Жидкофазное окисление метилфениладамантанов кислородом в присутствии металлов переменной валентности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.03, кандидат химических наук Красников, Сергей Владиславович

• Красников, Сергей Владиславович
• кандидат химических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат химических наук Красников, Сергей Владиславович

Введение

Глава 1 - Литературный обзор '

1.1 Окисление органических соединений с применением катализаторов на основе соединений металлов переменной валентности

1.1.1 Использование промотирующих добавок при жидкофазном каталитическом окислении

1.1.2 Смешанные каталитические системы для жидкофазного окисления

1.1.3 Влияние природы растворителя на механизм каталитического окисления

1.1.4 Реакционная способность углеводородов в реакции каталитического окисления

1.2 Адамантан и его производные. Реакционная способность адамантанов

1.2.1 Строение адамантана и реакционная способность атомов углерода в его структуре

1.2.2 Окисление адамантанов

1.3 Биологическая активность производных адамантана

Глава 2 - Экспериментальная часть

2.1 Характеристика и подготовка исходных веществ

2.2 Аппаратура и методики проведения реакции окисления

2.3 Методики получения производных

2.4 Методики анализа исходных соединений и полученных продуктов

Глава 3 - Жидкофазное окисление 4-(1-адамантил)-о-ксилола кислородом в присутствии металлов переменной валентности

3.1 Кинетические закономерности и стадийность каталитического жидкофазного окисления 4-(1-адамантил)-о-ксилола

3.1.1 Влияние температуры, начальной концентрации 4-(1-адамантил)-о-ксилола и катализатора на скорость окисления

3.1.2 Стадийность окисления метальных групп 4-(1-адамантил)-о-ксилола

3.2 Квантовохимическое изучение реакционной способности алкилароматических соединений в реакции каталитического окисления

3.2.1 Корреляция относительной скорости окисления алкилароматических соединений с потенциалом ионизации

3.2.2 Факторы, влияющие на региоселективность окисления п-цимола

3.2.3 Региоселективность окисления 4-(1-адамантил)-о-ксилола

3.3 Механизм жидкофазного окисления 4-(1-адамантил)-о-ксилола в присутствии металлов переменной валентности

Глава 4 - Синтез производных 4-(1-адамантил)-о-фталевой, 4-(1-адамантил)бензойной и 4-(1-адамантил)-2-метилбензойной кислот

4.1 Синтез производных 4-(1-адамантил)бензойной кислоты и их фармакологическая активность

4.2 Синтез произвоных 4-(1-адамантил)фталевой кислоты

4.3 Синтез производных 4-(1-адамантил)-2-метил бензойной кислоты

Выводы

Перечень использованных сокращений

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Жидкофазное окисление метилфениладамантанов кислородом в присутствии металлов переменной валентности»

Актуальность работы

Изучение закономерностей жидкофазного окисления алкилароматических соединений в присутствии соединений металлов переменной валентности играет ключевую роль для проведения направленного синтеза продуктов этой реакции. В настоящее время накоплен значительный экспериментальный материал по окислению соединений различных классов, ведутся исследования механизма реакции. Однако систематического изучения реакционной способности алкилароматических соединений не проводилось. В связи с этим отсутствует подход к оценке селективности окисления, которая в ряде случаев очень необычна для свободно-радикальных процессов. Кроме того, имеется мало данных о строении промежуточных частиц в этой реакции, полученных квантово-химическими методами, особенно с использованием расчетов в жидкофазном приближении.

Целевыми продуктами каталитического жидкофазного окисления алкилароматических соединений являются главным образом карбоновые кислоты ароматического ряда. Эти соединения, благодаря своей функциональности, представляют значительную практическую ценность в качестве синтонов в органическом синтезе, например, при получении физиологически активных веществ. Особенный интерес вызывают соединения, содержащие определенный фармакофорный фрагмент. Адамантановый фрагмент является одним из типичных фармакологически-значимых структурных мотивов. Интерес к нему связан как с его липофильными свойствами, благодаря которым увеличивается проницаемость вещества через клеточные мембраны, так и с его жесткой, пространственно определенной структурой, которая может эффективно распознаваться специфическими участками поверхности белковых макромолекул. Обеспечение химической устойчивости подобных фрагментов в ходе всех стадий синтеза целевого продукта является одним из основных требований, предъявляемых к используемым синтетическим методам. Кроме того, эффективность синтетического метода определяется его соответствием определенным экономическим и экологическим требованиям. По всем упомянутым показателям процесс жидкофазного каталитического окисления можно отнести к таким реакциям.

Все вышесказанное свидетельствует о том, что исследования в данной области являются актуальными.

Цели работы

- изучение закономерностей жидкофазного каталитического окисления 4-(1-адамантил)-о-ксилола с целью подтверждения механизма реакции и разработки методов синтеза продуктов окисления, обладающих практической ценностью;

- изучение влияния сольватации, пространственного и электронного строения исходных и промежуточных частиц на селективность реакции жидкофазного окисления алкилбензолов с помощью квантово-химических методов;

- синтез производных 4-(1-адамантил)бензойной, 4-(1-адамантил)-2-метилбензойной и 4-( 1 -адамантил)фталевой кислот, полученных жидкофазным окислением метилфениладамантанов, и поиск возможных путей их использования.

Научная новизна

Проведенные кинетические исследования реакции каталитического жидкофазного окисления 4-( 1 -адамантил)-о-ксилола кислородом позволили сделать вывод о нецепном механизме этой реакции, включающем в качестве лимитирующей стадию одноэлектронного переноса между катализатором и субстратом. На основе полученных данных установлено, что метальная группа в идра-положении по отношению к адамантильному радикалу более реакционноспособна, чем группа в ./иета-положении. В результате квантово-химического исследования объяснена различная реакционная способность метальных групп 4-(1-адамантил)-о-ксилола. Впервые для объяснения региоселективного окисления метальной группы в и-цимоле использованы расчетные методы в жидкофазном приближении. Изучены различные факторы конкуренции возможных направлений депротонирования радикал-катиона п-цимола, показана ключевая роль сольватационных эффектов. Установлена зависимость между реакционной способностью и потенциалом ионизации алкилароматических соединений.

Практическая ценность

Разработаны методы синтеза адамантилбензойных и адамантилфталевых кислот и их производных классов iV-ациламинокислот, амидов, 1,3,4-оксадиазолов, имидов, фталазинов. Синтезировано около 100 новых соединений, содержащих перспективный фармакофорный фрагмент ариладамантана. Проведенные доклинические испытания на кафедре фармакологии ЯГМА для 9 соединений показали наличие достоверно значимой противовоспалительной, противоболевой, антигипоксической активности и иммуномодулирующего действия при очень низкой острой токсичности.

Заключение диссертации по теме «Органическая химия», Красников, Сергей Владиславович

Выводы

1. При изучении реакции окисления 4-(1-адамантил)-о-ксилола кислородом в присутствии кобальт-марганец-бромидного катализатора установлено, что реакция протекает путём последовательного окисления метальных групп, причем метальная группа в wqpa-положении к адамантильному радикалу более реакционноспособна, чем группа в .медиа-положении. Для доказательства формальной схемы процесса использованы соединения, полученные встречным синтезом, а также выделенные из реакционной смеси промежуточные продукты окисления.

2. Полученные кинетические данные подтверждают нецепной механизм окисления 4-( 1 -адамантил)-о-ксилола, включающий в качестве лимитирующей стадию одноэлектронного переноса с образованием радикал-катиона, по крайней мере, в начальный период реакции.

3. В результате квантово-химического исследования показано, что региоселективность окисления метальных групп 4-(1-адамантил)-о-ксилола определяется электронным строением радикал-катиона.

4. Моделирование исходной структуры и переходных состояний в конкурирующих реакциях депротонирования радикал-катиона и-цимола с учетом эффекта сольватации позволило обосновать большую реакционную способность метальной группы по сравнению с изопропильной, наблюдающуюся при окислении этого углеводорода. Показана ключевая роль сольватационных эффектов, связанных с большей доступностью атомов водорода метальной группы для молекул растворителя.

5. Установлена зависимость между относительной реакционной способностью и потенциалом ионизации субстратов для алкилароматических соединений.

6. На основе продуктов окисления 4-( 1 -адамантил)-о-ксилола и 4-(1-адамантил)бензойной кислоты в процессе работы синтезировано около 100 новых соединений, содержащих ариладамантановый фрагмент. Проведенные доклинические испытания N- [4-( 1 -адамантил)бензоил] -замещенных аминокислот и их амидов показали наличие достоверно значимой противовоспалительной, противоболевой, антигипоксической активности и иммуномодулирующего действия при низкой острой токсичности.

Перечень использованных сокращений

АК-АМБ

АМБК

АФБК

АФК-МПВ-ОС-ПС-РК

4-( 1-адамантил)-о-ксилол;

4-(1 -адамантил)-2-метилбензальдегид и

5-( 1 -адамантил)-2-метилбензальдегид;

4-(1-адамантил)-2-метилбензойная кислота и

5-( 1 -адамантил)-2-метилбензойная кислота;

4-(1-адамантил)-2-формилбензойная кислота и

5-(1 -адамантил)-2-формилбензойная кислота; 4-( 1 -адамантил)фталевая кислота; металл переменной валентности; основное состояние; переходное состояние; радикал-катион;

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Красников, Сергей Владиславович, 2005 год

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

2. Dessau R.M., Shin S., Heibo E.I. Oxidation by metal salts. VI. A new chemical method for the generation of aromatic radical-cation // J. Amer. Chem. Soc. -1970. Vol. 92, № 2. - P.412-413.

3. Kamiya Y., Kashima M. Autoxidation of aromatic hydrocarbons catalyzed by cobalt acetate acetic in acetic acid solutions. II. Oxidation of ethylbenzene and cumene // Bull. Chem. Soc. Japan. 1973. - V.46. - P. 905.

4. Hertog H.J., Kooyman E.C. Manganese acetate catalyzed oxidation of toluene // J. Catal. 1966. - Vol. 6. - P. 347-357.

5. Scott E.J., Chester A. W. Kinetics of the cobalt catalyzed autoxidation of toluene in acetic acid. The Role of Cobalt // J. Phis. Chem. - 1972. - Vol. 76, № 3.-P. 1520-1524.

6. Marimoto Т., Ogata V. // J. Chem. Soc. Perkin II. 1967. - Vol. 62. - P. 10361038.

7. Dewar M.I.S., Stocrch D.M. Comparative tests of theoretical procedures for studing chemical reactions // J. Amer. Chem. Soc. 1985. - Vol. 107, № 13. -P.3898-3902.

8. Фарберов М.И., Миронов Г.С., Павелко H.B. Технический синтез 3,4,3',4'-бензофенонтетракарбоновой кислоты // Химическая промышленность. -1972. Т. 28, № 2. - С.28-29.

9. Обухова Т.А. Направленный синтез алкил- и циклоалкилзамещённых карбоновых кислот ароматического и циклоалифатического рядов: Дисс . докт. хим.наук. Ярославль, 1993. - 232 с.

10. Bawn С.Е.Н. Free-radicals reactions in solutions, catalyzed by heavy metal ions // Disc. Farad. Soc. 1953. - V. 14. - P. 181.

11. Скибида И.П. Гомогенный катализ соединениями металлов переменной валентности реакций жидкофазного окисления молекулярным кислородом: Автореф. дисс. докт. хим. наук. -М., 1997.

12. Дигуров Н.Г., Гавриленко Н.Д. Бухаркина Т.В. Кинетика окисления бензилового спирта в уксусной кислоте ионами металлов переменной валентности // Кинетика и катализ. 1978. - Т. 19, № 1.

13. Kamiya Y. The autoxidation of tetralin catalyzed by cobalt salt and sodium bromide in acetic acid // Tetrahedron. 1966. - Vol. 33. - P. 2029-2038.

14. Kamiya Y. Catalysis by cobalt and bromide vons in the autoxidation of alkylbenzenes in acetic acid // J. Catal. 1974. - Vol. 33. - P. 480-485.

15. Kamiya Y., Nakayama Т., Sakotak. The autoxidation of /^-xylene catalyzed with cobalt monobromide in acetic acid // Bull. Chem. Soc. Japan. 1966. - V.39. -P. 2211-2215.

16. Сапунов B.H., Селютина Э.Ф., Толчинская O.C. Кинетика окисления метилфенилкарбинола в уксусной кислоте с кобальт-бромидным катализатором // Кинетика и катализ. 1974. — Т. 16, вып. 6. - С. 605-609.

17. Редутко Н.В., Камнева А.И. Исследование природы промотирующего действия ионов брома при катализе окисления «-ксилола солями кобальта // Докл. АН СССР. 1975. - Т. 220. - С. 834-837.

18. Brile W.F. Terephtalic acid by single stege oxidation // Ind. And Eng. Chem. -1960. - Vol. 52. - P.837-840.

19. Белецкая A.A. / Межд. симпозиум по катализу // ЖОрХ. 2001. — Т. 37, в. 9 -с. 1103.

20. Эджиня А.С., Трусов С.Р., Нейланд О.Я. Изучение взаимодействия алкиларенов с кобальтбромидными катализаторами методом потенциометрии //Изв. АН Латв. ССР Сер. хим., 1978.-№ 5, С.621-623.

21. Якоби В.А. Реакционная способность органических соединений // Тр. МХТИ, М., 1978. № 103, с. 66-92.

22. Дигуров Н.Г., Батыгина Н.А., Бухаркина Н.В. Окисление ксилолов в растворе уксусной кислоты с кобальтбромидным катализатором // Нефтехимия. 1985. - Т. 24, № 1.

23. Овчинников В.И., Назимок В.Ф., Симонова Т.А. Производство терефталевой кислоты и её диметилового эфира // М.: Химия. 232 е., ил.

24. Бродский М.С., Ялтер Ю.А., Гервиц М.Я. Кинетические закономерности и математическая модель кинетики реакции каталитического окисления 4-нитротолуола в жидкой фазе // Кинетика и катализ. 1980. — Т. 21, № 1. -С. 265-273.

25. Александров В.Н., Гитис С.С., Сосонкин И.М. Проявление синергизма в реакции каталитического окисления «-ксилола // Кинетика и катализ. -1974. Т. 15, № 2. - С. 505-508.26.