Reactions of Grignard Reagents with Substituted 5-Acyl-1,3-dioxanes

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Спирты, содержащие 1,3-диоксановый фрагмент широко используются в органической химии и промышленности [1–3]. Так, диоксановые спирты обладают ингибирующим действием в сероводородсодержащих нефтепромысловых средах [4, 5], используются как растворители, флотоагенты, эмульгаторы, антидетонаторные присадки, душистые вещества [6, 7], биоцидные добавки к топливам и маслам [8], синтоны для получения лекарственных препаратов (антидепрессанты, антиконвульсанты и др.) [9–13]. По данным Fuel Science Center, замещенные циклогексилацетали, включая 1,3-диоксановые спирты, являются перспективным биогибридным топливом [14].

Ранее было показано, что 5-ацил-5-метил-1,3-диоксан 1а вступает в реакцию Гриньяра c MeMgI, полученным in sutu, с образованием 2-(5-метил-1,3-диоксан-5-ил)пропан-2-ола [15]. В настоящей работе изучено влияние галогена, строения углеводородного заместителя в реактиве Гриньяра и условий на восстановление 5-ацил-1,3-диоксанов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Установлено, что взаимодействие 5-ацил-1,3-диоксанов 1а–в с избытком магнийорганического соединения 2а–е в диэтиловом эфире или ТГФ в течение 24 ч (схема 1) протекает с восстановлением карбонильной группы и приводит к образованию соответствующих третичных спиртов 3–5 (табл. 1).

 

Схема 1.

 

Как следует из полученных результатов (табл. 1), в изученных условиях нуклеофильное присоединение реактивов Гриньяра по карбонильной группе протекает с выходами до 99%, причем существенное влияние на выход целевых третичных спиртов оказывает как строение исходного кетона, так и магнийорганического соединения. Так, кетон 1а обладает большей реакционной способностью, чем его аналоги 1б и 1в, и для достижения высоких выходов соответствующих третичных спиртов 3а–в достаточно использовать 2-кратный избыток R³MgХ 2а–е в диэтиловом эфире, при комнатной температуре. В то же время для получения спиртов 4а–в с выходами 40–50% необходим 5-кратный избыток галогенидов 2а–е. В реакциях кетона 1в с реагентами 2а, б образуются нерастворимые в диэтиловом эфире соединения, за счет чего резко снижается выход спирта 5а. При замене диэтилового эфира на тетрагидрофуран реакция не идет. Спирты 5б и 5в получены с выходами 45–61% при 5–10-кратном увеличении количества растворителя (эфира), а также очень медленным добавлением кетона 1в к R³MgХ 2в–д (табл. 1).

 

Таблица 1. Влияние растворителя и соотношения кетон–RMgHlg на выход третичных спиртов 3–5.

№	Исходный кетон 1	R³MgHlg	R³MgHlg:1, ммоль	Растворитель	Третичный спирт (выход, %)
1	R¹ = R² = Me (1а)	EtMgBr (2а)	2:1	Et₂Oа	R¹ = R² = Me, R³ = Et (3a) (78)
2	R¹ = R² = Me (1а)	EtMgBr (2а)	2:1	ТГФ	R¹ = R² = Me, R³ = Et (3a) (59)
3	R¹ = R² = Me (1а)	EtMgI (2б)	2:1	ТГФа	R¹ = R² = Me, R³ = Et (3a) (66)
4	R¹ = R² = Me (1а)	EtMgBr (2а)	5:1	ТГФа	R¹ = R² = Me, R³ = Et (3a) (74)
5	R¹ = R² = Me (1а)	AllMgBr (2в)	2:1	Et₂Oа	R¹ = R² = Me, R³ = All (3б) (99)
6	R¹ = R² = Me (1а)	АllMgI (2г)	2:1	Et₂Oа	R¹ = R² = Me, R³ = All (3б) (92)
7	R¹ = R² = Me (1а)	BnMgBr (2д)	2:1	Et₂Oа	R¹ = R² = Me, R³ = Bn (3в) (82)
8	R¹ = R² = Me (1а)	BnMgI (2е)	2:1	Et₂Oа	R¹ = R² = Me, R³ = Bn (3в) (77)
9	R¹ = Me, R² = iPr (1б)	EtMgBr (2а)	2:1	Et₂Oа	R¹ = Me, R² = iPr, R³ = Et (4a) (31)
10	R¹ = Me, R² = iPr (1б)	EtMgI (2б)	2:1	Et₂Oа	R¹ = Me, R² = iPr, R³ = Et (4a) (32)
11	R¹ = Me, R² = iPr (1б)	EtMgBr (2а)	5:1	Et₂Oа	R¹ = Me, R² = iPr, R³ = Et (4a) (49)
12	R¹ = Me, R² = iPr (1б)	EtMgI (2б)	5:1	Et₂Oа	R¹ = Me, R² = iPr, R³ = Et (4a) (61)
13	R¹ = Me, R² = iPr (1б)	EtMgBr (2а)	2:1	ТГФб	R¹ = Me, R² = iPr, R³ = Et (4a) (21)
14	R¹ = Me, R² = iPr (1б)	EtMgI (2б)	2:1	ТГФб	R¹ = Me, R² = iPr, R³ = Et (4a) (25)
15	R¹ = Me, R² = iPr (1б)	EtMgBr (2а)	5:1	ТГФб	R¹ = Me, R² = iPr, R³ = Et (4a) (28)
16	R¹ = Me, R² = iPr (1б)	EtMgI (2б)	5:1	ТГФб	R¹ = Me, R² = iPr, R³ = Et (4a) (37)
17	R¹ = Me, R² = iPr (1б)	AllMgBr (2в)	5:1	Et₂Oа	R¹ = Me, R² = iPr, R³ = All (4б) (57)
18	R¹ = Me, R² = iPr (1б)	АllMgI (2г)	5:1	Et₂Oа	R¹ = Me, R² = iPr, R³ = All (4б) (95)
19	R¹ = Me, R² = iPr (1б)	BnMgBr (2д)	5:1	Et₂Oа	R¹ = Me, R² = iPr, R³ = Bn (4в) (37)
20	R¹ = Me, R² = iPr (1б)	BnMgI (2е)	5:1	Et₂Oа	R¹ = Me, R² = iPr, R³ = Bn (4в) (53)
21	R¹ = Pr, R² = Et (1в)	EtMgBr (2а)	2:1	Et₂Oа	R¹ = Pr, R² = R³ = Et (5a) (11)
22	R¹ = Pr, R² = Et (1в)	EtMgBr (2а)	2:1	ТГФа	R¹ = Pr, R² = R³ = Et (5a) (–)
23	R¹ = Pr, R² = Et (1в)	EtMgI (2б)	2:1	ТГФа	R¹ = Pr, R² = R³ = Et (5a) (10)
24	R¹ = Pr, R² = Et (1в)	EtMgBr (2а)	5:1	ТГФ	R¹ = Pr, R² = R³ = Et (5a) (3)
25	R¹ = Pr, R² = Et (1в)	AllMgBr (2в)	2:1	Et₂Oа	R¹ = Pr, R² = Et, R³ = All (5б) (61)
26	R¹ = Pr, R² = Et (1в)	АllMgI (2г)	2:1	Et₂Oа	R¹ = Pr, R² = Et, R³ = All (5б) (57)
27	R¹ = Pr, R² = Et (1в)	BnMgBr (2д)	2:1	Et₂Oа	R¹ = Pr, R² = Et, R³ = Bn (5в) (45)

 

Следует отметить, что в реакциях с гетероциклическими кетонами иодиды 2б, г, е (R³ = Et, All, Bn) проявляют более высокую активность и избирательность по сравнению с бромидами 2а, в, д (табл. 1). Так, максимальный выход продукта 4б (96%) наблюдался при использовании реагента 2г, в то время как в этих условиях под действием соединения 2в спирт 4б был получен с выходом 57%. Наблюдаемое различие реакционной способности магнийорганических соединений объясняется меньшим отрицательным индуктивным эффектом (–I-эффектом) атома иода и, как следствие, уменьшением полярности связи C–Hlg в магнийорганическом соединении.

Низкие выходы спиртов 4в и 5в (37 и 45% соответственно), по-видимому, связаны со стерическими факторами – наличием объемных изопропильного и пропильного заместителя в молекулах исходных кетонов 1б и 1в и бензильной группы в реагентах Гриньяра 2д, е.

Показано, что взаимодействие кетонов 1а–в с реагентами Гриньяра 2а–е протекает за 24 ч, и увеличение продолжения реакции не оказывает влияния на выход целевых третичных спиртов. Отметим, что взаимодействие реактивов Гриньяра 2а–е с 5-ацил-1,3-диоксанами 1а–в протекает селективно по кетогруппе и образования побочных продуктов (вторичных спиртов, олефинов и др.) не наблюдалось.

 

Схема 2.

 

Полученные результаты хорошо согласуются с описанным в литературе [16, 17] механизмом взаимодействия карбонильных соединений с реактивами Гриньяра, где в реакции участвуют две молекулы магнийорганического соединения: одна из них первоначально координируется по атому кислорода, с участием второй образуется циклическое переходное состояние (схема 2), в котором происходит перенос гидрид-иона от β-углеродного атома магнийорганического соединения на углерод атом карбонильной группы. Образованию такого переходного состояния способствует донорно-акцепторное взаимодействие вакантной орбитали атома магния с неподеленной электронной парой атома кислорода карбонильной группы.

Для подтверждения данного механизма осуществлено взаимодействие циклогексилмагнийбромида, (тетрагидрофуран-2-ил-метил)магнийбромида и (2-1,3-диоксолан-2-ил-этил)магнийбромида с кетоном 1а. Установлено, что вышеперечисленные реактивы Гриньяра не реагируют с соединением 1а, и соответствующие третичные спирты не образуются.

ВЫВОДЫ

Таким образом, нами разработан эффективный и высокоселективный метод синтеза третичных 1,3-диоксановых спиртов, содержащих алкильные, аллильные, бензильные группы.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Хроматографический анализ проводили на приборе ShimadzuGC-9A, колонка 2000×2 мм, неподвижная фаза − силикон SE-30 (5%) на носителе ChromatonN-AW-HMDS (0.125−0.160 мм), газ-носитель – гелий (30 мл/мин), программирование температуры от 50 до 300°C со скоростью 8 град/мин. Одномерные (1H, ¹³C) и двумерные гомо- (COSY) и гетероядерные (HSQC, HMBC) спектры ЯМР записывали в CDCl₃ на спектрометре Bruker Avance 500 [500 (1H), 125 МГц (¹³C)] относительно ТМС. Хромато-масс-спектральный анализ проводили на приборе Finigan 4021 (стеклянная капиллярная колонка 50000×0.25 мм, неподвижная фаза – HP-5, газ-носитель – гелий, программирование температуры от 50 до 300°C со скоростью 5 град/мин, температура испарителя 280°C, источника ионов 250°C, 70 эВ).

Реакции с металлоорганическими реагентами проводили в атмосфере сухого аргона. ТГФ и диэтиловый эфир сушили кипячением над металлическим Na и использовали свежеперегнанным.

Общая методика взаимодействия замещенных 5-ацил-1,3-диоксанов с реактивами Гриньяра. В стеклянный реактор (50 мл) в атмосфере сухого аргона при перемешивании последовательно загружали при 0°C 15 мл безводного диэтилового эфира или ТГФ, 5.0 ммоль реагента Гриньяра 2а–е. Затем очень медленно при интенсивном перемешивании в течение 10–15 мин добавляли 1 ммоль кетона 1а–в. Температуру поднимали до 20°C и смесь перемешивали 24 ч. По окончании реакции смесь охлаждали в токе аргона до 0°C, добавляли 10–15 мл диэтилового эфира и гидролизовали насыщенным раствором NH₄Cl. Органический слой отделяли, водный слой дважды экстрагировали эфиром, экстракт сушили MgSO₄. Растворитель упаривали. Целевые продукты 3–5 выделяли вакуумной перегонкой, выходы указаны в табл. 1.

2-(5-Метил-1,3-диоксан-5-ил)бутан-2-ол (3а). Бесцветная жидкость, т. кип. 91°C (1 мм рт. ст.). ИК спектр, ν, см⁻¹: 767, 1033, 1215, 1461, 2977, 3479. Спектр ЯМР ¹H (CDCl₃), δ, м. д.: 0.92 т (3H, J 5.0 Гц), 1.11 уш. с (3H), 1.08 уш. с (3H), 1.44 уш. с (2H), 3.65 д (2H, J 5.0 Гц), 4.01 д (2H, J 5.0 Гц), 4.64 д (1H, J 2.5 Гц), 4.92 д (1H, J 2.5 Гц). Спектр ЯМР ¹³C (CDCl₃), δ_С, м. д.: 7.27, 17.36, 20.43, 28.38, 39.96, 72.09, 72.32, 74.16, 93.79. Масс-спектр (HRMS ESI-TOF), m/z: 197.1290 [M + Na]⁺ (вычислено для C₉H₁₈NаO₃: 197.1311).

2-(5-Метил-1,3-диоксан-5-ил)пент-4-ен-2-ол (3б). Бесцветная жидкость, т. кип. 118°C (3 мм рт. ст.). ИК спектр, ν, см⁻¹: 775, 920, 1033, 1173, 1392, 1461, 1639, 2978, 3470. Спектр ЯМР ¹H (CDCl₃), δ, м. д.: 1.11 уш. с (3H), 1.14 уш. с (3H), 2.17–2.27 м (2H), 3.66 д (2H, J 11.0 Гц), 4.04 д (2H, J 10.0 Гц), 4.63 д (1H, J 2.5 Гц), 4.91 д (1H, J 5.0 Гц), 5.10–5.20 м (1H), 5.83–5.93 м (1H). Спектр ЯМР ¹³C (CDCl₃), δ_С, м. д.: 17.34, 39.64, 41.04, 71.98, 72.08, 74.099, 93.74, 119.1, 133.21. Масс-спектр (HRMS ESI-TOF), m/z: 209.1117 [M + Na]⁺ (вычислено для C₁₀H₁₈NаO₃: 209.1313).

2-(5-Метил-1,3-диоксан-5-ил)-1-фенилпропан-2-ол (3в). Бесцветная маслянистая жидкость, т. кип. 160°C (1 мм рт. ст.). ИК спектр, ν, см⁻¹: 676, 704, 750, 952, 1076, 1168, 1453, 1601, 2958, 3481. Спектр ЯМР ¹H (CDCl₃), δ, м. д.: 1.30 с (3H), 1.48 с (3H), 2.69 д (1H, J 6.5 Гц), 2.85 д (1H, J 6.5 Гц), 3.78 д (1H, J 6.5 Гц), 4.17 к (2H, J 10.0 Гц), 4.69 д (1H, J 5.0 Гц), 4.98 д (2H, J 2.5 Гц), 7.21–7.40 м (5H). Спектр ЯМР ¹³C (CDCl₃), δ_С, м. д.: 17.55, 21.75, 39.64, 42.04, 71.99, 72.16, 74.231, 93.82, 125.93, 128.31, 131.15. Масс-спектр (HRMS ESI-TOF), m/z: 259.1659 [M + Na]⁺ (вычислено для C₁₁H₂₀NаO₃: 259.1771).

2-(5-Изопропил-1,3-диоксан-5-ил)бутан-2-ол (4а). Бесцветная жидкость, т. кип. 56°C (0.2 мм рт. ст.). ИК спектр, ν, см⁻¹: 757, 1077, 1463, 2854, 2924, 3488. Спектр ЯМР ¹H (CDCl₃), δ, м. д.: 0.85–0.90 м (3H, C¹²H₃), 0.95–0.98 м (6H, C⁸H₃, C⁹H₃), 0.99 с (3H, C¹⁰ H₃), 1.30–1.36 м (2H, C¹1H²), 2.34 м (1H, C⁷Н), 3.73–3.79 м (2H, C⁴H²), 4.49–4.62 м (2H, C⁶H²), 4.59 д (1H, C²^аН, J 10.0 Гц), 4.96 д (1H, C²^аН, J 5.0 Гц). Спектр ЯМР ¹³C (CDCl₃), δ_С, м. д.: 7.94 (C¹²), 17.41 (C¹⁰), 24.27 (C⁸), 24.92 (C⁹), 24.93 (C⁷), 29.15 (C¹¹), 67.71 (C⁶), 67.75 (C⁴), 71.41 (C¹³), 94.03 (C²). Масс-спектр (HRMS ESI-TOF), m/z: 225.2761 [M + Na]⁺ (вычислено для C₁₁H₂₂NаO₃: 225.2810).

2-(5-Изопропил-1,3-диоксан-5-ил)пент-4-ен-2-ол (4б). Бесцветная жидкость, т. кип. 59°C (0.25 мм рт. ст.). ИК спектр, ν, см⁻¹: 726, 921, 1173, 1472, 2764, 2882, 2981, 3492. Спектр ЯМР ¹H (CDCl₃), δ, м. д.: 0.94 д (6H, C⁸H₃, C⁹H₃, J 8.0 Гц), 1.19 с (3H, C¹⁰ H₃), 2.20–2.28 м (1H, C⁷Н), 2.28–2.42 м (2H, C¹1H²), 4.00 д (1H, C⁴Н, J 5.0 Гц), 4.10 д (1H, C⁶H, J 5.0 Гц), 4.75 д (1H, C²H, J 5.0 Гц), 5.16 д (1H, C²H, J 10.0 Гц), 5.20 д (2H, C¹³H², J 10.0 Гц), 5.88–5.95 м (1H, C¹²H). Спектр ЯМР ¹³C (CDCl₃), δ_С, м. д.: 20.18 (C⁹), 20.21 (C⁸), 23.74 (C¹⁰ ), 29.60 (C⁷), 42.50 (C¹¹), 60.34 (C⁵), 69.53 (C⁴), 69.56 (C⁶), 75.92 (C¹⁴), 93.61 (C²), 119.77 (C¹³), 133.76 (C¹²). Масс-спектр (HRMS ESI-TOF), m/z: 237.1303 [M + Na]⁺ (вычислено для C₁₂H₂₂NаO₃: 237.2901).

2-(5-Изопропил-1,3-диоксан-5-ил)-1-фенилпропан-2-ол (4в). Бесцветная жидкость, т. кип. 62°C (0.15 мм рт. ст.). ИК спектр, ν, см⁻¹: 699, 940, 1169, 1453, 1602, 2767, 2858, 2963, 3480. Спектр ЯМР ¹H (CDCl₃), δ, м. д.: 0.88–0.96 м (6H, C⁸H₃, C⁹H₃), 2.34 с (1H, C⁷ H), 2.34 с (3H, C¹⁰ H₃), 4.60–4.63 м (2H, C⁴ H_а, C⁶H_б), 4.61 д (2H, C⁴H_б, C⁶H_б, J 10.0 Гц), 4.94 д (2H, C²H₂, J 10.0 Гц), 7.22–7.36 м (5H, Ph). Спектр ЯМР ¹³C (CDCl₃), δ_С, м. д.: 17.44 (C⁸, C⁹), 28.92 (C¹⁰+), 30.82 (C⁷), 37.94 (C¹¹), 53.33 (C⁵), 64.95 (C⁴, C⁶), 71.38 (C¹²), 93.99 (C²), 125.96–141.09 (Ph). Масс-спектр (HRMS ESI-TOF), m/z: 287.3483 [M + Na]⁺ (вычислено для C₁₆H₂₄NаO₃: 287.3550).

4-(5-Этил-1,3-диоксан-5-ил)гепт-1-ен-2-ол (5б). Бесцветная жидкость, т. кип. 148°C (1 мм рт. ст.). ИК спектр, ν, см⁻¹: 774, 923, 1031, 1172, 1395, 1460, 1637, 2975, 3472. Спектр ЯМР ¹H (CDCl₃), δ, м. д.: 0.93 т (3H, J 5.0 Гц), 1.05 т (3H, J 5.0 Гц), 1.37–1.40 м (2H), 1.51–1.54 м (2H), 1.72–1.77 к (2H), 2.36 т (2H, J 5.0 Гц), 3.82 д (2H, J 6.5 Гц), 4.02 д (2H, J 6.5 Гц), 4.67 д (1H, J 2.5 Гц), 4.87 д (1H, J 2.5 Гц), 5.11–5.16 м (1H), 5.82–5.91 м (1H).   ¹³C (CDCl₃), δ_С, м. д.: 10.14, 14.25, 17.58, 23.81, 40.68, 42.38, 70.43, 70.54, 71.90, 93.85, 119.00, 134.35. Масс-спектр (HRMS ESI-TOF), m/z: 251.7216 [M + Na]⁺ (вычислено для C₁₃H₂₄NаO₃: 251.7431).

2-(5-Этил-1,3-диоксан-5-ил)-1-фенилпентан-2-ол (5в). Бесцветная жидкость, т. кип. 171°C (1 мм рт. ст.). ИК спектр, ν, см⁻¹:733, 910, 1033, 1084, 1167, 1455, 1704, 2250, 2875, 2964. Масс-спектр (HRMS ESI-TOF), m/z: 301.3769 [M + Na]⁺ (вычислено для C₁₇H₂₆NаO₃: 301.3914).

ФИНАНСОВАЯ ПОДДЕРЖКА

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках государственной программы научной деятельности (FEUR 2022-0007 «Нефтехимические реагенты, масла и материалы для теплоэнергетики»).

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов

About the authors

R. M. Sultanova

Ufa State Petroleum Technical University

Author for correspondence.
Email: rimmams@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6719-2359
Russian Federation, Ufa, 450064

E. I. Titova

Ufa State Petroleum Technical University

Email: rimmams@yandex.ru
Russian Federation, Ufa, 450064

M. G. Shaibakova

Institute of Petrochemistry and Catalysis of the Russian Academy of Sciences

Email: rimmams@yandex.ru
Russian Federation, Ufa, 450075

G. Z. Raskildina

Ufa State Petroleum Technical University

Email: rimmams@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-9770-5434
Russian Federation, Ufa, 450064

Yu. G. Borisova

Ufa State Petroleum Technical University

Email: rimmams@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6452-9454
Russian Federation, Ufa, 450064

S. S. Zlotskii

Ufa State Petroleum Technical University

Email: rimmams@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6365-5010
Russian Federation, Ufa, 450064

References

Supplementary files