Материал: Современные методы синтеза гетероциклических соединений (110

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ СИНТЕЗА ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Учебно-методическое пособие для вузов

Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета

2012

1

Утверждено научно-методическим советом химического факультета ВГУ 16 февраля 2012 г., протокол № 2

Составители: д-р хим. наук, проф. Х.С. Шихалиев, д-р хим. наук, проф. М.Ю. Крысин, д-р хим. наук, доц. Н.В. Столповская, д-р хим. наук, асс. А.В. Зорина

Рецензент канд. хим. наук, доцент А.С. Шестаков

Учебно-методическое пособие подготовлено на кафедре органической химии химического факультета Воронежского государственного университета.

Рекомендуется для студентов 3-го, 4-го курса дневного отделения химического факультета.

Для специальности 020101 – Химия

2

Современный ритм жизни ставит перед правительствами и общественными организациями разных стран необходимость уделять все больше внимания вопросам энергетики и природных ресурсов, призывает каждого человека к более ответственному использованию ресурсов в целом. Промышленность, а в особенности химические производства, нацелены на сокращение затрат потребления различных природных ресурсов и уменьшения негативного воздействия на окружающую среду. Если раньше главными параметрами при выборе пути технологического процесса были экономические затраты, то в настоящее время предпочтение отдается более экологичным схемам проведения реакций, сокращающим необходимость дополнительной переработки и утилизации отходов производства. Реакционная способность растворителей и вопросы разделения полученных продуктов – важные проблемы современной химии, нашедшие свое отображение в двенадцати принципах зеленой химии, описанных Анастасом и Уорнером. В работе было показано, что для осуществления экологически безопасного и экономически выгодного производства необходимо выполнение следующих условий: интенсификация протекания процессов, изучение альтернативных путей проведения реакций, использование микрореакторов, суперкритических жидкостей, возобновимого сырья, энергонезависимых растворителей, катализа, проведение реакций без растворителей. Было установлено, что 60–80 % затрат на проведение той или иной реакции тратится на разделение полученных продуктов вследствие неселективности использованного процесса. Наиболее остро проблема разделения продуктов органического синтеза касается фармацевтического производства. В связи с этим еще более актуальным становится вопрос разработки новых методов синтеза гетероциклических соединений, которые позволят сократить затраты, связанные с очисткой продуктов реакции и решить ряд экологических проблем на предприятиях химической и фармацевтической промышленности. Кроме того, зачастую выбор новых методов проведения органических реакций решает вопросы регио-, диастерео- и энантиоселективности, помогает расширить возможности использования катализа. В настоящий момент среди новых методов в синтезе гетероциклических соединений можно выделить следующие:

•проведение реакций в отсутствии растворителя,

•проведение реакций в воде,

•проведение реакций в среде полиэтиленгликоля (ПЭГ),

•проведение реакций в сверхкритическом СО2,

•использование в качестве растворителей ионных и перфторированных жидкостей,

•использование микроволновой активации химических превращений.

3

Реакции, протекающие без использования растворителя

Большая часть отходов производства и очистки продуктов органического синтеза представляет собой растворители, в среде которых осуществлялось взаимодействие. Использование растворителей в органическом синтезе облегчает процесс теплообмена между реакционной массой и окружающей средой, решает проблемы массопереноса и облегчает равномерное распределение субстратов в реакционном объеме. Все это привело к тому, что долгое время считалось обязательным использование растворителей для проведения синтетических реакций. В настоящее время известно, что из-за особенностей кристаллических решеток проведение реакций без растворения способствует более селективному протеканию процесса. Хотя попрежнему часто используются различные растворители для осуществления изучаемых взаимодействий. Проведение реакций в отсутствии растворителя позволяет избежать ранее указанных затрат. Кроме того, данная методология имеет ряд преимуществ таких как:

•уменьшение рисков, связанных с работой с органическими растворителями;

•отсутствие необходимости утилизации или очистки для повторного использования растворителей;

•в случае проведения реакции на неорганической подложке сокращаются расходы на ее восстановление;

•увеличение чистоты получаемых продуктов;

•уменьшение времени протекания реакции;

•отсутствие необходимости защиты реакционно-способных функциональных групп;

•сокращение затрат производства.

Большое число реакций, протекающих без растворителя, активируют при помощи микроволнового излучения.

Можно привести множество примеров реакций, протекающих без растворителя.

Азиридины – известный класс трехчленных гетероциклов. Их уникальная структура обладает огромным потенциалом в качестве промежуточного звена в органическом синтезе, кроме того, многие из них являются биологически активными. Получить азиридины можно из илиденнитроалканов и [4-нитробензосульфонил] оксикарбамата простым трением друг об друга данных реагентов (схема 1). В качестве неорганической базы используется оксид кальция.

4

Схема 1

Без растворителя можно проводить синтез пирролов по реакции Паля– Кнорра. Зачастую реакцию проводят с использованием микроволновой активации, это позволяет в значительной мере снизить время протекания процесса. Варьируются условия синтеза пирролов в зависимости от исходных субстратов. Так, например, взаимодействие α,β-непредельных карбонильных соединений с аминами и нитроалканами (схема 2) протекает на подложке из нитроаклкана на силикагеле, в таких же условиях реагируют N,N- дизаме-щенные тиобарбитуровые кислоты, образуя пирроло[2,3- d]пиримидины.

Схема 2

Другой вариант синтеза пирролов основан на трехкомпонентной реакции карбонильной компоненты, амина и α-замещенногонитроалкена на оксиде алюминия. Интересно, что обязательно использовать замещенный нитроалкен (схема 3), иначе реакция идет в нескольких направлениях.

Схема 3

Также без растворителя протекает алкилирование алкенами ароматических соединений – реакция Фриделя–Крафтца. Например, пиррол алкилируется в α-положение (схема 4) с хорошими выходами при комнатной температуре в присутствии органического катализатора N,N’-ди(3,5- дитрифтор-метилфенил)-(тио)мочевины.

5