Размещено на http://www.allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук

КОБАЛЬТКАТАЛИЗИРУЕМОЕ КАРБОНИЛИРОВАНИЕ МАЛОАКТИВНЫХ АРИЛГАЛОГЕНИДОВ

02.00.03 - Органическая химия

05.17.04 - Технология органических веществ

Боярский Вадим Павлович

Санкт-Петербург 2009

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте нефтехимических процессов ОАО «ВНИИНефтехим» (Санкт-Петербург)

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор де Векки Андрей Васильевич

доктор технических наук, профессор Ласкин Борис Михайлович

доктор химических наук, профессор Островский Владимир Аронович

Ведущая организация:

Институт органического синтеза УрО РАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГТИ(ТУ).

Отзывы и замечания, заверенные печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета. Тел. (812) 494-93-75, факс (812) 712-77-91.

E-mail: dissovet@lti-gti.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.х.н., доцент /Н.Б. Соколова/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Карбонилирование арил- и гетарилгалогенидов с использованием в качестве катализаторов комплексов палладия и кобальта следует рассматривать как наиболее современный и перспективный способ промышленного и лабораторного синтеза ароматических и гетероароматических кислот и их производных. Данные продукты, помимо традиционных сфер применения, представляют интерес для получения современных материалов - жидких кристаллов, жидкокристаллических термопластов и электролюминесцентных соединений. Применяемые в настоящее время методы синтеза карбоновых кислот базируются на классических реакциях органической химии - алкилировании, ацилировании, окислении. Эти методы зачастую многостадийны, энергоемки и высокоотходны.

Ранее, в 80-90-х годах, были созданы основы гибкой технологии карбонилирования жирноароматических и ароматических галогенидов в мягких условиях (Т.Е. Жеско, В.П. Боярский). При этом карбонилирование арилгалогенидов проводилось с использованием специально разработанной для этого каталитической системы на основе дикобальтоктакарбонила, модифицированного бензилхлоридом. Эта каталитическая система имеет два существенных недостатка. Во-первых, она предполагает использование в качестве модификатора в почти стехиометрических количествах бензилхлорида. В процессе реакции бензилхлорид сам активно карбонилируется, образуя побочный продукт -фенилуксусную кислоту. Фенилуксусная кислота, хотя является полезным продуктом сама по себе, зачастую затрудняет выделение целевой арилкарбоновой кислоты. Во-вторых, эта каталитическая система проявила недостаточную каталитическую активность при использовании в реакции карбонилирования малоактивных субстратов - неконденсированных арилхлоридов.

Создание и разработка более эффективной каталитической системы на основе известного и относительно недорогого катализатора оксосинтеза - дикобальтоктакарбонила - представляет несомненный интерес для получения большого числа ароматических и гетероароматических кислот, область применения которых в качестве основы целого ряда современных материалов в настоящее время активно расширяется. Особую роль играет получение ди- и полиарилкарбоновых кислот, перспективных для создания нанокомпозитов.

Так, 4,4?-бифенилдикарбоновая кислота является исходным сырьем для синтеза полисопряженных бифенильных систем, используемых в OLED-технологиях. Она также служит сырьем для получения гетероароматических дикарбоксильных производных - потенциальных люминесцентных красителей и новых электроактивных материалов со структурой дибензотиофена, карбазола и фенантрена. Широкое применение подобных материалов в настоящее время ограничено тем, что единственным промышленным источником 4,4?-бифенилдикарбоновой кислоты являются отходы производства терефталевой кислоты, из которых она выделяется в незначительных количествах. Поэтому возможность получения любых необходимых количеств этого соединения карбонилированием имеет большое практическое значение.

Другим классом новых материалов, для производства которых требуются современные методы синтеза ароматических карбоновых кислот, являются дендримерные композиты (дендримеры). При синтезе дендримеров часто используются арилкарбоновые и арилдикарбоновые кислоты, имеющие в ароматическом ядре, кроме карбоксильной, также аминную или гидроксильную функции, позволяющие наращивать дендимерные слои.

Еще более актуальной задачу разработки эффективной каталитической системы карбонилирования малоактивных арилгалогенидов делает проблема уничтожения или утилизации стойких органических загрязнителей (СОЗ), к которым, кроме известных диоксинов, относятся и другие хлорароматические соединения, в частности - полихлорированные бифенилы (ПХБ).

Коммерческие ПХБ представляют собой сложные смеси, состоящие из 50-70 индивидуальных соединений (конгенеров). Они обладают рядом уникальных физико-химических свойств, что обуславливает их широкое применение в качестве диэлектриков в производстве электролитических конденсаторов и трансформаторных масел. В то же время обнаружено, что полихлорбифенилы высоко токсичны. При этом они являются стойкими к биологическому и химическому разложению. В связи с этим, в настоящее время поиску и разработке методов обезвреживания накопленных полихлорбифенилов во всех развитых странах уделяется огромное внимание, так как всего в мире было произведено более 1500000 тонн технических смесей ПХБ различного состава. Представляется весьма заманчивым использовать в данном случае реакцию карбонилирования, но известные каталитические системы не способны активировать неконденсированные арилхлориды.

Работа выполнялась в соответствии с программой приоритетных направлений развития химии «Разработка эффективных каталитических систем переработки углеводородов и углеродсодержащего сырья» по договорам с рядом предприятий, а также в рамках программы реализации положений Международной Стокгольмской конвенции по стойким органическим загрязнителям в совместном проекте с СПб центром РАН.

Цель работы. Создание новой эффективной, практически доступной, экологически безопасной каталитической системы карбонилирования химически стойких арил- и гетарилгалогенидов и разработка на ее основе метода синтеза ароматических и гетероароматических кислот и их производных.

Разработка научных основ карбонилирования арил- и гетарилгалогенидов с использованием новой каталитической системы путем исследования механизма протекающих реакций и анализа строения каталитической системы.

Применение указанной системы в разработанной ранее гибкой технологии производства ароматических и гетероароматических кислот карбонилированием соответствующих галогенидов для расширения круга потенциальных промышленно-полезных продуктов, а также для обезвреживания технических смесей полихлорбифенилов.

Научная новизна. Предложена новая каталитическая система карбонилирования арилгалогенидов на основе модифицированного оксиранами (эпоксидами) карбонила кобальта. Исследована возможность анион-радикальной активации арилгалогенидов в реакции карбонилирования и применимость данного метода к широкому кругу ароматических и гетероароматических субстратов, а также к химически стойким арилхлоридам. Разработаны научные основы использования подобных каталитических систем.

Наиболее существенными являются следующие результаты:

- разработана новая каталитическая система для проведения реакции карбонилирования арил- и гетарилгалогенидов на основе карбонила кобальта, модифицированного метилоксираном. Данная каталитическая система обладает высокой активностью и селективностью, позволяющей эффективно осуществлять синтез ароматических и гетероароматических карбоновых кислот;

- проведено исследование механизма карбонилирования арилгалогенидов в каталитической системе, состоящей из карбонила кобальта, моноалкилоксирана и основания. Показано, что данная каталитическая система активирует арилгалогениды по анион-радикальному механизму. Изучение кинетических закономерностей процесса совместно с данными ИК спектроскопии и квантово-химическими расчетами позволило сделать вывод об обратимости образования активного каталитического комплекса в условиях реакции. Показано, что каталитический комплекс в условиях реакции способен образовываться не только из эпоксида, но и из продукта его метанолиза - монометилового эфира соответствующего гликоля;

- показана возможность активации в реакции карбонилирования неконденсированных арилхлоридов - полихлорированных бифенилов. Обнаружено, что полихлорированные бифенилы, имеющие более одного атома хлора хотя бы в одном из ядер, вступают в реакцию карбонилирования, катализируемую модифицированным оксиранами карбонилом кобальта, с образованием ароматических карбоновых кислот или их эфиров. Изучено влияние структуры ПХБ на скорость и селективность реакции;

- исследована реакция карбонилирования технических смесей полихлорированных бифенилов. Показано, что при давлении монооксида углерода 0.1 МПа и температуре 60-65 °С все компоненты наиболее распространенной в России технической смеси ПХБ «Совтол-10» вступают в реакцию карбонилирования с образованием смеси ароматических карбоновых кислот с содержанием в среднем двух карбоксильных групп на молекулу;

- на примере 2,4,8-трихлордибензофурана показано, что диоксиноподобные соединения также могут быть обезврежены путем дехлорирования с помощью метода карбонилирования.

Работа является развитием нового научного направления в гомогенном металлокомплексном катализе, представляя метод активации арилгалогенидов в реакции карбонилирования с помощью металлоциклических анионных комплексов. Проведенное в этом направлении исследование позволило решить крупную научную проблему синтеза труднодоступных карбоновых кислот с одновременной разработкой нового подхода к решению проблемы детоксикации СОЗ, имеющей важное хозяйственное значение.

Практическая значимость. С использованием разработанной каталитической системы предложен новый лабораторный метод синтеза ароматических и гетероароматических кислот карбонилированием соответствующих галогенидов. Высокая селективность реакции и мягкие условия проведения карбонилирования делают предложенный метод удобным и достаточно привлекательным для лабораторного получения широкого ряда карбоксильных соединений;

- разработан новый промышленно применимый способ получения ряда арил- и гетарилкарбоновых и арилдикарбоновых кислот из доступных исходных соединений с высоким выходом и селективностью;

- разработаны основы технологии простой и эффективной переработки промышленных смесей полихлорированных бифенилов в мягких условиях (при давлении монооксида углерода 0.1 МПа и температуре 60-65 °С) в производные карбоновых кислот. Метод апробирован на пилотной установке. Тот факт, что диоксины и диоксиноподобные соединения, присутствующие в качестве микропримесей в технических смесях ПХБ, также могут быть дехлорированы с помощью данного метода, делает получаемые продукты - смеси карбоновых кислот - экологически гораздо менее опасными.

На защиту выносятся следующие основные научные результаты и положения:

1. Принцип модификации карбонила кобальта для активации инертных арилгалогенидов в реакциях карбонилирования.

2. Научно-обоснованное конструирование нового класса каталитических систем карбонилирования малоактивных арилгалогенидов на основе кобальторганического металлоциклического лактона.

3. Схема механизма действия каталитических систем на основе дикобальтоктакарбонила, модифицированного оксиранами, в спиртово-основной среде.

4. Синтез ароматических и гетероароматических кислот с использованием метода карбонилирования, границы применимости метода и круг галогенидов, способных принимать участие в реакции карбонилирования.

5. Использование разработанного метода для решения экологической проблемы дехлорирования стойких органических загрязнителей - полихлорбифенилов.

Личный вклад автора. Автором осуществлена постановка общей задачи исследования, сформулированы основные научные идеи, разработан теоретический и экспериментальный подход к модификации карбонила кобальта для активации инертных арилгалогенидов в реакциях карбонилирования, проведены анализ и интерпретация полученных экспериментальных и расчетных данных. Под непосредственным руководством автора и при его личном участии выполнены экспериментальные исследования на всех этапах работы. Диссертант предложил методы анализа реакционных смесей, разработал способы выделения и установления структуры получающихся продуктов реакции. Значительное внимание уделено использованию разработанной каталитической системы для дехлорирования CОЗ как в лабораторных условиях, так и на пилотной установке.

Апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 22 статьи в научных журналах, тезисы 22 докладов, получено 4 патента РФ на изобретения.

По основным разделам работы были сделаны доклады на VIII Международном симпозиуме по металлоорганической химии (США, Санта-Барбара, 1995); на III семинаре с международным участием по теоретическим проблемам катализа (Москва-Черноголовка, 1998); на II и IV Международных конгрессах химических технологий (Санкт-Петербург, 2001; Санкт-Петербург, 2003); на Финско-Российских семинарах по химии и экологии металлорганических соединений (Санкт-Петербург, 2001, Финляндия, Ювяскюля, 2004); на VI и VII Российских конференциях с международным участием «Механизмы каталитических реакций» (Москва, 2002, Санкт-Петербург, 2006); на XVII и XVIII Менделеевских съездах по общей и прикладной химии (Казань, 2003, Москва, 2007); на Международной конференции “Возобновляемые ресурсы и возобновляемая энергия” (Италия, Триест, 2004); на конференции «Перспективы развития химической переработки горючих ископаемых» (Санкт-Петербург, 2006); на Всероссийской конференции с международным участием «Каталитические технологии защиты окружающей среды для промышленности и транспорта» (Санкт-Петербург, 2007); на IХ Международном семинаре по магнитному резонансу (Ростов-на-Дону, 2008), на XVIII Международной конференции по химическим реакторам “CHEMREACTOR-18” (Мальта, 2008).

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 241 странице текста и содержит 27 таблиц, 22 рисунка и 224 библиографические ссылки. Работа состоит из введения, 9 глав, выводов и списка цитируемой литературы.

каталитический карбонилирование химический ароматический кислота

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Карбонилирование арилгалогенидов с использованием катализатора на основе модифицированного карбонила кобальта известно с середины 1980-х годов. При этом каталитическая система состояла из алкилкобальткарбонильных комплексов RCo(CO)₄, синтезированных заранее или образующихся in situ из алкилгалогенида (модификатора, активатора) и Co₂(CO)₈ в алифатических спиртах в присутствии оснований при атмосферном давлении монооксида углерода и температуре 50-60 єС:

Наиболее подходящим модификатором из всех изученных алкилгалогенидов оказался бензилхлорид. Использование последнего имеет серьезный недостаток, так как бензилхлорид сам подвергается реакции карбонилирования с образованием в значительном количестве фенилуксусной кислоты, которую сложно отделять от целевой арилкарбоновой кислоты. Это обстоятельство привело к необходимости поиска другого типа алкилкобальткарбонильных комплексов, нежели комплексы, получаемые взаимодействием алкилгалогенидов с карбонилом кобальта.

Новый класс анионных алкилкобальткарбонильных комплексов

Известно, что оксираны (эпоксиды) при взаимодействии с тетракарбонилкобальтат-анионом образуют алкилкобальткарбонильные комплексы:



Устойчивость таких комплексов зависит от условий реакции. При повышенном давлении монооксида углерода именно через образование таких комплексов протекает получение -лактонов из оксиранов. При атмосферном давлении карбонилирование оксиранов не происходит. В спиртово-щелочной среде оксираны будут вступать в реакции нуклеофильного взаимодействия с Co(CO)4? с образованием не нейтральных, а анионных оксиалкилкобальткарбонильных комплексов. Поэтому можно было предположить, что эти комплексы будут проявлять новые каталитические свойства, отличающиеся от каталитических свойств классических алкилкобальткарбонильных комплексов.

Для изучения особенностей образования оксиалкилкобальткарбо-нильных комплексов было исследовано взаимодействие раствора тетракарбонилкобальтата калия с метилоксираном методом ИК спектроскопии. При добавлении пятидесятикратного мольного избытка метилоксирана в насыщенный монооксидом углерода раствор КCo(CO)4 в изопропиловом спирте при 60 єС (с последующим охлаждением до комнатной температуры в атмосфере монооксида углерода) интенсивность полосы поглощения асимметричного вырожденного валентного колебания групп C=O тетракарбонилкобальтат-аниона, находящейся при 1904 см^?1, уменьшается. При этом появляется новая полоса поглощения при 1889 см^?1. Это свидетельствует о том, что метилоксиран взаимодействует с тетракарбонилкобальтат-анионом в данных условиях, но полного исчезновения тетракарбонилкобальтат-аниона не происходит. Через 1 ч реакция практически прекращается, и отношение интенсивностей полосы аниона тетракарбонилкобальтата и вновь образовавшейся полосы поглощения остается неизменным в течение длительного времени. Практически полного исчезновения полосы поглощения карбонильной группы тетракарбонилкобальтат-аниона удается достичь лишь при соотношениях [метилоксиран]/[ Co(CO)4?], больших, чем 1500:1.

Этот факт свидетельствует о том, что реакция между метилоксираном и тетракарбонилкобальтатным анионом с образованием предполагаемого каталитического комплекса равновесна, и практически полное превращение карбонильного комплекса кобальта в алкилкобальткарбонильный комплекс возможно только при использовании большого мольного избытка метилоксирана. Наличие такого равновесия объясняется тем, что в протонных растворителях гидрокарбонил кобальта HCo(CO)₄ является сильной кислотой, а значит, тетракарбонилкобальтат-анион может выступать в реакциях в качестве как нуклеофила, так и уходящей группы.

Алкилкарбонильные комплексы кобальта обычно имеют сильную полосу поглощения, лежащую в области 2050?2000 см^-1, обусловленную асимметричным валентным колебанием групп C=O. Сдвиг этой полосы до 1889 см^?1 в условиях реакции можно объяснить образованием комплекса, частично несущего отрицательный заряд не на атоме кислорода оксиалкильного заместителя, а на металлкарбонильном фрагменте. Известно, что алкилкобальткарбонильные комплексы легко подвергаются нуклеофильной атаке метилат-анионом по карбонильному лиганду с образованием метоксикарбонильных анионных комплексов, и при этом асимметричное нормальное колебание ?_CO смещается почти на 100 см^?1 в область меньших частот. В нашем случае такая атака будет осуществляться не межмолекулярно (как для комплексов, описанных в литературе), а внутримолекулярно, что более благоприятно как с кинетической, так и с термодинамической точек зрения:



При этом полоса поглощения при 1889 см^?1 будет соответствовать асимметричному нормальному колебанию карбонильных лигандов анионного кобальткарбонильного комплекса. Кроме того, в ИК спектре образующегося комплекса присутствует слабая полоса поглощения при 1772 см^?1, отвечающая нормальному колебанию, локализованному преимущественно на карбонильной группе, входящей в состав образующегося металлоцикла. Это соответствует литературным данным о положении полос в ИК спектрах анионных метоксикарбонильных комплексах. Симметричному и неполносимметричному колебаниям карбонильных лигандов могут быть приписаны слабые полосы, наблюдаемые в спектре реакционной смеси в области 2050?1950 см^-1. Подобные существенные различия в интенсивности полос, вызванные различной локальной симметрией колебаний, описаны для алкилкобальткарбонильных комплексов.

Взаимодействие тетракарбонилкобальтатного аниона с метилоксираном в метанольном растворе было исследовано с помощью теоретического расчета методом функционала плотности с использованием гибридного потенциала B3LYP в базисе 6-31+G(d,p) с добавлением в базисный набор атома кобальта f-поляризующих функций. Был проведен расчет четырех возможных стабильных состояний системы: исходного состояния, представляющего собой совокупность двух частиц - тетракарбонилкобальтатного аниона и метилоксирана, а также комплексов (I), (II) и (III):



Расчет показал, что состояния (I) и (II) действительно отвечают минимуму потенциальной энергии, в то время как цисоидная форма открытого оксиалкилкобальт-карбонильного аниона (III) имеет одну мнимую частоту и является переходным состоянием на пути циклизации трансоидной формы оксиалкил-кобальткарбонильного комплекса (I) в металлоциклический анионный комплекс (II).

Было обнаружено, что энергия комплекса (II) существенно ниже энергии комплекса (I). Разность полных энергий с поправкой на энергию нулевых колебаний составила ДE_(I)-_(II) = 142 кДж/моль для вакуума и ДE_(I)-_(II) = 112 кДж/моль при учете сольватации методом поляризованного континуума (РСМ), ДG_(I)-_(II) = 107 кДж/моль. Это подтверждает предположение о том, что каталитический комплекс в условиях кобальткатализируемого карбонилирования арилгалогенидов действительно принимает форму циклического металлолактона.

Сравнение свободных энергий Гиббса исходного состояния и каталитического комплекса (II) (ДG_(II)-_(исх) = 62 кДж/моль при 25 °C) позволяет сделать вывод о том, что обнаруженное нами равновесие при образовании каталитического комплекса в условиях кобальткатализируемого карбонилирования арилгалогенидов заметно смещено в сторону исходного состояния, что согласуется с данными ИК спектроскопии.

Было показано, что образующиеся из оксиранов и тетракарбонилкобальтат-аниона комплексы действительно обладают каталитической активностью в реакции карбонилирования арилгалогенидов. Данные системы по эффективности превосходят каталитические системы с использованием алкилгалогенидов (рисунок 1):

Рисунок 1 - Зависимость степени превращения 1-хлорнафталина от времени реакции и природы модификаторов. t = 60 ^oC, P_CO = 0.1МПа. [Co₂(CO)₈] = 0,017 моль/л. [ArX] : [Co₂(CO)₈] : [A] = 15 : 1 : 10; 1 ? ClCH₂COOCH_3, 2 ? PhCH₂Cl, 3 ? C₈H₁₇Br, 4 ? ClCH₂CH₂OH, 5 ? метилоксиран

Активируют карбонил кобальта незамещенный оксиран и моноалкилоксираны, полиалкилоксираны такой способностью не обладают:

В результате проведенных исследований была разработана серия новых высокоактивных каталитических систем с использованием в качестве модификаторов оксиранов, а также родственных им соединений - эпихлоргидрина и этиленхлоргидрина. Данные системы эффективно осуществляют карбонилирование арилгалогенидов при давлении монооксида углерода 0.1 МПа и температуре 60-65 °С в спиртово-основной среде, при этом модификаторы практически не карбонилируются в условиях реакции (в отличие от бензилхлорида).

Способность различных модификаторов активировать карбонил кобальта при карбонилировании арилгалогенидов была определена сравнением конверсии 1-хлорнафталина в присутствии различных каталитических систем в идентичных условиях. Ряд активности изученных модификаторов выглядит следующим образом (в порядке убывания):

Существенным достоинством незамещенного оксирана и алкилоксиранов в качестве модификаторов является то, что они не содержат галоген и не требуют дополнительного расхода основания для его связывания. Наиболее доступным, дешевым и удобным в работе оказался метилоксиран.

Схема механизма карбонилирования арилгалогенидов в каталитической системе, состоящей из карбонила кобальта, метилоксирана и основания

Для выявления ключевой стадии процесса было исследовано влияние природы замещаемого галогена на реакционную способность арилгалогенида. Методом конкурентных реакций была определена относительная константа скорости карбонилирования 1-бромнафталина по сравнению с 1-хлорнафталином, которая составила 4.9. Было показано, что фторбензол, хлорбензол и 4-хлорбифенил практически не карбонилируются в условиях процесса, тогда как бромбензол и 4-бромбифенил легко образуют соответствующие карбоновые кислоты. Полученные результаты свидетельствуют о том, что природа замещаемого галогена оказывает сильное влияние на скорость карбонилирования. Влияние галогена может сказываться лишь на скорости стадии активации арилгалогенида кобальтанионным комплексом, так как арилкобальтовые комплексы, образовавшиеся из арилхлорида и соответствующего ему арилбромида, будут идентичны. Следовательно, именно эта стадия является ключевой в данном каталитическом цикле.

Об этом же свидетельствует отсутствие ускорения реакции карбонилирования при возрастании давления монооксида углерода и концентрации основания в растворе, что было показано сравнением скорости убыли субстрата в изучаемых условиях.

Не противоречат этому выводу и данные, полученные при изучении электронного влияния заместителей в ароматическом ядре арилгалогенида на скорость карбонилирования. Методом конкурентных реакций были определены относительные константы скорости (k_отн = k_X/k_H) карбонилирования различных замещенных бромбензолов. Влияние заместителей на реакционную способность в данном случае описывается уравнением Гаммета: lgk_отн = с·у. Наилучшая корреляция наблюдается при использовании у-констант заместителей (рисунок 2). Реакционный параметр с равен 1.9 ± 0.1 (коэффициент корреляции 0.98), то есть реакция ускоряется электроноакцепторными заместителями.



Рисунок 2 - Зависимость логарифма относительных констант скорости реакции от у-констант заместителей при карбонилировании замещенных бромбензолов. t = 61 єС, P_CO = 0.1 МПа ([CO]_MeOH = 3.6·10^?5 М). Изученные арилгалогениды (в порядке возрастания значений у-констант): 1 - п-CH₃C₆H₄Br, 2 - п-CH₃OC₆H₄Br, 3 - C₆H₅Br, 4 - п-FC₆H₄Br, 5 - м-CH₃OC₆H₄Br, 6 - п-ClC₆H₄Br, 7 - м-CF₃C₆H₄Br, 8 - п-CH₃COC₆H₄Br, 9 - п-CF₃C₆H₄Br, 10 - п-NCC₆H₄Br

Для выяснения природы стадии активации арилгалогенида кобальт-органическим нуклеофилом следует рассмотреть различные пути протекания нуклеофильного замещения в ароматических системах. Таких путей известно несколько:

- через образование арильного катиона;

- по механизму отщепления-присоединения (кине-замещение, ариновый механизм);

- по механизму присоединения-отщепления (через образование комплекса Мейзенгеймера, SNAr);

- по анион-радикальному механизму.

Возможность протекания реакции нуклеофильного замещения по первым двум механизмам при проведении кобальткатализируемого карбонилирования опровергается, помимо очевидных общих соображений, полным отсутствием среди продуктов реакции арилметиловых эфиров. Так как в метанольном растворе самым сильным основанием является метилат-анион, то арилметиловые эфиры неизбежно должны были бы образоваться как из арильных катионов, так и из аринов.

Реакции нуклеофильного замещения по механизму SNAr протекают обычно в тех случаях, когда ароматическая система активирована сильными электроноакцепторными заместителями. Для систем типа бромбензола или, тем более, бромбензола с донорными заместителями такие реакции неизвестны. Кроме того, реакции, идущие по механизму SNAr, имеют ряд важных особенностей, также свидетельствующие против привлечения в данном случае этого механизма:

- во-первых, порядок реакционной способности галогенидов в реакциях SNAr (F > Cl > Br) обратный по отношению к наблюдаемому в случае карбонилирования (Br > Cl > F);

- во-вторых, при изучении сравнительной реакционной способности о- и п-бромбутилбензолов методом конкурентных реакций нами было обнаружено, что они карбонилируются с одинаковой скоростью. Также не препятствует реакции карбонилирования наличие в орто-положении к атому брома другого атома галогена (Cl, F), группы CH3 или CF3. Это означает, что реакция карбонилирования слабо чувствительна к стерическим затруднениям в субстрате, что маловероятно при протекании реакции по механизму SNAr;

- в третьих, реакциям, идущим через образование комплекса Мейзенгеймера, свойственны бьльшее значение реакционного параметра с (обычно с = 3ч5).

Все полученные нами экспериментальные данные (порядок реакционной способности арилгалогенидов в зависимости от природы галогена, бульшая активность галогеннафталинов по сравнению с галогенбензолами, слабая чувствительность к стерическим затруднениям в субстрате, электронное влияние заместителей) удовлетворительно описываются в рамках анион-радикального механизма стадии активации арилгалогенида.

Для проверки этого вывода был использован метод добавления одноэлектронного акцептора. Было проведено сравнение активности каталитической системы на примере реакции карбонилирования 1-бромнафталина в стандартных условиях и в присутствии одноэлектронного акцептора - нитробензола. В первом случае конверсия субстрата через 2 часа составила 76%, во втором - реакция не протекала. Это свидетельствует об анион-радикальном характере стадии активации арилгалогенида.

Дополнительным подтверждением этого является также тот факт, что 4-бромстильбен, в отличие от бромбензола и 4-бромбифенила, не вступает в реакцию карбонилирования в изученных условиях. Подобная инертность 4-бромстильбена в реакциях S_RN1 хорошо известна и обусловлена повышенной стабильностью по отношению к фрагментации его анион-радикала, спиновая плотность в котором сосредоточена в основном на атомах углерода двойной связи.

При изучении зависимости конверсии арилгалогенида от времени на примере 1-бромнафталина было показано, что карбонилирование не может быть описано одним кинетическим уравнением реакции первого порядка на протяжении всего времени проведения реакции даже при большом начальном избытке модификатора, обеспечивающем практически полное превращение тетракарбонилкобальтатного аниона в активный каталитический комплекс (рис. 2).



Рисунок 2. Зависимость ln(C₀/C) 1-бромнафталина от времени при 62 єС, Р_CO = 0.1 МПа ([CO]_MeOH = 2.6·10^?5 М), C₀ (1-бромнафталин) = 0.12 М, C (Co(CO)₄^?) = 0.01 М, C (метилоксиран) = 0.24 M.

Зависимость ln(C₀/C) от времени может быть разбита на три участка. На участке I экспериментальные данные лучше всего аппроксимируются прямой, описываемой уравнением ln(C₀/C) = k_набл·? + A со следующими значениями констант: k_набл = (1.13±0.01)Ч10^?2 мин^?1, A = (?5.9±0.5)Ч10^?2 (r = 0.999), т. е. на этом участке реакция карбонилирования описывается кинетическим уравнением первого порядка с индукционным периодом (необходимым для образования каталитического комплекса) ?_инд = ?A/k_набл = 5 мин, что невелико по сравнению со временем проведения реакции. На участке II скорость реакции резко падает, пока не выходит на участок III, где реакция вновь начинает подчиняться кинетическому уравнению первого порядка. На участке III экспериментальные данные хорошо аппроксимируются прямой, описываемой уравнением ln(C₀/C) = k?_набл·? + A? со следующими значениями констант: k?_набл = (9.6±0.3)Ч10^?4 мин^?1, A? = 0.79±0.01 (r = 0.997).

Обратимость реакции образования каталитического комплекса наряду с реакцией метанолиза оксирана частично объясняют ход кривой зависимости ln(C0/C) от времени:

где KK - каталитический комплекс, K - константа равновесия образования каталитического комплекса, kкарб - константа скорости реакции карбонилирования, kмет - константа скорости реакции метанолиза.

На участке I, когда оксирана в системе достаточно много, концентрация каталитического комплекса остается практически постоянной. Поскольку в условиях реакции [CO] и [CH₃O^?] постоянны, реакция карбонилирования (2) описывается кинетическим уравнением реакции первого порядка с константой скорости k_набл = k_карб·[KK]·[СО]·[ CH₃O^?]:

По мере расходования оксирана в реакции метанолиза (3) равновесие (1) сдвигается в сторону исходных веществ, так что концентрация каталитического комплекса постепенно уменьшается. Поэтому на участке II реакция карбонилирования перестает описываться кинетическим уравнением реакции первого порядка.

Объяснить протекание реакции после 3 ч проведения карбонилирования (на участке III, когда оксирана в системе остается меньше 1% его исходного количества) можно, предположив, что в системе происходит взаимодействие между продуктом метанолиза оксирана и тетракарбонилобальтат-анионом с образованием каталитического комплекса (либо через промежуточное образование оксиранового цикла, либо в результате прямого замещения):

Это предположение было проверено путем проведения реакции карбонилирования 1-бромнафталина с использованием в качестве модификатора 1-метоксиоктан-2-ола в тех же условиях, что и в присутствии н-гек-силоксирана. При этом наблюдалась некоторая активация катализатора. Конверсия субстрата за 5 ч составила 7%.

В таком случае перелом на кинетической кривой (рисунок 2) отражает момент, когда важную роль в скорости активации арилгалогенида начинает играть предварительная равновесная стадия образования каталитического комплекса из продукта метанолиза оксирана. В кинетическом уравнении при этом появляется сомножитель K₁ < К, соответствующий этой стадии. Наблюдаемый первый порядок реакции сохраняется, но эффективная константа скорости заметно снижается:

k_набл^' = k·C₀·K₁·[RCH(O^?)CH₂OCH₃]·[CH₃O^?]^?1

На основе полученных данных предложена следующая схема механизма карбонилирования арилгалогенидов в рассматриваемой каталитической системе (схема 1).



Схема 1

Образующиеся первоначально в результате карбонилирования эфиры карбоновых кислот частично гидролизуются в процессе реакции, судя по литературным данным, под действием гидрокарбоната калия.

Синтез производных ароматических карбоновых кислот

С целью оптимизации метода получения арилкарбоновых кислот с использованием новой каталитической системы было проведено исследование влияния различных параметров процесса карбонилирования на выход целевого продукта - арилкарбоновой кислоты. Для упрощения выделения конечного продукта целесообразно после окончания карбонилирования проводить дополнительный щелочной гидролиз реакционной смеси путем добавления гидроксида щелочного металла, после чего соль карбоновой кислоты легко выделить из реакционной смеси в виде водного раствора.

На примере реакции карбонилирования 1-бромнафталина была изучена зависимость конверсии арилгалогенида от природы используемого основания (КОН, NaOH, К₂СО₃ и Na₂СО₃). Полученные результаты показали, что бьльшие степени превращения субстрата достигаются при использовании в качестве основания карбонатов щелочных металлов. Использование в качестве основания гидроксидов этих металлов приводит к заметному уменьшению выхода карбоновой кислоты в результате ускорения метанолиза оксирана.

С целью подбора оптимальных условий проведения карбонилирования в системе карбонил кобальта - оксиран была изучена зависимость скорости реакции от температуры на примере карбонилирования 1-хлорнафталина в качестве модельного соединения. Полученные данные свидетельствуют о том, что с уменьшением температуры заметно снижается и скорость карбонилирования. Реакция описывается уравнением Аррениуса с коэффициентом корреляции ?0.997, эффективная энергия активации составляет 73 кДж/моль.

Также было показано, что скорость реакции и выход целевого продукта уменьшаются при использовании в качестве растворителя вместо метанола других низших спиртов - этанола или пропан-2-ола.

Полученные результаты, позволяющие оптимизировать методику карбонилирования, были использованы при разработке методов синтеза арилкарбоновых кислот. Было апробировано получение ряда имеющих практическое значение арилкарбоновых кислот карбонилированием соответствующих моноарилгалогенидов в лабораторном масштабе в количествах до нескольких сотен граммов (табл. 2).

Таблица 2. Карбонилирование арилмоногалогенидов

t = 60 °С, Р_СО = 0.1 МПа ([CO]_MeOH = 4·10^?5 М), [Co₂(CO)₈] = 2.7 г/л (0.008 М)

Субстрат	Мольное соотношение а	Время реакции, ч	Конверсия субстрата б, %	Выход продукта в, %
п-FС6H4Br	50 : 1 : 40 : 120	6.0	94	89
о-CF3С6H4Br	133 : 1 : 80 : 311	8.0	98	92
м-CF3С6H4Br	123 : 1 : 86 : 307	7.0	100	96
4-F-2-CH3С6H3Br	143 : 1 : 106 : 394	10.0	60	58
п-BuС6H4Br	15 : 1 : 30 : 40	3.5	83	80
	20 : 1 : 40 : 60	4.0	90	87
6-MeO-2-Br-C10H6	67 : 1 : 100 : 220	10.5	100	100
5-Br-аценафтен	130 : 1 : 157 : 260	6.0	70	50
п-CH3COС6H4Br	290 : 1 : 153 : 447	6.0	78	74
4-MeO-3-BrС6H3CHO	81 : 1 : 67 : 193	9.0	95	80
4-BnO-3-BrС6H3CHO	97 : 1 : 104 : 245	10.0	74	64

^а Мольное соотношение субстрат : Co₂(CO)₈ : метилоксиран : карбонат калия. ^б По данным ГЖХ. ^в Препаративный выход соответствующей арилкарбоновой кислоты.

В табл. 2 представлены основные примеры высокоэффективного синтеза арилкарбоновых кислот, труднодоступных другими способами, осуществленного методом карбонилирования соответствующих ароматических галогенидов с использованием новой каталитической системы Co₂(CO)₈ - метилоксиран - К₂СО₃ в метаноле. В литературе приведены способы получения некоторых из этих кислот, играющих важную роль в разработке новых лекарственных препаратов, но описанные методы уступают по эффективности реакции карбонилирования (табл. 3). Особенно это относится к получению арилкарбоновых кислот, имеющих в своем составе другую карбонильную функцию. Наличие в молекуле субстрата -арилгалогенида - карбонильной группы (как, например, в случае 4-бромацетофенона) препятствует использованию для введения карбоксильной группы методов, основанных на использовании литий- или магнийорганических производных. В то же время кобальткатализируемое карбонилирование таких соединений протекает с высоким выходом. То же можно сказать и о получении продуктов, имеющих в своем составе фрагмент, чувствительный к окислению (примером являются алкил- и алкоксиарилкарбоновые кислоты, для которых окислительные методы получения дают сравнительно низкие выходы.

Кроме того, важным достоинством разработанного нами препаративного метода синтеза является его универсальность.

Таблица 3. Сравнение эффективности разработанного метода синтеза арилкарбоновых кислот с литературными данными

Продукт	Кобальткатализируемое карбонилирование	Описанный в литературе метод синтеза
	Исходный субстрат	Выход, % а	Исходный субстрат	Метод	Выход, %
п-F-С6H4CO2H	п-F-С6H4Br	95	п-F-С6H4CH2Cl	окисление	86
о-CF3-С6H4CO2H	о-CF3-С6H4Br	94	о-CF3-С6H4CH2Cl	окисление	37
			о-CF3-С6H4Br	через ариллитиевое производное	99
м-CF3-С6H4CO2H	м-CF3-С6H4Br	96	м-CF3-С6H4Br	через ариллитиевое производное	61
4-F-2-CH3-С6H3CO2H	4-F-2-CH3-С6H3Br	97	п-F-С6H4CO2H	через ариллитиевое производное	86
6-MeO-2-CO2H-C10H6	6-MeO-2-Br-C10H6	100	6-MeO-2-CHO-C10H6	окисление	60
п-CH3CO-С6H4CO2H	п-CH3CO-С6H4Br	95	п-CH3CO-С6H4Br	карбонилирование с использованием комплексов Pd	70

^а Выход в расчете на прореагировавший арилгалогенид.

Хорошие результаты показала разработанная нами каталитическая система и при получении дикарбоновых кислот (табл. 4). В последние годы важной сферой применения синтезированных нами и им подобных кислот становится получение новых полимерных нанокомпозитов - органических полупроводников и фоточувствительных пленок. Поэтому, помимо очевидного препаративного значения, разработанная каталитическая система может также играть важную роль в создании гибкой технологии получения дикарбоновых кислот карбонилированием арилдигалогенидов.

Таблица 4. Карбонилирование арилдигалогенидов с образованием дикарбоновых кислот t = 60 °С, Р_СО = 0.1 МПа, [Co₂(CO)₈] = 2.7 г/л (0.008 М)

Субстрат	Мольное соотношение а	Время реакции, ч	Конверсия субстрата б, %	Содержание дикислоты в продукте в, %
	41 : 1 : 20 : 125	7.0	99	95
	50 : 1 : 50 : 220	7.0	94	94
	35 : 1 : 30 : 100	4.0	81	87
	24 : 1 : 30 : 90	4.0	99	93
	10 : 1 : 20 : 60	4.5	96	82

^а Мольное соотношение субстрат : Co₂(CO)₈ : метилоксиран : карбонат калия. ^б По данным ГЖХ. ^в Кроме дикарбоновых кислот реакционные смеси содержали продукты неполного карбонилирования субстратов - соответствующие моногалогенсодержащие монокарбоновые кислоты.

Кроме того, на основе разработанного нами метода была успешно апробирована схема получения 5-(4-гидроксифенокси)изофталевой кислоты, которая представляет интерес для получения дендримерных нанокомпозитов, содержащих в своем составе дифенилоксидный фрагмент:

Как видно из представленных данных, разработанная эффективная каталитическая система Co₂(CO)₈ - метилоксиран - К₂СО₃ в метаноле может успешно применяться для селективного синтеза ароматических моно- и дикарбоновых кислот с высоким выходом в мягких условиях, как в лабораторной практике, так и в промышленности - для производства необходимых продуктов как сырья в тонкой химии. Следует отметить, что для достижения высокого выхода продуктов приходится использовать достаточно высокое количество модификатора (оксирана). Однако данный факт не снижает ни лабораторного, ни промышленного значения метода, так как при метанолизе из метилоксирана образуется монометиловый эфир пропиленгликоля, а из незамещенного оксирана - метилцеллозольв. Оба эти соединения вполне совместимы с метанолом как растворители, легко отделяются от ароматических карбоновых кислот (основных продуктов реакции) и в дальнейшем на стадии регенерации метанола могут быть выделены путем ректификации как самостоятельные продукты.

Предлагаемый способ синтеза ароматических кислот карбонилированием соответствующих арилгалогенидов был успешно апробирован с использованием автоклавной установки опытного завода с наработкой опытных партий ряда продуктов.

Синтез гетероароматических карбоновых кислот карбонилированием гетарилгалогенидов

Исключительно высокая селективность новой каталитической системы карбонилирования галогенидов может оказаться особенно полезной в случае синтеза сравнительно труднодоступных и дорогостоящих гетероциклических соединений. Гетероароматические кислоты широко используются как в препаративной органической химии, так и в качестве промышленного сырья в производстве большого ассортимента продуктов, в основном - обладающих биологической активностью, прежде всего, лекарственных препаратов и средств защиты растений. Если учесть тот факт, что большое количество разнообразных гетероароматических галогенидов может быть получено сравнительно легко, использование карбонила кобальта как наиболее дешевого и доступного катализатора оксосинтеза применительно к карбонилированию гетарилгалогенидов являлось очень привлекательной практической и теоретической задачей. В то же время данный вопрос требовал специального изучения, так как большинство гетероциклических соединений потенциально способно выступать в качестве лигандов, изменяя каталитические свойства кобальтового комплекса.

Прежде всего, была исследована возможность получения методом карбонилирования кислот, имеющих в своем составе азотсодержащий гетероцикл. Хорошо известно, что пиридин способен образовывать комплексы с карбонилом кобальта. Было обнаружено, что каталитическая активность системы карбонил кобальта - основание - метилоксиран сохраняется в присутствии в системе пиридинового соединения. Добавление в систему небольших количеств пиридина (менее 3 об. % на метанол) не препятствует карбонилированию 1-бромнафталина, а 2-хлорпиридин сам подвергается реакции карбонилирования в стандартных условиях. Методом ГЖХ была определена конверсия субстрата, которая за 4 ч составила 60%. Такие же результаты были получены и при определении конверсии волюмометрическим методом по поглощению монооксида углерода.

Наибольший практический интерес представляет не столько получение пиридинкарбоновых кислот, сколько синтез различных производных хинолинкарбоновых кислот, которые трудно получить другими методами. В то же время их практическая значимость (например, в производстве противотуберкулезных препаратов) несомненна. Поэтому разработка удобного и достаточно универсального метода введения карбоксильной группы в ядра конденсированных азотсодержащих гетероциклов представляется весьма важной задачей. В этой связи нами было изучено карбонилирование 5- и 6-хлорхинолинов. Оба субстрата легко вступают в реакцию карбонилирования, катализируемую кобальтовым комплексом. Методом конкурентных реакций были измерены относительные константы kотн скорости карбонилирования хлорхинолинов по сравнению с 1-хлорнафталином. Они составили: kотн (5-хлорхинолин/1-хлорнафталин) = 3.8 и kотн (6-хлорхинолин/1-хлорнафталин) = 4.7.

...