Синтез хиральных кислородсодержащих монотерпеноидов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.03, кандидат химических наук Фролова, Лариса Леонидовна

• Фролова, Лариса Леонидовна
• кандидат химических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат химических наук Фролова, Лариса Леонидовна

Введение.

1. Литературный обзор.

1.1. Каталитическое жидкофазное окисление а-пинена.

1.2. Другие методы синтеза вербенона.

1.3. Биотехнологические методы трансформации а-пинена.

1.4. Окисление а-пинена диоксидом селена.

1.5. Окисление а-пинена KMnÜ4.

1.6. Применение продуктов окисления а-пинена.

1.6.1. Феромоны.

1.6.2. Лекарственные препараты.

1.6.3. Биологически активные соединения.

1.6.4. Душистые вещества.

1.6.5. Синтоны для синтеза хиральных лигандов.

2. Обсуждение результатов: Получение моно- и бифункциональных кислородсодержащих производных на основе а-пинена.

2.1. Синтез вербенона.

2.2. Синтез миртенола и миртеналя.

2.3. Диоксид хлора-новый окислитель органических соединений.

2.4. Хемо- и стереоселективное восстановление вербенона в г/г/с-вербенол

2.5. Синтез пинандиолов.

2.6. Кислородсодержащие производные борнана.

2.7. Термическая изомеризация бициклических монотерпеноидов.

3. Экспериментальная часть.

3.1. Синтез катализаторов окисления а-пинена.

3.2. Синтез и характеристики веществ.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез хиральных кислородсодержащих монотерпеноидов»

Кислородсодержащие терпеноиды, выделяемые в настоящее время в основном из дефицитных и дорогостоящих эфирных масел, имеют большое значение для ряда отраслей промышленности, в том числе при производстве синтетических душистых веществ, витаминов, лекарственных препаратов, феромонов насекомых. Кроме того, их моно- и бициклические производные нашли широкое применение в синтетической органической химии для получения важных оптически активных природных продуктов, лигандов для катализаторов различных асимметрических реакций, хирально модифицированных алюмо- и борогидридных восстановительных реагентов. Окисление весьма реакционно-способного а-пинена, являющегося основным компонентом скипидара -доступного многотоннажного продукта лесохимии - приводит к целому ряду ценных кислородсодержащих производных. Таким образом, разработка селективных окислительных методов функционализации а-пинена и дальнейшая трансформация полученных соединений в диолы и моноциклические соединения я-ментанового ряда является актуальной задачей.

Работа выполнена в Институте химии Коми Научного центра Уральского отделения РАН в рамках НИР по теме «Синтез функциональных производных низкомолекулярных компонентов из растительного сырья (в том числе хиральных): изучение физиологических свойств полученных соединений» №ГР 01.2.00102723 и 01.960.010009, при поддержке Научного совета «Химия и технология переработки возобновляемого растительного сырья» ХТРС № 97-42 и № 8.1.38 и Международного научно-исследовательского центра INTAS Ref. №99 1541.

Цель работы. Разработка методов получения вербенона, миртенола и 2-гидроксипинан-З-она на основе окислительной функционализации а-пинена с использованием кислорода воздуха, диоксида селена и перманганата калия, а также синтез на основе этих монотерпеноидов энантиомерно чистых моно- и бифункциональных производных; получение моноциклических кислородсодержащих соединений шра-ментанового ряда термической изомеризацией бициклических монотерпеноидов.

Научная новизна. Предложен реагент КаВН4-Се(МОз)з, позволяющий восстанавливать вербеной в цис-вербенол с 90-95 % хемо- и стереоселек-тивностью. Впервые из продуктов восстановления выделены и охарактеризованы /ираяс-вербенилэтиловый и трдкс-вербенилизопропиловый эфиры. Показана возможность получения индивидуальных энантиомеров оптически активных терпеновых спиртов, диолов, кетолов из а-пинена, имеющего низкую энантио-мерную чистоту. Впервые в качестве окислителя для органического синтеза предложен диоксид хлора. Установлено, что хемоселективность окисления первичных аллильных спиртов и а,Р-ненасыщенных альдегидов диоксидом хлора у зависит от природы растворителя.

Практическая значимость. На основе проведенных исследований окисления а-пинена предложен способ получения вербенона, разработан и запатентован способ получения миртенола. Предложен препаративный метод синтеза миртеновой кислоты с выходом в 3-4 раза превышающим известный, основанный на окислении миртеналя окисью серебра. Получены энантиомерно чистые г/ис-вербенол, транс-3,4-пинандиол, 2-гидроксипинан-З-он, цис- и транс-2,3-пинандиолы, камфорохинон, 2,3-борнандиолы. Пиролиз предложен в качестве метода перехода от бициклических монотерпенов к моноциклическим соединениям я-ментанового ряда. По разработанному и запатентованному способу синтезирован г/ис-вербенол (совместно с ИОХ РАН, им. Н.Д. Зелинского), который в составе феромонного препарата «Вертенол» успешно применен для защиты еловых лесов Подмосковья от жука 1рБ рагасоп/изт.

Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на всероссийских совещаниях «Лесохимия и органический синтез» (Сыктывкар, 1996, 1998 гг.); I, II и III Всероссийских конференциях «Химия и технология растительных веществ» (Сыктывкар, 2000; Казань, 2002, Саратов, 2004); XVI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Санкт-Петербург, 1998); 12-й Международной конференции по органическому синтезу (Венеция, 1998); Конференции по природным продуктам и физиологически т активным соединениям (Новосибирск, 1998); Конференции по органической химии, посвященной памяти И .Я. Постовского (Екатеринбург, 1998); XIX

International Conference on Isoprenoids (Gdansk, Poland, 2001); 20th conference on Isoprenoids (Liberec, Czech Republic, 2003).

Публикации. Основные материалы диссертации изложены в 22 печатных работах, из них 7 статей, 2 патента РФ и тезисы 13 докладов на международных и всероссийских конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, основных выводов, списка цитируемой литературы, включающего 170 источников, и приложения. Объем работы составляет 143 страницы; работа содержит 19 таблиц, 59 схем и 9 рисунков. Первая глава посвящена обзору литературы по методам окисления а-пинена и применению продуктов этих реакций. Вторая - посвящена изложению и обсуждению результатов собственных исследований. В третьей главе приведены экспериментальные данные - методы получения и характеристики веществ. В приложении приведен акт испытаний препарата «Вертенол» и спектры некоторых полученных соединений.

Заключение диссертации по теме «Органическая химия», Фролова, Лариса Леонидовна

Выводы

На основе проведенных исследований каталитического жидкофазного окисления а-пинена кислородом воздуха при атмосферном давлении предложен метод препаративного получения вербенона. Отработаны условия выделения вербенона и химической очистки его от примесей миртеналя, основанной на разной реакционной способности альдегидов и кетонов в реакциях восстановления комплексными гидридами металлов.

Разработан модифицированный метод синтеза миртенола окислением а-пинена диоксидом селена. Восстановление попутно образующегося миртеналя боргидридами натрия или калия в спиртах без разделения продуктов окисления позволяет увеличить выход миртенола.

Впервые для окисления монотерпенов был использован диоксид хлора. Показано, что окисление первичных аллильных спиртов приводит к а,Р-ненасыщенным альдегидам, кислотам и эфирам, а вторичных - к а,р-енонам. Природа растворителя оказывает решающее влияние на состав продуктов окисления. Разработан новый метод синтеза миртеновой кислоты. Применение СЮг для окисления органоборанов из а- и р-пиненов аналогично использованию перекиси водорода в щелочной среде.

Разработан новый, удобный и селективный метод получения г/мс-вербенола, основанный на хемо- и стереоселективном восстановлении вербенона системой NaBH4-Ce(N03)3.

Получены энантиомерночистые г/мс-вербенол, 2-гидроксипинан-З-он, цис- и ш/?£шс-2,3-пинандиолы и т/?сшс-3,4-пинандиол на основе а-пинена, имеющего низкую энантиомерную чистоту, путем кристаллизационного разделения скалемических препаратов.

Изучено окисление энантиомеров 3-э«Эо-бромкамфоры воздухом в ДМСО в присутствии Nal или KI. Показано, что из (-)-бромкамфоры образуется (+)-камфорохинон, а из (+)-бромкамфоры - (-)-камфорохинон. Реакция окисления сопровождается образованием камфорного ангидрида.

Установлены закономерности пиролиза бициклических кислородсодержащих монотерпеноидов. Показано, что связь С=С, расположенная в аллильном положении к циклобутановому или циклопропановому кольцу, оказывает решающее влияние на расщепление С-С связи, приводящей к образованию соединений я-ментадиенового ряда. Получение рацемических моноциклических продуктов при пиролизе соединений пинанового ряда связано с образованием симметричного делокализованного бирадикала. В случае соединений каранового ряда оптическая активность продуктов сохраняется.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Фролова, Лариса Леонидовна, 2005 год

1. К. Бурно. Терпены. Пер. Н.К. Юрашевского, под ред. A.C. Гинзберга. J1.: Госхимиздат, 1933. - 152 с.

2. Растительное сырье. Вып. 8. Химия растительных веществ. Под ред. Г.В. Пигулевского. M.-JL: Изд-во АН СССР, 1961.-336 с.

3. В.Г. Пигулевский. Химия терпенов. Л.: Изд-во ЛГУ, 1949. - 288 с.

4. П. де Майо. Терпеноиды. М.: Иностр. лит., 1963. - 490 с.

5. С.А. Осадчий, Г.А. Толстиков. Скипидары как исходное сырье для промышленного органического синтеза // Химия в интересах устойчивого развития, 1997.-Т.5.-С. 79-93.

6. А.Н. Трофимов. Общий задачи науки в переработке древесного сырья // III Всероссийская конференция «Химия и технология растительных веществ»: Тез. докл. Саратов, 2004. - С. 330-332.

7. М.Н. Эмануэль, Е.Т. Денисов, З.К. Майзус. Цепные реакции окисления углеводородов в жидкой фазе. — М.: Наука, 1965. 375 с.

8. Д.Г. Кнорре, З.К. Майзус, JI.K. Обухова, Н.М. Эмануль. Современные представления о механизме окисления углеводородов в жидкой фазе // Успехи химии, 1957. T.XXVI. - С. 416-458.

9. И.И. Бардышев, B.C. Шавырин. Направленное автоокисление смеси терпено-вых углеводородов // Сб. тр. ЦНИЛХИ. М.: Лесная пром., 1966. - Вып. 17. -С. 14-27.

10. В.В. Вороненков, А.Н. Виноградов, В.А. Беляев. Структурные и пространственные факторы, определяющие скорость автоокисления а-метиленовых групп алкилароматических и этиленовых углеводородов // Успехи химии, 1970. Т. XXXIX, вып. 11. - С. 1989-2004.

11. П. Сайке. Механизмы реакций в органической химии. Пер. с англ. М.: Химия. 1991.-448 с.

12. М.М. Павлюченко, М.М. Соколов. Окисление пинена и карена молекулярным кислородом//Ж.прикл.химии, 1948.-Т.21.-№11.-С. 1168-1173.

13. B.C. Шавырин, И.И. Бардышев. Кинетика жидкофазного фотоиници-ированного окисления Д3-карена и лимонена // Сб. тр. ЦНИЛХИ. М.: Лесная пром., 1968.-Вып.19.-С.11-17.

14. Е.Н. Новикова. Влияние заместителей в молекулах ингибиторов на их защитные свойства при автоокислении а-пинена // Ж.Общ.химии, 1958.- №28.1. C. 1993-1997.

15. Е.Т. Денисов, М.Н. Эмануэль. Катализ солями металлов переменной валентности в реакциях жидкофазного окисления // Успехи химии, 1960. -T.XXXIX. Вып. 12. - С. 1409-1438.

16. R.N. Moore, C.Golumbik, G.S. Fisher. Autoxidation of a-pinene // J.Am.Chem.Soc, 1956.-V.78.-P. 1173-1176.1.provements in or relating to treatment of terpene autooxidation mixtures and products //Pat. GB 761686, 1956.

17. J.P. Bain and W.Y. Gary. Preparation of verbenyl compounds from 3-pinene-2-ol // Pat. US 2818427, 1957;

18. J.P. Bain and W.Y. Gary. Preparation of verbenone // Pat. US 2767215, 1956.

19. В.Г. Черкаев. Некоторые пути использования а-пинена в синтезе душистых веществ // Синтетические продукты из канифоли и скипидара. Минск: Наука и техника, 1964. С. 233-250.

20. J.P. Bain, W.Y. Gary. Production of oxygenated terpenes from alpha-pinene // Pat. US 2911442, 1959;

21. J.P. Bain, A.B. Booth, E.A. Klein. Producing and recovering terpenic oxidation products // Pat. US 2863882, 1960.

22. E.C. Mora. Process for preparation of verbenone and myrtenal and therapeutical uses thereof//Pat. GB 1585831, 1981.

23. Procédé de production d'un mélange terpenique // Swiss Pat. 542163, 1973.

24. B.П. Патласов, В.И. Савиных, С.Р. Кушнир, В.П. Лукоянов. Исследование непрерывного процесса окисления а-пинена // Изв. ВУЗов. Лесной журнал, 1999.-№5.-С. 74-82,

25. C.С. Поддубная, В.Г. Черкаев, И.А. Дьяконова. Способ получения смеси вербеноиа и вербенола // А.С. СССР 194083, 1967.

26. Черкаев В.Г., Красева В.Н., Поддубная С.С., Райцес Ф.М., Миньковский М.М. IV Междунар. Конгресс по эфирным маслам. Т.1. «Химия и технология эфирных масел и душистых веществ». Тбилиси, 1968. С. 414-422.

27. Kizlink J., Hronec M., Cvengrosova Z. E. Kuruc, M. Kriz, A. Oblozinsky, J. Ivansky. Sposob pripravy verbenonu // Patent CS, 258634, 1989.

28. M. Lajunen, A.M.P. Koskinen. Co(II) Catalysed oxidation of a-pinene by molecular oxygen. Synthesis of verbenone // Tetrahedron Letters, 1994. Vol. 35. -№25.-P. 4461-4464.32