СИНТЕЗ ПИМАРИЛ-1-ИЗОЦИАНАТА С.Р. Кушнир Н.В. Борисова

УДК 547.599.2
СИНТЕЗ ПИМАРИЛ-1-ИЗОЦИАНАТА
С.Р. Кушнир
ФГУП «ЦНИЛХИ», Нижний Новгород
Н.В. Борисова, В.А. Додонов
Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
А.Б. Радбиль, Б.А. Радбиль
ООО «НВФ Лесма», Нижний Новгород
Э.Н. Шмидт
Институт органической химии СО РАН, Новосибирск
Синтезирован пимарил-1-изоцианат с помощью перегруппировки Гофмана по схеме: кислота → хлорангидрид → амид → изоцианат. Изучены физико-химические свойства амида пимаровой кислоты, хлорангидрида пимаровой кислоты и изоцианата пимаровой кислоты.
ВВЕДЕНИЕ
Получение на основе доступного возобновляемого и экологически чистого
сырья новых продуктов, используемых в различных отраслях хозяйственной деятельности, является одним из перспективных направлений в современной химии.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Смоляные кислоты представляют собой монокарбоновые дитерпеновые кислоты, большинство из которых имеют молекулярную формулу С20Н30О2. Функциональная группа этого класса кислот расположена при третичном атоме углерода, связанном с метильным радикалом и трициклическим радикалом сложного
пространственного строения. Известно, что из-за стерических препятствий прямые реакции синтеза некоторых производных смоляных кислот по карбоксильной
группе сильно затруднены. Например, реакции образования сложных эфиров,
амидов, изоцианатов требуют высоких температур, давления, присутствия катализатора, имеют низкий выход целевого вещества и большое количество побочных продуктов деструкции, окисления и изомеризации вследствие жестких условий, либо вовсе практически неосуществимы [1].
С другой стороны относительно низкая реакционная способность карбоксильной группы смоляных кислот способствует возможности выделения таких
промежуточных соединений в некоторых реакциях с их участием, которые невозможно выделить в случае реакций карбоновых кислот жирного ряда. Таким
продуктом, например, являются изоцианаты смоляных кислот, которые можно
синтезировать с хорошим выходом из соответствующих амидов с помощью перегруппировки Гофмана в щелочной водной среде. Известно, что выделение изо31
цианатов карбоновых кислот в этих условиях невозможно из-за их гидролиза до
аминов [2].
Изоцианаты индивидуальных смоляных кислот являются одним из наименее
изученных классов дитерпеновых соединений, и в научно-технической литературе достаточно скудные сведения об изоцианатах дитерпеновых кислот. Сообщено, что при фотолизе азида дигидропимаровой кислоты образуется бесцветный
маслообразный дигидропимарилизоцианат с т. кип. 130–140°С (10−4 мм рт. ст.)
[3]. Путем термической обработки и фотолиза азида 1β-карбокси-1α-12βдиметил-транс-антицис-пергидрофенантрена синтезирован соответствующий
изоцианат в виде светло-желтого масла. После хроматографии на оксиде алюминия и возгонки при температуре 90°С (10−4 мм рт. ст.) его кристаллы имели т.
пл. 64–66°С и [α]D +36° (C = 1,07% в этаноле) [3]. Аналогичным образом получен
изоцианат О-метилподокарповой кислоты в виде бесцветного медленно кристаллизующегося масла, при возгонке которого при температуре 80°С (10−3 мм рт. ст.)
выделены бесцветные кристаллы с [α]D +89° (C = 1,32% в этаноле) и т. пл. 62°С
[3]. Из амида тетрагидроабиетиновой кислоты (т. пл. 182–183°С) синтезирован
тетрагидроабиетилизоцианат с т. кип. 199–202°С и т. пл. 59–61°С (из 50% этанола) [4]. Левопимарилизоцианат получен из амида левопимаровой кислоты в виде
светло-желтой подвижной маслообразной жидкости [α]25D – 220° (C = 2% в этаноле) [5]. Имеются сведения о синтезе дегидроабиетил-1-изоцианата из дегидроабиетиновой кислоты под действием трифторуксусной кислоты, трифторуксусного
ангидрида и азида натрия с выходом 27% в виде вязкого желтого масла с сильным
ИК-поглощением в области 2245 см−1 (асимметричное валентное колебание
−N=C=O) [6]. В настоящем сообщении приведены данные по синтезу пимарил-1изоцианата.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Пимарил-1-изоцианат (IV) синтезирован нами с выходом 70–72% перегруппировкой Гофмана из амида пимаровой кислоты по схеме:
12
20
11
H3C
2
3
1
4
H3C
10
5
6
H
19
18
O
HO
I
17
CH3
CH3
15 16
13
14
9
8
7
17
17
CH2
SOCl2
60-650 C,
12
20
11
H3C
2
3
2-2.5 ч H 19
3C
10
4
9
5
6
H
18
Cl
O
II
8
7
0
20 C,
3-4 ч
11
H3C
CH2
NH3
12
20
15 16
13
14
1
CH3
2
3
10
4
H3C
9
5
6
18
H2N
8
7
CH2
20
H3C
КOH водн.,Br2
0
H
19
13
14
1
17
CH3
15 16
2
3
5-10 C,
O
III
19
10-15 мин H3C
1
4
10
5
H
N
12
11
15 16
13
14
9
6
CH2
8
7
18
C
O
IV
Все соединения на каждой стадии выделены и охарактеризованы.
Пимаровую кислоту (I) выделяли из полученной без применения химического
воздействия сосновой живицы. Выделение осуществляли методом дробной перекристаллизации смеси натриевых солей смоляных кислот [7]. В работе использовали кислоту (I) c т. пл. 219–219,5°С, [α]D +79° (C = 1% в этаноле) и массовой долей основного вещества 94,5% (по данным ГЖХ). Молекулярная масса пима-
32
ровой кислоты определена масс-спектрометрическим методом. Она составила
302,22402 а.е.м., что соответствует формуле C20H30O2 (302,22457 а.е.м.).
Хлорангидрид пимаровой кислоты (II) синтезирован нами путем обработки I
хлористым тионилом (SOCl2) и выделен в виде бесцветных кристаллов (т. пл.
69°C) с массовой долей основного вещества 88,6% (по данным ГЖХ). Молекулярная масса II (320,19009 а.е.м.) определена с помощью масс-спектра и соответствует формуле C20H29ClO (320,19068 а.е.м.). В ИК-спектре II отчетливо проявляется
полоса поглощения в области 1790 см-1, соответствующая поглощению связи С=О
хлорангидридной группы [8], которая отсутствует в исходной кислоте I.
На холоде II практически не гидролизуется, хорошо растворим в толуоле, трихлорэтилене, четыреххлористом углероде, диэтиловом эфире, диоксане. Продукт
при нагревании стабилен до 120°С и с измеримой скоростью начинает разлагаться
при температуре 130–140°С. Для II характерны реакции, присущие всем хлорангидридам кислот.
Амид пимаровой кислоты (III) получен обработкой II концентрированным
водным раствором аммиака и выделен в виде белых кристаллов (т. пл. 184°C) с
массовой долей основного вещества 93,7% (по данным ГЖХ), хорошо растворим
в толуоле, четыреххлористом углероде, хлороформе, этаноле, ацетоне, не растворим в гексане, воде. Молекулярная масса III, составила 301,24041 а.е.м. (по данным масс-спектра), что соответствует формуле C20H31NO (301,24055 а.е.м.). В
ИК-спектре III видна полоса поглощения в области 1680 см-1 (С=О во фрагменте
−СОNH2) [8].
Пимарил-1-изоцианат (IV) синтезирован путем обработки III щелочным раствором гипобромита калия (реакция Гофмана). После перекристаллизации из этанола IV выделен в виде бесцветных кристаллов с массовой долей основного вещества 95% (по данным ГЖХ) и т. пл. 76°C, хорошо растворим в толуоле, гексане, четыреххлористом углероде, диэтиловом эфире, диоксане, не растворим в воде. Молекулярная масса (299,22532 а.е.м.) и элементный состав IV согласно массспектрометрическим данным соответствуют формуле C20H29NO (299,22490
а.е.м.). Присутствие в ИК-спектре IV полосы поглощения в области 2240 см-1 указывает на наличие в данном соединении группы N=С=О [8]. Cпектры 1Н – ЯМР
всех синтезированных нами производных пимаровой кислоты практически идентичны (см. табл.), различия наблюдаются в спектрах С13 – ЯМР.
Разница между химическими сдвигами С(4) I и ее производных (II–IV) объясняется, вероятно, бета-эффектом заместителя. В случае II бета-эффект атома хлора составляет 10,6 Гц, а в случае IV бета-эффект группы N=C=O – (14,8 Гц) смещен в сторону слабого поля от внутреннего стандарта CHCl3. В случае III бетаэффект невелик  0,1 Гц и смещен в сторону сильного поля. Влияние заместителя сказывается также на величине химических сдвигов атомов С(3), С(5) и С(19),
расположенных в непосредственной близости к этому заместителю (см. табл.). В
спектре С13 – ЯМР IV химический сдвиг С(18) смещен в сильную область спектра.
Химические сдвиги других атомов углерода соединений I–IV мало отличаются
друг от друга.
33
Химические сдвиги метильных групп и олефиновых протонов
соединений I−IV (δ, м.д.)
I
II
III
IV
0,74 с
0,95 с
1,17 с
4,90 м
5,09 с
5,67 д.д.
5,85
0,69 c
0,98 с
1,27 с
4,91 м
5,16 с
5,69 д.д.
В спектре 1Н – ЯМР
С(10)-СН3
С(13)-СН3
С(4)-СН3
С(16)-2Н
С(14)-Н
С(15)-Н
NH2
0,75 с
0,97 с
1,18 с
4,91 м
5,12 с
5,68 д.д.
0,77 с
0,98 с
1,29 с
4,92 м
5,15 с
5,68 д.д.
В спектре 13С – ЯМР
С(1)
38,5 т
38,5 т
38,5 т
38,5 т
С(2)
18,0 т
17,8 т
18,0 т
19,0 т
С(3)
37,0 т
36,0 т
37,2 т
43,0 т
С(4)
47,1 с
57,7 с
47,0 с
61,9 с
С(5)
48,7 д
48,8 д
49,3 д
51,0 д
С(6)
18,9 т
19,0 т
18,8 т
19,3 т
С(7)
24,7 т
24,6 т
24,1 т
22,5 т
С(8)
137,8 с
137,2 с
137,8 с
137,3 с
С(9)
51,4 д
51,6 д
51,3 д
55,4 д
С(10)
37,7 с
36,3 с
37,7 с
37,9 с
С(11)
18,9 т
19,0 т
18,8 т
19,3 т
С(12)
35,5 т
35,5 т
35,4 т
35,5 т
С(13)
38,5 с
38,5 с
38,4 с
38,5 с
С(14)
128,3 д
128,9 д
128,1 д
128,7 д
С(15)
147,1 д
147,1 д
147,2 д
147,1 д
С(16)
112,7 т
112,8 т
112,6 т
112,7 т
С(17)
29,3 кв
29,4 кв
29,3 кв
29,3 кв
С(18)
185,6 с
181,4 с
185,6 с
122,0 с
С(19)
16,6 кв
18,4 кв
17,2 кв
24,0 кв
С(20)
14,9 кв
14,9 кв
14,9 кв
14,4 кв
с − синглет, д − дублет, д.д – дублет дублетов, т − триплет, кв − квадруплет, м − мультиплет
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В синтезе II использовали свежеочищенный по методике [9] хлористый тионил. Другие реактивы имели квалификацию ХЧ или ЧДА, дополнительной очистке их не подвергали.
ИК-спектры записаны на спектрофотометре Perkin Elmer 1310 (кюветы NaCl с
толщиной слоя 1,05 мм, растворитель CCl4). Спектры 1Н – ЯМР и 13С – ЯМР записаны на приборе Bruker АС-200 в CDCl3. Масс-спектр записан на приборе Finnigan МАТ-8200.
Температуру плавления фиксировали в капилляре по ГОСТу 14618.12-78 на
приборе для определения температуры плавления ПТП.
34
Анализ смоляных кислот методом ГЖХ проводили в виде их метиловых эфиров по методике [10,11] на приборе Chrom 5. Для количественного определения
компонентов использовали метод внутреннего стандарта; стандарт — метиловый
эфир маргариновой кислоты. Относительная погрешность единичного анализа
при доверительной вероятности 0,95 составляет ±2%. За результат анализа принимали среднее значение по пяти параллельным определениям. Индивидуальные
соединения и компоненты в смеси идентифицировали путем добавок веществ
установленного строения и корреляцией относительных времен удерживания (по
литературным данным).
Синтез хлорангидрида пимаровой кислоты. В трехгорлой колбе, снабженной обратным холодильником, мешалкой и термометром растворяют 1,2 г (0,01
моль) SOCl2 в 10 мл трихлорэтилена. К полученному раствору постепенно добавляют 2 г (0,0066 моль) I. Раствор перемешивают при температуре 70°С 2,5 ч, затем отгоняют растворитель и избыток SOCl2 при пониженном давлении. Получено 2 г вязкого маслообразного вещества желтого цвета, которое со временем закристаллизовалось. После двухкратной перекристаллизации из ацетона и однократной из гексана получены бесцветные кристаллы II с т. пл. 69°С.
Синтез амида пимаровой кислоты. К раствору 1,9 г (0,006 моль) II в 10 мл
гексана при сильном перемешивании в трехгорлой колбе, снабженной обратным
холодильником, мешалкой и термометром добавляют 2 мл концентрированного
водного раствора аммиака (d = 0,86 при 0°С). Реакционную смесь перемешивают
2 ч при комнатной температуре. Образовавшееся белое кристаллическое вещество (1,7 г) отфильтровывают. Для удаления избытка аммиака III промывают 2 раза
2%-ной водной соляной кислотой, а затем водой до нейтральной реакции промывных вод. После перекристаллизации из этанола получают кристаллы III с
т. пл. 184°С.
Синтез пимарилизоцианата. К 1,3 г (0,004 моль) III, диспергированного в
серном эфире (20 мл), охлажденном до 5°С, в трехгорлой колбе, снабженной обратным холодильником, мешалкой и термометром при перемешивании постепенно добавляют раствор гипобромита калия, свежеприготовленный из 2 мл 25%ного холодного водного гидроксида калия (0,011 моль), 2 мл воды и 0,24 мл
(0,005 моль) брома. Охлаждаемую ледяной баней реакционную смесь перемешивают 10–15 мин, в течение которых содержимое колбы становится прозрачным.
Водный слой отделяют. Органический эфирный слой сушат над безводным сульфатом натрия. Серный эфир отгоняют, получив 1 г желтого вязкого маслообразного вещества, которое со временем кристаллизуется. После перекристаллизации
из 50%-ного этанола получают бесцветное кристаллическое вещество IV с т. пл.
76°С.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зандерманн В. Природные смолы, скипидары, талловое масло. М.: Лесная промышленность, 1964. 576 с.
2. Уэллис Э.С., Лэн Дж. Ф. Органические реакции, М.: ИЛ, 1951. Т. 3. С. 255.
35
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
36
ApSimon J.W., Edwards O.E. // Canad. J. Chem. 1962. V. 40. № 5. P. 896–902.
Белов В.Н., Кустова С.Д. // ЖОрХ. 1954. Т. 28. Вып. 24. С. 1087–1094.
Lloyd W.D., Hedrick U.W. // J. Org. Chem. 1963. V. 28. № 4. Р. 1156–1157.
Stockel R.F. // Canad. J. Chem. 1963. V.41. № 4. P. 834–837.
Крестинский В.Н., Малевская С.С., Комшилов Н.Ф., Казеева Е.В. // ЖПХ. 1939. 12.
С. 1840.
Наканиси К. Инфракрасные спектры и строение органических соединений М.: Мир,
1965. 216 с.
Физер Л., Физер М. Реагенты для органического синтеза. М.: Мир, 1970. Т. 3. С. 329.
Косюкова Л.В., Дунаев В.С. // Химия древесины. 1983. № 4. С. 101–105.
Косюкова Л.В., Дунаев В.С. // ЖАХ. 1989. № 9. С. 1622–1624.