PL213609B1

PL213609B1 - Sposób otrzymywania pochodnych norbornenu

Info

Publication number: PL213609B1
Application number: PL389358A
Authority: PL
Inventors: Bittner Bozena; Janus Ewa; Milchert Eugeniusz
Original assignee: Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny W Szczecinie
Priority date: 2009-10-23
Filing date: 2009-10-23
Publication date: 2013-04-30
Also published as: PL389358A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania pochodnych norbornenu w reakcji Dielsa-Aldera cyklopentadienu z dienofilem w temperaturze pokojowej, pod ciśnieniem atmosferycznym w obecności cieczy jonowej jako rozpuszczalnika i katalizatora.

Reakcja Dielsa-Aldera ma bardzo duże znaczenie w chemii i technologii organicznej, ponieważ pozwala na otrzymanie związków cyklicznych lub/i bicyklicznych z łatwo dostępnych substratów. Związki otrzymywane w reakcji cykloaddycji mają zastosowanie w przemyśle farmaceutycznym i petrochemicznym. Na przykład w produkcji witaminy A, D2, E i K oraz hormonów-kwas giberelinowy, octan kortyzonu. Niektóre stosuje się jako monomery w reakcji polimeryzacji w celu syntezy tworzyw sztucznych o specyficznych właściwościach. W literaturze odnajduje się ogromną liczbę publikacji na ten temat. Szukano przede wszystkim odpowiedniego medium reakcyjnego, czyli rozpuszczalnika. Najkorzystniej byłoby prowadzić reakcję Dielsa-Aldera w wodzie [O. Diels, K. Alder, Ann. Chem. 1931, 390, 243]. Dodatkowo, jak udowodnili Rideout i Breslow tworzenie wiązań wodorowych w obrębie rozpuszczalnika wpływa korzystnie na wzrost szybkości reakcji [D. C. Rideout, R. Breslow, J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 7816]. Niestety poważnym ograniczeniem jest słaba rozpuszczalność związków organicznych w wodzie, a to one są substratami w tej reakcji. Stosowano zatem inne rozwiązania między innymi: roztwory soli LiCl, NaCl oraz LiClO4 w eterze dietylowym [Y. Pocker, D. L. Ellsworth, J. Am. Chem. Soc. 1977, 99, 2276] lub dwutlenek węgla w stanie nadkrytycznym [R. D. Weinstein, A. R. Renslo, R. L. Danheiser, J. G. Harris, J. W. Tester, J. Phys. Chem. 1996, 100, 12337], jako środowisko reakcji. Dbałość o środowisko naturalne powoduje, że odchodzi się od stosowania konwencjonalnych rozpuszczalników organicznych, uważanych powszechnie za szkodliwe i zamienia się je na inne. W tradycyjnych metodach otrzymywania pochodnych norbornenu w reakcji Dielsa-Aldera stosuje się rozpuszczalniki takie jak: metanol, acetonitryl, toluen. Reakcja Dielsa-Aldera jest stosowana do otrzymywania wielu prostych i złożonych związków. Znane jest szerokie wykorzystanie tej reakcji w produkcji norbornenu. Rodzaj rozpuszczalnika wpływa na selektywność i wydajność przemiany do pożądanego produktu oraz jej szybkość. Bardzo atrakcyjnym medium reakcyjnym wydają się być ciecze jonowe. Są to rozpuszczalniki nowej generacji, z racji swoich specyficznych właściwości zalicza się je do grupy tak zwanych zielonych rozpuszczalników i stosuje jako zamienniki lotnych rozpuszczalników organicznych. Istnieje możliwość stosowania ich wraz z katalizatorami-kwasami Lewisa, które dodatkowo przyczyniają się do zwiększenia wydajności i selektywności reakcji (G. Silvero, M.J. Arevalo, J.L. Bravo, M. Avalos, J. L. Jimenez, I. Lopez, Tetrahedron, 2005, 61,7105-7111; S. Kobayashi, I. Hachiya, M. Araki, H. Ishitani, Tetrahedron Letters, 1993, 34, 1755-3758; S. Otto, G. Boccaletti, J. B. F. N. Engberts, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 4238-4239). Ciecze jonowe dobrze rozpuszczają te katalizatory. Zapewniają bezwodne środowisko reakcji, które jest istotne ze względu na dezaktywację katalizatorów przez wilgoć. Ze względu na niską prężność par cieczy jonowej w łatwy sposób można wyodrębnić z cieczy jonowej produkty reakcji przez destylację lub ekstrakcję, dzięki temu możliwe jest wielokrotne użycie katalizatora. Znane są przykłady użycia cieczy jonowych z grupy soli imidazoliowych i fosfoniowych jako rozpuszczalników w reakcji Dielsa-Aldera (T. Fisher, A. Sethi, T. Welton, J. Woolf, Tetrahedron Lett. 1999, 40, 793-796; A. Aggarwal, N. L. Lancaster, A. R. Sethi, T. Welton, Green Chem. 2002, 4, 517-520; E. Janus, W. Stefaniak, Catalysis Letters, 2008; 124(1), 105-110.). Znane jest z opisu patentowego USA 7019188, 2006 zastosowanie pirydyniowych cieczy jonowych w procesie selektywnego wyodrębniania alkenów z frakcji węglowodorów. Na podobnym zjawisku opiera się oczyszczanie paliwa do silników Diesla ze związków zawierających siarkę. W tym przypadku ekstrahentem jest tetrafluoroboran 3-metylo-N-propylopirydyniowy [Hongshuai Gao, Yuguang Li, Yong Wu, Mingfang Luo, Qiang Li, Jianmin Xing, Huizhou Liu, Energy & Fuels 2009. 23. 2690]. Ciecze jonowe, również tetrafluoroboran N-etylopirydyniowy oraz trifluorooctan N-heksylopirydyniowy stosowano w reakcji Dielsa-Aldera [Y. Xiao, S. V. Malhotra, Tetrahedron Letters, 2004. 45, 8339]. Reakcje prowadzono pomiędzy izoprenem a dienofilami: akrylonitrylem, kwasem akrylowym i kwasem metakrylowym, przy czym najwyższą wydajność uzyskano po 2 godzinach w środowisku trifluorooctanu N-heksylopirydyniowego.

Sposób otrzymywania pochodnych norbornenu według wynalazku polega na reakcji Dielsa-Aldera cyklopentadienu z dienofilem prowadzonej w temperaturze pokojowej, pod ciśnieniem atmosferycznym, w obecności katalizatora i cieczy jonowej jako rozpuszczalnika. Istotą sposobu jest to, że reakcję prowadzi się w układzie katalitycznym złożonym z cieczy jonowej - (bistrifluorometylosulfonylo)imidku N-heksylopirydyniowego o wzorze 1 i katalizatora w postaci chlorku metalu o wzorze

PL 213 609 B1

MClx lub trifluorometanosulfonianu metalu o wzorze M(OTf)x, w którym M oznacza metal grupy 1 do 13 układu okresowego pierwiastków, OTf - grupę trifluorometanosulfonianową (CF3SO3^-)x - wartościowość metalu. Metale z grupy 1 do 13 to: Li, Na, K, Mg, Ca, Y, Yb, Zn, In, Al, Ag, Cu, La, Nd, Bi. Jako dienofil stosuje się: maleinian dimetylu, keton metylowo-winylowy, keton etylowo-winylowy, 4-heksen-3-on, akrylan metylu, etylu, n-butylu oraz metakroleinę. Stężenie dienofila w cieczy jonowej wynosi od 1 do 33 mol/dm³. dienu od 1,5 do 12 mol/dm³, a stosunek molowy dienofila do dienu jest stały i wynosi 1:1,5. Katalizator stosuje się w takiej ilości aby jego stosunek molowy względem cieczy jonowej wynosił

0,0002:0,05:1. Korzystnie mieszaninę po zakończeniu reakcji poddaje się destylacji pod obniżonym ciśnieniem w celu wydzielenia produktu i niezmienionych surowców a pozostającą w niedogonie destylacyjnym ciecz jonową z chlorkiem lub trifluorometanosulfonianem metalu stosuje się ponownie jako układ katalityczny.

Zaletą sposobu według wynalazku jest to, że uzyskuje się mieszaninę produktów z wysoką wydajnością z przewagą izomeru endo, a proces przebiega w łagodnych warunkach temperaturowych, pod normalnym ciśnieniem, w prostej aparaturze, w krótkim czasie. Zastosowanie katalizatorów: MClx, M(OTf)x w obecności cieczy jonowej znacząco zwiększa wydajność reakcji Dielsa-Aldera oraz jej stereoselektywność. W układach tych po zastosowaniu wymienionych dienofili i układów katalitycznych, uzyskuje się wydajność produktu cykloaddycji na poziomie 90%wag. po czasie 10: 300 minut, w temperaturze pokojowej, pod ciśnieniem atmosferycznym. Stereoselektywność, wyrażona stosunkiem izomeru endo do egzo, wynosi od 5-15. Układ katalityczny złożony z cieczy jonowej i katalizatora według wynalazku może być stosowany wielokrotnie w wielu cyklach reakcji Dielsa-Aldera z niezmienną wydajnością i stereo selektywnością.

Sposób otrzymywania pochodnych norbornenu bliżej wyjaśniają przykłady wykonania.

P r z y k ł a d I ₃

Do reaktora w postaci zakręcanej fiolki o pojemności 4 cm³ wprowadzono katalizator-ZnCl2. W ilości 0,0014 g (0,01 mmola) oraz bis(trifluorometylosulfonylo)imidek N-heksylopirydyniowy w ilości 0,3481 g (1 mmol). Zawartość fiolki mieszano mieszadłem magnetycznym w celu dobrego rozpuszczenia chlorku cynku (II) w cieczy jonowej. Następnie dodano keton metylowo-winylowy w ilości 0,0701 g (1 mmol) oraz cyklopentadien w ilości 0,099 g (1,5 mmol). Fiolkę z mieszaniną reakcyjną umieszczono w termostatowanej łaźni ogrzanej do temperatury 25°C. Próbki mieszaniny reakcyjnej pobierano w odstępach czasowych co 15 minut do uzyskania ponad 90% wydajności i analizowano metodą chromatografii gazowej. Na podstawie tej analizy określano konwersję ketonu metylowo-winylowego oraz wydajność dwóch produktów: endo-2-acetylo-5-norbornenu i egzo-2-acetylo-5-norbornenu. Zmierzona po 30 minutach wydajność produktów wynosiła 96%. Selektywność, wyrażona jako stosunek molowy izomeru endo do egzo wynosiła 15,6.

P r z y k ł a d II ₃

W reaktorze o pojemności 5 cm³ rozpuszczono 0,0512 g Mg(OTf)2 w 2,780 g (8 mmolach) bis(trifluorometylosulfonylo)imidku N-heksylopirydyniowego. Kolejno wprowadzono maleinian dimetylu w ilości 1,154 g (8 mmoli) oraz 0,792 g (12 mmoli) cyklopentadienu. Reakcję prowadzono w temperaturze 25°C przez 30 minut. Wydajność produktów (jak w przykładzie I) wyznaczona metodą chromatografii gazowej wynosiła 98% a stosunek molowy izomerów endo do egzo wynosił 7,0. Produkty reakcji w postaci mieszaniny izomerów endo,endo-2,3-di(metoksykarbonylo)-5-norbornenu i egzo,egzo-2,3-di(metoksykarbonylo)-5-norbornenu wyodrębniono ze środowiska reakcji stosując destylację pod ciśnieniem 1 mm Hg w zakresie temperatur 95°C-105°C. Do pozostałej cieczy jonowej, zawierającej katalizator, dodawano nowe porcje reagentów, tj. cyklopentadien i keton metylowo-winylowy, w takich samych jak poprzednio ilościach. Wydajność i selektywność reakcji kontrolowano w taki sam sposób i otrzymano równie wysoką wydajność. Układ katalityczny recyrkulowano łącznie 4 razy bez znaczącej zmiany wydajności i selektywności reakcji.

Uzyskane wyniki wydajności i selektywności zestawiono w tabeli 1.

T a b e l a 1

Krotność recyrkulacji cieczy jonowej z katalizatorem
0	1	2	3	4
Wydajność/stosunek izomerów endo/egzo
98/7,0	97/7,1	94/6,8	91/6,7	89/6,4

PL 213 609 B1

P r z y k ł a d III ₃

Do reaktora w postaci zakręcanej fiolki o pojemności 4 cm³, zaopatrzonej w mieszadło magnetyczne wprowadzano w kolejności: katalizator-Mg(OTf)2 w ilości 0,03 mmola (0,00967 g), rozpuszczalnik bis(trifluorometylosulfonylo)imidek N-heksylopirydyniowy (1 mmol), 4-heksen-3-on w ilości 0,0981 g (1 mmol). Na końcu dodano cyklopentadien w ilości 0,098 g (1,5 mmola). Fiolkę z mieszaniną umieszczano w termostatowanej łaźni ogrzanej do temperatury 25°C. Na podstawie przeprowadzonej analizy GC określano konwersję ketonu oraz wydajność dwóch produktów: endo,egzo-2-etoksylo-3-metylo-5-norbornenu i egzo,endo-2-etoksylo-3-metylo-5-norbornenu i stereoselektywność wyrażoną stosunkiem molowym tych produktów, w skrócie endo/egzo. Po 4 godzinach otrzymano mieszaninę izomerów z wydajnością 90%, stosunek izomeru endo i egzo wynosił 14,8.

P r z y k ł a d IV ₃

Reakcję prowadzono w zakręcanej fiolce o pojemności 4 cm³ zawierającej wirnik mieszadła magnetycznego. Do fiolki wprowadzano w kolejności: katalizator-MgCl2 w ilości 0,05 mmola (0,00476 g), który rozpuszczano w 0,3481 g bis(trifluorometylosulfonylo)imidku N-heksylopirydyniowego (1 mmol), metakroleinę w ilości 0,0701 g (1 mmol). Następnie wprowadzono cyklopentadien w ilości 0,099 g (1,5 mmola). Fiolkę z mieszaniną reakcyjną umieszczano w termostatowanej łaźni ogrzanej do temperatury 25°C bez przerwy. Na podstawie przeprowadzonej analizy GC określano konwersję metakroleiny oraz wydajność produktów: endo-2-acetylo-2-metylo-5-norbornenu i egzo-2-acetylo-2-metylo-5-norbornenu i stereoselektywność wyrażoną stosunkiem molowym tych produktów, w skrócie endo/egzo. Po 30 minutach otrzymano produkt z ilościową wydajnością 72%, stosunek ilościowy pomiędzy izomerem endo i egzo wynosił 6,4.

P r z y k ł a d V ₃

Reakcję prowadzono w zakręcanej fiolce o pojemności 4 cm³. Do fiolki wprowadzano w kolejności: katalizator-ZnCl2, w ilości 0,05 mmola (0,0068 g), rozpuszczalnik bis(trifluorometylosulfonylo)imidek N-heksylopirydyniowy w ilości 0,3484 g (1 mmol), akrylan etylu w ilości 0,100 g (1 mmol), cyklopentadien w ilości 0,099 g (1,5 mmola). Fiolkę z mieszaniną reakcyjną umieszczano w termostatowanej łaźni ogrzanej do temperatury 25°C. W trakcie syntezy popierano próbki mieszaniny reakcyjnej i poddawano analizie GC. Na ich podstawie po trzech godzinach, ustalono wydajność sumy izomerów endo i egzo na poziomie 93%. Selektywność przemiany wyrażona jako stosunek pomiędzy izomerami endo-2-etoksykarbonylo-5-norbornenu i egzo-2-etoksykarbonylo-5-norbornenu wynosiła 13,2.

P r z y k ł a d VI ₃

Reakcję prowadzono w kolbie kulistej o pojemności 5 cm³ zaopatrzonej w wirnik mieszadła magnetycznego. Do kolby wprowadzano w kolejności: katalizator-YCl3 w ilości 0,04 mmola (0,0078 g), ciecz jonową bis(trifluorometylosulfonylo)imidek N-heksylopirydyniowy 0,3842 g (1 mmol), akrylan metylu 0,084 g (1 mmol), cyklopentadien w ilości 0,0991 g (1,5 mmola). Kolbę z mieszaniną reakcyjną umieszczano w termostatowanej łaźni ogrzanej do temperatury 25°C. Po 15 minutach pobrano próbkę mieszaniny reakcyjnej. W oparciu o analizy GC obliczono, że konwersja akrylanu metylu wynosiła łącznie 94% oraz stereoselektywność wyrażona stosunkiem molowym dwóch produktów: endo-2-metoksykarbonylo-5-norbornenu i egzo-2-metoksykarbonylo-5-norbornenu i tych produktów wynosiła 11,7.

P r z y k ł a d VII ₃

Reakcję prowadzono w zakręcanej fiolce o pojemności 4 cm³, z wirnikiem mieszadła magnetycznego. W każdej z nich znajdowało się mieszadło magnetyczne. Do fiolki wprowadzano w kolejności: katalizator-Nd(OTf)3 w ilości 0,01 mmola (0,0035 g), ciecz jonową bis(trifluorometylosulfonylo)imidek N-heksylopirydyniowy w ilości 0,347 g (1 mmol), akrylan n-butylu w ilości 0,123 g (1 mmol), cyklopentadien w ilości 0,099 g (1,5 mmola). Fiolkę z mieszaniną umieszczano w termostatowanej łaźni ogrzanej do temperatury 25°C. Po 4 godzinach licząc od momentu dodania cyklopentadienu) pobrano próbkę mieszaniny reakcyjnej i na podstawie analizy GC, tej próbki obliczono, konwersja akrylanu n-butylu wynosiła 91%. Selektywność wyrażona jako stosunek ilościowy pomiędzy izomerami endo-2-propoksykarbonylo-5-norbornenu i egzo-2-propoksykarbonylo-5-norbornenu wynosiła 9,1.

P r z y k ł a d VIII ₃

Reakcję prowadzono w kolbce kulistej o pojemności 5 cm³, zawierającej pokryty PTFE wirnik magnetyczny. Do kolbki wprowadzono katalizator-Yb(OTf)₃-xH₂O w ilości 0,01 mmola (0,0062 g) i rozpuszczono w bis(trifluorometylosulfonylo)imidku N-heksylopirydyniowym, stosowanym w ilości

PL 213 609 B1

0,385 g ( 1 mmol), następnie dodano keton etylowo-winylowy w ilości 0,083 g (1 mmol) i cyklopentadien w ilości 0,099 g (1,5 mmola). KoIbkę z mieszaniną umieszczono w termostatowanej łaźni ogrzanej do temperatury 25°C. Po 30 minutach (licząc od momentu dodania cyklopentadienu) pobrano próbkę mieszaniny reakcyjnej. Na podstawie analizy GC określano, że konwersja ketonu etylowo-winylowego wynosiła 95%, stereoselektywność wyrażona stosunkiem molowym produktów: endo-2-etoksylo-5-norbornenu i egzo-2-etoksylo-5-norbornenu wynosiła 9,2.

Claims

1. Sposób otrzymywania pochodnych norbornenu w reakcji Dielsa-Aldera cyklopentadienu z dienofilem w temperaturze pokojowej, pod ciśnieniem atmosferycznym, w obecności katalizatora i cieczy jonowej jako rozpuszczalnika, znamienny tym, że reakcję prowadzi się w układzie katalitycznym złożonym z cieczy jonowej - bis(trifluorometylosulfonylo)imidku N-heksylopirydyniowego o wzorze 1 i katalizatora w postaci chlorku metalu o wzorze MClx lub trifluorometanosulfonianu metalu o wzorze M(OTf)x, w którym M oznacza metal grupy 1 do 13 układu okresowego pierwiastków, OTf - grupę trifluorometanosulfonianową (CF3SO3^-), x- wartościowość metalu.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako dienofil stosuje się: maleinian dimetylu, keton metylowo-winylowy, keton etylowo-winylowy, 4-heksen-3-on, akrylan metylu, etylu, n-butylu oraz metakroleinę.

3. Sposób według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że stężenie dienofila w cieczy jonowej wy33 nosi od 1 do 8 mol/dm³, dienu od 1,5 do 12 mol/dm³, a stosunek molowy dienofila do dienu jest stały i wynosi 1:1,5.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że katalizator stosuje się w takiej ilości aby jego stosunek molowy względem cieczy jonowej wynosił 0,0002 * 0,05:1.

5. Sposób według zastrz. od 1 do 5, znamienny tym, że mieszaninę po zakończeniu reakcji poddaje się destylacji pod obniżonym ciśnieniem w celu wydzielenia produktu i nie zmienionych surowców a pozostającą w niedogonie destylacyjnym ciecz jonową z chlorkiem lub trifluorometanosulfonianem metalu stosuje się ponownie jako układ katalityczny.