Synthesis of polyfunctional O-containing 1,3-dioxepines connected with an acetal fragment by low-temperature ozonolysis

E. R. Belyaeva; Беляева Э. Р.; Yu. G. Borisova; Борисова Ю. Г.; G. Z. Raskildina; Раскильдина Г. З.; R. M. Sultanova; Султанова Р. М.; S. S. Zlotsky; Злотский С. С.

doi:10.31857/S2686953524010027

Синтез полифункциональных О-содержащих соединений с ацетальным фрагментом низкотемпературным озонолизом 1,3-диоксепинов

Авторы: Беляева Э.Р.¹, Борисова Ю.Г.¹, Раскильдина Г.З.¹, Султанова Р.М.¹, Злотский С.С.¹
Учреждения:
1. Уфимский государственный нефтяной технический университет
Выпуск: Том 514, № 1 (2024)
Страницы: 27-31
Раздел: ХИМИЯ
URL: https://journals.rcsi.science/2686-9535/article/view/256428
DOI: https://doi.org/10.31857/S2686953524010027
ID: 256428

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Впервые осуществлен синтез 3,5-диоксо-1,7-гептандиалей, 3,5-диоксо-1,7-гептандиолов и производных 1,3-диоксо-1,7-гептандикарбоновой кислоты низкотемпературным озонолизом 1,3-диоксепинов. Показано, что в зависимости от условий разрушения промежуточных пероксидных продуктов озонолиза могут быть с высокой селективностью синтезированы соответствующие индивидуальные диальдегиды, диолы и диэфиры.

Ключевые слова

озонолиз, 1,3-диоксепины, окисление

Полный текст

Озонолиз карбоциклических непредельных соединений широко используется в синтезе различных С₆–С₁₀ синтонов с концевыми НОCH₂-, CHO-, COOH-группами, которые применяют в современной индустрии при производстве феромонов, простагландинов и других биологически активных препаратов [1]. Озонолиз циклических диенов приводит к формированию различных полифункциональных синтонов – непредельных диальдегидов, диолов, кислот и др. – с высоким выходом. Отметим, что при озонолизе циклооктена в эфирных растворителях образуется 7-формилгептановая кислота с выходом более 80% [2]. Ранее было показано, что образование кислот и сложных эфиров при озонолизе циклоалкенов [3, 4] доказывает общий характер действия озона на эндоциклические двойные связи.

Известно, что аналоги циклоалкенов – 1,3-диоксепины – обладают биологической активностью [5, 6]. Ранее мы успешно использовали низкотемпературный озонолиз аллиловых эфиров и непредельных ацеталей для получения полифункциональных структур [7, 8].

В данной работе поставлена цель использовать озонирование 1,3-диоксепинов для получения линейных бифункциональных соединений, содержащих ацетальную функцию.

Нами впервые изучено низкотемпературное озонолитическое расщепление 4,7-дигидро- 1,3-диоксепина 1а и 2-изопропил-4,7-дигидро- 1,3-диоксепина 1б (схема 1).

Промежуточные пероксидные продукты были восстановлены диметилсульфидом, что привело с хорошими выходами к образованию диальдегидов 2а,б (схема 1, I). Последние действием NaBH₄ были количественно восстановлены до диолов 3а,б (схема 1, Iа). Также к формированию диолов 3а,б, минуя стадию альдегидов, привела обработка первичных пероксидных продуктов боргидридом натрия (схема1, II).

Озонолиз 1,3-диоксепинов 1а,б и последующая обработка промежуточных пероксидов системой Ac₂O : Et₃N в атмосфере аргона в течение 24 ч (схема 1, III, метод А) привели к образованию эфироальдегидов 4а,б. В результате аналогичных превращений промежуточных пероксидов в атмосфере кислорода воздуха в течение 48 ч (схема 1, III, метод Б) были получены диэфиры 5а,б. По нашему мнению, данное превращение происходит по следующему маршруту: эфироальдегиды 4а,б являются продуктами дегидратации промежуточного образующегося α-метоксигидропероксида в присутствии Ac₂O и Et₃N в среде аргона. Соединения 4а,б при длительном перемешивании (24 ч) при комнатной температуре под действием кислорода воздуха количественно переходили в диэфиры 5а,б через стадию образования эфирокислоты и последующего метилирования карбоксильной группы под действием метанола в присутствии Ac₂O и Et₃N.

Отметим, что во всех случаях выход целевых продуктов составил более 80%, что указывает на отсутствие расщепления ацетального фрагмента. Весь окислитель О₃ расходовался в реакциях с участием двойных связей.

Для качественного определения полученных соединений 2а,б–5а,б использовались методы газо-жидкостной хроматографии (ГЖХ) и тонкослойной хроматографии (ТСХ). Выделение синтезированных веществ происходило с помощью колоночной хроматографии. Структура молекул 2а,б–5а,б доказана методами ¹H, ¹³C ЯМР-спектроскопии и данными масс-спектрометрии.

В спектрах ¹H и ¹³С ЯМР соединений 2а,б присутствуют сигналы, характерные для альдегидных групп в области 9.71 и 200.07 м. д. для соединения 2а и при 9.54 и 200.97 м. д. для соединения 2б. Для соединений 3а,б характерны сигналы, свидетельствующие о наличии гидроксильных групп при 4.49 и 69.02 м. д. для диола 3а и при 3.71 и 67.73 м. д. для диола 3б. Сигналы при 200.46 м. д. для эфира 4а и при 201.59 м. д. для эфира 4б доказывают образование альдегидных производных. Формирование продуктов 5а,б подтверждается наличием сигналов сложно- эфирных групп при 170.53 м. д. для структуры 5а и при 170.39 м. д. для структуры 5б. В масс-спектрах положительных ионов всех полученных соединений 2а,б–5а,б присутствует пик соответствующего иона [M + H]⁺, интенсивность которого составляет 100%.

Таким образом, полученные результаты доказывают, что низкотемпературный озонолиз 1,3-диоксепинов можно рассматривать как удобный метод синтеза соответствующих диальдегидов, диолов и диэфиров.

Схема 1. Низкотемпературное озонолитическое расщепление 1,3-диоксепинов 1а,б с использованием диметилсульфида (I), боргидрида натрия (II) или в присутствии Ac2O и Et3N (III).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Спектры ¹Н и ¹³С ЯМР регистрировали на спектрометрах BrukerAM-300 (США) с рабочими частотами 300.13 и 75.47 МГц соответственно, внутренний стандарт – Me₄Si. ИК-спектры записаны на приборе IRPrestige-21 Shimadzu (Япония) в тонком слое. Исследования методом ГЖХ проводили на приборе Chrom-5 (Чехия) (длина колонки 1.2 м, неподвижная фаза – силикон SE-30 (5%) на носителе ChromatonN-AW-DMCS (0.16–0.20 мм; Чехия), рабочая температура 50–300°С), газ-носитель – гелий. Контроль за результатом ТСХ – на пластинах марки Sorbfil (Россия) с собционным слоем из SiO₂. Для колоночной хроматографии применяли SiO₂ (70–230 меш) марки Lancaster (Великобритания), элюент: гексан–метил-трет-бутиловый эфир, 20 : 1 → 1 : 1. Производительность озонатора – 40 ммоль О₃/ч.

Исходные 1,3-диоксепины 1а,б получены по методике, представленной в статье [9].

Озонирование 1,3-диоксепинов 1а,б

I: Через раствор 1.00 г 1,3-диоксепинов 1а,б (10.0 ммоль 1а или 7.03 ммоль 1б) в 70 мл CH₂Cl₂ при –50^○С в течение 15 мин барботировали озоно- кислородную смесь (10 ммоль О₃). Затем реакционную смесь продували аргоном, при 0°С добавляли 1.59 г (1.90 мл, 50.00 ммоль) для 1а или 2.18 г (2.60 мл, 35.00 ммоль) для 1б диметилсульфида, перемешивали при комнатной температуре до исчезновения пероксидов (контроль – йод-крахмальная проба), добавляли 50 мл CH₂Cl₂, промывали насыщенным раствором NaCl (3 × 20 мл), сушили над Na₂SO₄ и упаривали.

2,2’-[Метиленбис(окси)]диацетальдегид 2а. Выход 87% (1.14 г, 8.63 ммоль). R_f 0.35 (гексан–метил-трет-бутиловый эфир, 1 : 1). ИК (KBr, ν, см¹): 1726 (C=O(H)), 1108 (С–О–С). ¹Н ЯМР (δ, м. д.): 9.71 (с, 2H, 2CH^1,1’O), 5.17 (с, 2H, C³H₂), 4.32 (c, 4H, 2C^2,2’H₂). ¹³C ЯМР (δ, м. д.): 94.70 (C³H₂), 74.69 (2C^2,2’H₂), 200.07 (2C^1,1’=O(H)). Масс-спектр, m/z (I_отн., %): [M + H]⁺ 133 (100), С₅Н₈O₄.

2,2’-[(2-Метилпропан-1,1-диил)бис(окси)]- диацетальдегид 2б. Выход 89% (1.10 г, 6.32 ммоль). R_f 0.33 (гексан–метил-трет-бутиловый эфир, 2 : 1). ИК (KBr, ν, см^–1): 1725 (C=O(H)), 1102 (С–О–С). ¹Н ЯМР (δ, м. д.): 0.81 (с, 6H, 2C^5,5’H₃), 2.01–2.10 (м, 1H, C⁴H), 4.09–4.15 (м, 4H, 2C^2,2’H₂), 4.17–4.21 (м, 1H, C³H), 9.54 (с, 2H, 2CH^1,1’O). ¹³C ЯМР (δ, м. д.): 16.94 (C^5,5’H), 32.39 (C⁴H), 110.33 (C³H), 74.45 (2C^2,2’H₂), 200.97 (2C^1.1’=O(H)). Масс- спектр, m/z (I_отн., %): [M + H]⁺ 175 (100), С₈Н₁₄O₄.

Ia: Полученные по методике I диальдегиды 2а,б в количестве 1.00 г (7.51 ммоль 2а или 5.75 ммоль 2б) растворяли в 20 мл MeOH, добавляли эквимолярные количества NaBH₄, перемешивали в течение 12 ч, добавляли каплю AcOH и дополнительно перемешивали 30 мин. При пониженном давлении удаляли MeOH, остаток разбавляли H₂O, водный слой экстрагировали CH₂Cl₂ (3 × 60 мл), сушили над Na₂SO₄ и упаривали. Выход диола 3а 65 % (0.63 г, 4.60 ммоль). Выход диола 3б 57% (0.58 г, 3.25 ммоль).

II: Через раствор 1.00 г (10.0 ммоль 1а или 7.03 ммоль 1б) 1,3-диоксепинов 1а,б в 70 мл MeOH при –50°С в течение 15 мин барботировали озоно-кислородную смесь (10 ммоль О₃). Реакционную смесь продували аргоном, при 0°С добавляли 0.56 г (15.00 ммоль) для 1а и 0.40 г (10.55 ммоль) для 1б NaBH₄, перемешивали при комнатной температуре до исчезновения пероксидов (контроль – йод-крахмальная проба, 24 ч), добавляли 1–2 капли AcOH, перемешивали 30 мин, при пониженном давлении удаляли MeOH, разбавляли H₂O, водный слой экстрагировали CH₂Cl₂ (3 × 60 мл), сушили над Na₂SO₄ и упаривали.

2,2’-[Метиленбис(окси)]диэтанол 3а. Выход 89% (1.2 г, 8.82 ммоль). R_f 0.15 (гексан–метил- трет-бутиловый эфир, 2 : 1). ИК (KBr, ν, см^–1): 1122 (C–O), 3435. ¹Н ЯМР (δ, м. д.): 3.45–3.51 (дд, 8H, 4С^{1,1’,2,2’}Н₂, J 5.6 Гц), 4.49 (уш.с, 2Н, 2OH), 4.81 c (2Н, 1С³Н₂). ¹³C ЯМР (δ, м. д.): 60.52 (2C^1,1’H₂), 69.02 (2C^2,2’H₂), 95.10 (C³H₂). Масс-спектр, m/z (I_отн., %): [M + H]⁺ 137 (100), С₅Н₁₂O₄.

2,2’-[(2-Метилпропилиден)бис(окси)]диэтанол 3б. Выход 91 % (1.14 г, 6.40 ммоль). R_f 0.17 (гексан–метил-трет-бутиловый эфир, 2:1). ИК (KBr, ν, см¹): 1121 (C–O), 3432. ¹Н ЯМР (δ, м. д.): 0.79 (с, 6H, 2C^5,5’H₃), 1.47–1.59 (м, H, 1C⁴H), 3.61–3.69 (м, 4H, 2C^2,2’H₂), 3.71 (уш.с, 2Н, 2OH), 3.73–3.81 (м, 4H, 2С^1,1’Н₂), 3.83–3.86 (м, 2Н, С³Н₂). ¹³C ЯМР (δ, м. д.): 16.69 (2C^5,5’H₃), 30.82 (C⁴H), 60.64 (2C^1,1’H₂), 67.73 (2C^2,2’H₂), 108.43 (C³H₂). Масс-спектр, m/z (I_отн., %): [M + H]⁺ 179 (100), С₈Н₁₈O₄.

III: Через раствор 1.00 г (10.0 ммоль 1а или 7.03 ммоль 1б) 1,3-диоксепинов 1а,б в 70 мл MeOH при –50°С в течение 15 мин барботировали озоно-кислородную смесь (10 ммоль О₃). Реакционную смесь продували аргоном в течение 20 мин и доводили до комнатной температуры, удаляли растворитель при пониженном давлении при комнатной температуре, остаток разбавляли 50 мл CH₂Cl₂, охлаждали до 0°С, добавляли 8.16 г (7.55 мл, 80.00 ммоль) для 1а или 5.74 г (5.31 мл, 56.24 ммоль) для 1б Ac₂O и 2.00 г (2.79 мл, 20.00 ммоль) для 1а или 1.43 г (1.96 мл, 14.10 ммоль) для 1б Et₃N, перемешивали при комнатной температуре до исчезновения пероксидов (контроль – йод-крахмальная проба, 24 ч). Затем реакционную смесь делили пополам и далее, в зависимости от метода обработки (А или Б), получали соединения 4а,б или 5а,б соответственно.

Метод А. Реакционную смесь (см. III) перемешивали в течение 24 ч при комнатной температуре в атмосфере аргона, затем добавляли 4 мл MeOH, перемешивали 30 мин, экстрагировали Et₂O (3 × 25 мл), промывали 5%-м раствором NaHCO₃ (3 × 10 мл), сушили над Na₂SO₄ и упаривали.

Метил[(2-оксоэтокси)метокси]ацетат 4а. Выход 83% (0.68 г, 4.20 ммоль). R_f 0.23 (гексан–метил-трет-бутиловый эфир, 2 : 1). ИК (KBr, ν, см^–1): 1726, 1734. ¹Н ЯМР (δ, м. д.): 3.68 (с, 3H, C²H₃), 4.11 (с, 2H, C⁵H₂), 4.17 (с, 2H, C⁴H₂), 4.83 (с, 2H,С⁶Н₂), 9.61 (с, 1Н, СН=О). ¹³C ЯМР (δ, м. д.): 53.55 (C²H₂), 64.75 (C⁵H₂), 73.97 (C⁴H₂), 95.06 (C⁶H₂), 171.41 (C¹=О), 200.469 (C³H=О). Масс-спектр, m/z (I_отн., %): [M + H]⁺ 163 (100), С₆Н₁₀O₅.

Диметил 2,2’-[метиленбис(окси)]диацетат 4б. Выход 89% (0.64 г, 3.14 ммоль). R_f 0.35 (гексан–метил-трет-бутиловый эфир, 2 : 1). ИК (KBr, ν, см^–1): 1725 (C–O). ¹Н ЯМР (δ, м. д.): 3.49 (с, 6H, 2C^2,2’H₃), 4.09 (с, 4H, 2C^3,3’H2), 4.79 (с, 2Н, 1С⁴Н₂). ¹³C ЯМР (δ, м. д.): 54.69 (2C^2,2’H₃), 65.95 (2C^3,3’H₂), 95.84 (C⁴H₂), 170.53 (2C^1,1’H=О). Масс-спектр, m/z (I_отн., %): [M + H]⁺193 (100), С₇Н₁₂O₆.

Метод Б. Реакционную смесь (см. III) перемешивали на воздухе в течение 48 ч при комнатной температуре, затем добавляли 4 мл MeOH, перемешивали 30 мин, экстрагировали Et₂O (3 × 25 мл), промывали 5%-м раствором NaHCO₃ (3 × 10 мл), сушили над Na₂SO₄ и упаривали.

Метил[2-метил-1-(2-оксоэтокси)пропокси]- ацетат 5а. Выход 95% (0.92 г, 4.80 ммоль). R_f 0.21 (гексан–метил-трет-бутиловый эфир, 2 : 1). ИК (KBr, ν, см^–1): 1729, 1737. ¹Н ЯМР (δ, м. д.): 0.79–0.90 (м, 6H, 2C^8,8’H₃), 2.04–2.15 (м, H, 1C⁷H), 3.72 (с, 3H, О–C²H₃),4.15–4.35 (м, 5H, C⁶H, 2C^4,5H₂), 9.71 (с, 1Н, CH³=O). ¹³C ЯМР (δ, м. д.): 17.71 (2C^8,8’H₃), 33.61 (C⁷H), 51.93 (C²H₃), 63.35 (C⁵H₂), 74.74 (C⁴H), 110.97 (C⁶H), 171.29 (C¹H=O), 201.59 (C³H=O). Масс-спектр, m/z (I_отн., %): [M + H]⁺ 205 (100), С₉Н₁₆O₅.

Диметил 2,2’-[(2-метилпропан-1,1-диил)- бис(окси)]диацетат 5б. Выход 93% (0.77 г, 3.30 ммоль). R_f 0.32 (гексан–метил-трет-бутиловый эфир, 2 : 1). ИК (KBr ν, см^–1): 1739. ¹Н ЯМР (δ, м. д.): 0.79 (с, 6H, 2C^6,6’H₃), 2.01–2.07 (м, 1H, C⁵H), 3.70 (с, 6H, 2О–C^2,2’H₃), 4.01–4.07 (м, 1H, C⁴H), 4.11 c (4H, 2С^3,3’Н₂). ¹³C ЯМР (δ, м. д.): 17.76 (2C^6,6’H₃), 33.61 (C⁵H), 51.19 (2О–C^2,2’H₃), 63.29 (2C^3,3’H₂), 110.47 (C⁴H), 170.39 (2C^1,1’H=O). Масс-спектр, m/z (I_отн., %): [M + H]⁺ 235 (100), С₁₀Н₁₈O₆.

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ

Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России в сфере научной деятельности, номер для публикаций FEUR – 2022-0007 “Нефтехимические реагенты, масла и материалы для теплоэнергетики”.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

В данной работе исследования на человеке или животных не проводились.