Тема: Разработка научных основ и принципиальной технологической схемы производства пиридиновых бетаинов

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.
Купить

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.
Купить