Тема: ГИДРОАЛКОКСИКАРБОНИЛИРОВАНИЕ АЛКЕНОВ ПО РЕППЕ И КАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ГИДРОКСИАРЕНОВ МОНОАЛКИЛКАРБОНАТАМИ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ: РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ, РЕГИОСЕЛЕКТИВНОСТЬ И НОВЫЕ СИНТЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Актуальность исследования. Синтезы органических соединений на основе оксидов углерода - обширная и перспективная область органического синтеза. Эта важная область синтетической органической химии непрерывно развивается и с каждым годом приобретает все большее практическое значение.
На основе оксида углерода(П) можно синтезировать практически все кислородсодержащие органические соединения, являющиеся ценным сырьем для получения пластических масс, синтетических волокон, лекарственных препаратов, смазочных масел, растворителей и высокооктановых добавок к базовым бензинам.
Реакция гидрокарбалкоксилирования олефинов (нефтепродукты) оксид углерода(П) (нефтепродукт, а также многотоннажный вредный выброс многих промышленных производств) и спиртами в условиях гомогенного катализа комплексами металлов позволяет легко и удобно синтезировать в одну стадию сложные эфиры карбоновых кислот. Последние находят широкое практическое применение в качестве растворителей, смазочных масел и пластификаторов. Некоторые из них обладают биологической активностью и входят в состав лекарственных средств или же являются полупродуктами для их синтеза. Многие сложные эфиры обладают характерным запахом и применяются как душистые вещества.
Однако многие принципиальные проблемы химии
гидрокарбалкоксилирования олефинов остаются нерешенными. Это касается в первую очередь оценки реакционной способности компонентов реакции и региоселективности процесса. Известные каталитические системы и условия гидрокарбалкоксилирования далеко не всегда обеспечивают приемлемые выходы целевых сложных эфиров и высокую конверсию олефинов.
Органические синтезы на основе диоксида углерода не получили такое широкое развитие как синтезы на основе CO. Тем не менее использование диоксида углерода в качестве источника углерода для органического синтеза является исключительно актуальной проблемой современной органической химии. Интерес к проблеме утилизации диоксида углерода в химическом синтезе обусловлен также требованиями «зеленой химии», решением глобальной экологической проблемы - необходимостью борьбы с парниковым эффектом. Среди парниковых газов на долю диоксида углерода приходится около 50%. При этом остаются мало изученными методы альтернативного и экологически чистого метода карбоксилирования органических соединений диоксидом углерода и его легкодоступными производными, в частности, моноалкилкарбонатами щелочных металлов, отвечающих принципам зеленой химии.
Одним из важных направлений развития органической химии является исследования в области синтеза биологически активных соединений с целью поиска более совершенных лекарственных средств, а также исследования по разработке новых, более эффективных способов получения известных и хорошо зарекомендовавших себя лекарственных веществ и средств.
В связи с вышеизложенным, тема настоящей работы - исследование реакции гидроалкоксикарбонилирования олефинов при низких давлениях оксида углерода(П) (<2,0 МПа) с целью разработки новых, эффективных способов получения практических ценных сложных эфиров карбоновых кислот (многие из которых обладают биологически активными свойствами), а также исследование реакции карбоксилирования фенолов, нафтолов и их производных щелочными солями алкилугольных кислот с целью разработки новых эффективных способов получения гидроксибензойных и гидроксинафтойных кислот (классов соединений с широким спектром биологически активных свойств и других полезных свойств) - является актуальной и своевременной.
Диссертационная работа является частью исследований, проводимых на кафедре катализа и нефтехимии Казахского национального университета им. аль-Фараби, выполненных в рамках программ фундаментальных исследований МОН РК «Создание научных основ глубокой переработки углеводородного сырья» (№ гос. регистрации Ф-0315), «Разработка научных основ и технологий создания новых перспективных материалов различного функционального назначения» (№ гос. регистрации Ф-0354-12) и «Разработка научных основ новых технологий создания перспективных материалов различного функционального назначения» (№ гос. регистрации Ф-0500).
Цель работы:
• Исследование реакционной способности олефинов различного строения и каталитической активности систем на основе фосфиновых комплексов Pd, Co и Ni в реакции гидроалкоксикарбонилирования олефинов при низких давлениях CO (<2,0 МПа). Разработка новых, эффективных и экологически чистых методов синтеза практически ценных сложных эфиров карбоновых кислот.
• Исследование ранее малоизученной реакции карбоксилирования гидроксиаренов (фенолов, нафтолов) легкодоступными производными диоксида углерода - щелочными солями алкилугольных кислот. Разработка новых, эффективных и экологически чистых методов синтеза практически ценных гидроксиароматических кислот, обладающих широким спектром биологической активности.
Научная новизна работы:
1. Впервые определена каталитическая активность в реакции гидроэтоксикарбонилирования алкенов-1 при низких давлениях монооксида углерода различных систем на основе фосфиновых комплексов Pd, Co и Ni. Найдены эффективные катализаторы.
2. Впервые установлены количественные закономерности влияния природы исходных реагентов (алекны, спирты) и условий проведения прлцесса на региоселективность реакции гидроалкоксикарбонилирования а- олефинов при низких давлениях оксида углерода (<2,0 МПа).
3. Впервые определено влияние условий проведения реакции карбоксилирования фенолов и нафтолов щелочными солями алкилугольных кислот на ход протекания процесса и выход продуктов.
4. Предложен вероятный механизм протекания реакции карбоксилирования фенола щелочными солями алкилугольных кислот.
5. Разработан новый эффективный метод синтеза гидроксибензойных и гидроксинафтойных кислот региоселективнымкарбоксилированием фенола и нафтолов (и их пройзводных)натрийэтилкарбонатом и калийэтилкарбонатом.
Практическая значимость:
1. Найдены оптимальные условия проведения реакции
гидроалкоксикар-бонилирования а-олефинов при низких давлениях монооксидом углерода (<2,0 МПа) в присутствии каталитических систем на основе фосфиновых комплексов палладия.
2. Разработаны новые эффективные способы синтеза этилизовалерата и l-ментилизовалерата, используемых для получения лекарственных средств «Корвалол» и «Валидол».
3. Найдено, что циклогексиловый эфир изовалериановой кислоты обладает выраженной антибактериальной активностью и умеренной противогрибковой активностью.
4. Разработан усовершенствованный, эффективный метод синтеза натрийэтилкарбоната и калийэтилкарбоната взаимодействием этанола с гидроксидом натрия и гидроксидом калия, соответственно.
5. Разработаны новые эффективные способы получения лекарственных средств «Салициловая кислота» и «п-Аминосалициловая кислота».
6. Разработаны новые способы получения практически ценных п- гидроксибензойной, 1-гидрокси-2-нафтойной, 1-гидрокси-4-нафтойной и 2- гидрокси-3-нафтойной кислот.
7. Результаты работы внедрены в учебный процесс в виде лабораторных работ по спецпрактикумам «Гидроэтерификация олефинов монооксидом углерода и спиртами в присутствии гомогенных металлокомплексных катализаторов» (специальность «050721 - Химическая технология органических веществ») и «Карбоксилирование фенола щелочными солями этилугольной кислоты» (специальность «050721 - Химическая технология органических веществ»).
Апробация работы. Материалы диссертационной работы представлены и обсуждены на международных научно-практических конференциях: I International Conference «Highly-Organized Catalytic Sistems» (Chernogolovka, 2002), II Международная конференция «Научные приоритеты и новые технологии в XXI веке» (Алматы, 2004), Международная научная конференция посвященной 100-летию со дня рождения акад. АН КазССР М.И. Горяева «Химия и применение природных и синтетических биологически активных соединений» (Алматы, 2004), X International Scientific Conference “Family Health in the XXI Century” (Bangkok, 2006), 38th Middle Atlantic Regional Meeting of the American Chemical Society “Progress in Chemistry” (Hershey, USA, 2006), Международная научно-практическая конференция «Современная химическая наука и ее прикладные аспекты» (Душанбе, 2006), XVIII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии (Москва, 2007), International Conference “Catalysis in Organic Synthesis (Moscow, 2012), Frontiers of Organometallic Chemistry, FOC-2012 and 2nd Taiwan-Russian Symposium on Organometallic Chemistry (Saint Petersburg, 2012), IV Российская конференция «Актуальные проблемы нефтехимии», посвященная 100-летию со дня рождения проф. З.А. Дорогочинского (Звенигород, 2012), II-ая Международная Казахстанско-Российская конференция по химии и химической технологии, посвященная 40-летию КарГУ им. академика Е. Букетова (Караганда, 2012), Всероссийская конференция «Современные проблемы химической науки и образования» посвященная 75-летию со дня рождения В.В. Кормачева (Чебоксары, 2012), XII Международная конференция «Ресурсовоспроизводящие малоотходные и природдохранные технологии освоения недр» (Занджан, Иран, 2013), I Международная научно-практическая конференция «Роль и влияние качества нового образования на развитие науки и индустрии республики» (Актобе, 2014), International Conference on Green Chemistry and Sustainable Engineering (Barselona, Spain, 2014), Конференция «Химия элементоорганических соединений и полимеров 2014», посвященная 60-летию юбилею ИНЭОС РАН.
Публикации. По результатам исследований, включенных в диссертацию, опубликовано 54 научных публикаций, в том числе 15 из них в российских изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Результаты работы представлены и обсуждены в 20 международных научных конференциях и симпозиумах, получены 11 патентов Республики Казахстан.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, основной части (состоящей из литературного обзора, обсуждения полученных результатов и экспериментальной части), заключения, списка использованных источников (включающего 337 наименований) и приложения. Работа изложена на 292 страницах, содержит 21 таблиц, 8 схем и 61 рисунков
Купить

По результатам диссертационный работы можно сделать следующие выводы:
1. Впервые подробно исследована реакция
гидроалкоксикарбонилирования олефинов-1 при низких давлениях
монооксида углерода (<2,0 МПа) в присутствии систем на основе комплексов Pd(Acac)2 и Pd(PPh3)4. Установлено, что исходные комплексы и двухкомпонентные системы на их основе Pd(Acac)2 - PPh3, Pd(Acac)2 - TsOH и Pd(PPh3)4 - PPh3 каталитической активностью не обладают. Система
Pd(PPh3)4-TsOH обладает умеренной каталитической активностью. Наибольшую каталитическую активность проявляют трехкомпонентные системы, содержащие кроме исходных фосфиновых комплексов палладия свободный лиганд (PPh3) и промотор (п-толуолсульфокислота).
2. Впервые установлено, что условия проведения реакции гидроэтоксикарбонилирования гексена-1 при низких давлениях монооксида углерода (<2,0 МПа) существенно влияет на региоселективность реакции и выход целевых продуктов. Найдены оптимальные условия проведения реакции гидроэтокси- карбонилирования гексена-1 в присутствии системы Pd(PPh3)4- PPh3-TsOH с наибольшей региоселективностью по отношению продукта линейного строе- ния, при которых соотношение изомерных продуктов составляет [линейный продукт]:[разветвленный продукт]=37,4:1.
3. Установлено, что на региоселективность реакции гидроалкоксикарбо - нилирования алкенов-1 влияет строение исходных спиртов. На примере гидро- алкоксикарбонилирования гексена-1 показано, что в то время как в случае алифатических спиртов (этанол, пропанол, изопропанол, бутанол, изобутанол) реакция всегда протекает с образованием продуктов линейного и развет- вленного строения, реакция с участием алициклических и арилалифатических спиртов (циклогексанол, l-ментол, бензиловый спирт) протекает с высокой региоселективностью с образованием лишь линейного продукта.
4. Определена каталитическая активность ряда систем на основе фосфиновых комплексов Pd, Co и Ni в реакции гидроалкоксикарбонилирования а- олефинов нормального и разветвленного строения при низких давлениях монооксида углерода (<2,0 МПа). Показано, что каталитическую активность проявляют лишь системы на основе фосфиновых комплексов палладия.
5. На основании предполагаемого гидридного механизма протекания изу-ченных реакции гидроалкоксикарбонилирования алкенов-1 дано объяснение влияния строения исходных реагентов на региоселективность процесса.
6. Найдено, что циклогексиловый эфир изовалериановой кислоты обладает выраженной антибактериальной активностью (против Staphylococcus aureus, Escherihia coli, Pseudomonas aeruginosa) и умеренной противогрибковой активностью (против Candida albicans).
7. Разработан удобный и безопасный способ получения моноалкилкарбонатов щелочных металлов взаимодействием гидроксидов щелочных металлов со спиртами.
8. Впервые установлено влияние различных условий проведения
процесса карбоксилирования оксиаренов (фенолов, нафтолов) натрий(калий)- этилкарбонатами на ход протекания и выход продуктов реакции. Показано, что наиболее сильное влияние оказывают температура и природа газовой среды. Найдены условия региоселективного карбоксилирования
натрийэтилкарбонатом фенола в положение 2 и 4, а-нафтола в положение 2 и 4 и Р-нафтола в положение 3.
9. Впервые исследовано карбоксилирование ряда производных фенола (м-аминофенол, полиатомные фенолы, крезолы и др.) натрийэтилкарбонатом. Найдены оптимальные параметры проведения процесса.
10. Предложен вероятный механизм протекания реакции карбоксилирования фенола щелочными солями алкилугольных кислот.
11. Разработан новый, эффективный способ получения лекарственного вещества «Салициловая кислота» карбоксилированием фенола натрийэтилкарбонатом. Разработан лабораторный регламент получения салициловой кислоты по новому способу.
12. Разработаны новые способы получения 1-гидрокси-2-нафтойной, 1-
гидрокси-4-нафтойной и 2-гидрокси-3-нафтойной кислот
карбоксилированием а- и Р-нафтолов натриевой солью этилугольной кислоты.
13. Разработаны новые эффективные способы получения п-
гидроксибензойной и п-аминосалициловой кислоты
карбоксилированиемнатрийэтилкарбонатом фенола и м-аминофенола, соответственно.
Купить