Spôsob selektívnej oxidácie alkoholov použitím ľahko odstrániteľných nitroxylových radikálov

Číslo patentu: 284566

Dátum: 26.05.2005

Autori: Sommerlade Reinhard, Boulmaâz Souâd, Grützmacher Hansjörg

Stiahnuť PDF súbor.

Zhrnutie / Anotácia

Opisuje sa spôsob selektívnej oxidácie alkoholov na ketóny alebo aldehydy pomocou halogénanu alkalického kovu v alkalických podmienkach, ktorý zahŕňa oxidáciu v prítomnosti heterogénneho oxidačného katalyzátora, ktorý je nerozpustný v reakčnom médiu a je vybraný zo skupiny, ktorú tvoria zlúčeniny (I), (II), (III), kde n je číslo 3 až 3000, alebo 4-oxy-2,2,6,6-tetrametylpiperidín-1-oxyl, ktorý je 4-oxy-viazaný na Merrifieldov polymér. Opisujú sa aj zlúčeniny vzorca (II) a (III) a použitie opísaného oxidačného katalyzátora na oxidáciu alkoholov.

Text

Pozerať všetko

Vynález sa týka selektívnej oxidácie alkoholov na aldehydy a ketóny použitím ľahko odstrániteľného heterogénneho oxidačného katalyzátora obsahujúceho nitroxylový radikál a použitím halogénanu alkalického kovu ako oxidačného činidla.Alkoholy sú jedným z najvýznamnejších stavebných blokov V organickej syntéze. Pretože existuje veľké množstvo spôsobov prípravy primárnych a sekundárnych alkoholov, sú tieto zlúčeniny ideálnymi východískovými látkami na výrobu aldehydov, ketónov a karboxylových kyselín. Zvyčajnýrni oxidačnými činidlami sú látky na báze ťažkých kovov, napriklad zlúčeniny šesťmocného chrómu, štvormocného olova a ruténia, zlúčeniny horčíka a vanádu, peroxykyseliny, aktivovaný dimetylsulfoxid (DMSO) a hypervalentné zlúčeniny jódu.Pri týchto spôsoboch oxidácie je najdôležitejšia selektivita. Ďalšie funkčné skupiny prítomné v molekule, ako sú napriklad dvojité väzby, by sa pri použitých podmienkach nemali meniť. Často je potrebné oxidovať sekundárnu alkoholovú skupinu popri primárnej a naopak bez toho, aby došlo k ovplyvneniu druhej funkčnej skupiny. Pri syntéze aldehydov z primámych alkoholov často ako vedľajšie produkty oxidačnej reakcie vznikajú karboxylove kyseliny(preoxidovanie) a oxidácia l,2-diolov alebo oL-hydroxyketónov je často sprevádzaná štiepenírn väzby C-C. Ďalšou nevýhodou mnohých oxidačných činidiel je, že sa s nimi často relatívne ťažko manipuluje alebo je ťažké pripraviť ich činidlá obsahujúce ťažké kovy sú ďalej v mnohých prípadoch veľmi toxické a ekologicky veľmi škodlivé. V prípade, že sa uvažuje priemyselné využitie, má však v konečnom dôsledku najväčší význam cena oxidačnej metódy.Je známe, že sa primárne a sekundárne alkoholy môžu previesť na zodpovedajúce karbonylové zlúčeniny použítím vodného roztoku chlórnanu sodného v prítomnosti katalytického množstva organického nitroxylového radikálu (A. E. J. de Nooy, A. C. Besemer, H. van Bekkum, Synthesis 1996, 1153).Doteraz sa tieto reakcie, najmä keď sa použil 2,2,6,6-tetrametylpiperidín-l-oxyl (TEMPO), prevažne uskutočňovali v homogénnej fáze. Reakcie sa uskutočňovali stechiometricky alebo katalyticky vzhľadom na TEMPO alebo na vznikajúce oxidačné produkty. Spracovanie reakčných produktov vznikajúcich pri týchto spôsoboch bolo často nepríjemné a ťažké, pretože sa muselo vynaložiť veľké úsilie na odstránenie katalyzátora a jeho sprievodných produktov.Doteraz nebol opísaný spôsob oxidácie, pri ktorom by sa využívali imobilizované alebo ľahko odstrániteľné nitroxylové zlúčeniny.Teraz sa prekvapivo zistilo, že alkoholy môžu reagovať s chlómanom sodným ako oxidačnýrrn činidlom, pričom vznikajú zodpovedajúce karbonylové zlúčeniny v dobrom výťažku, použitím určitých vysokomolekulových alebo oligomémych 2,2,Qó-tetrametylpiperidín-1-oxylov zakotvených na pnlymerí ako katalyzátorov.Alifatické l,3-dioly môžu priamo reagovať v prítomnosti aldehydu alebo ketónu použitím vhodných experimentálnych podmienok v bázickom médiu za vzniku zodpovedajúcich cyklických acetálov (l,3-dioxánov). 1,5-Dioly použitím týchto experimentálnych podmienok reagujú za vzniku tetrahydropyran-Z-olov alebo ich éterov alebo za vzniku tetrahydropyran-Z-ónov (ö-valerolaktónov). Hydro xylové skupiny v polohe ot vzhľadom na karboxylovú funkčnú skupinu nereagujú.Pridanie brornidu, ktoré v prípade oxidácíe použitím systému chlórnan/TEMPO uskutočnenej homogénne vedie k významnému uiýchleniu reakcie (S. D. Rychnovsky, R. Vaidyanathan, J. Org. Chem. 64, 310 (1999, sa môže pri tomto spôsobe bez ťažkostí obisť. Spôsob podľa predkladaného vynálezu spočíva v zjednodušení spracovania reakčnej zmesi, v možnosti opakovaného použitia katalyzátora a vynechaní bromidu ako prísady urýchľujúcej reakciu.Predkladaný vynález sa týka spôsobu selektívnej oxidacie alkoholov na ketóny alebo na aldehydy pomocou chlórnanu alkalického kovu v alkalických podmienkach, keď tento spôsob zahŕňa oxidáciu v prítomnosti heterogénneho oxidačného katalyzátora, ktorý je nerozpustný v reakčnom médiu a je vybraný zo skupiny, ktorú tvoria zlúčeniny vzorca (I), (II), (III)Výhodný je spôsob, kedy sa ako halogénan alkalického kovu používa chlórnan lítny, chlórnan sodný, chlóman draselný, brórrman lítny, brómnan sodný alebo brómnan draselný.Oxidačné činidlo sa k alkoholu, ktorý sa má oxidovať,výhodne pridá vo fom-ie vodného roztoku. Koncentrácie sa môže menit v širokom rozsahu a je výhodne 5 až 20 hmotnostných, najmä 10 až 15 hmotnostných, aktívneho chlóru vzhľadom na alkohol, ktorý sa má oxidovať.Spoločne s oxidačným činidlom sa môže vodný roztok pomocou zásady zalkalízovať. Výhodnými zásadami sú vodné roztoky hydroxidov alkalických kovov alebo kovov alkalických zemín, uhličitanov alkalických kovov alebo kovov alkalických zemín a zodpovedajúce hydrogenuhličitany.Obzvlášť výhodné sú hydrogenuhličitany alkalických kovov, najmä hydrogenuhličitan sodný.Hodnota pH vodného oxidačného roztoku po pridaní vhodnej bázy sa pohybuje v rozsahu 8 až 12, najmä v rozsahu 9 až 11 a obzvlášť v rozsahu 9 až 10.Alkohol, ktorý sa má oxidovať, môže byť kvapalný alebo tuhý. Ak je alkohol kvapalný, reakcia sa môže uskutočňovať bez pridania ďalšieho rozpúšťadla, ale môže byt výhodné uskutočňovať oxidačnú reakciu pri vyššom zriedení. Ak sú alkoholy tuhé, je vždy nutné pridať vhodné organické rozpúšťadlo.Vhodné sú organické rozpúšťadlá alebo zmesi rozpúšťadiel, ktoré nie sú miešateľné s vodou. Medzi príklady patria alifatické uhľovodíky, aromatické uhľovodíky, chlórovaně uhľovodíky alebo zrnesi týchto rozpúšťadiel s ketónmi, amidmi alebo estermi.Výhodnými rozpúšťadlami sú arornatické uhľovodíky alebo ich zmesi s ketónrni. Medzi výhodné príklady patrí benzén, toluén a izoméry xylénu, ktoré sa môžu, ak je to vhodné, zzmiešat s acetónorn.Zrniešavací pomer môže byť 10 1 až 2 1, ale výhodne 5 1 až 2 l.Obzvlášť výhodná je zmes toluénu a acetónu v pomere 3 l.Výhodný je spôsob, keď sa použije 4-oxy-2,2,6,6-tetrametylpiperidín-l-oxyl, ktorý je 4-oxy-viazaný na Merriñeldov polymér.Takzvané Merrifieldove polyméry sú odborníkom pracujúcim v tejto oblasti známe a sú komerčne dostupné. V tejto súvislosti je Merriñeldov polymér chlórmetylovaný polystyrén, ktorý je čiastočne zosietený divinylbenzénom, a preto je nerozpustný v bežných organických rozpúšťadlách.Stupeň zosietenia môže byť napríklad l až 5 a typicky l až 2 . Veľkost častíc sa môže menit v širokom rozsahu a typicky je 100 až 400 mesh. Obsah chlóru je napríklad 0,2 až 5 mmol/g zvyčajne polyméry obsahujú 0,6 až 4 mmol/g chlóru.Merrifieldov polymér a výmena atómu chlóru sa môže schematicky znázomíť nasledovným spôsobomRaü- t NaoÓN-ov -oci~o~Q-o Výhodne sa pridá heterogénny oxidačný katalyzátor v množstve 0,1 až 20 hmotnostných, najmä l až 10 hmotnostných a výhodnejšie 2 až 6 hmotnostných,vzhľadom na hmotnosť alkoholu.Výhodný je spôsob, keď sa použije dvojfázový systém rozpúšťadiel, ked je jedna fáza vodná a obsahuje oxidačné činidlo.Medzi vhodné rozpúšťadlá a zmesi rozpúšťadiel vrátane tých, ktoré sú výhodné, patria tie, ktoré sa už uviedli.Reakcia sa výhodne uskutočňuje pri teplote nižšej než 10 °C. Obzvlášť výhodná je teplota 0 až 10 °C.Príprava zlúčenín vzorca (I) až (HI) a príprava modifikovaného Merriñeldovho polyměru sa uskutočňuje pomocou spôsobov, ktoré sú odbomíkom v tejto oblastí známe,podľa reakčnej schémy, ktorá nasleduje.V prvok kroku zlúčenina 3, ktorou je 4-hydroxy-2,2,6,6-tetrametylpiperidín-1-oxyl (4-hydroxy-TEMPO),reaguje s hydridom sodným. 4-Hydroxy-TEMPO je činidlo,ktoré je komerčne dostupné.Zlúčenina 4 ďalej reaguje podľa reakcie 2, 3, 4 alebo 5, pričom vznikne požadovaný cieľový produkt.Zlúčeniny vzorca (ll) a (III) sú nové a predkladaný vynález sa týka aj ich.Predkladaný vynález sa týka aj použitia zlúčeniny vzorca (I), (II), (III) alebo 4-oxy-2,2,Qő-tetrametylpíperidín-l-oxylu, ktorý je 4-oxy-viazaný na Merríñeldov polymér, ako katalyzátora na selektívnu oxidáciu alkoholov na ketóny pomocou hypohalogenídu alkalického kovu v alkalíckých podmienkach.Vynález ilustrujú nasledovné príklady.Príklad Al Príprava zlúčeniny 6V 500 ml Schlenkovej banke sa rozpustí 20 g(1 l 3,6 mmol) 4-hydroxy-TEMPO, zlúčeniny 3, v 200 ml bezvodého toluénu a potom sa po malých častiach pridá 3,34 g (139,2 mmol) hydridu sodného. Reakčná zmes sa mieša počas 12 hodín pri teplote miestnosti, potom sa prikvapká roztok 4,75 g (25,75 mmol) kyanurchloridu, zlúčeniny 5, v 50 ml toluénu. Roztok sa mieša najskôr 2,5 hodiny pri teplote rniesmosti a potom počas 72 hodín pri teplote 70 až 90 °C. Po ochladení na teplom miestnosti sa organická fáza premyje trikrát 100 m 10 vodného roztoku uhličitanu sodněho a potom sa suši nad síranom sodným. Všetky prchavé zložky sa odparia vo vákuu pri tlaku 1,33 Pa a červený olej, ktorý sa získa, sa rekryštalizuje z malého množstva etylacetátu a získa sa 9,3 g (61 ) produktu vo forme jemných oranžovočervených ihlíčíek s teplotou topenia 164 - 166 °C. Produkt je nerozpustný vo vode, ale jeV 500 ml Schlenkovej banke sa rozpustí 20 g(1 l 3,6 mmol) 4-hydroxy-TEMPO, zlúčeniny 3, V 200 ml bezvodého tetrałiydroftrránu a potom sa po malých častiach pridá 3,34 g (139,2 mmol) hydridu sodného. Reakčná zmes sa mieša počas 12 hodín pri teplote miestnosti a potom sa prikvapká roztok 6,26 g (18 mmol) hexachlórcyklotrifosfazenu, zlúčeniny 7, asi v 50 ml tetrahydrofuránu a reakčná zmes sa počas 24 hodín zohrieva na teplom varu asi na 70 °C pod spätným chladičom. Po ochladení na teplom miestnosti sa prchavé zložky odparia vo Vákuu (asi 1,33 Pa) a zvyšok sa rozpustí V 100 ml dichlónnetánu. Organická fáza sa dvakrát premyje 50 m 1 10 Vodného roztoku hydroxidu sodného a potom trikrát asi 50 m 1 vody. Organická fáza sa vysuší nad síranom sodným a prchavé zložky sa odparía vo vákuu (asi 1,33 Pa) a získa sa práškovitá oranžoVočervená tuhá látka, ktorá je nerozpustná vo vode a hexáne a relatívne ľahko rozpustná V tetrahydrofuráne, chloroforme a dichlórmetáne.V 500 ml Schlenkovej banke sa rozpustí 29,62 g(l 68,3 mmol) 4-hydroxy-TEMPO, zlúčeniny 3, V 200 m 1 tetrahydrofuránu a pridá 5,0 g (208 mmol) hydridu sodného. Reakčná zmes sa mieša počas 12 hodín pri teplote miestnosti a potom sa prikvapká k roztoku 5 g (43,1 mmol) polyúlichlórfosfazénu), zlúčeniny 9, V 100 ml tetrahydrofuranu. Reakčná zmes sa mieša počas 12 hodín pri teplote miestnosti a potom sa zohrieva počas 2 hodín na teplotu varu, potom sa odpan asi na 10 objemu a naleje sa do vody. Vyzrážaný polymér sa odñltruje a premyje sa ľadovou vodou. Lososovito sfarbená práškovitá zrazenina sa odñltruje a potom sa premyje zmesou tetrahydrofuránu a vody(20/80) a potom hexánom. Získaný prášok sa počas asi 12 hodín suší Vo Vákuu a získa sa 16 g (95,7 ) produktu, zlúčeniny 10 s teplotou topenia vyššou než 180 °C. Zlúčenina 10 je rozpustná v dichlórmetáne, chloroforme, acetóne, tetrahydrofuráne a toluéne MW asi 25 000.V 500 m 1 Schlenkovej banke sa rozpustí 7 g(40,63 mmol) 4-hydroxy-TEMPO, zlúčeniny 3, V 120 ml dimetylformamidu alebo tetrahydrofuránu (čerstvo predcstilovaného). Pri teplote 0 °C sa k roztoku pridá 1,6 g(66,67 mmol) hydridu sodného. Reakčná zmes sa zohreje na teplotu miestnosti a mieša sa počas 1 hodiny. Reakčný roztok sa pomaly V ľadovom kúpeli ochladí na teplotu 0 °C a pridá sa 3,5 g polymćru (Merrifieldov polymér od spoločnosti Fluka, 200 - 400 mesh, 1 divinylbenzěnu,1,7 mmol/g chlóru). Reakčná zmes sa mieša počas 30 minút pri teplote 0 °C a potom sa zohreje na teplotu miestnosti a mieša sa 1 až 4 dni. Reakčná zmes sa potom zriedi ľadovou vodou, mieša sa a ñltruje. Zvyšok sa premýva ľadovou vodou, až kým nie je ñltrát bezfarebný. Produkt sa potom suspenduje V toluéne a mieša sa počas 1 až 2 hodín, aby sa odstránil nezakotvený 4-hydroxy-TEMPO. Potom sa znovu uskutoční filtrácia a žltý prášok sa suší V prúde vzduchu. Prášok obsahuje 0,9 mmol/g N-oxylu.Príklady B Oxidácie alkoholov Všeobecný postup oxidácie primámeho alebo sekundárne ho alkoholu a) Príprava roztoku NaClO/NaHC 034 m 1 nasýteného roztoku hydrogenuhličitanu sodného sa zmieša s 2 ml roztoku chlómanu sodného (13 až 14 ). Roztok sa skladuje V uzavretej nádobe pri teplote 0 °C. b) Postup oxidácie1,0 g alkoholu a 0,25 g zlúčeniny 12 z príkladu A 4 sa urniestni do 250 ml banky s okrúhlym dnom a potom sa suspendujú V zmesi 5 ml acetónu a 15 m 1 toluénu. Reakčná zmes sa energicky mieša počas 5 až 10 minút pri teplote miestnosti až kým sa alkohol nerozpustí a živica nenapučí. Reakčná nádoba sa ochladí na teplotu O °C. Za intenzívneho miešania sa pridá 6 ml roztoku NaClO/NaHCO 3 pripraVeného V kroku a) a reakčná zmes sa mieša 0,5 hodiny pri teplote O až 5 °C. Po zvyčqnom spracovaní sa získa ketón V takmer kvantitatívnom výťažku. c) Odstránenie katalyzátoraAk sa má katalyzátor použit V mnohých reakciách nasledujúcich priamo za sebou, potom sa po ukončení každej reakcie katalyzátor odñltruje (frita G 3), krátko sa premyje acetónom a okamžite sa znovu použije. Po desiatich použitíach sa nezistila žiadna strata aktivity. Katalytická aktivita zlúčeniny 12 sa môže zachovať aj pri skladovaní. Na tento účel sa odñltrovaný katalyzátor opakovane premyje zmesou acetónu a toluénu, potom vodou, znovu acetónom a nakoniec zmesou acetónu a toluénu (odstránenie chlómanu sodného, Východiskovej látky a produktu). Látka sa skladuje vo vlhkom stave V bezpečne uzavretej nádobe.Pokusy sa uskutočňujú podľa postupu opísaného vo všeobecnom postupe. ot-Hydroxyketón 14 sa získa zo zlúčeniny 13 a acetón 18 sa získa z izopropanolu 17 v takmer kvantitatívnom Výťažku.Fenylglykol 19 reaguje podľa opísaného všeobecného postupu s chlómanom sodným V prítomnosti 5 hmotnostných zlúčeniny 12 ako katalyzátora a získa sa oL-hydroxyacetofenón 20. Produkt 20 sa ízoluje v takmer kvantitatívnom výťažku vo forme kryštalickej tuhej látky.1,0 g alkoholu 21 a 0,25 g zlúčeniny 12 sa umiestni do 250 ml banky s olcrúhlym dnom a pridá sa 20 m 1 toluénu. Reakčná nádoba sa potom ochladí na teplom 0 °C. Za energického miešania sa pridá 12 ml opísanej zmesi NaC 10/N aHCOg a reakčná zmes sa mieša počas 0,5 hodiny pri teplote 0 až 5 °C. Získa sa l,3-diketón 22 v takmer kvantitatívnom výťažku.Reakcia sa uskutočňuje podľa postupu opísaného v príklade B 4 okrem toho, že sa uskutočňuje v zmesi 15 ml toluénu a 5 rnl acetónu miesto 20 ml toluénu. Ako reakčný produkt sa podľa analýzy pomocou plynovej chromatograñe získa 2,2,4,6-tetrarnety 1-1,3-dioxán 23 v takmer kvantitatívnom výťažku.Reakcia sa uskutočňuje podľa postupu opísaného v príklade B 4 okrem toho, že sa použije zmes 15 m toluénu a 5 ml 2-butanónu miesto 20 ml tolućnu. Ako reakčný produkt sa získa 2-etyl-2,4,6-trimetyl-1,S-díoxán 24 v takmer kvantitatívnom výťažku.LS-Pentándiol 25 sa oxiduje podľa postupu opísaného v príklade B 4 bázickým chlómanom sodným v prítomnosti zlúčeniny 12 ako katalyzátora okrem toho, že sa oxidačné činidlo, ktorým je chlóman sodný (13 aktívneho chlóru),použije stechiometricky. Po 30 minútach reakcie sa získa zmes 75 zlúčeniny 26 a 25 zlúčeniny 27.Zmes zlúčeniny 26 a 27 pripravená V príklade B 7 reaguje podľa opisu s nadbytkom roztoku chlómanu sodného pufrovaného na pH 9,0-9,5. Zlúčenina 26 sa úplne oxiduje na zlúčeninu 27.Uvedená reakcia sa uskutočňuje so štvomásobným nadbytkom diolu 25 vzhľadom na chlórnan sodný. Po zvyčajnom spracovaní sa získa zmes 50 acetálu 28 a 50 tetrahydropyran-Z-olu 26.5,0 g (23,5 mmol) benzoínu 29 reaguje podľa všeobecného postupu s chlómanom sodným V prítomnosti 1 g zlúčeniny 12 pri teplote 0 až 5 °C v 50 ml zmesi 3 1 toluénu a acetónu. Počas pridávania chlórnanu sa tuhá látka pôvodne prítomná v reakčnej zmesi rozpúšťa. Ked sa ukončí pridávanie, reakčná zmes sa mieša počas 45 minút. Monitorovanie pomocou tenkovrstvovej chromatograñe ukazuje, že došlo k úplnej a selektívnej konverzii. Po bežnom spracovaní a následnej relcryštalizácii surovej látky z n-hexánu sa získa 4,6 g (93 ) benzylu 30.

MPK / Značky

MPK: C07F 9/6581, C07F 9/59, C08G 79/00, C07C 45/30

Značky: odstranitelných, oxidácie, ľahko, radikálov, použitím, spôsob, nitroxylových, alkoholov, selektívnej

Odkaz

<a href="https://skpatents.com/6-284566-sposob-selektivnej-oxidacie-alkoholov-pouzitim-lahko-odstranitelnych-nitroxylovych-radikalov.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Spôsob selektívnej oxidácie alkoholov použitím ľahko odstrániteľných nitroxylových radikálov</a>

Podobne patenty