Электрохимические технологии селективного окисления спиртов с применением каталитических систем на основе соединений ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидина тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Кашпарова Вера Павловна

• Кашпарова Вера Павловна
• доктор наук
• 2024

Оглавление диссертации доктор наук Кашпарова Вера Павловна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НИТРОКСИЛЬНЫХ РАДИКАЛОВ, ПРОСТРАНСТВЕННО-ЗАТРУДНЕННЫХ АМИНОВ И ^ГАЛОГЕНАМИНОВ РЯДА 2,2,6,6-ТЕТРАМЕТИЛПИПЕРИДИНА. НИТРОКСИЛЬНЫЕ РАДИКАЛЫ

ЭЛЕКТРОКАТАЛИЗАТОРЫ ОКИСЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

(Литературный обзор)

1.1 Электрохимические и химические свойства соединений ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидина

1.2 Нитроксильные радикалы как электрокатализаторы окисления органических соединений

ГЛАВА

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Реактивы, растворы и их подготовка

2.2 Методы исследования, оборудование и приборы

2.3 Препаративный электросинтез

ГЛАВА

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЗА, N ГА и НР РЯДА 2,2,6,6-ТЕТРАМЕТИЛПИПЕРИДИНА

3.1 Электрохимическое галогенирование пространственно-затрудненных аминов ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидина по атому азота

3.2 Электрохимическое окисление К-галогенаминов ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидина

3.3 Электроокисление пространственно-затрудненных аминов ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидина

ГЛАВА

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ КАРБОНИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И ПРОИЗВОДНЫХ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ С ПРИМЕНЕНИЕМ КАТАЛИТИЧЕСКИХСИСТЕМ НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЙ РЯДА 2,2,6,6-

ТЕТРАМЕТИЛПИПЕРИДИНА

4.1 Электроокисление спиртов до карбонильных соединений с применением каталитических систем на основе НР ряда 2,2,6,6-ТМП

4.2 Электрохимическое окисление спиртов с применением N- галогенаминов и пространственно-затрудненных аминов ряда 2,2,6,6- тетраметилпиперидина

4.3 Электрокаталитическое окисление 5-гидроксиметилфурфурола. Синтез 2,5-диформилфурана

4.4 Влияние пиридиновых оснований на электрокаталитическое окисление спиртов и соединений со смешанными функциями до карбонильных соединений

4.5 Влияние пиридиновых оснований на электрокаталитическую трансформацию спиртов в производные карбоновых кислот

4.6 Каталитическое окисление 5-ГМФ до 2,5-ДФФ и других спиртов до соответствующих карбонильных соединений и производных кислот системой Ь/4-

AcNH-TEMPO. Сравнение каталитического и электрокаталитического методов

ВЫВОДЫ К 4 ГЛАВЕ:

ГЛАВА

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ СПИРТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ КАТАЛИТИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ НИТРОКСИЛЬНЫХ РАДИКАЛОВ И N-ГАЛОГЕНАМИНОВ РЯДА 2,2,6,6-ТЕТРАМЕТИЛПИПЕРИДИНА

5.1.1 Технологическая схема электрохимического синтеза 2,5-диформилфурана селективным окислением 5-гидроксиметилфурфурла с применением каталитической системы 4-АсЫИ-ТЕМРО/К1/коллидин

5.1.2 Расчет себестоимости 2,5-диформилфурана, получаемого электрокаталитическим окислением 5-гидроксиметилфурфурола

5.1.3 Применение 2,5-диформилфурана в качестве ингибитора коррозии стали

5.1.4 Применение 2,5-диформилфурана в качестве добавки к электролитам никелирования и цинкования

5.2 Электрохимическая технология синтеза карбонильных соединений с применением каталитических систем на основе N-галогенаминов и пространственно-затрудненных аминов ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидина

5.2.1 Синтез карбонильных соединений электрохимическим окислением спиртов с применением каталитических систем на основе N-галогенаминов ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидина

5.2.2 Технологическая схема электрохимического синтеза октаналя селективным окислением 1-октанола с применением медиаторной системы ^бром-2,2,6,6-ТМП/KBr

5.2.3 Расчет себестоимости октаналя, получаемого электрокаталитическим

окислением 1-октанола

ГЛАВА

ПРИМЕНЕНИЕ АМИНОВ, К-ГАЛОГЕНАМИНОВ И НИТРОКСИЛЬНЫХ РАДИКАЛОВ РЯДА 2,2,6,6-ТЕТРАМЕТИЛПИПЕРИДИНА В

ЭЛЕКТРООРГАНИЧЕСКОМ СИНТЕЗЕ

(Методики электросинтеза)

6.1 Электрохимический синтез и свойства К-галогензамещенных соединений ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидина

6.2 Электрохимический синтез 2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксила

6.3 Непрямое электрохимическое окисление спиртов до карбонильных соединений с применением каталитических систем на основе нитроксильных радикалов и К-галогенпроизводных ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидина

6.3.1 Общая («базовая») методика непрямого электрохимического окисления первичных и вторичных спиртов до карбонильных соединений с применением системы нитроксильный радикал ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидина - йодид калия

6.3.2 Общая («базовая») методика непрямого электрохимического окисления первичных и вторичных спиртов до карбонильных соединений с применением каталитической системы нитроксильный радикал ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидина - йодид калия -пиридиновое основание

6.4 Непрямое электрохимическое окисление спиртов до карбонильных соединений с применением каталитических систем на основе К-галогенпроизводных ряда 2,2,6,6-

тетраметилпиперидина

6.4.1 Общая методика непрямого электрохимического окисления первичных и вторичных спиртов до карбонильных соединений с применением каталитической системы на основе Ы-галогенпроизводных ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидина

6.5 Непрямое электрохимическое окисление спиртов до симметричных сложных эфиров с применением каталитической системы на основе нитроксильных радикалов

ряда ТЕМРО, йодида калия и пиридина

6.5.1 Общая методика непрямого электрохимического окисления первичных спиртов до симметричных сложных эфиров с применением каталитической системы нитроксильный радикал ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидина-йодид калия-пиридин 294 6.6 Непрямое электрохимическое окисление спиртов до ангидридов карбоновых кислот с применением каталитической системы на основе нитроксильных радикалов ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидина-йодид калия-пиридиновое основание

5

6.6.1 Общая методика непрямого электрохимического окисления первичных спиртов до ангидридов соответствующих кислот с применением каталитической системы нитроксильный радикал ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидина-йодид калия-2,6-лутидин

6.7 Непрямое электрохимическое окисление спиртов до нитрилов с применением каталитической системы на основе нитроксильных радикалов ряда 2,2,6,6-

тетраметилпиперидина, йодида калия и коллидина (2,6-лутидина)

6.7.1 Общая методика непрямого электрохимического окисления первичных спиртов до нитрилов соответствующих кислот с применением каталитической системы нитроксильный радикал ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидина-йодид калия-коллидин

(2,6-лутидин)

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение 7 (1)

Приложение 7 (2)

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Современная цивилизация абсолютно немыслима без химической продукции малотоннажных производств. Главной целью этих производств является получение большого ассортимента продуктов дешевыми, наиболее простыми способами из доступного сырья. Данные производства стремятся к гибкости, так как постоянно существует потребность в необходимых лекарственных препаратах, красителях, душистых веществах, компонентах светочувствительных материалов, пищевых добавках и других микро- и малотоннажных химических продуктах. Для рынка этих продуктов характерно быстрое изменение потребности в конкретном веществе, и своевременная перестройка производства на выпуск новой продукции.

На сегодняшний день в химической отрасли страны, в частности в области экономичного и экологически безопасного электрохимического синтеза органических соединений отсутствуют отечественные технологии микро- и малотоннажного производства различных карбонильных соединений, однореакторного получения функциональных производных карбоновых кислот - сложных эфиров, ангидридов, амидов, нитрилов. Поэтому разработка новых научно-обоснованных технологических решений в области электрохимического синтеза органических соединений предопределяет успех и в разработке эффективных экологически и экономически приемлемых технологий микро- и малотоннажного электросинтеза.

Традиционные методы окисления спиртов до карбонильных соединений

и многостадийные превращения спиртов в функциональные производные

кислот выполняются в жестких условиях (токсичные реагенты, высокие

температуры, давление, металлсодержащие катализаторы, органические

растворители и др.), что не отвечает требованиям «зеленой» химии.

Электрохимические превращения спиртов можно проводить в более мягких

условиях (комнатная температура, водная или водно-органическая среда,

органокатализаторы и др.), кроме того, использование электрического тока

7

позволяет получить целевой продукт высокой чистоты, свести к минимуму использование труднодоступных, токсичных и/или опасных реагентов, исключить образование отходов или снизить их количество, тем самым уменьшить экологическую нагрузку на окружающую среду. Однако данная область превращений изучена недостаточно, особого внимания заслуживает селективное электроокислительное превращение спиртов в ценные продукты микро- и малотоннажной химии при участии органокаталитических систем, свободных от переходных металлов. В качестве альтернативы металлсодержащим катализаторам предлагается исследовать нитроксильные радикалы (НР) ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидина (2,2,6,6- ТМП) как стабильные, экологически безвредные органокатализаторы, которые могут быть извлечены из реакционной среды и многократно использованы, а также практически не изученные в этом качестве пространственно-затрудненные амины (ПЗА) и N-галогенамины (N-ГА) ряда 2,2,6,6-ТМП, как более дешевые и доступные предшественники НР, способные «in situ» превращаться в соответствующие НР.

В этой связи актуальным является установление фундаментальных закономерностей селективного электрохимического окислительного превращения спиртов в карбонильные соединения и функциональные производные кислот при участии органокатализаторов ряда 2,2,6,6-ТМП как альтернативы металлсодержащим катализаторам с целью разработки технологий электрохимического синтеза органических соединений для гибкого производства продуктов микро- и малотоннажной химии. Решение данной проблемы позволит разработать эффективные экологически и экономически приемлемые электрохимические технологии микро- и малотоннажного производства карбонильных соединений и функциональных производных карбоновых кислот.

Степень разработанности проблемы

Использование НР в качестве реагентов и катализаторов в процессах

окисления спиртов связаны с именами P.L. Anelli., C. Biffi, J.M. Bobbitt, В.Д.

8

Сень, В.А. Голyбевa, Pозaнцевa Э.Г. и др. Основы электрокaтaлитическиx синтезов с применением НР в конце XX были зaложены M.F. Semmelhack, C.S. Chou, D.A. Cortes, T. Inokuchi, P.A. Krasutsky, Ю.Н. Огибиным, М.Н. Элинсоном, Г.И. Никишиным, Е.Ш. Kaгaном и др. Некоторые из процессов в нaстоящее время используются в синтезе фaрмaцевтическиx препaрaтов, нaпример бетyлинового aльдегидa электроxимическим окислением бетyлинa с применением 2,2,6,6- тетрaметилпиперидин-1-оксилa (ТЕМРО). Несмотря та большой объём проводимыx в тастоящее время исследовaний по рaзрaботке оргaнокaтaлитическиx систем c использовaнием НР, в этой облaсти остaется много нерешенные проблем, тaкиx кaк использовaние тяжелыx метaллов в кaчестве сокaтaлизaторов для НР, селективность преврaщения чyвствительныx сyбстрaтов и соединений со смешaнными функциями. Прaктически отсутствуют экономичные и экологически приемлемые теxнологии электросинтезa вaжныx оргaническиx соединений, с применением простые yниверсaльныx или легко модифицирyемыx оргaнокaтaлитическиx систем, тaк нaзывaемыx «систем с yпрaвляемой селективностью», без использовaния тяжелые метaллов, токсичныx рaстворителей, дорогиx и/или мaлодостyпныx кaтaлизaторов. Этим требовaниям в большей мере отвечaют редокс-aктивные медтаторные системы нa основе НР рядa 2,2,6,6-ТМП. Tрaнсформaция оргaническиx соединений под действием тaкиx систем осуществляется при более низкж потенциaлax окисления, чем соответствующие стaндaртные потенциелы, в мягкиx yсловияx и при помощи кaтaлитического количествa редокс-aктивного соединения.

Цель исследования

Paзрaботкa мучные основ и теxнологий селективного электроxимического окисления спиртов в aльдегиды, кетоны и производные кaрбоновыx кислот при кaтaлизе соединениями рядв 2,2,6,6-тетрaметилпиперидинa для производствв микро- и мaлотоннaжной xимической продукции.

Задачи исследования

1. Исследовать производные ряда 2,2,6,6-ТМП (НР, ПЗА, №ГА) в качестве катализаторов/медиаторов электрохимического окисления (ЭХО) спиртов и сравнить их эффективность. Установить механизм взаимопревращения различных форм катализатора с целью выбора и оптимизации каталитической системы для эффективного и селективного ЭХО спиртов.

2. Исследовать роль пиридиновых оснований и галогенид-ионов как сокатализаторов при НР-опосредованном электроокислении спиртов, а также функциональных добавок (сильные электролиты, буферные системы, источники азота) на направленность, скорость и селективность непрямого ЭХО спиртов.

3. Изучить влияние технологических параметров (плотность тока, материал электрода, количество пропущенного электричества) на направленность, скорость и селективность непрямого ЭХО спиртов при участии каталитической системы НР/К1/пиридиновое основание.

4. С учетом полученных данных по влиянию пиридиновых оснований, функциональных добавок и параметров электролиза разработать универсальные медиаторные системы на основе НР и их предшественников (ПЗА, №ГА) и обосновать возможность их применения для селективного синтеза альдегидов, кетонов, сложных эфиров, нитрилов и ангидридов кислот.

5. Разработать технологии непрямого ЭХО спиртов в альдегиды, кетоны и производные карбоновых кислот при катализе производными 2,2,6,6-ТМП (НР, К-ГА, ПЗА), пригодные для масштабирования и адаптации к условиям микро- и малотоннажного производства.

Научная новизна результатов проведенных исследований

1. Разработаны научные основы селективного непрямого ЭХО спиртов в карбонильные соединения и функциональные производные карбоновых кислот при участии органокатализаторов ряда 2,2,6,6-ТМП,

которые положены в основу разработки электрохимических технологий производства микро- и малотоннажной химической продукции.

2. Впервые разработана универсальная электрокаталитическая система 4- АсМН- TEMPO/KI/пиридиновое основание с управляемой селективностью, позволяющая превращать спирты, в том числе содержащие различные функциональные группы, в альдегиды, кетоны, симметричные сложные эфиры, ангидриды или нитрилы.

3. Впервые определена ключевая роль пиридиновых оснований как сокатализаторов в системе 4-AcNH-TEMPO/KI в альтернативных путях непрямого ЭХО спиртов до карбонильных соединений (альдегиды, кетоны) либо производных карбоновых кислот (сложные эфиры, ангидриды, нитрилы), которая заключается в следующем:

- пиридиновые основания оказывают промотирующее действие, увеличивая скорость реакции окисления до 2 раз в зависимости от их структуры, в сравнении с системой без пиридинового основания;

- пиридиновые основания образуют H-связанные комплексы с катионами оксоаммония, генерированными в растворе электролита «in situ» из НР, и спиртами, различающиеся по энергии и структуре для незамещенных и замещенных пиридиновых оснований, что определяет их промотирующее и направляющее действие;

- пиридиновые основания образуют комплексы с различными формами йода (молекулярный йод, ион-иодония), электрогенерированными на аноде из иодид-аниона, различающиеся по устойчивости и реакционной способности, что определяет степень протекторного действия пиридиновых оснований.

4. Установлено, что для электрохимического превращения спиртов в альдегиды и кетоны, а также соединения со смешанными функциями 5- гидроксиметилфурфурола (5-ГМФ) в 2,5-диформилфуран (2,5-ДФФ) в условиях электрокаталитического окисления:

- система НР/К1 является более эффективной и селективной в сравнении с ранее исследованной системой НР/бромид калия, т.к. позволяет получать карбонильные соединения и 2,5- ДФФ с высокой селективностью и выходом;

- коллидин и 2,6-лутидин оказывают комплексное промотирующее и протекторное действие, одновременно увеличивая скорость окисления в 1,8-2 раза и повышая устойчивость 5-ГМФ и 2,5-ДФФ к действию йода за счет образования комплексов между 2,6-дизамещенным пиридиновым основанием и активными формами йода, что подтверждено данными ЦВА и спектральными исследованиями.

5. Доказано, что в результате электроокисления ПЗА и ^ГА ряда 2,2,6,6- ТМП превращаются в соответствующие НР. Предложен механизм электроокисления ПЗА и №ГА в НР и показано, что ПЗА и ^ГА ряда 2,2,6,6-ТМП как предшественники НР, можно использовать в качестве органокатализаторов в процессах непрямого ЭХО спиртов.

6. Предложен механизм превращения спиртов в карбонильные соединения под действием №ГА ряда 2,2,6,6-ТМП. Показано, что при использовании №ГА ряда 2,2,6,6-ТМП в качестве медиаторов, спирты селективно окисляются до соответствующих карбонильных соединений с выходом до 97 %.

Практическая значимость результатов исследований

1. Разработаны гибкие, легко перестраиваемые ресурсосберегающие электрохимические технологии получения альдегидов, кетонов и функциональных производных кислот (сложные эфиры, ангидриды, нитрилы) селективным окислением спиртов с применением каталитической системы 4-AcNH-TEMPO/KI с управляемой селективностью за счет введения сокатализаторов (пиридиновые основания) и функциональных добавок (источники азота, буферные системы).

2. Разработаны технологические рекомендации на производство

карбонильных соединений, представлена схема и утвержден технологический

регламент на получение 2,5-ДФФ электрохимическим окислением 5-ГМФ, с

12

использованием оптимизированной каталитической системы 4- МИДе- ТЕМРО/К1/коллидин:

- разработанный способ синтеза 2,5-ДФФ прошел экспертизу в ООО «Северо-Кавказский экспертный центр», эффективность его подтверждена и наработана опытная партия 2,5-ДФФ;

- разработанная технология апробирована в ООО «ОРГСИНТЕЗ» наработаны опытные партии альдегидов (октаналь, п-толуиловый альдегид);

- подтверждена перспективность применения 2,5-ДФФ в качестве ингибитора кислотной коррозии стали в ООО «ИНКОРМЕТ»;

- синтезированный 2,5-ДФФ внедрен в качестве блескообразующей добавки к электролитам никелирования в ОП «КСК МК Новочеркасск».

3. Разработана технология и технологическая схема на однореакторный способ электросинтеза альдегидов и кетонов из спиртов с применением каталитических систем на основе К-ГА ряда 2,2,6,6-ТМП.

4. Эффективность технологических приложений данной работы подтверждается патентами и актами внедрения результатов работы.

Важным преимуществом разработанных технологий является гибкость и эффективная «настраиваимость» на получение карбонильных соединений или различных функциональных производных карбоновых кислот, а также использование каталитических систем на основе коммерчески доступных соединений ряда 2,2,6,6-ТМП. Разработанные технологии являются перспективными для микро- и малотоннажной химии в производстве фармацевтических препаратов, средств защиты растений, аналитических реактивов и др.

Методология и методы диссертационного исследования

Методология проведенного исследования основывается на результатах

аналитического обзора опубликованных материалов отечественных и

зарубежных ученых по тематике исследования, выявлении закономерностей и

факторов, влияющих на процессы электрохимического окисления спиртов с

использованием каталитических систем на основе соединений ряда

13

2,2,6,6- ТМП. Информационную базу составляют монографические работы, материалы научно-технических конференций, объекты интеллектуальной собственности, статьи в периодических изданиях и научных сборниках по исследуемой проблеме.

В ходе выполнения исследований использованы комплексы современных физико-химических методов анализа (ИК-, УФ-, ЭПР-, ЯМР-спектроскопия, ГХ-МС и ВЭЖХ) и электрохимических методов экспериментального исследования (циклическая вольтамперометрия, потенциометрия), позволивших контролировать ход реакции, установить природу промежуточных и строение целевых продуктов, определить оптимальные технологические параметры изучаемых процессов непрямого ЭХО спиртов.

Степень достоверности результатов проведенных исследований

Достоверность полученных результатов и выводов диссертационной работы базируется на большом объеме экспериментальных исследований; согласованности с основными научными положениями, разработанными ведущими учеными в области электросинтеза и электрокатализа органических соединений, использовании для исследований современных физико-химических методов с применением поверенного сертифицированного оборудования, в том числе оборудования ЦКП «Нанотехнологии» ЮРГПУ (НПИ), НИИ «Нанотехнологии и новые материалы», НИИ органической и физической химии Казанского научного центра РАН, Южного федерального университета и высокой воспроизводимости экспериментальных данных в пределах заданной точности, а также широким обсуждением результатов исследований на научных конференциях различного уровня.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электрохимические технологии селективного окисления спиртов с применением каталитических систем на основе соединений ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидина»

Апробация работы

Результаты диссертационного исследования опубликованы в 61 научной

работе (общим объемом 29,12 п. л. и 0,113 Мб, вклад соискателя 16,35 п. л. и

0,065 Мб), из них работ, опубликованных в рецензируемых научных изданиях

из перечня Минобрнауки России - 4, отечественных изданиях, входящих в

14

международные реферативные базы данных и системы цитирования Scopus и Web of Science - 14, из них 1 - в журнале с индексом научного цитирования Q1, 13 - в журналах с индексом научного Q3; в изданиях, включенных в наукометрические базы данных Scopus и Web of Science - 2, из них 1 - в журнале с индексом научного цитирования Q1, 1 - в журнале с индексом научного цитирования Q2; патентов РФ - 7; монографий - 1; работ материалов всероссийских и международных конференций - 30.

Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на 30 всероссийских и международных конференциях, в том числе: Международная молодежная конференция «Катализ в органическом синтезе» (г. Новочеркасск, 2012 г.); IV Международная научно-техническая конференция «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии», (г. Плес, 2012 г.); VIII Научно-техническая конференция (с международным участием) «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии», (г. Плес, 2016 г.); Научная конференция грантодержателей РНФ «Фундаментальные химические исследования XXI-го века», (г. Москва, 2016 г.); XIX и XX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии «Фундаментальные проблемы химической науки», (г. Волгоград, 2011 г. и г. Екатеринбург, 2016 г.); IV Международная научно-практическая конференция молодых ученых «Актуальные проблемы теории и практики электрохимических процессов», (г. Энгельс, 2020 г.); Международный конгресс по катализу «Роскатализ IV», (г. Казань, 2021 г.); XIX и XX Всероссийское совещание (с международным участием) «Электрохимия органических соединений», (г. Новочеркасск, 2018 г., 2022 г.), Всероссийская конференция по электрохимии (с международным участием) «Электрохимия-2023», (г. Москва, 2023 г.).

Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации

Личный вклад состоит в непосредственном участии во всех этапах

диссертационного исследования: постановке задач, проведении

15

экспериментальных исследований, получении, интерпретации, систематизации результатов экспериментальных и теоретических исследований, подготовке основных публикаций по выполненной работе, апробации и внедрении разработанных способов в производство.

Лично получены следующие научные результаты:

1. Разработаны научно-технологические основы селективного непрямого ЭХО спиртов в карбонильные соединения и функциональные производные кислот при катализе соединениями ряда 2,2,6,6-ТМП (НР и N- ГА).

2. Разработана универсальная каталитическая система 4- ацетиламино- 2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил / иодид калия (4- AcNH- TEMPO/KI) с управляемой селективностью окисления спиртов, что использовано для разработки новой электрохимической технологии.

3. Установлены совокупности химических и электрохимических процессов, протекающих в условиях электрохимического окисления спиртов при участии каталитической системы 4-AcNH-TEMPO/KI и предложены принципы управления селективностью электрохимического окисления спиртов под действием этой каталитической системы с помощью сокатализаторов - пиридиновых оснований, а также функциональных добавок (источники азота, буферные системы, галогенид-ионы) и технологических параметров электролиза (плотность тока, количество пропущенного электричества, режим электролиза).

4. Определены оптимальные условия непрямого ЭХО спиртов в карбонильные соединения, а также соединения со смешанными функциями 5-ГМФ в 2,5-ДФФ с максимальной селективностью и выходом.

5. Доказана возможность использования N-ГА и ПЗА ряда 2,2,6,6-ТМП в качестве медиаторов в процессах селективного непрямого ЭХО спиртов до соответствующих карбонильных соединений (альдегидов, кетонов).

6. Предложены принципы управления селективностью непрямого ЭХО спиртов под действием медиаторных систем на основе ПЗА и №ГА ряда 2,2,6,6-ТМП с помощью функциональных добавок (буферные системы, сильные электролиты) и параметров электролиза (плотность тока, количество пропущенного электричества).

Обсуждение и обобщение полученных результатов, в том числе для их последующей публикации, проведено в конструктивном диалоге с научным консультантом работы д.т.н., профессором Жуковой И.Ю.

Плановый характер работы

Работа выполнена в соответствии с Приоритетным направлением развития науки, технологии и техники РФ (указ Президента РФ № 899 от 07.07.2011 г.) «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», научным направлением ЮРГПУ(НПИ) «Теоретические основы ресурсосберегающих химических технологий, создания перспективных материалов, способов преобразования энергии и защиты окружающей среды». Работа поддержана различными фондами и государственными программами в рамках проектов, выполненных при активном непосредственном участии соискателя (гранты РНФ № 14-23-00078; 16-13-10444; 21-13-00177; гранты Минобрнауки России: проект 2019-0990; проект FENN-2024-0002 №124040800037-1).

Основные положения, выносимые на защиту

1. Научные основы непрямого ЭХО спиртов с использованием каталитических систем на основе НР, ПЗА и №ГА ряда 2,2,6,6- ТМП.

2. Результаты исследования влияния пиридиновых оснований и галогенид-ионов как сокатализаторов при НР-опосредованном электроокислении спиртов, а также функциональных добавок (сильные электролиты, буферные системы, источники азота) на направление, скорость и селективность реакции электроокислительного превращения спиртов каталитической системой НР/Х- (где X- - галогенид-ион).

3. Принципы управления селективностью непрямого ЭХО спиртов при участии каталитической системы НР/К1 с помощью сокатализаторов -пиридиновых оснований, а также функциональных добавок (буферные системы, сильные электролиты, источники азота) и параметров электролиза (плотность тока, количество пропущенного электричества, режим электролиза).

4. Принципы управления селективностью непрямого ЭХО спиртов при участии каталитических систем на основе ПЗА и №ГА ряда 2,2,6,6- ТМП с помощью функциональных добавок (буферные системы, сильные электролиты) и параметров электролиза (плотность тока, количество пропущенного электричества).

5. Технологические основы электрохимического селективного окисления спиртов в альдегиды, кетоны и производные карбоновых кислот (сложные эфиры, ангидриды и нитрилы) с использованием каталитических систем на основе НР и N ГА ряда 2,2,6,6-ТМП.

6. Результаты опытно-промышленной апробации разработанных технологий и синтезированных веществ, в частности 2,5-ДФФ.

Структура и объём диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов и списка цитируемой литературы, состоящего из 430 наименований. Работа изложена на 440 машинописного текста, включает 42 рисунка, 41 схему, 48 таблиц и 8 приложений.

ГЛАВА 1

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НИТРОКСИЛЬНЫХ РАДИКАЛОВ, ПРОСТРАНСТВЕННО-ЗАТРУДНЕННЫХ АМИНОВ И ^ГАЛОГЕНАМИНОВ РЯДА 2,2,6,6-ТЕТРАМЕТИЛПИПЕРИДИНА.

НИТРОКСИЛЬНЫЕ РАДИКАЛЫ - ЭЛЕКТРОКАТАЛИЗАТОРЫ ОКИСЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ (Литературный обзор) Диссертационное исследование посвящено разработке электрохимических технологий селективного окисления спиртов с использованием нитроксильных радикалов (НР), пространственно-затрудненных аминов (ПЗА) и ^галогенаминов (Ы-ГА) ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидина (2,2,6,6-ТМП) в качестве катализаторов и/или медиаторов. А также разработке рекомендаций по использованию разработанных технологий для получения важных полупродуктов органического синтеза: альдегидов, кетонов, сложных эфиров, ангидридов и нитрилов для фармацевтической промышленности и производства мономеров и полимерных материалов.

Достаточно давно НР находят широкое применение в качестве реагентов и/или катализаторов в различных процессах, в том числе окисления спиртов, и области использования НР постоянно расширяются [1-4].

ПЗА ряда 2,2,6,6-ТМП являются структурными предшественниками соответствующих НР [5-8], их используют в качестве акцепторов катионов водорода [9], стабилизаторов полимеров против фотодеструкции [10-14], поглотителей СО2 с целью преодоления парникового эффекта [15, 16]. Известно использование Ы-ГА ряда 2,2,6,6-ТМП в качестве регенерируемых галогенирующих и дегидрирующих агентов [17].

Большой интерес представляют электрохимические и электрокаталитические свойств НР, ПЗА и Ы-ГА ряда 2,2,6,6-ТМП и их использование в процессах окислительной трансформации органических

соединений, прежде всего спиртов и соединений со смешанными функциями.

19

Синтетическая органическая электрохимия в настоящее время переживает бурное возрождение [18-22], именно электрохимические методы органического синтеза относят к методам «зеленой химии», так как в этом случае электрический ток выступает либо в качестве непосредственного окислителя, либо с его помощью запускаются каталитические циклы окисления, в которых используются минимальные количества посредников -медиаторов.

Поэтому в настоящем литературном обзоре освещены работы по химии и электрохимии НР, ПЗА и N-ГА, опубликованные за последние 5-10 лет. Работы более раннего периода привлечены для сравнительного анализа и описания окислительно-восстановительных (ОВ) и каталитических свойств, а также областей применения этих соединений.

1.1 Электрохимические и химические свойства соединений ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидина

1.1.1 Электрохимия нитроксильныхрадикалов

Синтезу, изучению свойств и областей применения НР посвящено большое количество научных публикаций, в том числе обзоров и монографий [2, 23-35].

НР представляют собой универсальный класс органических реагентов с

уникальными свойствами и реакционной способностью. Разнообразный

химический состав и свойства этих соединений позволили использовать НР в

различных областях, начиная от применения в качестве спиновых меток и

зондов в исследованиях электронного спинового резонанса (ESR) [8], в

биологических исследованиях [36-38], в реакциях полимеризации [39], в

качестве носителей заряда для накопления энергии [40-45], медиаторов и

катализаторов в реакциях химического и электрохимического окисления [1, 4,

33, 35, 46, 47], ингибиторов свето- и термодеструкции полимеров [2, 48].

Наиболее известны стабильные нитроксильные радикалы ряда

2,2,6,6-тетраметилпиперидина - TEMPO (2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-

20

оксил) и его производные (Схема 1.1), которые обладают ценными окислительно-восстановительными (ОВ) свойствами [33, 46, 47].

В этом обзоре будут рассмотрены главным образом электрохимические и электрокаталитические свойства, а также синтетические применения НР ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидина, в сравнении с НР других рядов (фталимид-Ы-оксил (PINO) и 9-азабицикло[3.3.1]нонан-Ы-оксил (ABNO)).

В последние 10-15 лет особенно интенсивно, изучается возможность применения НР различных типов в каталитических реакциях окисления органических соединений [33, 46, 47, 49-52]. Успех такого использования НР зависит от их ОВ свойств. Выбор НР в качестве медиаторов переноса электронов зачастую осуществляется на основе количественной оценки ОВ свойств. Установлено, что стабильные НР (1) подвергаются обратимому одноэлектронному (1e-) окислению до соответствующих оксоаммониевых катионов (ОК) (2), которые являются достаточно сильными окислителями (0,7-0,8 В отн. н.в.э.) [2, 33, 46, 53] (Схема 1.1). НР также могут подвергаться квазиобратимому восстановлению (1e-; 1H+) до соответствующих гидроксиламинов (ГА) (3). Это, с одной стороны, позволяет провести количественную оценку их ОВ свойств, а с другой, использовать их в качестве медиаторов ЭХО органических соединений [33, 46], а также в органических устройствах накопления энергии [40-45], для анализа и мониторинга химических реакций [54, 55].

-е, Н+ R\ ^R -е R\©/R N - " N " N

| +е,+Н+ | +е~

ОН о. О

(3) (1) (2)

Схема 1.1 - Упрощенная схема, характеризующая окислительно-восстановительные свойства нитроксильных радикалов

Краткая характеристика важнейших классов N-оксильных соединений

Наиболее популярными классами N-оксильных соединений являются нитроксильные и имидоксильные соединения, из которых самыми известными являются TEMPO и фталимид-Ы-оксил (PINO) (Схема 1.2). Известно, что НР ряда TEMPO являются устойчивыми в обычных условиях, в то время как PINO образуется при окислении стабильного предшественника - N-гидроксифталимида (NHPI). В последнее время популярными становятся НР ряда 9-азабицикло[3.3.1]нонана (ABNO) (Схема 1.2) [33].

О

TEMPO PINO ABNO

Схема 1.2 - Структуры TEMPO, PINO и ABNO

Первые сообщения о стабильных органических НР появились в начале 20-го века [56]. Однако их строение смогли уточнить только в 60-х годах прошлого столетия [57, 58], и в течение последующих 50-ти лет эти уникальные соединения стали универсальными реагентами, медиаторами и катализаторами, которые продолжают привлекать внимание широкого круга исследователей. НР характеризуются общей структурой R2N-O^ (R = органический радикал). Стабильность НР увеличивается, когда в а-положении к N-оксильной функциональной группе замещены все водороды или она включена в состав би- или полициклического каркаса. Эти структурные особенности предотвращают диспропорционирование НР в соответствующий нитрон и гидроксиламин (Схема 1.3) [59]. Типичными стабильными НР являются TEMPO и ABNO (Схема 1.2). Необычная стабильность, характерная

для этих НР, лежит в основе интенсивных исследований их реакционной способности и различных областей применения.

о ОН О

• —

Схема 1.3 - Диспропорционирование НР, содержащих протоны при а-углеродных атомах [59]

Оксоаммониевый катион (2) (Схема 1.1), который может быть выделен в виде стабильной оксоаммониевой соли (ОС), служит 2е--ным окислителем в различных реакциях органического синтеза. В 1965 году Голубев и сотрудники исследовали различные реакции ОС и наблюдали первое стехиометрическое окисление спиртов до альдегидов или кетонов под действием ОС [60]. Так как НР являются прекурсорами (предшественниками) ОС, то НР стали применять в реакциях окисления в качестве катализаторов. В этих каталитических методах ОК генерируются стехиометрическим (или несколько большим - 1,52 эквивалента) количеством первичного окислителя [61], например таким, как КаОС1, [62] бром, [63] КОх / О2, [64] Охопе [65] или соединения гипервалентного йода [66]. Этот подход успешно используется для превращения спиртов в соответствующие карбонильные соединения (Схема 1.4) [1, 2, 4, 30, 61, 67]. Некоторые методы, например, способ Анелли-Монтанари, применяются в реакциях окисления спиртов в промышленном масштабе [46, 62, 68, 69]. ОК (2) также может быть получен путем электрохимического окисления НР или ГА, эти реакции также будут рассмотрены в этом обзоре.

I

он

Схема 1.4 - Окисление спиртов с применением НР как медиаторов [30]

Имидоксильные радикалы (ИР) являются другим достаточно известным классом N-оксильных соединений. Они имеют карбонильные группы в а-положениях по отношению к N-оксильной функциональной группе. PINO является самым известным представителем этого класса ИР ^хема 1.2). В отличие от стабильных НР, таких как TEMPO и ABNO, ИР не могут быть выделены в чистом виде при комнатной температуре и обычно получаются в результате окисления in situ соответствующих N-гидроксиимидов ^хема 1.5). Установлено, что ИР являются эффективными окислителями и осуществляют перенос атома водорода от групп С-Н в аллильных и ароматических спиртах [70-73]. Вследствие этого ИР могут подобно TEMPO и ABNO использоваться в каталитических процессах окисления органических соединений. Однако, прочность связи O-H в TEMPOH меньше на ~17 ккал-моль-1, чем в NHPI (-88 ккал моль-1 для NHPI и ~69-71 ккал-моль-1 для TEMPOH) [74, 75]. Это отражается в разной реакционной способности НР и ИР. Более высокая прочность связи O-H в N-гидроксиимидах объясняется внутримолекулярной водородной связью и резонансной стабилизацией гидроксиламина с п-системой а-карбонила [74].

о

н

N-O

- е

IÍH

О \ •

N-O

+ е,+ Н

О О

NHPI PINO

Схема 1.5 - Реакция превращения N-гидроксифталимида (NHPI) в PINO

[73, 74]

Grochowski и сотрудники [76] в 1977 году впервые описали применение PINO в качестве катализатора в реакции взаимодействия простых эфиров с аза-бис-диэтилкарбоксилатом. Работы Masui в 80-х годах прошлого века показали возможность получения PINO из NHPI с использованием электрохимических методов [77-79]. Последующие исследования показали, что сокатализаторы на основе соединений Co (II) и Mn (II), повышают эффективность аэробного окисления, катализируемого NHPI [80, 81].

а)

б)

©

Медиатору

Медиатор вос

Субстрат

ВОС.

Субстрат

ок.

©

-Субстрат

ок.

-Субстрат

вос.

Схема 1.6 - Опосредованное (а) и прямое (б) электроокисление органических субстратов на поверхности анода [82]

Электрохимическое окисление НР ряда TEMPO и ABNO до оксоаммониевых соединений и N-гидроксиимидов до имидоксильных соединений является основой для опосредованных электрохимических процессов селективного окисления органических субстратов (Схема 1.6, а) [82]. В этом случае НР или ИР выступает в роли медиатора, который подвергается переносу электронов на поверхности электрода и затем

диффундирует от поверхности электрода в электролит, где вступает в окислительно-восстановительную реакцию (ОВР) с органическим субстратом. Медиаторы достаточно широко используются в электроорганическом синтезе, что является прекрасным дополнением или даже альтернативой методам прямого электролиза (Схема 1.6, б), в которых органический субстрат подвергается прямому переносу электронов на поверхности электрода. Во многих случаях методы непрямого электролиза даже более привлекательны с экономической точки зрения, чем прямое электроокисление органических молекул. В ряде обзоров рассматриваются теория, применение и преимущества опосредованного электролиза [82-84]. Более подробно эта тема будет освещена в разделе «Применение каталитических и медиаторных систем в органическом электросинтезе». Вследствие большей привлекательности в качестве медиаторов непрямого электролиза НР ряда ТЕМРО более подробно рассмотрим их такую важную характеристику, как электрохимические ОВ свойства.

Электрохимические свойства нитроксильных радикалов ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидина

Исследования электрохимического поведения TEMPO и его производных были предприняты несколькими группами специалистов в области органической электрохимии [53, 84-90].

Первые работы по изучению TEMPO с помощью метода циклической вольтамперометрии (ЦВА) были осуществлены в 1973 году Tamura с сотрудниками (Рисунок 1.1) [85]. Эти измерения первоначально проводились в безводной среде в присутствии специальных электропроводящих добавок, таких как тетрафторборат тетраэтиламмония или перхлорат лития. Циклическая вольтамперограмма (ЦВА) TEMPO содержит анодный пик, соответствующий окислению TEMPO до ОК (TEMPO+), и катодный пик, соответствующий восстановлению ОК до TEMPO (Рисунок 1.1, a). Отношение величин катодного и анодного пиковых токов, близкое к единице (Ipa/Ipc= 0,981,01, независимо от скорости сканирования), и разность между значениями величин потенциалов этих пиков (AE=Epa - Epc), равная ~60 мВ [91] (в [53] приводится значение 72 мВ) удовлетворяет критериям для процесса

26

обратимого переноса электрона. ЭПР-исследования и кулонометрические измерения подтвердили, что анодное окисление TEMPO (проводимое при контролируемом потенциале) до ОК представляет собой одноэлектронный процесс. Подобно TEMPO, другие алициклические НР, такие как 4-амино-TEMPO [53], также показали обратимое ОВ поведение. В отличие от НР ряда TEMPO на ЦВА-кривой ди-трет-бутилнитроксида (DTBO), который представляет собой НР с открытой цепью, катодный пик не наблюдается, что свидетельствует о химически необратимой реакции или разложении DTBO+. Исчезновение обратного пика на ЦВА-кривой в результате химической реакции отличается от необратимого переноса электрона и классифицируется как связанная ЕС-реакция [85].

(а) (б)

Рисунок 1.1 - ЦВА 5 мМ раствора соответствующего радикала и 0,5 М LiClO4 в ацетонитриле (CH3CN): (a) TEMPO и (б) DTBO на платиновом электроде, скорость развертки потенциала 92 мВ с-1 [85]

Большой интерес, с точки зрения последующего применения НР, представляет исследование ОВ-свойств TEMPO и его производных в водных растворах. Такие работы были проведены Malinski и сотрудниками, начиная с 1988 г [86, 92]. Позже эти исследования были продолжены другими учеными, что объяснялось уже не только интересом к взаимодействию НР и ОК с

биомолекулами и биомембранами, но и поиском новых практических областей применения НР [86-88].

В нейтральной среде потенциал, при котором наблюдается обратимое одноэлектронное окисление TEMPO равен 0,5 В (отн. SCE (Pt| Hg|Hg2Cl21 Cl-)) (Рисунок1.2, a) [86]. Продукт электроокисления TEMPO был подвергнут мониторингу in situ методом электронной спектроскопии (Рисунок1.2, b, с). После электрохимической генерации ОК из TEMPO, никаких изменений спектра не произошло в течение 3 часов. После приложения потенциала +0,45 В к раствору ОК был получен исходный спектр TEMPO. Наблюдаемая здесь химическая стабильность ОК и химическая обратимость процесса переноса электронов TEMPO/TEMPO+ дополняют электрохимическую и химическую обратимость, наблюдаемую ранее Tamura [85].

Рисунок 1.2 - (а) ЦВА-кривая окисления TEMPO, показывающая образование TEMPOH и электронные спектры поглощения TEMPO, зарегистрированные в процессе: (б) электроокисления и (в) электровосстановления [85]

Также было изучено электрохимическое восстановление TEMPO до соответствующего ГА (3) (Схема 1.1 (ГА=ТЕМРОН)) при - 0,62 В относительно НКЭ (-0,38 В отн. НВЭ) [86]. Установлено, что восстановление TEMPO до ГА необратимо, и при обратном сканировании не наблюдался анодный пик окисления TEMPOH до TEMPO (Рисунок 1.2, a). Электровосстановление TEMPO до TEMPOH привело к значительным спектральным изменениям (Рисунок 1.2, с). Однако окисление TEMPOH до TEMPO при потенциале +0,35 В отн. НКЭ не происходило. Это «необратимое» поведение было объяснено Kato и сотрудниками как результат медленного переноса электрона для протон-связанной пары ТЕМРОН/ТЕМРО^ [93]. Дальнейшие ЦВА исследования показали, что при окислении TEMPOH до TEMPO анодный пик появляется при потенциалах, более положительных, чем пик, связанный с окислительно-восстановительной парой TEMPO/TEMPO+ (Рисунок 1.3), данные приведены для 4-гидрокси-ТЕМРО (4-ОН-ТЕМРО); аналогичные результаты были получены для самого TEMPO и других его производных, это отражает «квазиобратимое» поведение с очень большим разделением анодного и катодного пиков [93].

ч

- 4-ОН-ТЕМРО 4-ОН-ТЕМРО 1

- 8 /

- 4-ОН-ТЕМРОН-^— - 4-ОН-ТЕМРО \\

- 4-ОН-ТЕМРО / \ - 4-ОН-ТЕМРО"

- 1 ь / —^ -

_ S __У f

-

• \ ■ 4-ОН-ТЕМРО -\J 4-ОН-ТЕМРО"

1 __1 1_ 1 1 1 1-1_1_1_' ■ i

-1 О |

Потенциал, В отн. Н§, Н§2С12/С1-

Рисунок 1.3 - ЦВА 4-ОН-ТЕМРО (2,40 мМ) с (а) катодной и анодной разверткой потенциала и (Ь) анодной разверткой, начинающейся при 0,2 В (исследования проводили в буфере при рН 4,3) [93]

В работе Hickey D.P., Sigman M.S., Minteer S.D. также на примере 4-гидрокси-ТЕМРО была исследована зависимость потенциала анодного пика окислительно-восстановительной пары TEMPOH/TEMPO (Ea2) от pH и его положение относительно потенциала анодного пика пары TEMPO/TEMPO+ (Ea1) (Рисунок 1.4) [94]. Показано, что при изменении рН среды наблюдается сдвиг потенциала Ea2 относительно потенциала Ea1 от более положительного значения при низком значении pH (pH 2,5) до значения меньшего, чем для пары TEMPO/TEMPO+ при высоком значении pH (pH 10).

Рисунок 1.4 - (а) ЦВА 4-ОН-ТЕМРО с выделением потенциалов анодных пиков Еа1 и Еа2, (б) Сравнение потенциалов окисления редокс-пары ТЕМРО/ТЕМРО+ (незакрашенные кружки) и ТЕМРО/ТЕМРОН (черные кружки) при различных рН [94].

Основность TEMPOH (склонность к протонированию с образованием TEMPOH2+) приводит к диспропорционированию TEMPO в кислой среде (Схема 1.7) [95]. ЦВА исследования часто выявляют волну окисления TEMPOH2+ в TEMPO+ при потенциалах, превышающих потенциал для пары TEMPO/TEMPO+ (см. Рисунки 1.4 и 1.5, a). Это указывает на то, что в кислой среде превращение TEMPO в соль гидроксиламина (TEMPOH2+) и ОК происходит медленно в исследуемом с помощью ЦВА интервале потенциалов. Это кинетическое поведение подтверждается данными диаграммы Пурбе для пары TEMPO/TEMPO+ при pH <3. Эти данные показывают, что в кислой среде (рН< 3) TEMPO является нестабильным и диспропорционирует с образованием TEMPOH2+ и ОК [96].

70 рА

рН 10.2

-800 -400 0 400 600 1200

б) Потенциал отн. Ag/Ag+ (мВ)

со

рн

Рисунок 1.5 - (а) ЦВА 4-OH-TEMPO (4,6 мМ) в водном фосфатном буфере (добавлены метки для редокс-пар 4-OH-TEMPOH/4-OH-TEMPO (красные звездочки) и 4-OH-TEMPO/4-OH-TEMPO+ (черные треугольники)); Скорость развертки потенциала 100 мВ-с"1; (b) Изменение E1/2 в зависимости от pH для TEMPO (4,6 мМ) в водном фосфатном буфере [96]

Схема 1.7 - Диспропорционирование TEMPO до TEMPOH2+/TEMPO+ в кислой среде [88].

Kishioka с сотрудниками изучали диспропорционирование TEMPO в кислой среде в органическом растворителе [88]. Проведенные ЦВА исследования показали, что при добавлении кислоты практически половина (50 %) TEMPO превращается в TEMPO+ ^хема 1.7). Добавление органического основания (2,6-лутидин) к раствору TEMPOH2+/TEMPO+, полученному в результате диспропорционирования TEMPO, привело к регенерации последнего. Титрование TEMPO пара-толуолсульфокислотой (p-TSA) показало, что 2 H+ расходуется на каждую молекулу TEMPO, это подтверждает образование TEMPOH2+ в кислой среде (рН < 3) (Рисунок 1.6). В работе Sen V.D. и Golubev V.A. также рассматривается кинетика и механизм кислотно-катализируемой реакции диспропорционирования TEMPO [97].

Рисунок 1.6 - Кривые титрования пара-толуолсульфокислотой: величины предельных токов для TEMPO/TEMPO+ (сплошные кружки - концентрация TEMPO и незакрашенные кружки - TEMPO+) в зависимости от концентрации пара-толуолсульфокислоты. Эксперименты проведены в CH3CN, содержащем 0,2 М NaClO4 [88]

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Кашпарова Вера Павловна, 2024 год

• —

Схема 1.3 - Диспропорционирование НР, содержащих протоны при а-углеродных атомах [59]

Оксоаммониевый катион (2) (Схема 1.1), который может быть выделен в виде стабильной оксоаммониевой соли (ОС), служит 2е--ным окислителем в различных реакциях органического синтеза. В 1965 году Голубев и сотрудники исследовали различные реакции ОС и наблюдали первое стехиометрическое окисление спиртов до альдегидов или кетонов под действием ОС [60]. Так как НР являются прекурсорами (предшественниками) ОС, то НР стали применять в реакциях окисления в качестве катализаторов. В этих каталитических методах ОК генерируются стехиометрическим (или несколько большим - 1,52 эквивалента) количеством первичного окислителя [61], например таким, как КаОС1, [62] бром, [63] КОх / О2, [64] Охопе [65] или соединения гипервалентного йода [66]. Этот подход успешно используется для превращения спиртов в соответствующие карбонильные соединения (Схема 1.4) [1, 2, 4, 30, 61, 67]. Некоторые методы, например, способ Анелли-Монтанари, применяются в реакциях окисления спиртов в промышленном масштабе [46, 62, 68, 69]. ОК (2) также может быть получен путем электрохимического окисления НР или ГА, эти реакции также будут рассмотрены в этом обзоре.

I

он

Схема 1.4 - Окисление спиртов с применением НР как медиаторов [30]

Имидоксильные радикалы (ИР) являются другим достаточно известным классом N-оксильных соединений. Они имеют карбонильные группы в а-положениях по отношению к N-оксильной функциональной группе. PINO является самым известным представителем этого класса ИР ^хема 1.2). В отличие от стабильных НР, таких как TEMPO и ABNO, ИР не могут быть выделены в чистом виде при комнатной температуре и обычно получаются в результате окисления in situ соответствующих N-гидроксиимидов ^хема 1.5). Установлено, что ИР являются эффективными окислителями и осуществляют перенос атома водорода от групп С-Н в аллильных и ароматических спиртах [70-73]. Вследствие этого ИР могут подобно TEMPO и ABNO использоваться в каталитических процессах окисления органических соединений. Однако, прочность связи O-H в TEMPOH меньше на ~17 ккал-моль-1, чем в NHPI (-88 ккал моль-1 для NHPI и ~69-71 ккал-моль-1 для TEMPOH) [74, 75]. Это отражается в разной реакционной способности НР и ИР. Более высокая прочность связи O-H в N-гидроксиимидах объясняется внутримолекулярной водородной связью и резонансной стабилизацией гидроксиламина с п-системой а-карбонила [74].

о

н

N-O

- е

IÍH

О \ •

N-O

+ е,+ Н

О О

NHPI PINO

Схема 1.5 - Реакция превращения N-гидроксифталимида (NHPI) в PINO

[73, 74]

Grochowski и сотрудники [76] в 1977 году впервые описали применение PINO в качестве катализатора в реакции взаимодействия простых эфиров с аза-бис-диэтилкарбоксилатом. Работы Masui в 80-х годах прошлого века показали возможность получения PINO из NHPI с использованием электрохимических методов [77-79]. Последующие исследования показали, что сокатализаторы на основе соединений Co (II) и Mn (II), повышают эффективность аэробного окисления, катализируемого NHPI [80, 81].

а)

б)

©

Медиатору

Медиатор вос

Субстрат

ВОС.

Субстрат

ок.

©

-Субстрат

ок.

-Субстрат

вос.

Схема 1.6 - Опосредованное (а) и прямое (б) электроокисление органических субстратов на поверхности анода [82]

Электрохимическое окисление НР ряда TEMPO и ABNO до оксоаммониевых соединений и N-гидроксиимидов до имидоксильных соединений является основой для опосредованных электрохимических процессов селективного окисления органических субстратов (Схема 1.6, а) [82]. В этом случае НР или ИР выступает в роли медиатора, который подвергается переносу электронов на поверхности электрода и затем

диффундирует от поверхности электрода в электролит, где вступает в окислительно-восстановительную реакцию (ОВР) с органическим субстратом. Медиаторы достаточно широко используются в электроорганическом синтезе, что является прекрасным дополнением или даже альтернативой методам прямого электролиза (Схема 1.6, б), в которых органический субстрат подвергается прямому переносу электронов на поверхности электрода. Во многих случаях методы непрямого электролиза даже более привлекательны с экономической точки зрения, чем прямое электроокисление органических молекул. В ряде обзоров рассматриваются теория, применение и преимущества опосредованного электролиза [82-84]. Более подробно эта тема будет освещена в разделе «Применение каталитических и медиаторных систем в органическом электросинтезе». Вследствие большей привлекательности в качестве медиаторов непрямого электролиза НР ряда ТЕМРО более подробно рассмотрим их такую важную характеристику, как электрохимические ОВ свойства.

Электрохимические свойства нитроксильных радикалов ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидина

Исследования электрохимического поведения TEMPO и его производных были предприняты несколькими группами специалистов в области органической электрохимии [53, 84-90].

Первые работы по изучению TEMPO с помощью метода циклической вольтамперометрии (ЦВА) были осуществлены в 1973 году Tamura с сотрудниками (Рисунок 1.1) [85]. Эти измерения первоначально проводились в безводной среде в присутствии специальных электропроводящих добавок, таких как тетрафторборат тетраэтиламмония или перхлорат лития. Циклическая вольтамперограмма (ЦВА) TEMPO содержит анодный пик, соответствующий окислению TEMPO до ОК (TEMPO+), и катодный пик, соответствующий восстановлению ОК до TEMPO (Рисунок 1.1, a). Отношение величин катодного и анодного пиковых токов, близкое к единице (Ipa/Ipc= 0,981,01, независимо от скорости сканирования), и разность между значениями величин потенциалов этих пиков (AE=Epa - Epc), равная ~60 мВ [91] (в [53] приводится значение 72 мВ) удовлетворяет критериям для процесса

26

обратимого переноса электрона. ЭПР-исследования и кулонометрические измерения подтвердили, что анодное окисление TEMPO (проводимое при контролируемом потенциале) до ОК представляет собой одноэлектронный процесс. Подобно TEMPO, другие алициклические НР, такие как 4-амино-TEMPO [53], также показали обратимое ОВ поведение. В отличие от НР ряда TEMPO на ЦВА-кривой ди-трет-бутилнитроксида (DTBO), который представляет собой НР с открытой цепью, катодный пик не наблюдается, что свидетельствует о химически необратимой реакции или разложении DTBO+. Исчезновение обратного пика на ЦВА-кривой в результате химической реакции отличается от необратимого переноса электрона и классифицируется как связанная ЕС-реакция [85].

(а) (б)

Рисунок 1.1 - ЦВА 5 мМ раствора соответствующего радикала и 0,5 М LiClO4 в ацетонитриле (CH3CN): (a) TEMPO и (б) DTBO на платиновом электроде, скорость развертки потенциала 92 мВ с-1 [85]

Большой интерес, с точки зрения последующего применения НР, представляет исследование ОВ-свойств TEMPO и его производных в водных растворах. Такие работы были проведены Malinski и сотрудниками, начиная с 1988 г [86, 92]. Позже эти исследования были продолжены другими учеными, что объяснялось уже не только интересом к взаимодействию НР и ОК с

биомолекулами и биомембранами, но и поиском новых практических областей применения НР [86-88].

В нейтральной среде потенциал, при котором наблюдается обратимое одноэлектронное окисление TEMPO равен 0,5 В (отн. SCE (Pt| Hg|Hg2Cl21 Cl-)) (Рисунок1.2, a) [86]. Продукт электроокисления TEMPO был подвергнут мониторингу in situ методом электронной спектроскопии (Рисунок1.2, b, с). После электрохимической генерации ОК из TEMPO, никаких изменений спектра не произошло в течение 3 часов. После приложения потенциала +0,45 В к раствору ОК был получен исходный спектр TEMPO. Наблюдаемая здесь химическая стабильность ОК и химическая обратимость процесса переноса электронов TEMPO/TEMPO+ дополняют электрохимическую и химическую обратимость, наблюдаемую ранее Tamura [85].

Рисунок 1.2 - (а) ЦВА-кривая окисления TEMPO, показывающая образование TEMPOH и электронные спектры поглощения TEMPO, зарегистрированные в процессе: (б) электроокисления и (в) электровосстановления [85]

Также было изучено электрохимическое восстановление TEMPO до соответствующего ГА (3) (Схема 1.1 (ГА=ТЕМРОН)) при - 0,62 В относительно НКЭ (-0,38 В отн. НВЭ) [86]. Установлено, что восстановление TEMPO до ГА необратимо, и при обратном сканировании не наблюдался анодный пик окисления TEMPOH до TEMPO (Рисунок 1.2, a). Электровосстановление TEMPO до TEMPOH привело к значительным спектральным изменениям (Рисунок 1.2, с). Однако окисление TEMPOH до TEMPO при потенциале +0,35 В отн. НКЭ не происходило. Это «необратимое» поведение было объяснено Kato и сотрудниками как результат медленного переноса электрона для протон-связанной пары ТЕМРОН/ТЕМРО^ [93]. Дальнейшие ЦВА исследования показали, что при окислении TEMPOH до TEMPO анодный пик появляется при потенциалах, более положительных, чем пик, связанный с окислительно-восстановительной парой TEMPO/TEMPO+ (Рисунок 1.3), данные приведены для 4-гидрокси-ТЕМРО (4-ОН-ТЕМРО); аналогичные результаты были получены для самого TEMPO и других его производных, это отражает «квазиобратимое» поведение с очень большим разделением анодного и катодного пиков [93].

ч

- 4-ОН-ТЕМРО 4-ОН-ТЕМРО 1

- 8 /

- 4-ОН-ТЕМРОН-^— - 4-ОН-ТЕМРО \\

- 4-ОН-ТЕМРО / \ - 4-ОН-ТЕМРО"

- 1 ь / —^ -

_ S __У f

-

• \ ■ 4-ОН-ТЕМРО -\J 4-ОН-ТЕМРО"

1 __1 1_ 1 1 1 1-1_1_1_' ■ i

-1 О |

Потенциал, В отн. Н§, Н§2С12/С1-

Рисунок 1.3 - ЦВА 4-ОН-ТЕМРО (2,40 мМ) с (а) катодной и анодной разверткой потенциала и (Ь) анодной разверткой, начинающейся при 0,2 В (исследования проводили в буфере при рН 4,3) [93]

В работе Hickey D.P., Sigman M.S., Minteer S.D. также на примере 4-гидрокси-ТЕМРО была исследована зависимость потенциала анодного пика окислительно-восстановительной пары TEMPOH/TEMPO (Ea2) от pH и его положение относительно потенциала анодного пика пары TEMPO/TEMPO+ (Ea1) (Рисунок 1.4) [94]. Показано, что при изменении рН среды наблюдается сдвиг потенциала Ea2 относительно потенциала Ea1 от более положительного значения при низком значении pH (pH 2,5) до значения меньшего, чем для пары TEMPO/TEMPO+ при высоком значении pH (pH 10).

Рисунок 1.4 - (а) ЦВА 4-ОН-ТЕМРО с выделением потенциалов анодных пиков Еа1 и Еа2, (б) Сравнение потенциалов окисления редокс-пары ТЕМРО/ТЕМРО+ (незакрашенные кружки) и ТЕМРО/ТЕМРОН (черные кружки) при различных рН [94].

Основность TEMPOH (склонность к протонированию с образованием TEMPOH2+) приводит к диспропорционированию TEMPO в кислой среде (Схема 1.7) [95]. ЦВА исследования часто выявляют волну окисления TEMPOH2+ в TEMPO+ при потенциалах, превышающих потенциал для пары TEMPO/TEMPO+ (см. Рисунки 1.4 и 1.5, a). Это указывает на то, что в кислой среде превращение TEMPO в соль гидроксиламина (TEMPOH2+) и ОК происходит медленно в исследуемом с помощью ЦВА интервале потенциалов. Это кинетическое поведение подтверждается данными диаграммы Пурбе для пары TEMPO/TEMPO+ при pH <3. Эти данные показывают, что в кислой среде (рН< 3) TEMPO является нестабильным и диспропорционирует с образованием TEMPOH2+ и ОК [96].

70 рА

рН 10.2

-800 -400 0 400 600 1200

б) Потенциал отн. Ag/Ag+ (мВ)

со

рн

Рисунок 1.5 - (а) ЦВА 4-OH-TEMPO (4,6 мМ) в водном фосфатном буфере (добавлены метки для редокс-пар 4-OH-TEMPOH/4-OH-TEMPO (красные звездочки) и 4-OH-TEMPO/4-OH-TEMPO+ (черные треугольники)); Скорость развертки потенциала 100 мВ-с"1; (b) Изменение E1/2 в зависимости от pH для TEMPO (4,6 мМ) в водном фосфатном буфере [96]

Схема 1.7 - Диспропорционирование TEMPO до TEMPOH2+/TEMPO+ в кислой среде [88].

Kishioka с сотрудниками изучали диспропорционирование TEMPO в кислой среде в органическом растворителе [88]. Проведенные ЦВА исследования показали, что при добавлении кислоты практически половина (50 %) TEMPO превращается в TEMPO+ ^хема 1.7). Добавление органического основания (2,6-лутидин) к раствору TEMPOH2+/TEMPO+, полученному в результате диспропорционирования TEMPO, привело к регенерации последнего. Титрование TEMPO пара-толуолсульфокислотой (p-TSA) показало, что 2 H+ расходуется на каждую молекулу TEMPO, это подтверждает образование TEMPOH2+ в кислой среде (рН < 3) (Рисунок 1.6). В работе Sen V.D. и Golubev V.A. также рассматривается кинетика и механизм кислотно-катализируемой реакции диспропорционирования TEMPO [97].

Рисунок 1.6 - Кривые титрования пара-толуолсульфокислотой: величины предельных токов для TEMPO/TEMPO+ (сплошные кружки - концентрация TEMPO и незакрашенные кружки - TEMPO+) в зависимости от концентрации пара-толуолсульфокислоты. Эксперименты проведены в CH3CN, содержащем 0,2 М NaClO4 [88]

В дополнение к изучению диспропорционирования TEMPO в кислой среде Israeli A. и его коллеги исследовали реакцию пропорционального распределения TEMPOH и TEMPO+ в основной среде [95]. Реакция TEMPOH с TEMPO+ была изучена в водном растворе при различных значениях pH с использованием ЭПР-спектроскопии. Принимая во внимание константу диссоциации TEMPOH2+ (pKa1 = 7,5) и допуская, что TEMPOH имеет значение pK, близкое значению NH2OH (pKa2 = 13,7), исследователи оценили три соответствующие реакции пропорционального распределения и получили константы скорости для каждой (Схема 1.8).

Константы скорости пропорционального распределения между TEMPO+ и различными состояниями протонированного TEMPOH отличаются на несколько порядков. Это согласуется с большей движущей силой реакции при более высоком и отражается в сдвиге ОВ-потенциалов TEMPO при различных рН (См. рисунок 1.4).

©

Л

н он

+

-н

рКа = 7,5

©

N' О

lq= 0,23 M'V1

+ + 2Н

N ОН

+

-н

рКа2 = 13,7

©

N' О

к2= 52 M'V1

+

+ Н

N ¿е

+

© N'

к3=3,3-104 MV1

N

О О'

Схема 1.8 - Кислотно-основные равновесия для TEMPOH и константы скорости реакции пропорционального распределения для различных форм TEMPOH и TEMPO + [95]

Электрохимическая кинетика окислительно-восстановительной пары TEMPOH / TEMPO зависит от природы электрода [95, 96, 98, 99]. Samuniand и его коллеги показали, что на графитовом электроде наблюдается меньшая разность между значениями величин потенциалов пиков, соответствующих процессу окисления и восстановления по сравнению с данными для стеклоуглеродного электрода [95]. В отдельных исследованиях, проведенных Kishioka на поверхности ртутного капельного электрода в кислой и основной средах (Рисунок 1.7), было обнаружено практически обратимое ОВ превращение TEMPOH/TEMPO (AE=Epa-Epc=70 мВ) [99]. Аналогичное поведение наблюдается и на окисленном угольном электроде [96]. Несмотря на то, что причина этих изменений в ОВ поведении ТЕМРО не совсем понятна, результаты показывают способность материала электрода влиять на скорость стадии протон-связанного переноса электронов [100].

Рисунок 1.7 - ЦВА редокс-пары ТЕМРОН/ТЕМРО, полученные при различных скоростях развертки потенциала на поверхности ртутного капельного электрода [99]

Перенос электронов от ТЕМРОН и реакция пропорционального распределения между ТЕМРО+ и ТЕМРОН являются важными факторами для

электрокаталитического применения TEMPO, которое обсуждаются в главе 4. Реакции окисления, опосредованные TEMPO, часто приводят к получению TEMPOH, а регенерация TEMPO+ может протекать по двум возможным путям (Схема 1.9): (а) прямое окисление TEMPOH (с переносом 2e- и 1H+) до TEMPO+ на поверхности электрода и (б) пропорциональное распределение TEMPOH и TEMPO+ в растворе с последующим одноэлектронным окислением TEMPO до TEMPO+ на электроде [33].

Субстрат

Субстрат ок + 1Г

Субстрат

Субстрат ок + Н4

Схема 1.9 - Возможные механизмы генерации ТЕМРО+ в электрокаталитических реакциях, (а) прямой перенос электронов на анод и (б) пропорциональное распределение между ТЕМРО+ и ТЕМРОН [33]

Структура и электрохимические свойства нитроксильных радикалов

Данные, полученные при исследовании ОВ-свойств НР ряда TEMPO, позволили применить электрохимические методы для определения зависимости ОВ-свойств других циклических аминоксильных радикалов от их структуры. Модификация структурных и, как следствие, электронных свойств может значительно изменить ОВ-потенциалы НР, что обеспечивает основу для разработки новых соединений нитроксильного ряда с определенными электрохимическими свойствами [33].

Первые данные о влиянии структуры на электрохимические свойства НР были опубликованы еще в 1975 году [101]. Большинство полученных за несколько десятилетий данных касается, главным образом, окислительно-восстановительной пары НР/ОК [87, 94, 102-108]. Исследовательские данные по ОВ-потенциалам пары НР/ОК для стабильных НР различного строения представлены в таблице 1.1 [33].

Таблица 1.1 - Экспериментально полученные значения редокс-потенциалов пары НР/ОК

№ п/п НР Потенциал Лит. № п/п НР Потенциал Лит.

1 2 3 4 5 6 7 8

1. >Ск О EI/2 = 0,73 б EI/2 = 0,77 б EI/2 = 0,84 в 87 94 103 14. т, ® Ру >0< 1 О Em =0,95 б 94

2. А О EI/2 = 1,00 б 108 15. \ 1 ,пРг Ne >6с 1 О • Em=1,00 б 94

3. А 1 О Ei/2 = 0,90 б 94 16. ,Вп HN 1 О Em =0,92 б 94

Продолжение таблицы 1.1

1 2 3 4 5 6 7 8

4. А о Е1/2 =0,91 б 94 17. Вп 1 ¿к 1 0 Е1/2=1,02 б 94

5. ОСН3 А 1 О Е1/2 =0,86 б 94 18. 1 О • Е1/2 =0,89 б 94

6. со2н >0< 1 О Е1/2 =0,82 б 94 19. сош, 1 О • Е1/2 =0,91 б 104

7. он >0к 1 О Е1/2 =0,85 б 94 20. ссжн, N 1 О • Е1/2 =0,84 б 105

8. ]ЧНАс А 1 О Е1/2 =0,82 б 94 21. соон 1 о • Е1/2 =0,88 б 102

9. гш2 А 1 о Е1/2 =0,91 б 94 22. СООСНз N 1 О. Е1/2 =0,89 б 102

10. н2м со2н Л 1 О Е1/2 =0,87 б 94 23. CN 1 О • Е1/2=1,00 б 102

11. А" о Е1/2=1,01 б 94 24. 1 о • Е1/2=1,10 в 104

12. V о Е1/2=1,06 б 106 25. О о 1 О • Е1/2=1,31 в 104

Продолжение таблицы 1.1

1 2 3 4 5 6 7 8

13. E1/2 = 0,68 б 87 26.

E1/2 = 0,75 б 94 & E1/2 = 0,85 б 94

L У E1/2 = 0,80 в 103 AcHN^^

N—^

а-Потенциалы указаны отн. НВЭ;

Сокращения: Ac = ацетил, Bn = бензоил, Py = N-пиридиний, nPr = н-пропилбромид; б-Экспериментальные измерения проведены в H2O; в-Экспериментальные измерения проведены в CH3CN.

В таблице 1.1 приведены ОВ-потенциалы стабильных НР в водных (буферных) растворах и безводных (например, CH3CN) растворителях. Следует отметить, что ОВ-потенциалы пары НР/ОК для TEMPO, ABNO и AZADO более положительны в неводных средах [109, 110].

Установлено, что при высоким значении pH ОВ-свойства ОК зависят от образования электрохимически неактивного цвиттер-иона TEMPO2H (Схема 1.10).

©

+ он0

©

О/ \ о он

1 вА о

Схема 1.10 - Превращение ТЕМРО+ в электрохимически неактивный цвиттер-ион ТЕМРО2Н при рН > 11

Менее пространственно-затрудненные би- и полициклические разновидности ОК, такие как ABNO+ и 2-азадамантан-2-оксоаммоний (А7АОО+), демонстрируют большую степень сродства к гидроксид-иону по сравнению с ТЕМРО+, что делает эти НР более чувствительными к высокому значению рН. Это поведение было описано для ABNO [87, 96], и установлена зависимость потенциала окисления ABNO до ABNO+ от рН среды.

Также чувствительны к высокому значению рН среды НР ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидина, имеющие электроноакцепторные группы (например, X = О). Такие НР и ОК подвергаются разложению в результате

реакции элиминирования, которая приводит к разрыву связи С-Ы и раскрытию кольца (Схема 1.11) [111-113]. Это подтверждается ЦВА исследованиями, показавшими наличие необратимых пиков на вольтамперных кривых в щелочной среде (рН > 11) [87].

Схема 1.11 - Предполагаемый путь деградации электрондефицитных НР и ОК ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидина в щелочной среде [87]

В нескольких исследованиях изучалось влияние структуры на ОВ-свойства пары ГА/НР. В 1991 году Morris, Swartz и соавторы измерили ОВ-потенциалы пар ГА/НР для замещенных 2,2,6,6-пиперидин-, 2,2,5,5-пирролидин- и 2,2,5,5-пирролинпроизводных НР с использованием вольтамперометрических методов (Рисунок 1.8) [114]. Среди НР одного ряда ОВ-потенциалы пар ГА/НР коррелируют с индуктивными эффектами заместителей: большинство электроноакцепторных заместителей приводит к менее отрицательным ОВ-потенциалам, тогда как электронодонорные заместители дают более отрицательные ОВ-потенциалы. Производные пирролина демонстрируют наименьшую зависимость от индуктивных эффектов заместителей. Следует отметить, что пятичленные НР обычно имеют более отрицательные ОВ-потенциалы по сравнению с шестичленными циклическими НР.

Рисунок 1.8 - Зависимость потенциалов полуволны от индуктивных эффектов заместителей для различных пар ГА/НР: для структур пиперидина (квадраты), пирролидина (знаки плюс) и пирролина (ромбы) [114]

Вследствие вышесказанного, при выборе НР для создания каталитических систем, прежде всего электрохимических, следует учитывать ОВ свойства НР, либо дополнительно исследовать электрохимическое поведение выбранных катализаторов ряда ТЕМРО в конкретных технологических условиях.

1.1.2 Синтез, свойства и применение М-галогенаминов. Электрохимические и электрокаталитические свойства М-галогенаминов ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидина

Идея о применении ^галогенаминов в качестве реагентов была впервые предложена Коуаае Р. в 1969 году [115]. К-галогенамины можно определить как соединения, содержащие одну или несколько ковалентных связей азот-галоген, которые обычно образуются в результате галогенирования имидной, амидной или аминогруппы [116-118].

Установлено, что многие как неорганические, так и органические галогенамины неустойчивы при обычных условиях и существуют только при

40

низких температурах в отсутствии влаги, кроме того, способы их получения достаточно трудоемки и небезопасны [115, 119, 120]. Однако в определённых условиях галогенамины могут применяться как эффективные аминирующие, галогенирующие и дегидрирующие агенты [120-131].

Более удобными и экологически приемлемыми методами синтеза различных галогенаминов являются, разработанные в конце 20-го века электрохимические способы [132-135]. Среди органических К-галогенпроизводных особое место занимают галогенамины ряда 2,2,6,6-ТМП, многие из которых достаточно устойчивы при комнатной температуре [134, 136]. 1-Хлор-2,2,6,6-ТМП и 1-хлор-4-гидрокси-2,2,6,6-ТМП были исследованы в работе [136] на стабильность в зависимости от различных условий (продолжительность хранения в растворителях (метанол и этанол), рН среды, облучение). Электрохимический синтез галогенаминов как метод «зеленой химии» является более предпочтительным, поскольку приводит к уменьшению расхода химических реагентов и снижению количества образующихся побочных веществ и отходов [133, 134, 137]. Путем электрохимического окислительного галогенирования ПЗА ряда 2,2,6,6-ТМП и их солей получены К-галогенамины соответствующего ряда. Превращение ПЗА ряда 2,2,6,6-ТМП в водных растворах солей (при хлорировании - КаС1, при бромировании - КВг) в электрохимической ячейке на аноде из платины или стеклоуглерода в нейтральной среде (рН 6-8) при комнатной температуре позволяет получить К-галогенпроизводные ряда ТМП с высоким выходом по веществу (80-95 %) и по току (70-90 %) [137].

Интересной и необычной реакцией является превращение К-галогенпроизводных ряда 2,2,6,6-ТМП в соответствующие НР [138], которые используются, как ранее было сказано, в качестве катализаторов окисления органических субстратов [33, 47, 139, 140].

Установлено, что К-галогенамины являются превосходными антимикробными соединениями и обладают биоцидными свойствами благодаря степени окисления (+1) атомов галогенов в функциональных группах хлорамина (> N-0) или бромамина (> №Вг) [141]. В работах [141-150], представлены и обсуждены синтез, стабильность и примеры

41

применения различных И-галогенаминов различного строения в медицине, водоочистке, красильной и текстильной промышленности, в получении специальных полимерных материалов, основанные на антибактериальных свойствах этих соединений. В обзорах [141, 142] подробно описаны три основных подхода к получению подобных полимерных материалов: полимеризация, генерация электрохимическим путем И-галогенаминных групп и прививка подобных групп к мономерам-предшественникам. Идентификацию и характеристику образования связей ^галоген (> ИХ, где X = С1 или Вг или I) осуществляли с помощью различных методов, таких как инфракрасная спектроскопия (ИК), спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР), энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (БЭХ), рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS), а также с помощью классических аналитических методов. Отмечается, что электрохимическая генерация связи ^галоген является перспективным направлением как один из наиболее приемлемых методов с точки зрения «зеленой химии».

На основании вышеизложенного, большой интерес представляет детальное исследование свойств, в том числе каталитических, и поиск новых областей применения синтезированных И-галогенаминов ряда 2,2,6,6-ТМП. Особый интерес представляет непосредственное превращение И- алогенаминов ряда 2,2,6,6-ТМП в соответствующие НР в результате электроокисления, что открывает возможность их применения в медиаторных и каталитических реакциях окисления различных органических субстратов, главным образом, спиртов, без предварительного получения НР.

1.2 Нитроксильные радикалы как электрокатализаторы окисления органических соединений

1.2.1 Электрокаталитическая трансформация спиртов в альдегиды и кетоны

Селективное окислительное превращение органических соединений в целевые продукты рассматривается как одно из наиболее полезных и фундаментальных превращений в промышленных процессах. Так окисление

спиртов в соответствующие альдегиды или кетоны имеет важное значение в

42

фармацевтическом и органическом синтезе благодаря широкому использованию этих веществ в качестве исходных и/или промежуточных продуктов для синтеза лекарств, витаминов, ароматизаторов, антиоксидантов, средств защиты растений и т.п.

Окисление спиртов до альдегидов или кетонов при помощи

органокаталитических систем, содержащих НР ряда 2,2,6,6-ТМП, достаточно

широко используется в химическом и фармацевтическом производстве [33, 46,

69, 151, 152]. Этот метод, являющийся высокоселективным и не требующим

применения катализаторов на основе металлов, впервые был использован в

промышленности в 1990 году. В так называемом методе Anelli-Montanari в

качестве катализатора применили ТЕМРО, а в качестве терминального

окислителя - NaOCl, в щелочном буферном растворе в контакте с раствором

спирта в органическом растворителе при температуре 10-15 °С [151]. В

настоящее время фармацевтическим компаниям, использующим реакцию

Anelli-Montanari, удалось увеличить выход карбонильных соединений с 75 %

до 90 % (при стандартных условиях - в присутствии NaOCl) [153].

Предложено также использование воздуха в качестве окислителя, CuI в

качестве сокатализатора, в присутствии ТЕМРО [154] или менее

пространственно-затрудненного иминоксильного радикала - ABNO (9-

азабицикло [3.3.1] нонан-Ы-оксил) в качестве катализатора при комнатной

температуре в N-метилпирролидоне [155], а также Cu(NO3)2 и 4-гидрокси-

ТЕМРО в ацетонитриле или 1,2-дихлорэтане [156]. В работе [157] описано

аэробное окисление спиртов, катализируемое системой Fe(NO3)3 / TEMPO.

Установлено, что для системы на основе нитрата железа (III) реализуется

механизм «последовательной кооперативности», который включает ОВ

каскад, в котором спирт окисляется образующимися in situ оксоаммониевыми

частицами, которые непосредственно обнаруживаются в реакционной смеси с

помощью циклической ступенчатой хроноамперометрии. В отличие от

механизма, так называемой, «интегрированной кооперативности», которая

реализуется в присутствии солей меди, и в которой Cu (II) и НР участвуют

43

вместе, опосредуя окисление спирта. Показано, что различные механизмы для каталитических систем на основе солей Cu и Fe проявляются в различной хемоселективности окисления спиртов с разными функциональными группами.

Электрохимический метод генерирования ОК из соответствующих НР может использоваться в качестве альтернативы химическим терминальным окислителям. Как было сказано выше, электрохимические свойства и окислительно-восстановительные реакции НР лежат в основе электрохимического окисления спиртов, опосредованного НР [33, 46, 158]. Эту реакцию впервые осуществили Semmelhack и коллеги в 1983 году [158], которые провели непрямое ЭХО спиртов в органическом растворителе в присутствии TEMPO в качестве медиатора в электрохимической ячейке, где электрический ток заменяет терминальный окислитель, что исключает использование токсичных реагентов и предотвращает образование нежелательных отходов. Было обнаружено, что реакция между электрогенерированным ОК и первичными спиртами в присутствии основания (2,6-лутидин) является достаточно быстрой. При этом было установлено, что реакция избирательна по отношению к первичным спиртам, которые под действием TEMPO+ окисляются значительно быстрее, чем вторичные спирты. В отсутствии основания окисление спиртов протекало относительно медленно. К недостаткам метода можно отнести проведение реакции в безводной среде с использованием ацетонитрила в качестве растворителя.

В дальнейшем Semmelhack и коллеги исследовали механизм окисления

спиртов в присутствии TEMPO+ [159]. Было рассмотрено четыре возможных

пути реакции (Схема 1.12): (а) прямое отщепление гидридного иона от спирта

под действием ОК с образованием ГА и карбкатиона, который далее

подвергается депротонированию; (б) перенос е- и H+ от спирта к ОК с

образованием TEMPO, протонированного основания (BH+) и алкоксильного

радикала; (в) нуклеофильная атака алкоксидом атома азота TEMPO+ с

образованием реакционноспособного аддукта типа «N-О»; (г) нуклеофильная

44

атака алкоксида на атом кислорода ТЕМРО+ с образованием реакционноспособного аддукта типа «О-О». Определение констант Гаммета и кинетические исследования изотопных эффектов (при замене водорода на дейтерий) были интерпретированы в пользу пути (в).

Схема 1.12 - Возможные пути медиаторного окисления спиртов, опосредованного ТЕМРО в присутствии основания [159]

В более поздней работе Tokuda была предпринята попытка

зафиксировать образование промежуточного аддукта ТЕМРО+/спирт, при

помощи спектроэлектрохимических методов [160]. В ходе TEMPO-

опосредованного электроокисления 4-метоксибензилового спирта в CH3CN,

содержащем 0,2 М NaClO4, в инертной атмосфере (N2) были получены

доказательства образования такого аддукта. В отсутствии спирта во время

электрохимического окисления TEMPO на электронных спектрах

наблюдались сигналы (пики) только TEMPO и TEMPO+. При добавлении

4- метоксибензилового спирта к раствору TEMPO исследование, проведенное

в одном и том же диапазоне потенциалов, позволило зафиксировать

значительное увеличение поглощения при 265 нм, что подтвердило

образование новых частиц во время электролиза. Авторы предположили, что

45

этот новый вид частиц был аддуктом N-O-оксоаммоний-алкоксид, возникновение которого ранее предположил Semmelhack (Схема 1.12, в) [159]. Это стало практически первым экспериментальным подтверждением образования аддукта между ОК и спиртом.

Предлагаются и другие механизмы окисления спиртов под действием TEMPO в основной среде [140, 161, 162]. Экспериментальные и расчетные данные свидетельствует о том, что в присутствии основания субстрат может образовывать промежуточный комплекс с участием атома азота ОК с последующим внутримолекулярным переносом гидридного иона от спирта с образованием TEMPOH (Схема 1.13, а). Следует отметить, что данные получены в основном в результате исследования реакций неэлектрохимического окисления спиртов, опосредованного НР, включая стехиометрические реакции окисления под действием ОС, или реакций каталитического окисления спиртов опосредованного НР с применением терминальных окислителей [163-166]. Авторы работ [140, 164] предположили, что вследствие того, что первичные спирты имеют более низкие значения pKa и меньшие стерические затруднения, чем вторичные спирты, они с большей скоростью окисляются в основной среде.

Было установлено, что механизм и селективность реакции окисления спиртов в присутствии ОС в кислой среде изменяются. Голубев и его коллеги первыми показали, что при pH < 4 вторичные спирты реагируют быстрее, чем первичные спирты [163]. Данные, полученные в результате проведения расчетных компьютерных исследований Bailey с сотрудниками, показали, что изменения в селективности окисления спиртов в этих условиях связаны с бимолекулярным механизмом переноса гидридного иона (Схема 1.13, б) [164]. Этот механизм согласуется с более высокой гидриднодонорной способностью вторичных спиртов по сравнению с первичными спиртами.

Схема 1.13 - Влияние рН на механизм и селективность реакции окисления спиртов в присутствии TEMPO+: а) рН >7 и б) рН<7 [164]

Rafiee и его коллеги провели вольтамперометрические исследования для определения каталитической активности TEMPO в процессах электроокисления ряда первичных и вторичных спиртов [167]. Было установлено, что соотношение величины тока пика окисления субстрата в присутствии TEMPO (^ат) и в его отсутствии (io) прямо пропорционально концентрации исходного спирта [168]. Соотношение w/b при фиксированных концентрациях TEMPO и субстрата позволяет оценить относительную реакционную способность НР по отношению к различным субстратам. Наибольшую активность ТЕМРО, в виде ОК, генерированного на аноде, проявлял по отношению к первичным спиртам, а значительно меньшую каталитическую активность - ко вторичным спиртам (Рисунок 1.9). ЦВА-исследования показали, что скорость каталитической реакции растет при увеличении концентрации спирта. Изучение процесса окисления бензилового спирта продемонстрировало линейную корреляцию между величиной пика анодного тока и корнем квадратным из концентрации бензилового спирта (с1/2), что согласуется с классической электрокаталитической кинетикой, включающей диффузию субстрата к электроду (Рисунок 1.10) [168-170].

12.0

Рисунок 1.9 - Соотношение пика анодного тока редокс-пары ТЕМРО/ТЕМРО+ в присутствии различных спиртов (ЬаО по сравнению с током в отсутствии спиртов Исследования проводили с использованием 1 мМ ТЕМРО и 10 мМ соответствующего спирта в водном буферном растворе при рН 9,6 на СУ-электроде [167]

32.0

з.о -■-1--—1-г-

0.05 0.25 0.45 0.65 0.85 1.05.

Потенциал, В отн. Ag/AgCl

Рисунок 1.10 - ЦВА 1,0 мМ TEMPO при различных концентрациях бензилового спирта при pH 9,6. Концентрация бензилового спирта увеличивается от (а) до (ж): 0; 1; 5; 10; 20; 50; и 100 мМ. Скорость сканирования 20 мВ с-1. На вставке показана линейная зависимость тока анодного пика от квадратного корня концентрации бензилового спирта [167]

Математическое моделирование ЦВА в различных электрокаталитических условиях привело авторов [167] к выводу, что превращение TEMPOH в исходный НР во время каталитического цикла включает как (а) прямое электрохимическое окисление TEMPOH, так и (б) химическое взаимодействие TEMPO+/TEMPOH с образованием TEMPO и с последующим электрохимическим окислением TEMPO до TEMPO+

Многие также исследователи направляли свои усилия на изучение механизма реакции электроокисления спиртов в присутствии ТЕМРО [171175]. В работе Marken и коллег, опубликованной в 2016 году, использовался вращающийся дисковый электрод для детального изучения механизма окисления первичных спиртов, опосредованного TEMPO [174]. Полученные данные согласуются с теоретическими выводами о механизме окисления спиртов авторов других работ [172, 173, 175]. Большинство этих исследований были проведены в основной среде, так как скорость окисления спиртов в присутствии ТЕМРО в этих условиях значительно возрастает. Медленное окисление спиртов в кислой среде часто препятствует применению ЦВА-исследований для изучения кинетики реакций. Несмотря на это в ранней работе Krzyczmonik и соавторы изучали кинетику окисления спиртов с помощью электрогенерированного 4-OH-TEMPO+ при pH 4-5 с использованием кулонометрического метода [171]. Значения измеренных величин начальных и предельных токов были использованы для расчета констант скорости окисления различных спиртов в присутствии 4-OH-TEMPO+. Полученные данные демонстрируют зависимость скорости реакции и ее селективности от рН (Рисунок 1.11). Как ранее уже было показано Голубевым с коллегами [163], при pH 4 вторичные спирты окисляются быстрее, чем первичные, в присутствии 4-OH-TEMPO+. Но, как оказалось, разница в относительной реакционной способности между первичными и вторичными спиртами нивелируется при увеличении pH до 5.

_I_I

5 10

1/Сн+х 10-4 (л/моль)

Рисунок 1.11 - Константа скорости окисления спиртов в присутствии 4-OH-TEMPO как функция 1/Сн+ для 1-пропанола (сплошные кружки), 1-бутанола (знаки х), 2-пропанола (знаки плюс) и 2-бутанола (полые кружки) [171]

1.2.2 Перспективы применения катализаторов на основе ТЕМРО для промышленного электроокисления спиртов до карбонильных соединений

Методы синтетической органической электрохимии будучи достаточно технологичными и экологически более безопасными, приводящими к минимизации затрат и отходов [176-178], в настоящее время достаточно широко применяются в тонкой и фармацевтической химии в расширенных лабораторных и малотоннажных производствах. Так, в начале XXI века эти процессы стали применять для получения фармацевтических препаратов, таких как антибиотик цефалоспоринового ряда - цефтибутен [179] и в синтезе цистеина [180, 181].

В 2006 году Krasutsky и соавторы [182] описали высокоэффективное (выход ~90 %) электрохимическое окисление бетулина (противоопухолевое, противовирусное, противодиабетическое средство, противовоспалительный и

противогрибковый биоактивный тритерпеноид, содержащийся в коре белой березы) до соответствующего альдегида с использованием каталитического количества TEMPO (Схема 1.14) без затрагивания вторичной гидроксильной группы (селективность ~95 %) [183]. Окисление полученного альдегида под действием NaClO2 дает бетулиновую кислоту, ценное вещество (570 $т-1), известное как селективный ингибитор меланомы человека [184] с анти-ВИЧ эффектом [185] за счет ингибирования созревания вируса иммунодефицита человека. Бетулиновая кислота также содержится в коре белой березы, однако в очень небольших количествах (около 0,025 %). Полупромышленное применение данного метода было осуществленно в бездиафрагменном электролизере объемом 40 л (платиновый анод, медный катод), внедрено и используется до настоящего времени в Миннесоте компанией Betula Extractives.

Схема 1.14 - Электрохимическое окисление бетулина до бетулинового альдегида с использованием в качестве катализатора TEMPO, с последующим окислением до бетулиновой кислоты по действием NaClO2 [183]

Относительно недавно появились сведения, что Sol-gel-электроды, функционализированные с помощью TEMPO, находят практическое

51

применение при окислении спиртов в рамках масштабированных лабораторных установок [186]. Как было сказано выше, с целью создания надежной технологии и эффективного управления процессом, интенсивно проводятся работы по изучению механизма электрокаталитического окисления спиртов, опосредованного TEMPO. Karimi и его коллеги исследовали оптимальные условия для препаративного превращения различных спиртов в карбонильные соединения при катализе НР [87, 167]. Они подтвердили, что TEMPO является эффективным катализатором в мягком щелочном буфере, тогда как NHPI эффективно действует в разбавленном растворе уксусной кислоты. Кроме того, было изучено влияние природы спирта и структуры НР для широкого ряда спиртов. Новые кинетические данные были получены посредством вольтамперометрических исследований и цифрового моделирования ЦВА. Препаративное получение карбонильных соединений дало обнадеживающие результаты, позволяющие рассматривать электрокаталитические системы на основе НР как промышленно применимые.

В результате проведенных исследований Stahl и Badalyan сообщили, что

электрохимические окисление спиртов в присутствии 2,2'-бипиридинового

(bpy) комплекса CuI и TEMPO протекает при потенциале электрода на 0,5 В

ниже, чем тот, который необходим для процесса, опосредованного только

TEMPO, и с более высокой скоростью [187]. ЦВА, зарегистрированные в

растворе Cu(I)OTf (где OTf - трифторметансульфонат), bpy и TEMPO (по

1 мМ каждого) в ацетонитриле, выявили квази-обратимые окислительно-

восстановительные процессы, связанные с превращениями

(bpy)Cu(II)/(bpy)Cu(I) и TEMPO+/TEMPO^ при - 0,18 В и + 0,24 В,

соответственно (электрод сравнения - ферроцений/ферроцен (Cp 2Fe+/Fe0))

(Рисунок 1.12, а). На ЦВА не наблюдался окислительно-восстановительный

процесс TEMPO/TEMPOH, что обусловлено отсутствием источника протонов

в растворе. Было обнаружено, что (bpy)Cu(II)(OTf)2 опосредует эффективное

окисление TEMPOH до TEMPO в анаэробных условиях в присутствии

2,6-лутидина в качестве акцептора протонов. Связь этого процесса с

52

окислением спирта была продемонстрирована с помощью спектрофотометрии при исследовании анаэробного окисления бензилового спирта с применением (bpy)Cu(II)(OTf)2 в присутствии 2,6-лутидина и каталитического количества ТЕМРО (0,1 экв.). В реакционной среде происходило быстрое восстановление Cu (II) до Cu (I), давая раствор, который был спектроскопически идентичен независимо приготовленному раствору Cu(I)OTf/bpy (1:1) (Рисунок. 1.12, б) Участие Cu(I) в регенерации ТЕМРО позволяет снизить потенциал окисления катализатора и сделать процесс более экономичным. К недостаткам предложенной каталитической системы можно отнести использование солей тяжелого металла (Cu) и проведение процесса в безводном органическом растворителе (ацетонитрил).

Потенциал, отн. Ag/Ag+ Длина волны, нм

а) б)

Рисунок 1.12 - Циклическая вольтамперограмма раствора (bpy)Cu(OTf) + TEMPO (а); спектрофотометрические данные о (bpy) ^(Щ-опосредованном окислении TEMPOH и бензилового спирта в анаэробных условиях (б) [187]

Таким образом, электрохимия предлагает универсальный подход к

окислению различных спиртов при использовании НР ряда ТЕМРО в качестве

катализаторов. В TEMPO-опосредованных процессах окисления ион

оксоаммония, который является непосредственным окислителем спирта,

генерируется из НР электрохимически при потенциале 0,4-0,7 В

(отн. Ag/AgCl) [85-89, 159]. В настоящее время общепринятый механизм

53

электроокисления спиртов [33, 159, 171-175, 187], как и в случае каталитического окисления с участием ТЕМРО, включает в себя образование ОК (в электрохимическом варианте генерируется на электроде), который окисляет спирт (Схема 1.15), затем образовавшийся гидроксиламин (ТЕМРОН) превращается в НР либо электрохимически, либо в растворе в результате реакции взаимодействия с ТЕМРО, либо за счет взаимодействия с подходящим окислителем (например, Cu (I)), вносимым в электролит. В электрохимических синтезах используют различные основания в качестве добавки. Основание Бренстеда (главным образом используется 2,6-лутидин), играет решающую роль как акцептор протонов. В приведенном варианте механизма реакции (Схема 1.15) [187] не предполагается непосредственное участие основания, например, 2,6-лутидина, в образовании промежуточного реакционного комплекса. Причем 2,6-лутидин, как считают авторы, может способствовать дальнейшему окислению альдегидов до кислот (Схема 1.15).

Схема 1.15 - Механизм электроокисления первичных спиртов, опосредованного ТЕМРО в присутствии 2,6-лутидина [187]

Описан также механизм прямого окисления гидроксиламина (TEMPOH) до ОК в результате переноса двух электронов на поверхности электрода [87]. При сравнении величин пиков токов окисления (рассматриваются как мера каталитической активности ТЕМРО, в виде электрогенерированного ОК) различных спиртов в присутствии TEMPO в водных буферных растворах (pH 9,6) был определен ряд активностей спиртов при превращении их в карбонильные соединения. В ряду бензильные> аллильные> алифатические спирты реакционная способность первичных спиртов уменьшается. Кроме того, реакционная способность TEMPO+ по отношению к алифатическим спиртам с двумя или более гидроксильными группами пропорциональна числу этих групп и, как правило, выше, чем для одноатомных спиртов. Скорость окисления спиртов, содержащих сильные электроноакцепторные группы (например, w-нитробензиловый спирт или трифторэтанол), сопоставима и даже выше, чем для их простых гомологов. Применимость теоретического расчетного метода (сравнение величин пиков токов окисления спиртов) была подтверждена препаративным электролизом. Реакцию проводили в неразделенной трех-электродной ячейке, при составе электролита: 10 ммоль бензилового спирта и 1 ммоль н-гептанола в 150 мл водного буфера (рН 9,6) в присутствии 10 % мол. TEMPO. Выход бензальдегида и гептаналя составил 92 и 94 % соответственно [87].

Многие спирты (алифатические, аллильные, ароматические) окисляют в воде или используют двухфазные системы, содержащие в качестве второй фазы органический растворитель, в результате окисления получают соответствующие карбонильные соединения [162]. Углеводы как многоатомные спирты в водном растворе превращаются в ценные глюкононаты [188, 189]. Несмотря на то, что электрохимическое окисление с участием НР практически не приводит к образованию отходов, при реализации разрабатываемого метода в укрупненном масштабе, следует учитывать возможное протекание на противоэлектроде реакций, связанных с

деградацией катализатора. Этим обусловлено, что реакция прямого окисления ТЕМРО на аноде проходит далеко не со 100 % выходом.

В рассмотренной ранее работе [87] Rafiee, Stahl и их коллеги провели сравнительные исследования и показали, что лучшими катализаторами среди производных TEMPO оказались НР, содержащие электроноакцепторные заместители в положении 4, например, относительно недорогой и доступный 4-ацетиламино-ТЕМРО (4-AcNH-TEMPO). На основе исследований Badalyan с сотрудниками [187] 4-AcNH-TEMPO был также определен в качестве эффективного медиатора, наряду с 4-бензоилокси-ТЕМРО (4-BzO-TEMPO), но в отличие от последнего он имеет более низкий потенциал окисления (Рисунок 1.13, Таблица 1.1). Было установлено, что менее пространственно-затрудненные виды катионов оксоаммония (например, полученные из AZADO и ABNO) более чувствительны к ингибированию при высоком pH в результате образования аддукта с гидроксид-ионом (См. также схему 1.12). Этот аддукт электрохимически неактивен и конкурирует с образованием продуктивного алкоксид-аминоксильного аддукта. Авторами [87] и [187] установлено, что скорость электроокисления НР до ОК, а следовательно, и эффективность окисления спирта до карбонильного соединения, зависит от структуры НР и положительно коррелирует с потенциалом окислительно-восстановительной пары НР / ОК (Рисунок 1.13).

Таким образом, 4-AcNH-TEMPO представляет собой доступный стабильный радикал, который производится в технических, хотя и малотоннажных масштабах. Его анодное окисление дает катион 4- AcNH- TEMPO+, который достаточно стабилен в ацетонитриле и других органических растворителях. 4-AcNH-TEMPO+ реагирует как электрофил и селективный окислитель, который в ряде случаев может быть выделен и повторно использован. Эти свойства предполагают возможность его эффективного применения в синтезе и опосредованном окислении органических соединений.

2.2

-г- 1.6

1 -

I" 0.4

■2= -0.2

-0.8

ОЗг-\ 1%•

А А

■ ^"Ссг 1

0.42

0.5

0.58

0.66

0.74

Еп (В), отн. Ag/AgCl

Рисунок 1.13 - Зависимость скорости процесса НР-катализируемого окисления 1-бутанола гипохлоритом натрия (синие треугольники) и в электрохимических условиях (красные квадраты) [87, 187]

Авторы [190] сообщили, что реакция НР-опосредованного окисления спиртов может быть успешно проведена в бездиафрагменной электрохимической ячейке, снабженной пакетом электродов. В качестве электролита предлагается буферный водный раствор и трет-бутиловый спирт, который в виде тонкой пленки находится между двумя близко расположенными электродами. Эту систему можно рассматривать как реактор с микропотоком. Небольшое расстояние (1-3 мм) между электродами снижает сопротивление электролита и окисление спиртов в альдегиды или кетоны происходит непрерывно при комнатной температуре. В последние годы микропроточные реакторы вызвали большой интерес у химиков-синтетиков как в академических кругах, так и в промышленности [190-192].

Несколько отличается подход к электроокислению спиртов при использовании двухмедиаторных систем. В 1991 году ТотИ и его коллеги продемонстрировали использование двухмедиаторной каталитической системы бромид калия/4-бензоилокси-TEMPO (4-BzO-TEMPO) для

электроокисления как первичных, так и вторичных спиртов [193]. Эта работа была основана на предыдущих исследованиях по химическому каталитическому окислению спиртов, когда терминальный окислитель, находящийся в водной фазе, окисляет НР до ОК на границе водной и органической фазы [62, 194, 195]. Первая стадия реакции при использовании двухмедиаторной системы отличается от прямого электрохимического окисления ТЕМРО до ОК. На аноде, погруженном в водный раствор NaBr, анион Br - окисляется, как полагают авторы, до различных частиц брома (BrO, Br% Br2, Br3-, возможно, Br+). Затем эти частицы окисляют НР до ОК на границе раздела H2O - органический растворитель. Окисление спирта образующимся ОК, по-видимому, также может происходить на границе раздела фаз. Вторичные спирты в предложенных условиях подвергаются окислению до кетонов с более медленными скоростями, чем первичные спирты. Было показано, что TEMPO является подходящим катализатором для разработанной системы, но 4-BzO-TEMPO демонстрирует большую селективность и более высокие выходы карбонильных соединений [193]. Кроме того, Torii и его сотрудники не сообщали о «переокислении» альдегидов до карбоновых кислот. Следовательно, достоинством двухфазной системы является возможность минимизации так называемого «переокисления» альдегида до кислоты за счет его экстракции органическим растворителем. Однако одним из ограничений предложенного способа является то, что спирты, содержащие пространственно-незатрудненные, богатые электронами ароматические группы, подвергаются бромированию.

Огибин и его коллеги в 1992 году расширили сферу применения

двухмедиаторной системы Torii и добились эффективного электроокисления

циклопропилкарбинолов [196]. Высокий выход соответствующих

карбонильных соединений согласуется с ранее рассмотренным

нерадикальным механизмом окисления спиртов. Позже, в 1994 году Torii и

соавторы сообщили об использовании подобной двухмедиаторной системы

(бромид /4-BzO-TEMPO) для электроокисления дигидроксиалканоатов

58

(сложных эфиров 2,3-дигидроксикарбоновых кислот) до соответствующих вицинальных трикарбонильных продуктов [197]. Следует отметить, что предложенная электрохимическая система обычно дает ди- и трикарбонильные соединения с более высоким выходом, чем соответствующий метод химического каталитического окисления, в котором используется 4-BzO-TEMPO в качестве катализатора, а NaßrO2 в качестве стехиометрического терминального окислителя.

Tanaka и его коллеги в 2005 году сообщили о каталитическом электроокислении различных спиртов в присутствии водорастворимого катионного производного TEMPO (катионные WS-TEMPO) в водном растворе в неразделенной ячейке [198]. Было показано, что ряд вторичных алифатических спиртов подвергается эффективному окислению до соответствующих кетонов (Схема 1.16). Однако, сообщалось только о двух примерах окисления первичных спиртов, причем, в качестве продуктов кроме альдегидов были получены и карбоновые кислоты.

н

I

О

ОН WS-TEMPO "Ч ° -►

Электроды (Pt)-(Pt) R-^^R

30 мА, 2,5 F/моль, 0-5 °С

92%

Схема 1.16 - Электроокисление вторичных спиртов, катализируемое водорастворимым катионным производным TEMPO (WS-TEMPO), в водном растворе в неразделенной ячейке [198]

Позже Tanaka с сотрудниками описали электроокисление спиртов в воде, катализируемое водорастворимыми НР, содержащими группу сульфоновой кислоты (анионные WS-TEMPO), которое протекает с образованием соответствующих кетонов и альдегидов с выходами от умеренных до хороших без использования NaBr [199]. Однако в этом случае

система уже не является двухмедиаторной и анионные WS-TEMPO непосредственно должны окисляться на аноде, но авторы не указывают, при каком потенциале происходит окисление этих замещенных ТЕМРО. К ограничениям предложенного метода можно отнести то, что было осуществлено окисление только ароматических вторичных спиртов. Единственным примером превращения первичного спирта было окисление пара-метоксибензилового спирта в пара-метоксибензальдегид.

Таким образом, во многих работах, посвященных окислению спиртов, приводятся веские аргументы в пользу того, что электрокаталитическое окисление спиртов, опосредованное TEMPO и его производными, в том числе и с использованием двухмедиаторных систем, является экономически и промышленно пригодным методом, который в перспективе найдет еще более широкое коммерческое применение в синтезе многочисленных ценных веществ [33, 46, 47, 152, 186].

1.2.3 НР-катализируемое окисление производных биомассы. Перспективы промышленного применения.

Катализируемое НР окисление различных спиртов стало основой для разработки методов окисления углеводов, полиолов и фурановых соединений, полученных из биомассы, до соответствующих карбонильных соединений.

Методы окисления углеводов с применением НР и ОС были

разработаны в 1990-х годах. Реакции проводились как с использованием

стехиометрических количеств готовых ОС, так и с применением TEMPO или

его производных в качестве катализаторов и бромида и/или гипохлорита

натрия или калия в качестве терминальных окислителей [188, 200, 201]. О

первом опыте электроокисления углеводов, опосредованном TEMPO,

сообщили Schafer и соавторы в 1999 году [188]. Было показано, что в

щелочных водных растворах TEMPO способствует селективному окислению

первичных гидроксильных групп в углеводах, практически не затрагивая

вторичных гидроксильных групп. Производные глюкозы, маннозы и

60

галактозы были селективно окислены по первичной гидроксильной группе (С6) до соответстующих кислот с выходами от умеренного до превосходного (Схема 1.17). Так, метил a-D-глюкопиранозид был превращен с выходом 98% в соответствующую уроновую кислоту. Циклическая вольтамперометрия показывает, что реакция ускоряется в присутствии основания, а окисление гидроксильной группы с участием TEMPO+ является скорость-определяющей стадией [188]. Ди-, олиго- и полисахариды также эффективно окисляются до соответствующих кислот с участием первичных гидроксильных групп. Так, электроокисление картофельного крахмала дало соответствующую поли-карбоновую кислоту с 63 %-ным выходом и 93 %-ной конверсией первичных гидроксильных групп. Электроокисление углеводов, опосредованное только ТЕМРО, приводило к более низким выходам поликислоты (до 87 %) по сравнению с условиями Anelli (до 95 %), но обеспечивало возможность проводить реакцию без источника терминального окислителя - NaBr Последующие исследования позволили расширить список окисляемых субстратов, включив аминопиранозиды, метилгликозиды кетогексоз, ненасыщенные углеводы и другие сахариды, которые были превращены в соответствующие кислоты и выделены в виде метиловых эфиров (Схема 1.17). Реакцию проводили при рН 10 как в неразделенной, так и в разделенной электрохимической ячейке, с использованием платиновых электродов [202].

о

НО'

О OR 20 % мол-ТЕМР0 ' 0,53 В. отн. НКЭ НО'

Na2C03 (рН 10), Н2<Э

но Y он он

о

но

Pt-графит

О

но у он он

О ччОСН3

но

о

но

о

О *ОСН3

'""он НО*

но

он 96%

О. ч*ОСН3

но

"он но*"

О. .4ОСН3

""он

о

но

но'

он 96%

о^ л\\0(СН)2СН3

он

59%

о

он

но

он 45%

но

О^ л*ОСН3

он

он 63%

но "V" "'""он

он 52%

9Н но о

но,

но

он

о

но

х

он

о

н3со