и ароматических альдегидов с СН-кислотами достаточно широко описано в литературе [8]-[12].
Стоит отметить, что взаимодействие а-ацетиленовых альдегидов с СН- кислотами слабо изучено. Наличие тройной связи в соединениях позволяет сильно расширить возможности дальнейшей модификации структур путем взаимодействия с нуклеофильными агентами.
Актуальность и научная значимость настоящего исследования: заключается в необходимости разработки методик получения биологически активных веществ в количествах, способных удовлетворить потребность внутреннего рынка. Научная значимость состоит в получении и изучении химических свойств продуктов на основе а-ацетиленовых альдегидов.
Объект исследования: а-ацетиленовые альдегиды и CH-кислоты, а также продукты конденсации Кневенагеля.
Предмет исследования: некоторые аспекты химических свойств и технологии промышленного получения бетаиновых соединений на основе а- ацетиленовых альдегидов.
Цель исследования: оптимизация условий для проведения синтеза Кневенагеля между а-ацетиленовыми альдегидами и CH-кислотами для получения бетаиновых структур в мультиграммовых количествах и создание принципиальной технологической схемы предлагаемой синтетической схемы.
Гипотеза исследования состоит в том, что, используя ацетиленовый фрагмент в молекуле, а также взаимодействия с СН-кислотами, можно разработать новые схемы синтеза бетаиновых и прочих потенциально биологически активных структур.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1.Провести анализ литературы по взаимодействию ненасыщенных альдегидов с СН-кислотами;
2.Подобрать условия и провести синтез аддуктов конденсации Кневенагеля;
3.Подтвердить строение полученных соединений;
4.Изучить химические свойства получаемых аддуктов;
5.Разработать основы технологической схемы для получения данных аддуктов.
Теоретико-методологическую основу исследования составили научные наработки в данном направлении научного руководителя - к.х.н., доцента Голованова А.А., а также ранее выполненные работы научного коллектива под руководством научного руководителя.
Методы исследования: изучение, анализ и обобщение литературных источников по теме магистерской диссертации. Проведение экспериментальных исследований, обработка и анализ полученных результатов с применением современных физико-химических методов анализа.
Научная новизна исследования заключается в:
- использовании в качестве исходных веществ алкильных и арильных а-ацетиленовых альдегидов. В литературе слабо описаны химические свойства данных веществ, в отличие от химии а, 0-ненасыщенных альдегидов;
-разработке быстрого и эффективного метода образования бетаиновых соединений с участием а-ацетиленовых альдегидов, что не было описано ранее;
-разработке принципиальной технологической схеме получения бетаиновых структур.
Личное участие автора в организации и проведении исследования состоит в постановке цели и основных задач, выполнении аналитического обзор литературных данных по теме исследования. Изложенные в диссертации результаты исследований получены непосредственно автором работы или совместно с соавторами опубликованных работ. Обсуждение, обобщение и интерпретация полученных результатов исследования, подготовка научных публикаций и тезисов докладов проведены совместно с научным руководителем к.х.н., доцентом А.А. Головановым. Автором диссертации осуществлялось непосредственное планирование и проведение лабораторных экспериментов, анализ и обработка экспериментальных результатов, выполнение расчетов и подведение итогов работы.
Апробация и внедрение результатов работы велись в течение всего исследования. Его результаты докладывались на следующих конференциях:
-международная конференция "Менделеев-2019", г. Санкт-Петербург;
-университетская конференция "Студенческие дни науки - 2019", г. Тольятти.
На защиту выносятся:
1.Условия для двух- и трехкомпонентных вариантов проведения конденсации Кневенагеля между а-ацетиленовыми альдегидами и CH- кислотами - кислотой Мельдрума, барбитуровой и малоновой кислотой, эфирами малоновой кислоты;
2.Подтверждение структуры полученных соединений с использованием современных методов анализа - методами ЯМР 1H, 13C и ИК спектроскопии и в отдельных случаях монокристальной рентгеновской дифракцией;
3.Принципиальная технологическая схема получения бетаинов и исходного а-ацетиленового альдегида;
4.Способность взаимодействия получаемых аддуктов с нуклеофильными агентами.
Структура магистерской диссертации диссертации.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 48 рисунков, 10 таблиц, список использованной литературы (105 источников). Основной текст работы изложен на 80 страницах.
1.Подобраны условия для двух- и трехкомпонентных вариантов проведения конденсации Кневенагеля между а-ацетиленовыми альдегидами и CH-кислотами - кислотой Мельдрума, малоновой кислотой и эфирами малоновой кислоты. Отмечена высокая реакционная способность изучаемых альдегидов в реакциях с метилен активными компонентами;
2.Разработаны схемы для получения бетаиновых соединений исходя из арилидендикарбоновых кислот в виде линейного синтеза, а также в виде one-pot синтеза исходя из а-ацетиленовых альдегидов, который позволяет получать бетаины с высокими выходами и за сравнительно короткое время;
3.Конденсация Кневенагеля ацетиленовых альдегидов с СН- кислотами в условиях катализа пиперидином позволяет значительно сократить время реакции, количество стадий и не требует выделения эфиров в чистом виде;
4.Подтверждено строение полученных соединений с использованием современных методов анализа - методами ЯМР 1H, 13C и ИК спектроскопии и в отдельных случаях монокристальной рентгеновской дифракцией;
5.Предложена принципиальная технологическая схема получения мультиграммовых количеств бетаинов и исходного а-ацетиленового альдегида, основанная на использовании н-бутиллития и в рамках принципов зелёной химии;
6.Рассчитаны материальные балансы для технологических процессов синтезов описанных соединений для масштабирования изученных процессов;
7.Изучена способность взаимодействия получаемых аддуктов с нуклеофильными агентами: реакция протекает региоспецифично по тройной связи с образованием продуктов присоединения.
2.Разработаны схемы для получения бетаиновых соединений исходя из арилидендикарбоновых кислот в виде линейного синтеза, а также в виде one-pot синтеза исходя из а-ацетиленовых альдегидов, который позволяет получать бетаины с высокими выходами и за сравнительно короткое время;
3.Конденсация Кневенагеля ацетиленовых альдегидов с СН- кислотами в условиях катализа пиперидином позволяет значительно сократить время реакции, количество стадий и не требует выделения эфиров в чистом виде;
4.Подтверждено строение полученных соединений с использованием современных методов анализа - методами ЯМР 1H, 13C и ИК спектроскопии и в отдельных случаях монокристальной рентгеновской дифракцией;
5.Предложена принципиальная технологическая схема получения мультиграммовых количеств бетаинов и исходного а-ацетиленового альдегида, основанная на использовании н-бутиллития и в рамках принципов зелёной химии;
6.Рассчитаны материальные балансы для технологических процессов синтезов описанных соединений для масштабирования изученных процессов;
7.Изучена способность взаимодействия получаемых аддуктов с нуклеофильными агентами: реакция протекает региоспецифично по тройной связи с образованием продуктов присоединения.
