СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОИЗВОДНЫХ 1-ПИРАЗОЛИНА

Изобретение относится к способу получения трициклических производных 1-пиразолина нового типа, имеющих в своем составе альдегидную группу и 5-членный 1-пиразолиновый цикл с диаза-группой. Более конкретно, изобретение относится к способу получения производных 1-пиразолина (4,5-дигидро-3Н-пиразола), соответствующих формуле II (схема 1), содержащих от 9 до 13 атомов углерода, путем жидкофазного некаталитического окисления закисью азота (N₂O) С2-С6 омега-алкенилпроизводных норборнена, соответствующих формуле I (схема 1):

Производные 1-, 2- и 3-пиразолинов проявляют высокую фармакологическую и биологическую активность, в частности используются в качестве инсектицидов и служат интермедиатами для получения гербицидов и алгицидов [Е.А. Shafikova, D.V. Petrov, V.A. Dokichev. Synthesis of 3-N-substituted exo-3,4-diazatricyclo[5.2.1.02,6]dec-4-enes. Chemistry of Heterocyclic Compounds, 43(4) (2007) 434-438; K. Ozawa, Y. Nakajima, M. Tsugeno, S. Ishii, M. Hatanaka, US 4464386, 7.08.1984; J.R. Rizzo, E.V.P. Tao, US 4892956, 9.01.1990]. Наиболее общим методом их синтеза является реакция диазосоединений (например, диазметана CH₂N₂) с олефинами (например, эфирами α,β-ненасыщенных кислот) [Гетероциклические соединения. Т. IV / Под ред. Р. Эльдерфилда. М.: Издательство иностранной литературы, 1961, с. 58-61]. Кроме этого, известны менее распространенные методы, находящие применение лишь в отдельных случаях.

Так в работе [C.G. Overberger, J.-P. Anselme, Azo compounds. Five-membered cyclic azo compounds. Their stereospecific decomposition, JACS, 86(4) (1964) 650-661] описан синтез 3,5-дифенил-1-пиразолина путем реакции циклоприсоединения фенилдиазометана (C₆H₅CHN₂) к стиролу (С₆Н₅СН=СН₂).

В работах [М. Christl, Е. Brunn, W.R. Roth, H.-W. Lennartz. 7-Methyl- and 7-phenylcyclohepta-1,3,5-trienes from benzvalene via 3,3a,4,5,6,6a-hexahydro-4,5,6-methenocyclopentapyrazoles and tetracyclo-[4.1.0.^0.0]-heptanes. Tetrahedron, 45(10) (1989) 2905-2915; E.A. Yatsynich, D.V. Petrov, V.A. Dokichev, Y.V. Tomilov. Synthesis of Amines from Norbornane Series. Russian Journal of Organic Chemistry, 41(8) (2005) 1187-1191] описан синтез трициклических производных 1-пиразолина - 3,4-диаза-трицикло[5.2.1.0^2.6]дец-3-ена и 5-метил-3,4-диаза-трицикло[5.2.1.0^2.6]дец-3-ена, содержащих конденсированные циклы норборнана и 1-пиразолина, путем реакции норборнена с диазометаном или 2-диазопропаном (CH₃CHN₂) соответственно. При этом, например, согласно второй из этих работ [E.A. Yatsynich et al. Russian Journal of Organic Chemistry, 41(8) (2005) 1187-1191] диазметан генерируется in situ из N-метил-N-нитрозомочевины при -5°C в сильнощелочной среде.

В патентах [J.R. Rizzo, E.V.P. Tao, US 4892956, C07D 231/06, 9.01.1990; J.R. Rizzo, E.V.P. Tao, US 4924001, C07D 231/06, 8.05.1990] представлен метод синтеза производных 1-пиразолина (4,5-дигидро-3Н-пиразола) - диалкиловых эфиров 5-циано-1-пиразолин-3,4-дикарбоновой кислоты (5-циано-4,5-дигидро-3Н-пиразол-3,4-дикарбоновой кислоты) путем реакции диалкиловых эфиров фумаровой кислоты (ROOC-HC=CH-COOR) с диазоацетонитрилом (N₂CHCN).

В заявке [W.I. Iwema Bakker, Y.G. Keizer, M.A.V. Van Der Neut, C.G. Kruze, A. Van Loevezijn, J. Zorgdrager, WO 2008/034862 A2, 27.03.2008] описан метод получения ряда производных 1-пиразолина (например, 4,4-диметил-4,5-дигидро-3Н-пиразола, 4,4-диэтил-4,5-дигидро-3Н-пиразола, 4-бензоксиметил,4-метил-4,5-дигидро-3Н-пиразола) путем многостадийного синтеза, включающего получение соответствующих диаминов (2,2-диметил-1,3-пропандиамин, 2,2-диэтил-1,3-пропандиамин, 4-бензоксиметил,4-метил-1,3-пропандиамин) и их взаимодействие на последней стадии с пероксидом водорода в присутствии NaClO в растворе Н₂О/метанол.

Общим недостатком перечисленных методов является использование дорогих, сложно синтезируемых и взрывоопасных диазосоединений либо осуществление процесса через многостадийный синтез.

Настоящее изобретение раскрывает новый одностадийный способ получения трициклических производных 1-пиразолина, имеющих в своем составе диаза-группу в 5-членном 1-пиразолиновом цикле и альдегидную группу. Введение этих функциональных групп осуществляется одновременно в одну стадию. Метод основан на реакции окисления С₂-С₆ омега-алкенилпроизводных норборнена, соответствующих формуле I (схема 1), с помощью закиси азота (N₂O).

Трициклические производные 1-пиразолина, содержащие от 9 до 13 атомов углерода, альдегидную группу и 5-членный цикл с диаза-группой, соответствующие формуле А, где n=0÷4

получают путем контакта С₂-С₆ омега-алкенилпроизводных норборнена, соответствующих формуле Б, где n=0÷4

с закисью азота в жидкой фазе при температуре от 100 до 250°C и суммарном давлении от 2 до 150 атм.

Реакцию проводят в присутствии растворителя.

Реакцию проводят в присутствии инертного газа.

Концентрация инертного газа в смеси с закисью азота не превышает 99%.

Закись азота может содержать примеси газов, не оказывающих влияние на показатели реакции.

Реакцию проводят в статическом или проточном варианте.

Для проведения реакции используют рециркулирующий N₂O-содержащий газ.

Согласно данному изобретению, исходные алкенилпроизводные норборнена, которые могут быть окислены закисью азота с образованием производных 1-пиразолина, включают ряд от 5-винил-2-норборнена (5-винил-бицикло[2.2.1]гепт-2-ена) (при n=0, схема 1) до 5-гекс-5-енил-2-норборнена (5-гекс-5-енил-бицикло[2.2.1]гепт-2-ена) (при n=4, схема 1). В простейшем случае реакция осуществляется путем взаимодействия 5-винил-2-норборнена (формула III, схема 2) с закисью азота по уравнению (2) с образованием диаза-содержащего продукта IV (схема 2) - 3,4-диаза-трицикло[5.2.1.0^2,6]дец-3-ен-8-карбальдегида (3а,4,5,6,7,7а-гексагидро-3Н-4,7-метано-индазол-5-карбальдегида), содержащего 9 атомов углерода. 5-Винил-2-норборнен и N₂O являются сравнительно недорогими реагентами и производятся в промышленных масштабах.

В основе изобретения лежит способность закиси азота вести селективное некаталитическое окисление алкенов разных типов с образованием карбонильных соединений - кетонов и альдегидов [F.S. Bridson-Jones, G.D. Buckley, L.H. Cross, A.P. Driver. Oxidation of organic compounds by nitrous oxide. Part I, J. Chem. Soc., (1951) 2999-3008; E.V. Starokon, K.A. Dubkov, D.E. Babushkin, V.N. Parmon, G.I. Panov. Liquid phase oxidation of alkenes with nitrous oxide to carbonyl compounds. Adv. Synth. Catal, 346 (2004) 268-274]. В ходе реакции с N₂O алкен преимущественно окисляется в соответствующий кетон с выделением стехиометрического количества молекулярного азота (N₂). В частности, при окислении моноциклических алкенов с высокой селективностью образуется соответствующий циклический кетон [Г.И. Панов, К.А. Дубков, Е.В. Староконь, Л.В. Пирютко, RU 2227135, 20.04.2004; Г.И. Панов, К.А. Дубков, Е.В. Староконь, Д.П. Иванов, RU 2227136, 20.04.2004; J.H. Teles et al., US 7803971, 28.09.2010]. Окисление некоторых алкенов может также протекать с разрывом исходной С=С связи с дополнительным образованием альдегида. Например, в случае бициклических алкенов с напряженным циклом реакция с разрывом приводит к образованию ненасыщенного альдегида [E.V. Starokon, К.А. Dubkov, D.E. Babushkin, V.N. Parmon, G.I. Panov, Liquid phase oxidation of alkenes with nitrous oxide to carbonyl compounds, Adv. Synth. Catal, 346 (2004) 268-274].

В отличие от моноциклических и других алкенов простого строения, при взаимодействии закиси азота с 5-винил-2-норборненом или другими алкенил-производными норборнена, соответствующими формуле I (схема 1), реакция протекает без выделения молекулярного азота с одновременным образованием альдегидной и диаза-(-N=N-) функциональных групп в составе продукта II (схема 1), который представляет собой трициклическое производное 1-пиразолина, содержащее от 9 до 13 атомов углерода в зависимости от состава исходного алкена.

В соответствии с данным изобретением, реакция может осуществляться в широком интервале условий, как в статическом, так и проточном реакторе. При этом могут быть использованы все известные технологические приемы, повышающие эффективность газожидкостных реакций.

В случае статического варианта в реактор-автоклав вводят 5-винил-2-норборнен или другие алкенилпроизводные норборнена, соответствующие формуле I (схема 1), в таком количестве, чтобы при нагревании до температуры реакции алкен присутствовал в виде жидкой фазы. Затем в реактор подают необходимое количество закиси азота. После этого реактор нагревают до температуры реакции в области от 100 до 250°C, предпочтительнее от 100 до 180°C и выдерживают заданное время.

Предлагаемый процесс может осуществляться без растворителей или в присутствии растворителей, которые могут выбираться из широкого круга соединений, обычно применяемых в практике органического синтеза. В некоторых случаях для подавления побочных процессов к алкену целесообразно добавлять ингибиторы димеризации и полимеризации.

Общее давление в условиях реакции определяется давлением закиси азота и равновесным давлением паров алкена при заданной температуре. Количество закиси азота подбирается таким образом, чтобы суммарное давление при температуре реакции составляло от 2 до 150 атм, предпочтительнее от 10 до 130 атм. Время реакции подбирается в зависимости от условий ее проведения, а также требований, предъявляемых к процессу, и может изменяться от нескольких десятков минут до нескольких десятков часов.

Согласно предлагаемому способу, реакция может проводиться с использованием смесей закиси азота с инертным газом, не вступающим в реакцию с алкеном, например азотом, аргоном, углекислым газом и т.д., либо с их смесью. Концентрацию инертного газа в смеси с закисью азота подбирают таким образом, чтобы она не превышала 99%.

Предлагаемый способ не требует высокой чистоты исходных реагентов. Так, закись азота может быть использована как в чистом виде, так и содержать примеси различных газов, не оказывающих существенного влияния на показатели реакции. Присутствие таких газов может быть связано с технологией получения N₂O. В случае проточного варианта процесса для проведения реакции также может быть использован N₂O-содержащий газ, выходящий из реактора, в режиме его рециркуляции.

Исходный алкен также может содержать различные органические примеси, особенно если они не содержат олефиновых двойных связей С=С. Присутствие таких примесей, например, может быть связано с технологией получения алкена и неполнотой его очистки. Так как соединения неолефиновой природы инертны в отношении N₂O, предлагаемый способ позволяет частично или полностью отказаться от очистки исходных алкенов.

Выделение целевого продукта из реакционной смеси осуществляется в соответствии с известными методиками, применяемыми для разделения веществ с разными температурами кипения.

Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется следующими примерами, которые демонстрируют окисление 5-винил-2-норборнена закисью азота.

Пример 1

В реактор объемом 100 см³ (фирма Parr) из нержавеющей стали, снабженный мешалкой, заливают 5 см³ 5-винил-2-норборнена (Aldrich, чистота 95%), содержащего 70% эндо- и 30% экзо-изомеров, и 55 см³ бензола в качестве растворителя. Реактор герметично закрывают и из металлического баллона подают 0.55 моль N₂O. Затем реактор нагревают до 120°C и выдерживают при этой температуре в течение 12 ч. Суммарное давление в условиях реакции составляет 95 атм. После окончания реакции реактор охлаждают до комнатной температуры и анализируют состав жидкой фазы методами хроматографии и ЯМР спектроскопии. Из полученных данных рассчитывают конверсию 5-винил-2-норборнена и селективность реакции по целевому диаза-продукту, который образуется только из эндо-изомера и представляет собой трициклическое производное 1-пиразолина - 3,4-диаза-трицикло[5.2.1.0^2,6]дец-3-ен-8-карбальдегид (формула IV, схема 2). Кроме этого, в ходе реакции с N₂O, протекающей с выделением молекулы N₂, образуются продукты окисления эндо- и экзо-изомеров 5-винил-2-норборнена, представляющие собой альдегиды (А1-А4) и кетоны (К1-К4) следующего строения (схема 3):

Из данных таблицы видно, что в использованных условиях конверсия 5-винил-2-норборнена (ВНБ) составляет 19.7%, а селективность по диаза-продукту IV (схема 2), представляющему собой производное 1-пиразолина, составляет 41%.

Пример 2

Этот пример является сравнительным. Он аналогичен примеру 1 с тем отличием, что опыт проводится в отсутствие N₂O в атмосфере инертного газа - азота. В этом случае 5-винил-2-норборнен не претерпевает каких-либо заметных превращений.

Пример 3

Этот пример аналогичен примеру 1 с тем отличием, что в качестве растворителя вместо бензола используют толуол, а реакцию проводят в течение 6 ч. Суммарное давление в условиях реакции составляет 90 атм.

Пример 4

Этот пример демонстрирует возможность проведения реакции N₂O с 5-винил-2-норборненом в отсутствие растворителя. Пример аналогичен примеру 1 с тем отличием, что в реактор заливают 30 см³ 5-винил-2-норборнена без растворителя. Суммарное давление в условиях реакции составляет 85 атм. Из результатов, приведенных в таблице, видно, что конверсия 5-винил-2-норборнена и селективность по диаза-продукту в отсутствие растворителя (пример 1) и в присутствии растворителя (пример 4) близки.

Пример 5

Этот пример аналогичен примеру 1 с тем отличием, что реакцию проводят при 105°C в течение 24 ч. Суммарное давление в условиях реакции составляет 50 атм.

Пример 6

Этот пример аналогичен примеру 1 с тем отличием, что реакцию проводят при 150°C. Суммарное давление в условиях реакции составляет 110 атм.

Пример 7

Этот пример аналогичен примеру 1 с тем отличием, что в качестве растворителя вместо бензола используют циклогексан, а реакцию проводят при 165°C в течение 6 ч. Суммарное давление в условиях реакции составляет 125 атм.

Пример 8

Этот пример аналогичен примеру 1 с тем отличием, что реакцию проводят при начальном количестве N₂O 0.25 моль при 180°C в течение 2 ч. Суммарное давление в условиях реакции составляет 70 атм.

Пример 9

Этот пример аналогичен примеру 8 с тем отличием, что реакцию проводят при 200°C. Суммарное давление в условиях реакции составляет 85 атм.

Результаты по примерам 1-9 приведены в таблице.

Примеры 10-11

Эти примеры демонстрируют возможность проведения реакции N₂O с 5-винил-2-норборненом с использованием разбавленных смесей закиси азота с инертным газом.

Пример 10 аналогичен примеру 5 с тем отличием, что реакцию проводят с использованием смеси закиси азота с азотом, в которой концентрация N₂O составляет 25%. Для этого в реактор подают 0.25 моль N₂O и 0.75 моль N₂. Суммарное давление в условиях реакции составляет 115 атм. В использованных условиях конверсия 5-винил-2-норборнена составляет 7%, а селективность по диаза-продукту IV (схема 2) - 43%.

Пример 11 аналогичен примеру 10 с тем отличием, что реакцию проводят с использованием смеси закиси азота с аргоном, в которой концентрация N₂O составляет 75%. Для этого в реактор подают 0.5 моль N₂O и 0.17 моль аргона. Суммарное давление в условиях реакции составляет 75 атм. В использованных условиях конверсия 5-винил-2-норборнена составляет 7.5%, а селективность по диаза-продукту IV (схема 2) - 42%.

В настоящем изобретении предложен новый одностадийный способ получения трициклических производных 1-пиразолина, имеющих в своем составе диаза-группу и альдегидную группу. Метод основан на реакции окисления С₂-С₆ омега-алкенилпроизводных норборнена, в частности 5-винил-2-норборнена закисью азота (N₂O), которая является более безопасным реагентом, чем диазосоединения, обычно используемые для синтеза производных 1-пиразолина. Предлагаемый способ обеспечивает высокую конверсию алкена и образование трициклического производного 1-пиразолина в качестве основного продукта.