СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭФИРОВ α,β-НЕНАСЫЩЕННЫХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к органическому синтезу и касается способа получения эфиров α,β-ненасыщенных жирных кислот по реакции кросс-метатезиса.

Уровень техники

Известен способ получения эфиров α,β-ненасыщенных жирных кислот по реакции акрилатов с терминальными олефинами (WO 02/00590 А1, 2002).

Реакция проводится в кипящем дихлорометане в присутствии 5 мол.% катализатора Граббса второго поколения в течение 12 часов при соотношении акрилат: олефин равном 2:1. Выходы продуктов составляют более 80%. Число оборотов катализатора в этих условиях составляет около 20. Недостатком этого способа являются необходимость использования большого количества дорогостоящего катализатора для достижения высоких выходов. К другим недостаткам можно отнести применение растворителя, что технологически усложняет процесс и делает его более дорогим.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения эфиров α,β-ненасыщенных жирных кислот по реакции акрилатов с терминальными олефинами без растворителя (прототип) (Forman G.S., Tooze R.P. Journal of Organometallic Chemistry 690, 2005, 5863-5866). Реакция проводится в присутствии катализатора Граббса второго поколения и заканчивается в течение 2 час в следующих условиях: соотношение акрилат: олефин составляет 2:1, температура 50°С. Этот метод отличается высокой продуктивностью катализатора, что достигается исключением растворителя из процесса и добавлением в реакционную смесь 500 эквивалентов (по отношению к катализатору) п-крезола. Так, в реакции метилакрилата с деценом-1 в присутствии 0.00625 мол.% катализатора Граббса второго поколения она составила 11360 оборотов (конверсия децена 71%). Однако крезол обладает высокой токсичностью, что является недостатком этого метода.

Другим недостатком данного метода получения является использование в качестве одного из реагентов токсичных и легкополимеризующихся акрилатов.

Раскрытие изобретения

Задача, решаемая данным изобретением, состоит в разработке высокоселективного способа синтеза эфиров α,β-ненасыщенных жирных кислот, исходя из использования нетоксичного, дешевого и удобного в хранении сырья.

Технический результат состоит в осуществлении высокоселективного способа получении эфиров α,β-ненасыщенных жирных кислот без применения акрилатов, легкополимеризующимися при хранении, а также иных реагентов, которые являются токсичными.

Технический результат достигается тем, что эфиры малеиновой кислоты подвергают взаимодействию с содержащими более четырех атомов углерода терминальными алкенами в присутствии катализатора метатезиса при температуре от 20°С до 90°С.

В качестве катализатора метатезиса применяют карбеновые комплексы рутения, содержащие имидазолъные лиганды, такие как катализатор Граббса второго поколения (1) или катализатор Ховейды второго поколения (2):

Мольное соотношение малеат: алкен может изменяться в довольно широком диапазоне, например от 4:1 до 1:4

Оптимальное мольное соотношение малеат: алкен составляет 1:1. Реакцию ведут до полной конверсии терминального олефина.

Увеличение выхода продукта за счет снижения скорости образования фумаратов удается достигнуть проведением реакции в отсутствие растворителя.

Оптимальное содержание катализатора, необходимое для достижения полной конверсии алкена, составляет от 500:1 до 5000:1 (соответствует от 0,2 мол.%. до 0,02 мол.%).

Для увеличения времени жизни катализатора и выхода продукта образующийся в ходе реакции этилен удаляют из реакционной смеси с помощью тока инертного газа.

Осуществление изобретения

Получение эфиров α,β-ненасыщенных жирных кислот осуществляют по реакции кросс-метатезиса диалкилмалеатов с олефинами, содержащими более четырех атомов углерода. Уравнение реакции представлено ниже:

Продуктами этой реакции являются эфиры α,β-ненасыщенных жирных кислот, которые образуются с селективностью, близкой к количественной.

Для осуществления заявленного способа малеаты подвергают взаимодействию с терминальными олефинами, содержащими более четырех атомов углерода, в присутствии катализатора метатезиса при температуре от 20°С до 90°С.

Оптимальными условиями являются температура от 30 до 50°С. При более низких температурах скорость реакции мала, а при повышении температуры значительно возрастает скорость разложения катализатора.

Результаты исследований взаимодействия диэтилмалеата с октеном-1 в присутствие катализатора (1) (условия реакции: 50°С, без растворителя) представлены в таблице 1

Наиболее предпочтительным катализатором является комплекс (1). Так, этиловый эфир 2-ноненовой кислоты в реакции диэтилмалеата с октеном-1 при соотношении малеат: алкен равным 1: 2 в присутствии 0.02 мол.% катализатора Граббса второго поколения (1) был получен с выходом около 55%, в то время как в аналогичных условиях, но в присутствии катализатора Ховейды второго поколения (2) выход этилового эфира 2-ноненовой кислоты составляет 33% (таблица 1, примеры 6 и 9). При этом время жизни комплекса (1) составляет более 4 часов, а для катализатора (2) около 20 минут.

На первой стадии процесса в результате гомометазиса терминального алкена образуются внутренний симметричный олефин и этилен. Для увеличения селективности способа, а также времени жизни катализатора и выхода продукта этилен постоянно удаляют из реакционной смеси током инертного газа (таблица 1, примеры 7 и 8). Также при этом соотношение транс- и цис-изомеров образующегося продукта падает с 25:1 до 16:1.

Оптимальное соотношение малеата к алкену составляет 1:1 (двукратный избыток малеата по стехиометрии). Реакцию ведут до полной конверсии терминального олефина и продуктов его гомометатезиса. Увеличение количества алкена до соотношения малеата к алкену 1:2 приводит к тому, что его продукты гомометатезиса остаются в реакционной смеси (таблица 1, пример 4). Избыток алкена над малеатом (соотношение малеат:алкен=1:3) не позволяет получить полную конверсию малеата (таблица 1, пример 5).

Полная конверсия терминального олефина достигается при использовании не менее 0.05 мол.% катализатора Граббса второго поколения (1). При этом время реакции составляет около 5 часов (таблица 1, пример 2). Уменьшение количества катализатора до 0.02 мол.% приводит к снижению конверсии алкена до 70%. Время жизни катализатора в этих условиях составляет не менее 6 часов (таблица 1, пример 1). Увеличение количества катализатора позволяет достигнуть полной конверсии алкена за меньшее время (таблица 1, пример 3).

Дополнительная очистка реагентов позволяет достигнуть максимального выхода эфиров α,β-ненасыщенных жирных кислот, так как она оказывает существенное влияние на время жизни катализатора. Очистка может включать фильтрование сквозь окись алюминия с последующим высушиванием над молекулярными ситами А4 (для малеатов) или перегонкой над натрием (для терминальных алкенов). Так, этиловый эфир 2-ноненовой кислоты в реакции очищенных диэтилмалеата с октеном-1 при соотношении малеат:алкен=1:2 в присутствии 0.02 мол.% катализатора Граббса второго поколения (1) был получен с выходом около 55%, в то время как в аналогичных условиях, но с использованием неочищенных реагентов выход этилового эфира 2-ноненовой кислоты составил 37% (таблица 1, примеры 6 и 7).

Аналогичные результаты были получены в реакции диэтилмалеата с деценом-1. Конверсия терминального олефина за 300 минут при соотношении малеат: катализатор равным 1:1, температуре 50°С, в присутствии 0.1%, катализатора Граббса второго поколения, без растворителя составила 100% с селективностью более 99%.

Во всех случаях при проведении реакции с удалением этилена ее селективность близка к 100%.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1

Реакцию диэтилмалеата с октеном-1 проводят по стандартным методикам в условиях, исключающих попадание влаги и воздуха в реакционную систему, используя реакторы Шленка, подсоединенные к вакуумной и аргоновой линиям. Коммерческие диэтилмалеат (97%, фирмы "Aldrich") и октен-1 (97%, фирмы "Acros") очищают фильтрованием через основной оксид алюминия (фирмы,"Acros", 50-200 микрон, 20 г на 100 мл диэтилмалеата). Диэтилмалеат далее перегоняют в вакууме и высушивают над молекулярными ситами. Октен-1 после фильтрования перегоняют при атмосферном давлении над натрием. Анализ реакционной смеси ведут методом ГЖХ, отбирая 0.1 мл реакционной смеси и обрабатывая ее 1 мл винилэтилового эфира с целью дезактивирования активных каталитических частиц.

В колбу Шленка на 25 мл, снабженную магнитной мешалкой и двурогим форштосом с септой и счетчиком пузырьков (этот выход форштоса при дегазировании закрыт пробкой), помещают 3.305 г (19.2 ммоль) диэтилмалеата, 2.806 г (25 ммоль) октена-1 и замораживают жидким азотом, после чего вакуумируют до 0.1 Па. Операцию дегазации повторяют три раза. Вакуум перекрывают, реакционной смеси дают нагреться до комнатной температуры и в реакционную колбу вводят аргон, после чего смесь нагревают до 50°С. Далее устанавливают ток аргона со скоростью примерно 200 мл/мин и пробку на двурогом форштосе меняют на счетчик пузырьков, после чего в реакционную смесь вводят суспензию 4.24 мг (0.005 ммоль, 0.02 мол.%) катализатора Граббса второго поколения в 1.00 г (5.8 ммоль) диэтилмалеата. Контроль за ходом реакции осуществляют методом ГЖХ через 10, 20, 30, 45, 60 минут после начала эксперимента и далее через каждые 30 минут до завершения реакции (таблица 1, пример 1).

Пример 2

Реакцию диэтилмалеата с октеном-1 проводят по примеру 1, но используя 10.61 мг (0.0125 ммоль, 0.05 мол.%) катализатора Граббса второго поколения. Результаты эксперимента представлены в таблице 1, пример 2.

Пример 3

Реакцию диэтилмалеата с октеном-1 проводят по примеру 1, но используя 21.22 мг (0.025 ммоль, 0.1 мол.%) катализатора Граббса второго поколения. Результаты эксперимента представлены в таблице 1, пример 3.

Пример 4

Реакцию диэтилмалеата с октеном-1 проводят по примеру 3, но используя 5.611 г (50 ммоль) октена-1. Результаты эксперимента представлены в таблице 1, пример 6.

Пример 5

Реакцию диэтилмалеата с октеном-1 проводят по примеру 3, но используя 5.050 г (45 ммоль) октена-1 и 1.583 г (9.2 ммоль) диэтилмалеата. Катализатора вводят в виде суспензии в 1.00 г (5.8 ммоль) диэтилмалеата. Результаты эксперимента представлены в таблице 1, пример 5.

Пример 6

Реакцию диэтилмалеата с октеном-1 проводят по примеру 1, но используя 5.611 г (50 ммоль) октена-1. Результаты эксперимента представлены в таблице 1, пример 6.

Пример 7

Реакцию диэтилмалеата с октеном-1 проводят по примеру 6, но используя олефины, очищенные без фильтрования сквозь окись алюминия. Результаты эксперимента представлены в таблице 1, пример 7.

Пример 8

Реакцию диэтилмалеата с октеном-1 проводят по примеру 7, но не удаляя образующийся этилен из реакционной смеси. Результаты эксперимента представлены в таблице 1, пример 8.

Пример 9

Реакцию диэтилмалеата с октеном-1 проводят по примеру 4, но используя 3.13 мг (0.005 ммоль, 0.02 мол.%) катализатора Ховейды второго поколения. Результаты эксперимента представлены в таблице 1, пример 9.

Пример 10

Децен-1 очищают аналогично октену-1. Реакцию диэтилмалеата с деценом-1 проводят по примеру 3, используя 3.507 г (25 ммоль) децена-1. Конверсия децена-1 была 100% через 300 минут после введения катализатора в реакционную смесь. Селективность по этиловому эфиру 2-ундеценовой кислоты более 99%. Соотношение изомеров транс.:цис состаляет 25:1.

Промышленная применимость

Производство эфиров α,β-ненасыщенных жирных кислот по реакции метатезиса представляет интерес для промышленности благодаря низкой себестоимости и доступности исходных соединений, а также мягкости условий и высокой селективности реакции. Заявленный в изобретении метод позволяет получать эфиры α,β-ненасыщенных жирных кислот, исходя из малеатов и терминальных олефинов. Преимуществом этого метода перед известными ранее является исключение из процесса легкополимеризующихся акрилатов и токсичных соединений. Селективность получения эфиров α,β-ненасыщенных жирных кислот по заявленному способу близка к 100%.