СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ 4-ОКСОАЛКАН-1,1,2,2-ТЕТРАКАРБОНИТРИЛОВ

Изобретение относится к области органической химии, а именно к способам получения нитрилов, содержащих четыре цианогруппы, связанные с углеродным скелетом, включающим в себя карбонильную группу, а именно - 4-оксоалкан-1,1,2,2-тетракарбонитрилам общей формулы (A), которые могут быть использованы в качестве исходных соединений для синтеза различных гетероциклических структур пиридинового, пиранового, пиррольного и фуранового рядов, в том числе в составе бициклических и спиросочлененных систем.

где R¹=R²=Me, R³=H (A1); R²=R³=H (A2); R₃=H (A3); R¹+R²=(CH₂)₅, R³=H (A4); R¹+R²=(CH₂)₆, R³=H (A5); R¹=Ph, R²=Me, R³=H (A6); R¹=4-ClC₆H₄, R²=Me, R³=H (A7); R¹=4-MeOC₆H₄, R²=Me, R³=H (A8); R¹=R²=Ph, R³=H (A9); R²=R³=H (A10).

Известен способ получения 4-оксоалкан-1,1,2,2-тетракарбонитрилов общей формулы (A),

где R¹=Me, R²=R³=H (A11); R¹=R²=Me, R³=H (A1); R¹=Et, R²=Me, R³=H (A12); R¹=i-Pr, R²=Me, R³=Me (A13); R¹+R²=(CH₂)₃, R³=H (A14); R¹+R²=(CH₂)₄, R³=H (A15); R¹=Ph, R²=R³=H (A16); R¹=4-Cl-C₆H₄, R²=R³=H (A17); R²=R³=H (A18); R²=R³=H (A19); R¹=R²=Ph, R³=H (A20); путем взаимодействия тетрацианоэтилена с кетоном в присутствии катализатора - «молекулярного» серебра, с использованием в качестве растворителя избытка кетона или тетрагидрофурана (в случае твердых кетонов). Выходы 50-94% (R.К. Heckertand, W.J. Middleton. U.S. Patent 2,781,359, 1957; С.L. Dickinson // Journal of the American Chemical Society, 1960, Vol. 82, p. 4367-4369).

Недостатками данного способа является дороговизна используемого катализатора, а также необходимость дополнительной технологической стадии - отделения катализатора и его дальнейшей регенерации, недостатком также является большой расход кетона в случае использовании его в качестве растворителя.

Известен способ получения соединения (A15), заключающийся в перемешивании в течение ночи смеси тетрацианоэтилена и циклогексанона в жидком диоксиде серы. Выход 95% (D. Masilamani, М.Е. Reuman, М.М. Rogic // Journal of Organic Chemistry, 1980, Vol. 45, p. 4602-4605).

Недостатком этого способа является необходимость использования специального оборудования (колбы Фишера-Портера), а также вещества третьего класса опасности - диоксида серы.

Вышеописанный способ сходен с другим, продемонстрированным на примере соединений (A21), где R¹+R²=(CH₂)₄, R³=Me и (A22), где R₃=H, заключающийся во взаимодействии тетрацианоэтилена с кетоном в среде 1,4-диоксана в присутствии каталитического количества соляной кислоты. Выходы 90% и 69% соответственно (В.П. Шевердов, О.В. Ершов, О.Е. Насакин, А.Н. Чернушкин, В.А. Тафеенко // Журнал органической химии, 2002, т. 38, №7, с. 1043-1046).

Известно также, что по данному способу возможен синтез и других β,β,γ,γ-тетрацианоалканонов, а именно - (A14), (A17), а также (A23), где R¹=t-Bu, R²=R³=H, (A24) где R²=R³=H, (A25), где R²=R³=H, (A26), где R²=R³=H, (A27), где R²=R³=H, с выходами 56-95%, в том числе содержащих стероидный (A28) R³=H или макроциклический (A29) R³=H фрагменты с выходами 72% и 86% соответственно (В.П. Шевердов, О.В. Ершов, А.В. Еремкин, О.Е. Насакин; И.Н. Бардасов, В.А. Тафеенко // Журнал органической химии, 2005, т. 41, №12, с. 1795-1801).

Данный способ является самым универсальным из всех вышепредставленных, с его помощью также возможен синтез 4-оксоалкан-1,1,2,2-тетракарбонитрилов (A), в которых R¹ и R² являются арильными заместителями - (A20), а также (A30), где R³=H (М.Ю. Беликов, М.Ю. Иевлев, О.В. Ершов, К.В. Липин, С.А. Леготин, О.Е. Насакин // Журнал органической химии, 2014, т. 50, №9, с. 1387-1388.), однако к его недостаткам можно отнести использование токсичного растворителя 1,4-диоксана (III класс опасности), длительность осуществления взаимодействия (в случае некоторых кетонов - несколько суток), а также необходимость дополнительной технологической стадии - дробной кристаллизации продукта, так как, согласно данному способу, после разбавления реакционной массы водой происходит образование маслянистой субстанции, которую отделяют и подвергают дробной кристаллизации.

Еще один известный способ получения 4-оксоалкан-1,1,2,2-тетракабонитрилов заключается в нагревании смеси тетрацианоэтилена и кетона в присутствии каталитических количеств воды, пропанола или этанола (О.Е. Насакин, А.В. Кухтин, Г.Н. Петров, Е.Г. Николаев, В.В. Алексеев, С.Ю. Сильвестрова // АС 759507 СССР).

К недостаткам данного способа можно отнести отсутствие универсального характера, результаты продемонстрированы на единичных примерах алифатических кетонов.

Наиболее близким к заявленному решению является способ получения 4-оксоалкан-1,1,2,2-тетракарбонитрилов, общей формулы (A), а именно (A1), (А31), где R¹=Me, R²=Pr, R³=H и (A32), где R¹=Me, R²=Am, R³=H, который заключается в кипячении при температуре кипения кетона смеси тетрацианоэтилена и избытка кетона в присутствии катализатора - уксусной или трихлоруксусной кислоты. Выходы 76-94% (Е.Г. Николаев, О.Е. Насакин, П.Б. Терентьев, Б.А. Хаскин, В.Г. Петров // Журнал органической химии, 1984, т. 20, №1, с. 205-206).

Недостатком данного способа является отсутствие универсального характера, результаты продемонстрированы лишь на примере кетонов, у которых R¹=Me, остается неизвестным, возможно ли его применение для других кетонов алифатического, алициклического и ароматического рядов. Кроме того, в качестве растворителя авторами предлагается использование кетонов, непосредственно вовлекаемых во взаимодействие с тетрацианоэтиленом, поэтому применение данного способа ограничивается использованием лишь жидких кетонов, а также приводит к их большому расходу.

Задачей данного изобретения является разработка усовершенствованного способа получения нитрилов, содержащих четыре цианогруппы, связанные с углеродным скелетом, включающим в себя карбонильную группу, а именно - 4-оксоалкан-1,1,2,2-тетракарбонитрилов общей формулы (A).

Техническим результатом является усовершенствование способа получения 4-оксоалкан-1,1,2,2-тетракарбонитрилов общей формулы (A) за счет осуществления взаимодействия без растворителя, значительного сокращения времени получения, а также повышения экологичности процесса.

Технический результат достигается тем, что способ получения 4-оксоалкан-1,1,2,2-тетракарбонитрилов общей формулы (A),

где R¹=R²=Me, R³=H (A1); R²=R³=H (A2); R³=H (A3); R¹+R²=(CH₂)₅,R³=H (A4); R¹+R²=(CH₂)₆, R³=H (A5); R¹=Ph, R²=Me, R³=H (A6); R¹⁼4-ClC₆H₄, R²=Me, R³=H (A7); R¹=4-MeOC₆H₄, R²=Me, R³=H (A8); R¹=R²=Ph, R³=H (A9); R²=R³=H (A10), включающий нагревание смеси тетрацианоэтилена и соответствующего кетона в эквимолярных количествах, согласно изобретению, к смеси дополнительно прибавляют n-толуолсульфокислоту, а нагревание осуществляют до полного растворения тетрацианоэтилена в образовавшемся расплаве n-толуолсульфокислоты и кетона, с последующей выкристаллизацией целевого продукта.

Способ осуществляется по следующей схеме реакции:

где R¹=R²=Me, R³=H (A1); R²=R³=H (A2); R₃=H (A3); R¹+R²=(CH₂)₅; R³=H (A4); R¹+R²=(CH₂)₆, R³=H (A5); R¹=Ph, R²=Me, R³=H (A6); R¹=4-ClC₆H₄, R²=Me, R³=H (A7); R¹=4-MeOC₆H₄, R²=Me, R³=H (A8); R¹=R²=Ph, R³=H (A9); R²=R³=H (A10).

Сопоставительный анализ заявляемого решения с известными показывает, что предлагаемый способ является более простым, экологичным (соответствует 3-му и 5-му принципам «зеленой химии»), менее затратным, а также в ряде случаев сокращается время осуществления взаимодействия. Метод характеризуется простотой исполнения, отсутствием специального оборудования и токсичных растворителей. Выборка синтезированных соединений (A1-10) с разнообразной природой заместителей демонстрирует универсальность заявляемого решения.

Исходные вещества, а именно тетрацианоэтилен, кетоны и n-толуолсульфокислота являются коммерчески доступными соединениями.

Строение полученных соединений подтверждается данными ИК- и ЯМР ¹H спектроскопии.

Сущность изобретения заключается в описанном способе получения 4-оксоалкан-1,1,2,2-тетракарбонитрилов общей формулы (A), 0,005 моль тетрацианоэтилена смешивают и тщательно растирают с 0,005 моль соответствующего кетона и 0,005 моль n-толуосульфокислоты. Реакционную массу нагревают при 50-60°C при постоянном перемешивании и продолжают греть до тех пор, пока тетрацианоэтилен не растворится в образовавшемся расплаве n-толуолсульфокислоты и кетона, после чего происходит выкристаллизация целевого продукта. Полноту протекания реакции можно проверять по отсутствию синего окрашивания гидрохинона (π-комплекс с тетрацианоэтиленом) под действием раствора пробы реакционной массы в подходящем растворителе (1,4-диоксан, ТГФ, этилацетат, ацетонитрил). Затвердевшую массу после завершения взаимодействия и охлаждения заливают водой, осадок отфильтровывают и тщательно промывают водой от n-толуолсульфокислоты до нейтральной реакции.

Пример 1. Способ получения 3-метил-4-оксопентан-1,1,2,2-тетракарбонитрила (A1). Получали аналогично описанному способу с использованием в качестве кетона бутан-2-она. Выход: 91%. T_пл.=135-137°C (разл). ИК спектр, ν, см^-1: 1697 (C=O), 2253 (C≡N). Спектр ЯМР ¹H (ацетон-d6), δ, м.д.: 1.84 д (3H, CH₃, J=7.5), 2.08 с (3H, CH₃), 4.68 м (1H, CHCO), 5.24 с (1H, CHCN).

Пример 2. Способ получения 4-оксо-4-циклопропилбутан-1,1,2,2-тетракарбонитрила (A2). Получали аналогично описанному способу с использованием в качестве кетона 1-циклопропилэтанона. Выход: 89%. T_пл.=117-118°C (разл). ИК спектр, ν, см^-1: 1697 (C=O), 2252 (C≡N). Спектр ЯМР ¹H (ацетон-d6), δ, м.д.: 1.09-1.13 м (4H, CH₂CH₂), 2.30 м (1H, CH), 4.13 с (2H, CH₂CO), 5.25 с (1H, CHCN).

Пример 3. Способ получения 1-(4-трет-бутил-2-оксоциклогексил)этан-1,1,2,2-тетракарбонитрила (A3). Получали аналогично описанному способу с использованием в качестве кетона 4-третбутилциклогексанона. Реакция идет с саморазогревом, без дополнительного нагревания. Выход: 96%. T_пл.=127-128°C (разл). ИК спектр, ν, см^-1: 1705 (C=O), 2253 (C≡N). Спектр ЯМР ¹H (ацетон-d6), δ, м.д.: 1.01 с (9H, t-Bu), 1.58-2.65 м (7H, 3CH₂+CH), 3.87 д.д (1H, CHCO, J=5.3, 13.0), 6.04 с (1H, CHCN).

Пример 4. Способ получения 1-(2-оксоциклогептил)этан-1,1,2,2-тетракарбонитрила (A4). Получали аналогично описанному способу с использованием в качестве кетона циклогептанона. Реакция идет с саморазогревом, без дополнительного нагревания. Выход: 95%. T_пл.=104-106°C (разл). ИК спектр, ν, см^-1: 1701 (C=O), 2259 (C≡N). Спектр ЯМР ¹H (ацетон-d6), δ, м.д.: 1.52 м (1H, CH₂), 1.75-2.05 м [5H, (CH₂)₃], 2.37 м (1H, CH₂), 2.52 м (1H, CH₂), 2.85 м (1H, COCH₂), 3.18 м (1H, CH₂CO), 4.00 м (1H, CHCO), 5.93 с (1H, CHCN)

Пример 5. Способ получения 1-(2-оксоциклооктил)этан-1,1,2,2-тетракарбонитрила (A5). Получали аналогично описанному способу с использованием в качестве кетона циклооктанона. Реакция идет с саморазогревом, без дополнительного нагревания. Выход: 96%. T_пл.=134-136°C (разл). ИК спектр, ν, см^-1: 1703 (C=O), 2258 (C≡N). Спектр ЯМР ¹H (ацетон-d6), δ, м.д.: 1.16 м (1H, CH₂), 1.57-2.21 м [8H, (CH₂)₄], 2.42 м (1H, CH₂), 2.72 м (1H, CH₂CO), 2.96 м (1H, CH₂CO), 3.97 м (1H, CHCO), 5.88 с (1H, CHCN).

Пример 6. Способ получения 3-метил-4-оксо-4-фенилбутан-1,1,2,2-тетракарбонитрила (A6). Получали аналогично описанному способу с использованием в качестве кетона пропиофенона. Выход: 90%. T_пл.=130-131°C (разл). ИК спектр, ν, см^-1: 1688 (C=O), 2256 (C≡N). Спектр ЯМР ¹H (ацетон-d6), δ, м.д.: 1.81 д (3H, CH₃, J=7.4), 4.84 м (1H, CHCO), 5.99 с (1H, CH), 7.65 м (2H, Ar), 7.78 м (1H, Ar), 8.19 м (2H, Ar).

Пример 7. Способ получения 3-метил-4-оксо-4-(4-хлорфенил)бутан-1,1,2,2-тетракарбонитрила (A7). Получали аналогично описанному способу с использованием с в качестве кетона 4-хлорпропиофенона. Выход: 89%. T_пл.=160-161°C (разл). ИК спектр, ν, см^-1: 1693 (C=O), 2255 (C≡N). Спектр ЯМР ¹H (ацетон-d6), δ, м.д.: 1.84 д (3H, CH₃, J=7.3), 4.79 м (1H, CHCO), 5.98 с (1H, CHCN), 7.12 д (2H, Ar, J=8.7), 8.14 д (2H, Ar, J=8.7).

Пример 8. Способ получения 3-метил-4-(4-метоксифенил)-4-оксобутан-1,1,2,2-тетракарбонитрила (A8). Получали аналогично описанному способу с использованием в качестве кетона 4-метоксипропиофенона. Выход: 93%. T_пл.=143-144°C (разл). ИК спектр, ν, см^-1: 1699 (C=O), 2250 (C≡N). Спектр ЯМР ¹H (ацетон-d6), δ, м.д.: 1.80 д (3H, CH₃, J=7.2), 3.95 с (3H, OCH₃), 4.76 м (1H, CHCO), 5.96 с (1H, CHCN), 7.14 д (2H, Ar, J=8.8), 8.17 д (2H, Ar, J=8.8).

Пример 9. Способ получения 4-оксо-3,4-дифенилбутан-1,1,2,2-тетракарбонитрила (A9). Получали аналогично описанному способу с использованием в качестве кетона 1,2-дифенилэтанона. Выход: 86%. T_пл.=140-141°C (разл). ИК спектр, ν, см^-1: 1696 (C=O), 2246 (C≡N). Спектр ЯМР ¹H (ацетон-d6), δ, м.д.: 5.77 с (1H, CHPh), 6.01 с (1H, CHCN), 7.46-7.69 м (8H, Ar), 8.07 д (2H, Ar, J=7.9).

Пример 10. Способ получения 4-оксо-4-тиенилбутан-1,1,2,2-тетракарбонитрил (A10). Получали аналогично описанному способу с использованием в качестве кетона 2-ацетилтиофена. Выход: 81%. T_пл.=109-111°C (разл). ИК спектр, ν, см^-1: 1699 (C=O), 2250 (C≡N). Спектр ЯМР ¹H (ацетон-d6), δ, м.д.: 8.19 д (1H, CH, J=4.1); 8.11 д (1H, J=4.1, CH); 7.32 т (1H, J=4.1, CH); 6.13 с (1H, CH); 4.57 с (2H, CH₂).

Таким образом, предлагаемый усовершенствованный способ позволяет получить 4-оксоалкан-1,1,2,2-тетракарбонитрилы общей формулы (A), которые могут быть использованы в качестве исходных соединений для синтеза различных гетероциклических структур пиридинового, пиранового, пиррольного и фуранового рядов, в том числе в составе бициклических и спиросочлененных систем.