Разработка каталитических систем для осуществления альдольной конденсации низших альдегидов (1091786), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Выходы производныхкоричной кислоты зависят от природы заместителя в бензольном кольцеароматического альдегида. Электроноакцепторные заместители (NO2, CN, Cl, Вrи др.) способствуют повышению выхода α,β-ненасыщенных кислот, и резкоснижается при наличии электронодонорных (СН3, С2Н5, N(СН3)2) заместителей.Реакция Перкина практически неприменима для алифатических альдегидов из-заих склонности к автоконденсации. Фиттиг доказал, что первой стадией реакцииявляется присоединение типа альдольной конденсации. Из бензальдегида,янтарного ангидрида и сукцината натрия при 100°С получен продуктприсоединения – γ-лактон оксикислоты. Из бензальдегида и изомасляногоангидрида, и изобутирата натрия также при 100°С Фиттинг получил в качествеаддукта оксикислоту [37] (Рисунок 1.7).OOOOHOHOH+HOOOHOH3CHOOOOH+H3CH3COHCH3Рисунок 1.7 – Схемы взаимодействия бензальдегида с разными кислотамиРеакция Манниха, открытая им в 1912 г., является основным способомполученияα-диалкиламинометилкетоновприконденсацииформальдегидом и гидрохлоридом вторичного амина (Рисунок 1.8).O21RO+RH++ R2NH2ClHOCl1R2R+ R2N+H2OHРисунок 1.8 – Схема реакции Маннихакетоновc16Синтетические возможности данной реакции ограничиваются применениемвторичных аминов, так как продукты, образующиеся при конденсации спервичнымиаминами,вступаютвдальнейшеепревращение.Активнойэлектрофильной частицей в реакции Манниха является иминиевая соль,получающаяся из формальдегида и вторичного амина при кислотном катализе(Рисунок 1.9).OH+H +HO+HOR2NHполуаминальH+H2ONR 2NR 2+H2C NR 2 +катион иминияNR 2H2OРисунок 1.9 – Схема механизма кислотного катализа в реакции МаннихаИминиевуюсольможновыделитьвиндивидуальномвидепривзаимодействии формальдегида и диметиламина в хлористом метилене вприсутствии безводной тетрафтороборной или трифторуксусной кислоты принизкой температуре (Рисунок 1.10)OH+HCH 3HBF4CH2Cl2CH 3-20oCHN+ CH 3 BF4H 2C NCH 3Рисунок 1.10 – Схема каталитического взаимодействия формальдегида и диметиламинаИминиевая соль далее взаимодействует с енольной формой кетона(Рисунок 1.11)17OH1OH+1RR22RRO1..OH+1R+H 2C N2RCH 32RCH 3R+H+N CH 3H3CРисунок 1.11 – Схема взаимодействия иминиевой соли с енольной формой кетонаЭлектрофильная атака катиона иминия направлена преимущественно наболее замещенный α-углеродный атом енола.
Современная модификация реакцииМанниха основывается на использовании борных или силиловых эфиров енолов.Винилоксибораныполучаютсяпривзаимодействиикетоновсдиалкилборилтрифторметансульфонатом в присутствии третичного амина [3839].Калнин в 1928 г. [40] установил, что, в то время как ангидрид – основнойучастник в реакции, вместо натриевой соли карбоновой кислоты можноиспользовать другие основания, например, карбонат или фосфат натрия,триэтиламин, пиридин. Таким образом, ангидрид в этой реакции являетсяпсевдокислотным аддуктом, а соль – оснóвным катализатором.
Протон изангидрида переходит к аниону соли, а анион ангидрида присоединяется ккарбонильной группе альдегида. Реакции присоединения Н–N к связи С=О иобратимое образование азометинов, оксимов, арилгидразонов и семикарбазоновпредставляют собой примеры альдольной конденсации, так как в результатеприсоединенияобразуютсякарбиноламиныилиихN-окси-илиN-аминопроизводные. Реакции сопровождаются дегидратацией простых илизамещенныхкарбиноламиновсобразованиемдваждыконденсированныхпродуктов. Последовательность реакций, так же как и в альдольной конденсацииполностью обратима.Альдольнаяконденсациячастопротекаетпообщемумеханизмуприсоединения Лэпуорта.
Известно, что для альдольной конденсации характерна18обратимость, на примере превращения ацетона в диацетоновый спирт, и на рядедругихравновесныхреакций,включающихпростыеальдолитипаизобутиральдоля (Рисунок 1.12).H3COOH 3CH3CH3CH3COCH3HH3COHOOHCH3 OOH3C+H3CCH3H3C+H3CHHCH3CH3Рисунок 1.12 – Схема альдольной конденсации предложенная ЛэпуортомЭти реакции присоединения экзотермичны, и поэтому термодинамическипредпочтительнее применение низких температур. Во всех случаях бывает трудноустановить существование равновесия, так как многие альдоли и кетолы легкодегидратируются в α,β-ненасыщенные карбонильные соединения. Например,ацетальдегид превращается в кротоновый альдегид, диацетоновый спирт – вокись мезитила. Кроме того, часто многие альдоли и кетолы реагируют скарбонильными соединениями с образованием высших альдолей и кетолов или жепродуктов их дальнейшей дегидратации, например: ацетальдоль димеризуется воктальдоль, а диацетоновый спирт превращается в форон.Альдольная реакция катализируется различными реагентами, основнымикатализаторами являются различные основания.
Не касаясь вторичных ипобочных процессов, присоединение ацетальдегида к формальдегиду прикатализе основаниями может быть описано следующей схемой (Рисунок 1.13).19O+-+HCH2HCH2O+OHOO-HOO-HO-HH3COOHH2OHHOHРисунок 1.13 – Схема альдольной конденсации в присутствии основанийКинетика реакции выражается уравнением:r = k Cальд CОН¯ (1.1).Концентрация формальдегида в этом уравнении отсутствует. Это означает,что на медленной стадии расходуется только ацетальдегид, а формальдегидрасходуется на следующей, быстрой стадии. Это совпадает с общим механизмомЛэдуорта: вторая прямая стадия присоединения оказывается быстрее, посравнению с обратной первоначальной стадией ионизации [41].Иные соотношения между скоростями отдельных стадий наблюдаются вслучае кетолизации ацетона в водно-щелочной среде, если предположитьследующий механизм реакции (Рисунок 1.14)20O+O+-H3CH3COCH3CH2OCH3+CH3O-CH3H3COOH-CH3CH2CH3H3COH2OH3COCH3CH3OCH3HO+ OH-CH3Рисунок 1.14 – Схема кетолизации ацетона в водно-щелочной средеПри исследовании кинетики обратной реакции, установлено, что в этомслучае равновесие достигается значительно быстрее.
Скорость подчиняетсяуравнению:r = k Cкетол CОН¯ (1.2).Скорость декетолизации диацетонового спирта не зависит от концентрацииацетона. Это означает, что анион СН3СОСН2 реагирует с молекулой водыбыстрее, чем с ацетоном; в противном случае, последний процесс замедлял быдекетолизацию. Следовательно, скорость декетолизации определяется либопервой стадией, либо второй.
Однако первая стадия, состоящая в перемещениипротона между атомами кислорода, не может определить скорость всей реакции.Из скорости декетолизации и константы равновесия вычисляется скоростькетолизации ацетона. Она составляет около 0,001 скорости йодирования илиравной ей скорости дейтерирования ацетона, то есть реакций, скорости которыхопределяются скоростью первой стадии кетолизации [42]. Таким образом, втораястадии кетолизации протекает медленнее, чем первая. Очевидно, что втораястадия определяет как скорость кетолизации, так и скорость декетолизации. Еслибы кинетика кетолизации была измерена непосредственно, то она выражалась быуравнением третьего порядка:21r = k C2ацетон CОН¯ (1.3).Альдолизацияацетальдегидавводномрастворещелочиявляетсяпромежуточным звеном между этими двумя кинетическими случаями.
Впервыеона была исследована Беллом [43], который установил, что кинетика реакцииописывается уравнением второго порядка. Бенхоффер и Вальтере [44] показали,что если реакцию проводить в дейтерированной воде, то дейтерий незахватывается субстратом. Оба эти результата можно принять, если допустить,что вторая стадия прямой реакции проходит достаточно быстро, чтобыпредупредить обратное течение первой стадии (на которой мог присоединитьсядейтерий), и таким образом, скорость процесса контролируется первой стадиейпрямой реакции. Если порядок реакции является промежуточным между вторыми третьим и не носит общего характера, то данный порядок по ацетальдегиду втаком случае является приближенным, и имеет тенденцию уменьшаться сувеличением концентрации ацетальдегида.
Кроме того, хотя дейтерий от тяжелойводы при очень высоких концентрациях ацетальдегида не присоединяется, припонижении концентрации ацетальдегида присоединение дейтерия происходит сбольшей скоростью. Снижение концентрации ацетальдегида будет замедлятьскорость второй прямой стадии по сравнению со скоростью первой прямой илипервой обратной стадий, и в результате функция лимитирующей стадии будет всебольше переходить от первой к второй стадии прямой реакции. Беллу [45] прииспользованиибуферовудалосьполностьюпоказатьплавныйпереходконтролирующей скорости от одной к другой стадии, а также наблюдать реакцию,довольно хорошо описываемую уравнением третьего порядка:r = k C2ацетальдегид CОН¯ (1.4).Показано, что кинетика альдольного присоединения малонового эфира кформальдегиду в водном растворе аналогична кинетике кетолизации ацетона [46](Рисунок 1.15).22OOO+HHOC2H5HOOC2H 5H2COC 2H5OC2H 5OOРисунок 1.15 – Схема реакции присоединения малонового эфира к формальдегидуРеакция не останавливается на первой стадии, и при проведении ее вфосфатных буферных растворах была установлена следующая закономерность:r = k Cальд CОН¯ Сэфир (1.5).Образование аниона малонового эфира протекает быстро, а присоединение –медленно.Изучена также кинетика конденсации бензальдегида с ацетофенолом вэтиловом спирте, катализируемой этилат-ионами [47].
При этом был выделенбензилиденацетофенол;предполагается,чтопроисходитпромежуточноеобразование кетона (Рисунок 1.16).OH3CH3C+NR2O-+H3CCH3+NR2CH2CH3CH3+OHOH2O+CH3HмедленноHOO++CCH3HE2(C+)CH3Рисунок 1.16 – Схема конденсации бензальдегида в присутствии этилат-ионов23Скорость реакции выражается следующим уравнением:r = k Cальд Скетол CС2Н5О¯ (1.6).Это означает, что образование аниона ацетофенола протекает быстро, а егоприсоединение или конечная дегидратация – медленно. Эти исследования былидополнены Патаи и другими исследователями.
Патаи, Израэли и Забицки [48-50]показали, что если кислотные функции слабокислого аддукта выражены вдостаточной степени, то в гидроксилсодержащем растворителе, например, в водеили этиловом спирте, он будет реагировать и без основного катализатора. В этомслучае будет достаточно основности растворителя. Так, нитрил малоновойкислоты будет присоединяться к бензальдегиду или его замещенным бездобавления основного катализатора. Реакция обратима: наличие катализатора неотражается на термодинамике процесса, и образующийся альдоль будетвзаимодействовать с растворителем и в отсутствие катализатора.
Порядок прямойреакции равен двум:r = k Cнитрил малонов.к-ты Cальд (1.7).Это уравнение соответствует реакции третьего порядка, протекающей вприсутствии основного катализатора, однако в нем отсутствует концентрациякатализатора. Это означает, что ионизация нитрила малоновой кислоты протекаетбыстро, а атака альдегида анионом – медленно. Кислотные свойства этиловогоэфира циануксусной кислоты выражены слабее, чем у нитрила малоновойкислоты, но они также проявляются в отсутствие катализатора. Однако в этомслучае, порядок реакции для этилового эфира циануксусной кислоты проявляеттенденцию к снижению с увеличением концентрации эфира.
С увеличением егоконцентрации скорость стадии присоединения начинает приближаться к скоростипредварительной ионизации, и, таким образом, общая скорость реакции начинает24изменяться от второй стадии механизма к первой. Амид циануксусной кислотыобладает еще более слабыми кислотными свойствами, и его присоединениепротекает в области переходного кинетического режима. Этиловый эфирмалоновой кислоты проявляет слабокислотные свойства и реагирует только вприсутствии основного катализатора.Патаи с сотрудниками показал, что дегидратация альдоля, сопровождающаяреакции присоединения, также обратима. Дегидратация в общем случаекатализируется как основаниями, так и кислотами, кроме того, в случаяхрассмотренных выше реакции дегидратации катализируются растворителями,обладающими либо кислотными, либо основными свойствами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
