Способ получения 5-алкоксипентанонов-2

 

Изобретение относится к способу получения 5-алкоксипентанонов-2 формулы СН₃СО(СН₂)₃OR, где R = С_nН_2n+1, n = 1-10, взаимодействием ацетилциклопропана (АЦП) с одноатомным спиртом R-OH в присутствии палладийсодержащего катализатора в водной в присутствии исходного спирта R-OH в качестве растворителя или водно-эфирной среде при температуре 165-200°С в течение 6-60 ч при мольном соотношении компонентов: [АЦП]:[R-ОН]:[Н₂O]:[кат]:[растворитель] = 1:1: (3-8) : (0,005-0,01) : (2-9), где при R = C_nH_2n+1 (n = 1-3) растворитель - соответствующий спирт, а при n ≥ 4 растворитель - диэтиловый эфир. Способ обеспечивает выход продуктов 43-97%, при небольшом расходе катализатора, исключает токсичные отходы. 4 табл.

Предлагаемое изобретение относится к области органического синтеза, в частности к способу получения 5-алкоксипентанонов-2 общей формулы CH₃CO(CH₂)₃OR, где R = C_nH_2n+1(n=1-10).

5-алкоксипентаноны-2 используются в парфюмерии, представляют интерес как платификаторы полимерных материалов и как синтоны при получении пиридинов, природных соединений и их аналогов, например, феромонов насекомых (Пат. США 3.316.305 [1]; A.H. Tracy, R.C. Elderf., J.Org, Chem., 1941, V.pp.63-69 [2]; Пат. США N 3278599 [3];).

Известны различные способы получения 5-алкоксипентанонов-2, но нет универсального метода, позволяющего получать 5-алкоксипентаноны-2, отличающиеся природой заместителя в алкоксигруппе. Так, 5-метоксипентанон-2 (1) был синтезирован окислением 1-метоксипентана (2) озоном в присутствии сверхкислоты HF-SbF₅, играющей роль катализатора (N. Yoneda, T. Kinchi, T. Furukara, A. Suzuki, G.A. Olah J. Chem Lett 1984, N 9, 1617-1618 [4]). В типичном эксперименте поток кислорода, содержащий 2,5% озона (0,29 ммоль/мин), пропускают через раствор 1-метоксипентана (2) в HF-SbF₅ (мольное соотношение SbF₅/(2) = 5) при -40^oC в течение 90 мин.

Выход (1) составляет 89%.

Способ имеет существенные недостатки: 1. В качестве катализатора используется весьма агрессивный реагент HF-SbF₅ в большом избытке.

2. Из-за применения для реакции сильного окислителя (2,5% озона в кислороде) процесс является пожаро- и взрывоопасным.

3. В связи с проведением реакции при низкой температуре (-40^oC) для обеспечения режимных условий требуется специальное оборудование и сложное технологическое оформление.

4. Образование большого количества высокотоксичных отходов (HF и SbF₅) и сточных вод и необходимость разложения и утилизации отходов.

Два представителя ряда 5-алкоксипентанонов-2 - 5-метоксипентанон-2 (1) и 5-феноксипентанон-2 (4) с выходами 67% и 76% соответственно были получены реакцией гидроперекиси алкоксиалкилдиазенов (5), (6) с изопропенилметиловым эфиром (7). Процесс проходит по сложной схеме при температуре 50^oC с образованием алкоксильного радикала, который в дальнейшем реагирует с изопропенилметиловым эфиром (E.Y. Osei-Twum, D, McCallion, A.S. Nazran, R. Panicucci, P. A. Resbood, J.Warkentin. J.Org.Chem., 1984, V. 49, N 2, pp. 336-342 [5]).

Способ имеет следующие недостатки: 1. Труднодоступность исходных алкоксипероксидиазенов (5, 6).

2. Низкая стабильность гидроперекисей (5, 6), что затрудняет масштабирование синтезов.

3. Пожаро- и взрывоопасность процесса.

4. Многостадийность метода, т.к. гидроперекиси (5, 6) приходится получать непосредственно перед проведением синтеза автоокислением соответствующих гидразонов, которые в свою очередь коммерчески недоступны.

Нетехнологичным является метод получения (1), основанный на реакции конденсации 2-этоксиэтилиодида (8) с этиловым эфиром ацетоуксусной кислоты (9). Низкая технологичность обусловлена тем, что 2-этоксиэтилиодид (8) является труднодоступным реагентом - его синтезируют по сложной методике взаимодействием этилового эфира п-толуолсульфокислоты (10) с безводным NaJ и этанолом при кипячении с обратным холодильником. Затем при конденсации 2-этоксиэтилиодида (8) с Na-ацетоуксусным эфиром (9) (его получают реакцией металлического натрия или NaH с ацетоуксусным эфиром) с общим выходом 63% образуется 5-этоксипентанон-2 (11) (K.J. Crowley, D.J. Milin, N. Polgar. J. Chem. Soc. 1957, p.p. 2931-2934 [6]).

Недостатки способа: 1. Многостадийность.

2. Использование в качестве исходных реагентов дорогостоящих веществ - этилового эфира п-толуолсульфоксилоты, 2-этоксиэтилиодида, металлического натрия (или гидрида натрия).

3. Образование большого количества отходов: TsONa, NaJ.

В двух работах 5-алкоксипентаноны были получены алкилированием 5-гидроксипентанона-2 (12). В первом случае в качестве алкилирующего реагента был использован диметилсульфат (Т.А. Фаворская, О.В. Сергиевская, ЖОХ, 1958, 28, N 1, С. 87-94 [7]).

Алкилирование протекает в избытке едкого кали. Процесс сопровождается с образованием большого количества неорганических отходов (K₂SO₄, избыток KOH). Очень низким является выход целевого продукта ~ 40%.

Если алкилирование 5-гидроксипентанона-1 (12) проводить в условиях межфазного катализа с помощью иодистого амила, то выход 5-пентилоксипентанона-2 (13) не превышает 32% (Л.И. Рейдалова, Н.В. Кузнецов, Р.А. Мырсина. Физ. активные вещества, 1983, N 15, 53-55 [8]).

Низкий выход (13) является не единственным существенным недостатком метода. Кроме того, в результате реакции образуется большое количество отходов (NaJ, NaOH) и сточных вод. По этой причине оба эти метода представляют исключительно теоретический интерес.

Известен метод получения 5-бензилоксипентанона-2 (14) из 4-бензилоксибутиронитрила (15) по реакции Гриньяра с метилмагнийбромидом в растворе серного эфира (Пат. США N 3278599; РЖХим 17 Н319 П (1968) [3]).

По ряду причин этот метод представляет лишь препаративную ценность. Во-первых, весьма труднодоступным является 4-бензилоксибутиронитрил. Для получения второго реагента CH₃MgBr необходим газообразный бромистый метил. Наряду с этим обе реакции (1-стадия - синтез CH₃MgBr в среде серного эфира и получение (14)- II стадия) требуют использования в качестве среды серного эфира, не содержащего следов влаги и перекисей. Процесс в целом является пожароопасным.

5-метоксипентанон-2 (1) с низким выходом (13%) был получен в сложной смеси продуктов при окислении 4-пентен-1-ола (16) золотохлористоводородной кислотой в среде метанола при кипячении в течение 24 ч (R.C. Norman, W.J. Parr, C.B. Thomas. J. Chem. Soc., Perkin Trans., 1976, Part 1, N 7, 811-817 [10]).

В этой же работе [10] описан метод получения (1) реакцией 5-хлорпентанона-2 (20) с метанолом и избытком нитрата серебра (64^oC, 4 ч, выход (1) не указан).

Оба эти способа имеют общие недостатки:
1. Использование дорогостоящих катализаторов и реагентов: HAuCl₄ и AgNO₃ и большие нормы их расхода ([HAuCl₄]:[олефин]=1:3, а нитрат серебра необходим для реакции в 2-кратном избытке к 5-хлорпентанону-2).

2. Низкий выход целевого продукта - 13%.

3. Образование большого количества побочных продуктов, что создает трудности при выделении 5-метоксипентанона-2 (1).

По сходству двух признаков: 1) использование спиртов в качестве исходного реагента и 2) использование катализатора данный способ взят нами за прототип.

Авторами предлагается новый каталитический одностадийный метод получения 5-алкоксипентанонов-2. CH₃CO(CH₂)₃OR, где R=C_nH_2n+1(n=1-10). Сущность метода заключается в алкоголизе ацетилциклопропана [АЦП] с помощью спиртов под действием Pd-содержащего катализатора в водной (для низших) и водно-эфирной (для высших) спиртов среде. В ходе реакции под действием Pd-содержащего катализатора происходит региоселективное раскрытие трехуглеродного цикла по связи C₁-C₂ ацетилциклопропана спиртами с образованием 5-алкоксипентанонов-2.

R= CH₃, C₂H₅, C₃H₇, n-C₄H₉, n-C₅H₁₁, 3-C₅H₁₁, C₆H₁₃, C₁₀H₂₃, PhCH₂, PhCH-CH₃.

Реакция катализируется следующими солями палладия PdCl₂, Na₂PdCl₄, K₂PdCl₄, PdCl₂[P(Ph)₃] ₂ и палладием на угле Pd/C 5%, взятыми в количестве 0,005-0,01 моль по отношению к 1 молю ацетилциклопропана (см. табл. 1). Из экспериментальных данных найдено, что оптимальное мольное соотношение реагентов составляет: [АЦП]:[R-OH]:[H₂O][катализатор]:[растворитель]= 1:1:(3-8)(0,005: 0,01): (1:3), см. табл. 2, где для низших спиртов R=C_nH_2n+1(n=1-3) растворителем является сам спирт, а для высших спиртов R=C_nH_2n+1, n≥4, растворителем служит диэтиловый эфир. Реакция проходит при температуре 165-200^oC (оптимальная температура 180^oC) за 6-60 ч (см. таблицу 3).

Предлагаемый метод имеет следующие преимущества:
1. Одностадийность.

2. Высокий выход 5-алкоксипентанонов-2.

3. Простота аппаратурного оформления.

4. Возможность использования спиртов и воды (среда) без дополнительной очистки.

5. Метод является универсальным и позволяет получать большой ассортимент кетоэфиров, отличающихся заместителем в алкокси-группе.

6. Небольшой расход катализатора.

7. Отсутствие токсичных отходов.

Способ поясняется примерами:
Пример 1. Получение 5-метоксипентанона-2.

В микроавтоклав (V= 17 см³) поместили 0,46 г (5,5 ммоля) ацетилциклопропана, 1,59 г (49,8 ммоля) метанола, 0,0053 г (0,03 ммоля) PdCl₂, 0,5 г (28 ммолей) воды.

Герметично закрытый автоклав нагревали при 180^oC 30 ч. Выход C₆H₁₂O₂ 97%.

Пример 2. Получение 5-бутоксипентанона-2.

В микроавтоклав (V= 17 см³) поместили 2,0 г (23 ммоля) ацетилциклопропана, 1,7 г (23 ммоля) бутилового спирта, 0,021 г (0,12 ммоля) PdCl₂, 2,6 г (150 ммолей) воды и 3,7 г (50 ммолей) диэтилового эфира.

Герметично закрытый автоклав нагревали при 180^oC 6 ч. Получен CH₃CO(CH₂)₃-O-(CH₂)₃CH₃ с выходом 60%.

Строение полученных соединений (1, 11, 13, 23-25, 27-29) установлено на основании спектральных методов, а для (1,4) - сравнением с литературными данными [1, 4, 5, 9]. Спектральные характеристики (ЯМР ¹³C) 5-алкоксипентанонов-2 приведены в таблице 4. Спектры ЯМР ¹³C зарегистрированы на спектрометре "JEOL FX-900" (22,5 МГц).

Формула изобретения

Способ получения 5-алкоксипентанонов-2, общей формулы, СН₃СО(СН₂)₃ОR, где R= C_nH_2n+1(n= l-10), отличающейся тем, что ацетилциклопропан (АЦП) подвергают взаимодействию с одноатомными спиртами (R-OH) в присутствии палладийсодержащего катализатора, взятого в количестве 0,005-0,01 моль по отношению к ацетилциклопропану в водной в присутствии исходного спирта (R-OH) в качестве растворителя или водно-эфирной среде при температуре 165-200^oC в течение 6-60 ч при следующем мольном соотношении компонентов: [АЦП]:[R-ОН]: [Н₂O] : [кат] : [растворитель] = 1: 1: (3-8): (0.005-0.01):(2-9), где при R= C_nH_2n+1(n= 1-3) растворитель - соответствующий спирт, а при n ≥ 4 растворителем является диэтиловый эфир.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3