Využití dialkylkarbonátů pro získávání alkoxybenzonitrilů z příslušných hydroxybenzaldoximů

Využití dialkylkarbonátů pro získávání alkoxybenzonitrilů z

příslušných hydroxybenzaldoximů

Tomáš Weidlich

Skupina chemických technologií

UECHI, FCHT, Univerzita Pardubice

Proč alkoxybenzonitrily?

• Složky látek vonných a chuťových (parfémů, zvýrazňovačů sladidel), dále intermediáty pro výrobu heterocyklických sloučenin (léčiv)

NHAlkO

G A

NAlkO Z

YX

AlkO N

Syntéza DPP pigmentů:

Známé syntézy alkoxybenzonitrilů:

X CH3 X CN RO CN+ OR-

- X -

NH3, O2

kat.- H2O

RO RO CN

Známé syntézy alkoxybenzonitrilů:

HO COOH RO CONH2 RO CN- H2O

HO CHO RO CH=NOH RO CN

Alkoxybenzonitrily cestou 4:

HO CHO R X

RO CHONH2OH

RO CH=NOH

R X = RO-SO2-OR, R-halogen, RSO3R, èinidla: POCl3, RSO3Cl, P2O5,

(RO)2CO

RO CN

- H2O - H2O

èinidlo?

krok 1 krok 2 krok 3

O

RO OR

Možnost využít dialkylkarbonáty jako alkylační činidla RX ?!

HO CHO R X

RO CHO

Proč methylace dialkylkarbonátem?Srovnání běžně užívaných alkylačních činidel:

Činidlo Výhody Nevýhody

Halogenalkany R-X

Levné, reaktivní Těkavé, toxické, často nutné použít v přebytku

Dialkylsulfáty

R-OSO2O-R

Levné, reaktivní toxické

Estery sulfonových

kyselin

R-OSO2-R

reaktivní Rel. drahé, tvorba RSO3- jako

nežádoucích, těžko využitelných vedl.produktů, zvyšujících CHSK odp.vod

Dialkyl-karbonáty

R-OCOO-R

Levné, selektivní, vedl. produkty CO2 a příslušný alkohol, toxicita asi jako

příslušný alkohol, výroba z CO2 a alkoholu

Málo reaktivní, vyžaduje delší reakční časy a vyšší teploty

1,2-dihydroxyaromáty nelze alkylovat (vzniká cyklický

karbonát)

Výroba a aplikace dialkylkarbonátů:

-Nejdůležitější: dimethylkarbonát DMC (b.t.: 2-4oC; b.v.: 90oC)

-výchozí látka pro výrobu některých polykarbonátů, antidetonační přísada

Světová produkce DMC: 100 kt/rok, cena: 15EUR/kg (r.2002)

CH3OH2 NO

CH3OH

R ONO

C

O

Cl Cl

PdCl2

CH2

CH2

O

O

O

O

C

O

O OH3C CH3

+ báze

- 2 HCl

2 + CO

1/2 O2

kat.

+ CO2 - HOCH2CH2OH

- 2 NO

2

2

R-X = dialkylkarbonát

• Poměrně dobře je popsána methylace fenolů dimethylkarbonátem, ta ale díky nízké teplotě varu dimethylkarbonátu obvykle prováděna v autoklávu nebo za speciálních podmínek (např. methylace v plynné fázi na heterogenním katalyzátoru)

OH

+ CH3O C OCH3

O OCH3

O C OCH3

O- CH3OH

- CO2

- CH3OH

HO CHO R X

RO CHO

Ethylace diethylkarbonátem v přítomnosti uhličitanu draselného:

Podmínky reakce: bez inertizace, ale s omezením Podmínky reakce: bez inertizace, ale s omezením přístupu vzdušné vlhkosti, za normálního tlakupřístupu vzdušné vlhkosti, za normálního tlaku

Reakční teplota: 135-140°CReakční teplota: 135-140°C

Reakční čas: 40-50hReakční čas: 40-50h

R

OK

OH

K2CO3

CH3CH2OC

CH3CH2OO

DMAKHCO3

RK2CO3

R

R

OK

OCH2CH3

KHCO3+

+ CH3CH2OH + CO2+

+

1

2

-

• DMA málo toxický (LD50=4300 mg/kg a bez dráždivých účinků, ale teratogen

• Má optimální bod varu (165oC bez rozkladu)

• Stabilní (oproti DMF) dobře recyklovatelné rozpouštědlo

Jako rozpouštědlo při alkylacích dialkylkarbonáty se běžně používá DMF

Proč záměna DMF za

N,N-dimethylacetamid (DMA)?

Námi zkoumané reakce dialkylkarbonátů:

OH OEt

OEt

O

OEt

G

DMA, K2CO3

- CO2, - EtOH+ n

G

OH

OHDMA

OEt

OEt O

O

ODEC, K2CO3

135oC/48h REAKÈNÍ SMÌ S NEOBSAHUJE!

Alkylace:

Aparatura pro reakce s dialkylkarbonáty v DMA s použitím anorganických bazí:

Kondenzace (diethylkarbonát jako dehydratační činidlo):

CHO

HO

H3CO CH3CH2OC

CH3CH2OO CH3CONMe2

K2CO3

HC

EtO

H3CO CH CONMe2

+ +

Podmínky reakce: Podmínky reakce: bez inertizace, ale s omezením přístupu vzdušné vlhkosti, za bez inertizace, ale s omezením přístupu vzdušné vlhkosti, za normálního tlaku, normálního tlaku, Během reakce oddestilovává ethanol+diethylkarbonátBěhem reakce oddestilovává ethanol+diethylkarbonát

Reakční teplota: 135-140°CReakční teplota: 135-140°C

Reakční čas: 40-50hReakční čas: 40-50h

GC

H

O

CH3 CO

NMe2

C

OEt

OEt

OK3PO4 G

C

C C

NMe2

O

H

H

+K2CO3 or

+ CO2 + 2 EtOH+

1 DMA DEC 2

Známé reakce dialkylkarbonátů:

Syntéza alkoxybenzonitrilů cestou 4:

RO CH O NH2OHRO CH N OH

+ H2O

2. krok: kondenzace hydroxylaminu (generovaného z NH2OH.HCl a NaOH) s benzaldehydy ve vodném alkoholu, izolace krystalizací:

HO CHO R X

RO CHONH2OH

RO CH=NOH

R X = RO-SO2-OR, R-halogen, RSO3R, èinidla: POCl3, RSO3Cl, P2O5,

(RO)2CO

RO CN

- H2O - H2O

èinidlo?

krok 1 krok 2 krok 3

RO CH N OHRO C

O

OR

RO C N

+báze

polárníaprotickérozpouštì dlo

+ 2 CO2 + 3 ROH2

3. krok: dehydratace oximu vhodným dehydratačním činidlem, půjde to dialkylkarbonátem?:

Volba vhodného reakčního prostředí:Bez polárního aprotického rozpouštědla je dehydratace velmi pomalá (za varu dialkylkarbonátu)

1) Volba vhodného rozpouštědlaNaše volba: N,N-dimethylacetamid (DMA místo DMF), důvody: a) DMA málo toxický (LD50 = 4300 mg/kg a bez dráždivých účinků, (teratogen)b) Má optimální bod varu (165oC bez rozkladu) c) Stabilní (ve srovnání s DMF) dobře recyklovatelné rozpouštědlo

2) Volba vhodné báze: zkoušeny NaH, NaOEt, K2CO3, AcOK, K3PO4

Použitá aparatura pro syntézu alkoxybenzonitrilů:

Ověření možnosti syntézy alkoxybenzonitrilů z

příslušných hydroxybenzaldehydů ve 2 krocích:

RO CH O NH2OHRO CH N OH

+ H2O

1. krok: kondenzace hydroxylaminu (generovaného z NH2OH.HCl a NaOH) s hydroxybenzaldehydy (R = H) ve vodném alkoholu, izolace krystalizací:

Ověření možnosti syntézy alkoxybenzonitrilů z

příslušných hydroxybenzaldehydů ve 2 krocích:

2. krok: reakce hydroxybenzaldehydoximu s dialkylkarbonátem v přítomnosti K3PO4 v DMA , izolace odpařením reakční směsí a krystalizací:

RO CH N OHRO C

O

OR

RO C N

+báze

polárníaprotickérozpouštì dlo

+ 2 CO2 + 3 ROH2

R = H R = Me, Et, Pr, Bu R = Me, Et, Pr, Bu

Izolace reakční směsi, vakuová destilace kapalných složek r.s.:

Vliv použitého dialkylkarbonátu na konverzi hydroxybenzaldoximu:

Podmínky reakce

Reakce s (MeO)2CO, Obsah

4methoxybenzonitrilu

Reakce s (EtO)2CO Obsah

4-ethoxybenzonitrilu

Reakce s (BuO)2CO Obsah

4-butoxybenzonitrilu 20 h/150oC 74,1 % 73,5 % 62,1 % 48 h /150oC 100 % 90,1 % 79,3 % 88 h /150oC 100 % 100 % 100 %

Při použití 3 mol (RO)2CO a 2 mol K2CO3 na 1 mol hydroxybenzaldoximu v 1 litru DMA:

HO CH N OH + (RO)2COK2CO3

DMARO C N + RO CH N OH

Eintopf syntéza alkoxybenzonitrilů z hydroxybenzaldehydů (3 kroky bez

meziizolace):

ROC N

HOCHO

1. NH2OH

2. (RO)2CODMA/K2CO3

Podmínky reakce: bez inertizace, ale s omezením přístupu Podmínky reakce: bez inertizace, ale s omezením přístupu vzdušné vlhkosti, za normálního tlakuvzdušné vlhkosti, za normálního tlaku

R = CHR = CH33

Reakční teplota: Reakční teplota:

1.1. 24h lab.T, 24h lab.T,

2.2. 145-150°C/72 h145-150°C/72 h

Shrnutí:

• Alkoxybenzonitrily lze syntetizovat v dobrém výtěžku z příslušných hydroxybenzaldehydů s použitím dialkylkarbonátů a báze v prostředí DMA (nebo tetraethylmočoviny,…)

Syntéza selhává za podmínek, kdy:• přítomnost halogenu v poloze ortho vůči

OH skupině hydroxybenzaldehydu

Děkuji Vám za pozornost

Možnosti získávání dialkylkarbonátů bez užití CO:

2 R-OH

O

OO

O

O OR R

ONH2-CO-NH2 + 2 R-OH+

+ CO2

2 NH3 + CO2

- H2O( a ) ( b )