способ получения 7,7-диметоксибицикло[2.2.1]-гептадиена-2,5

Формула изобретения

Способ получения 7,7-диметоксибицикло[2.2.1]-гептадиена-2,5 формулы

путем переэтерификации 7-третбутоксинорборнандиена (7-t-BuO-НБД) метанолом в присутствии четыреххлористого углерода и Мо-содержащего катализатора Мо(СО)₆, с последующим окислением промежуточного 7-метоксинорборнадиена метилгипохлоритом, образующегося in situ из четыреххлористого углерода и метанола, отличающийся тем, что реакцию проводят при 80-100°С в течение 2 ч и мольном соотношении [Мо(СО) ₆]:[t-BuO-НБД]:[CCl₄]:[МеОН]=1:100:100÷200:100÷400.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области органической химии, в частности к способу получения 7,7-диметоксибицикло[2.2.1]гептадиена-2,5.

7,7-Диметоксибицикло[2.2.1]гептадиен-2,5 (7,7-диметоксинорборнадиен) является исходным реагентом для синтеза тетраметоксиэтилена, являющегося сильным восстановительным и метилирующим агентом (Л. Физер, М. Физер. Реагенты для органического синтеза. М.: Мир, 1971, 412-413 [1]).

7,7-Диметоксинорборнадиен (2) получают из 3,3-диметокситетрацикло[3.2.0.0^2,7 .0^4,6]гептана (1) изомеризацией (катализатор - PdCl₂) (R.W. Hoffmann, R. Hirsch, R. Fleming, M.T. Reetz. Chem. Ber., 105, 3532-3541 (1972) [2]).

Однако (1) является труднодоступным соединением, а его синтез представляет собой многостадийный процесс. Исходным соединением для получения (1) является тетрацикло[3.2.0.0 ^2,7.0^4,6]гептан-3-он (3), который был получен из 7-ацетоксибицикло[2.2.1]гептадиена (4) по следующей схеме (P.G. Gassman, D.S. Patton. J. Am. Chem. Soc., 90, 7276-7282 (1968) [3]):

Общий выход (3) в расчете на прореагировавший (4) составляет 51%. Так, при облучении (4) в растворе пентана в течение 2 часов лампой Hanovia 450-W был получен 3-ацетокситетрацикло[3.2.0.0 ^2,7.0^4,6]гептан (5) (выход 90%), при восстановлении которого алюмогидридом лития (безводный эфир, 0°С) образуется 3-гидрокситетрацикло[3.2.0.0 ^2,7.0^4,6]гептан (6) (выход 92%). Затем к охлажденному раствору (6) в сухом пиридине добавляют п-толуолсульфонилхлорид и выдерживают смесь при -12°С в течение 12 часов, после соответствующей обработки (добавление концентрированной HCl, промывка водой, сушка, кристаллизация) были получены белые кристаллы 3-тозилокситетрацикло[3.2.0.0 ^2,7.0^4,6]гептана (7) с выходом 72%. Затем (7) растворяют в сухом диметилсульфоксиде и при 100°С быстро добавляют к смеси бикарбоната натрия в ДМСО, через 4-5 мин смесь выливают в лед, после многократной экстракции пентаном получают (3) (85%). После перемешивания (3) (20°С, 9 ч) в растворе метанола с триметилортоформиатом и п-толуолсульфокислотой и добавления в конце метоксида натрия, был получен (1) (87%) - исходное соединение для синтеза целевого продукта (2) [3]:

Метод имеет ряд существенных недостатков:

1. Многостадийный синтез.

2. Необходимость выделения промежуточных продуктов.

3. Необходимость проведения фотохимической реакции (синтез (5) проводится в стеклянных и кварцевых реакторах, объем которых строго ограничен).

4. Использование обезвоженных растворителей при синтезе промежуточных соединений (1), (6), (7).

5. Сложность обеспечения условий синтеза (6) (0°С) и (7) (-12°С).

6. Использование дорогостоящего катализатора хлорида палладия.

7. Сложности из-за образования побочных продуктов и значительного количества отходов.

В работе (R. Bicker, M. Kempf, H. Kessler. Synthesis, N7, 427-428 (1975) [4]) предложен улучшенный синтез диметилацеталя норборнадиенона (2):

Конденсацией 5,5-диметокситетрахлорциклопентадиена с цис-1,2-дибромэтиленом с выходом 55% получен эндо-цис-5,6-дибром-1,2,3,4-тетрахлор-7,7-диметоксибицикло[2,2,1]гептен-2 (8), который при действии Zn и АсОН с выходом 85% превращается в 7,7-диметокси-1,2,3,4-тетрахлорбицикло[2,2,1]гептадиен-2,5 (9). Затем 6 г соединения (9) в 1400 мл СН₂ Cl₂ облучают в фотореакторе ( -254 нм) в течение 5 ч, после хроматографирования на силикагеле (бензол-петролейный эфир-этилацетат) вымывают 7,7-диметокси-1,2,3,4-тетрахлортетрацикло[3.2.0.0 ^2,7.0^4,6]гептан (10) (выход 100%). К смеси 26 ммолей (10), 23.4 г трет-BuOH и 52 мл абс. ТГФ прибавляют 0.69 г-атома Na, кипятят 22 часа в атмосфере N ₂, декантируют, выливают в 1000 мл воды, экстрагируют петролейным эфиром, растворитель упаривают и выделяют перегонкой в вакууме 7,7-диметокситетрацикло[3.2.0.0^2,7.0 ^4,6]гептан (1) (53%). Каталитическая изомеризация (1) приводит к (2) с выходом 85%.

Недостатки метода:

1. Многостадийность процесса.

2. Проведение реакции в среде N ₂ (синтез (1)).

3. Использование большого количества растворителей при фотооблучении (1400 мл СН₂ Cl₂ на 6 г (9)).

4. Использование 4 молей металлического натрия для восстановления (10) в (1).

5. Длительность процесса (22 ч при синтезе (1)).

6. Образование неорганических отходов и сточных вод, которые необходимо утилизировать.

В работе (Р.И. Хуснутдинов, Н.А. Щаднева, А.Р. Байгузина, Ю.Ю. Лаврентьева, Р.Ю. Бурангулова, А.М. Атнабаева, У.М. Джемилев. Нефтехимия, т.44, №5, 382-389 (2004) [5]) описан метод синтеза 7,7-диметокси-НБД, основанный на взаимодействии 7-третбутоксинорборнадиена с системой CCl₄ -СН₃-Мо(СО)₆. Реакция проходит в 2 стадии: в начальном этапе 7-третбутокси-НБД претерпевает переэтерификацию с образованием 7-метокси-НБД, который на завершающей стадии окисляется метилгипохлоритом (СН₃ OCl генерируется из CCl₄ и СН ₃ОН в условиях реакции) с образованием целевого 7,7-диметокси-НБД. Процесс проходит при большом избытке CCl₄ и метанола при следующем соотношении реагентов [катализатор]:[7-t-BuO-НБД]:[CCl ₄]:[СН₃ОН]=1:100:300:700.

Этот метод взят нами за прототип.

Прототип имеет следующие недостатки:

1. Большой расход CCl ₄.

2. Огромный расход токсичного метанола (для успешного протекания реакции необходим семикратный избыток СН ₃ОН по отношению к 7-t-BuO-НБД).

3. Образование значительного количества побочных продуктов за счет превращения метанола в условиях реакции. Как следует из данных цитированной статьи [5], метанол в присутствии комплексов переходных металлов энергично окисляется с помощью CCl₄ с образованием диметоксиметана (СН₂(ОСН ₃)₂, т.кипения 41°С) и метилформиата (т. кипения 34°С). Кроме того часть метанола превращается в диметиловый эфир (т. кипения 24°С).

Ниже приводится схема превращений СН₃ОН и CCl ₄ под действием Мо(СО)₆.

Как видно из схемы, в реакционной массе наряду с СН₃ОН, CCl₄, 7-t-BuO-НБД и 7-МеО-НБД присутствуют хлороформ, диметиловый эфир, метилформиат, диметоксиметан и HCl.

Из этой многокомпонентной смеси очень сложно выделить целевой 7-(МеО)₂-НБД. Особые трудности в плане аппаратурного оформления процесса создают 2 газообразных продукта HCl и диметиловый эфир, концентрация которых тем выше, чем больше взято СН₃ОН и CCl ₄ для реакции. Эти газы создают давление, величина которого постоянно повышается в ходе протекания процесса.

Задачей изобретения является упрощение технологического оформления процесса, уменьшение расхода реагентов, особенно токсичного метанола, упрощение и удешевление технологической стадии выделения целевого 7,7-диметоксинорборнадиена.

Для этого процесс получения 7,7-диметоксинорборнадиена путем переэтерификации 7-1-BuO-НБД метанолом в присутствии CCl ₄ и Мо-содержащего катализатора Мо(СО)₆ с последующим окислением промежуточного 7-МеО-НБД метилгипохлоритом (метилгипохлорит генерируется в условиях реакции in situ из СН ₃ОН и CCl₄ под действием катализатора) предлагается проводить при температуре 80-100°С и мольном соотношении реагентов [Мо(СО)₆]:[t-BuO-НБД]:[CCl ₄]:[МеО]=1:100:100÷200:100÷400 в течение 2 ч по следующей схеме:

Преимущества предлагаемого метода.

1. Уменьшение продолжительности реакции (2 ч).

2. Уменьшение расхода токсичных реагентов (метанола - в 1,8÷7 раза, CCl ₄ - 1,3÷3 раза).

3. Упрощение и удешевление технологической стадии выделения целевого продукта.

Способ поясняется примерами:

ПРИМЕР 1. Реакции проводят в стеклянной ампуле (V=20 мл) или микроавтоклаве из нержавеющей стали (V=17 мл).

В микроавтоклав (ампулу) помещают под аргоном 0.1 ммоль Мо(СО)₆, 10 ммоль 7-третбутоксинорборнадиена, 10 ммоль CCl₄ и 10 ммоль МеОН (который играет роль реагента и растворителя одновременно), автоклав герметично закрывают (ампулу запаивают) и нагревают при 80°С в течение 2 часов. После окончания реакции микроавтоклав (ампулу) охлаждают до ˜20°С, вскрывают, реакционную массу фильтруют через слой силикагеля (2 г), непрореагировавшие метанол и CCl ₄ отгоняют, остаток перегоняют в вакууме.

Выделенный 7,7-диметоксибицикло[2.2.1]гептадиен-2,5 имел т.кип. 63°С/10 Па. Спектр ЯМР ¹Н (CDCl ₃, , м.д.): 6.32-6.37 (м, 4Н, 4СН), 3.28 (м, 2Н, 2СН), 2.90 (м, 6Н, СН₃). Спектр ЯМР ¹³С (CDCl₃, , м.д.): 51.74 (С-1, С-4); 138.90 (С-2, С-3); 138.84 (С-5, С-6); 132.82 (С-7); 51.68 (ОСН₃, С-8, С-9). Найдено, %: С 70.88; Н 8.01. С₉Н ₁₂O₂. Вычислено, %: С 71.02; Н 7.95.

Другие примеры, подтверждающие способ, приведены в таблице 1.

Таблица 1
Результаты опытов по синтезу 7,7-диметоксибицикло[2.2.1]гептадиена-2,5 с помощью МеОН и CCl4 под действием молибденсодержащего катализатора - Мо(СО)6
№№ п/п	Мольное соотношение [Мо(СО) 6]:[трет-BuO-НБД]:[CCl4]:[МеОН]	Температура, °С	Время реакции, ч	Выход (2), %
1	2	3	4	5
1.	1:100:100:100	80	2	45
2.	1:100:100:400	-«-	-«-	56
3.	1:100:200:100	-«-	-«-	62
4.	1:100:200:400	-«-	-«-	74
5.	1:100:200:200	100	-«-	88
6.	1:100:200:400	-«-	2	99