автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.04, диссертация на тему:Синтез и технология перспективных антидетонаторов на основе 2-замещенных бензазолов

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ТАШКЕНТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. АБУ РАЙХАНА БЕРУНИ

На правах рукописи УДК 547.473:547^5-5:547.^3,3

КУАТБЕКОВ Нурлан Абдумусаевич

СИНТЕЗ И ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ АНТИДЕТОНАТОРОВ НА ОСНОВЕ 2-ЗАМЕЩЕННЫХ , БЕНЗАЗОЛОВ

Специальность 05.17.04 -Технология основного (тяжелого) органического синтеза

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ташкент-2000

Работа выполнена в Южно-Казахстанском государственном университете

им. М.Ауэзова

Научный руководитель:

доктор технических наук С.С.ХАЛИКОВ

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Ш.А.АБДУЛЛАЕВ

доктор химических наук, профессор А.Г.МАХСУМОВ

Ведущая организация:

Ташкентский химико-технологический институт

Защита диссертации состоится

■ 7 ■ 12-

2000 г. в 14.00

часов на заседании Специализированного Совета К.067.07.05 при Ташкентском государственном техническом университете по адресу: 700095, г. Ташкент, ул. Университетская, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ташкентского государственного технического университета им. Беруни.

Автореферат разослан

" !(

2000 года.

Ученый секретарь Специализированного совета, доктор технических наук, доце!

ТУРАБДЖАНОВ С.М.

А ОП^-'ХО ГI

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Известно, что производные бензимидазола и бензоксазола используются в медицине, фотографии, текстильной промышленности, а также применяются в качестве красителей, стимуляторов, химических средств защиты растений, поверхностно-активных веществ,

флотационных и аналитических реагентов, присадок различного назначения к топливам и маслам, ускорителей вулканизации и т.д. Применяемые на практике антидетонаторы (например, тетраэтилсвинец) чрезвычайно токсичны и даже запрещены ВОЗ. Однако в настоящее время Узбекистан вынужден закупать около 400 тонн этого препарата для покрытия потребности нефтеперерабатывающей промышленности. В связи с этим, изучение методов синтеза и технологии антидетонаторов в ряду производных бензимидазола и бензоксазола является в настоящее время одним из интересных и перспективных направлений в химии и технологии гетероциклических соединений.

Однако синтез и разработка технологии бисгетероциклов такого типа часто встречают многочисленные затруднения, основным из которых является низкий выход целевых продуктов и сложность их выделения и очистки.

В связи с вышеизложенным, исследования, посвященные разработке новых методов синтеза и технологии производных бензазолов, являются актуальными.

В настоящей работе поставлена цель разработать метод синтеза и технологию бензазолов на основе гидрохлоридов иминоэфиров. При этом получен широкий ассортимент 2-замещенных бензазолов, содержащих С-оксоалкильные и фурановые фрагменты.

Работа выполнена на кафедре органической химии и технологии сахаристых веществ Южно-Казахстанского государственного университета им. М. Ауэзова и является частью плановых исследований университета.

Цель работы

Разработка методов синтеза и оптимальной технологии 2-замещенных бензазолов, содержащих функционально-замещенные алкильные радикалы и фрагменты фурана как потенциальных антидетонаторов и добавок к топливам. В связи с поставленной целыо п работе решались следующие задачи:

1 .Разработка способов получения иминоэфиров и гидрохлоридов: иминоэфиров £ -алкилтиопропионовых, (Г-оксокарбоновых, фуран-карбоновых и ¿Ь -фурилакриловых кислот;

2.Изучение реакций конденсации иминоэфиров и солей иминоэфиров указанных кислот с бифункциональными реагентами, приводящими к 2-замещенным бензазолам. Разработка на этой основе

оптимальной технологии получения 2-(фурил-2')-бензимидазола потенциального антиприсадочного материала;

З.Обеспечение препаратами различных видов испытаний;

4.Поиск путей возможного практического применения синтезированных соединений.

Научная новизна работы

1 .С целью синтеза иминоэфиров ряда апкилкарбоновых кислот и их гидрохлоридов изучена реакция Пиннера с нитрилами -алкилтиопро-пионовых и <Г -оксокарбоновых кислот. Впервые взаимодействием 5-хлорпентанона и роданистого калия синтезирован простейший представитель (Г-оксотиацианатов - 4-оксопентилцианат.

2.Для получения гидрохлоридов этиловых иминоэфиров разработана технология на основе реакции взаимодействия оксоалкилцианатов, этилового спирта и хлористоводородной кислоты.

3.Путем использования метода математического планирования эксперимента найдены факторы, влияющие на процесс конденсации иминоэфиров карбоновых кислот с фенилендиамином-1,2.

Практическая ценность работы

1 .Разработаны методы синтеза 2-замещенных бензазолов, содержащих функционально-замещенные алкильные радикалы и фурановые фрагменты, которые могут найти применение в различных областях народного хозяйства; этисоединения получены с высоким выходом и чистотой целевых продуктов;

2.Используя в качестве исходных реагентов гидрохлориды метиловых иминоэфиров карбоновых кислот, получены 2-замещенные бензазолы, которые предложены в качестве антидетонаторов и добавок к топливам.

3.Разработана технология получения 2-(фурил-2')-бензимидазола, обладающего свойствами антидетонатора к бензинам.

Апробация работы

Результаты исследований, представленных в диссертации, обсуждались на научных семинарах кафедры органической химии и технологии сахаристых веществ Южно-КазахстанскоГо государственного университета им. М.Ауэзова, на 1-ом Международном Узбекско-Турецком Симпозиуме "Химия растительных веществ" (Ташкент, 1994), Международном Симпозиуме по механохимии (Ташкент, 1995), Республиканской научно-технической конференции "Проблема разработки химической технологии импортзамещаемой продукции в Узбекистане (Ташкент, 1995), Конференциях молодых ученых ИХРВ АН РУз (1997-1999), Международных научно-практических конференциях по производству новых препаратов (Шымкент, 1997-1999гг.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из них 4 статьи и 8 тезисов, представленных на различных научных форумах.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы, который содержит 88 наименований. Приложение включает ряд официальных документов, подтверждающих практическое значение работы.

В первой, второй, третьей и четвертой главах обсуждается понятие об антидетонаторах и особенности синтеза и технологии бензазолов исходя из гидрохлоридов иминоэфиров -алкилтиопропионовых и <Г -оксокарбоновых кислот. Приводятся результаты исследований по синтезу и технологии 2-замещенных бензазолов, содержащих фурановые фрагменты. На основе использования математических методов проведена оптимизация и разработана технология потенциального антидетонатора. Обсуждаются возможные области практического применения синтезированных соединений.

В пятой главе приводятся описания методов проведения экспериментов и технология 2-(фурил-2')-бензимидазола.

Диссертация изложена на страницах машинописного текста,

содержит 12- таблиц, I рис.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Среди производных бензазолов выявлены вещества, обладающие широким спектром свойств, которые могут найти практическое применение в качестве антидетонаторов, добавок к топливам и т.п. Введение же в молекулы этих веществ тиоалкильных группировок в ряде случаев приводит к существенной модификации их физико-химических и практически полезных свойств.

I. СИНТЕЗ БЕНЗАЗОЛОВ НА ОСНОВЕ ГИДРОХЛОРИДОВ

ИМИНОЭФИРОВ р -АЛКИЛТИОПРОПИОНОВЫХ кислот С целью поиска новых потенциально активных присадок и добавок к топливам, стабилизаторов и пр. нами были синтезированы бензимндаэолы и бензоксазолы (Ш-УШ), содержащие $> -алкилтиоэтильные радикалы.

и.

мсои'на ын-нс! RSCH2CH2CN-^К5СН2СН2С

ОМе

1.1!

^уАснгснгь'к и

Ш.1У

- 7 Г1

СгааКБЯ У-УШ

!,Ш,У Я=изо-Ви; И,[У,У|-УШ К=№СН2; У-У1 Я1=Я2-Н; УН ЯИШБОг, й2=Н ; УШ Я|=Н2502, И2'Н.

Учитывая, что ключевыми веществами для синтеза 2-замещенных бензазо-лов могут служить гидрохлориды метиловых иминоэфиров карбоновых кислот, нами в качестве исходных соединений были использованы гидрохлориды метиловых иминоэфиров ^-алкилтиопропионовых кислот. В результате конденсации этих гидрохлоридов с о-фенилендиамином и 4-Rl-5-R2-2-aMH-нофенолами, соответственно .образуются 2-замещенные бензимидазолы (III, IY), 2-замещенные 5-Ш-5-К2-бензоксазолы (Y-Y1II), содержащие J3-ал-килтиоэтильные фрагменты.

Все реакции конденсации проводились при кипячении эквимолекулярных количеств реагентов в течение нескольких часов. При проведении реакций в этих условиях выход соответствующих бензимидазолов и бензоксазолов составил 65-78%.

2.СИНТЕЗ 2-ЗАМЕЩЕННЫХ БЕНЗАЗОЛОВ, СОДЕРЖАЩИХ (Г-ОКСОАЛКИЛЬНЫЕ ФРАГМЕНТЫ НА ОСНОВЕ ГИДРОХЛОРИДОВ ИМИНОЭФИРОВ

Нами,с целью получения 2-замещенных бензазолов, включающих (Г-оксо-алкильные фрагменты, была изучена циклоконденсация синтезированных нами гидрохлоридов иминоэфиров С-оксокарбоновых кислот 1Х-Х1 с о-фенилендиамином, о-аминофенолом и 2- амино-5-нитрофенолом. Было установлено,что конденсацию гидрохлоридов этиловых иминоэфиров (Г-оксо-капроновой (IX) и С-оксо-^-фенилвалериановой (X) кислот с этими соединениями наиболее целесообразно проводить в абсолютном спирте при использовании эквимолекулярного соотношения реагентов при 20°С с последующим нагреванием при 65-75 С в течение двух часов. В результате этих реакций с выходом 65-78% образуются 2-(4-оксопентшх)- (XII) и 2-(4-оксо-4-фенил-бугил)-бензимидазол (XIII), а также 2-(4-оксопентил-6-Ш)- (ХГУ, ХУ) и 2-(4-оксо-4-фенилбутил)-6-Ш-бензоксазолы (ХУ1, ХУ11).

,NH*HCI

RCO(CH2)3-C +

ОС2Н5

1X,X

Н2 -NH4CT.C2H50H

NH'HCI

RCO(CH2)3-C IX,X

OC2H5

H2N< м

HO xjJ -NH4C1.C2H50H

;CH2)3COR

-4CH2)3COR XIY-XYII

Константы и выход синтезированных в данной работе 2-замещенных бензазолов Х1У-ХУ11 приведены в табл.1. Состав этих соединений был установлен на основании элементного анализа, а их строение подтверждено спектральными методами - данными ИК и масс-спектров. Масс-спектры синтезированных соединений также подтверждают предложенное строение. При анализе масс-спектров 2-замещенных бензазолов ХП-ХУ11, содержащих(Г-оксо-алкильные фрагменты, были выявлены некоторые общие закономерности

распада молекул этих соединений под электронным лучом. С помощью масс-спектрометрии определены молекулярные массы синтезированных бензазолов, которые соответствовали расчетным, а также характер дальнейшей фрагментации, подтвержденный метастабильными переходами, согласуется с приведенными структурами.

Таблица I. Характеристика 2-замещенных бензазолов

Оса

Соеди- X Я Тлл., м*») Брутто-формула Выход,

нение С») Найдено Вычислен! %

ХП Ш СЮСО(СН2)3 Н 245-247 0,62 С12Н14Ы20 13,70 13,86 73

XIII Ш С6Н5СО(СН2)3 Н 260-262 0,50 С17Н16№0 10,75 10,60 78

Х1У О СНЗСО(СН2)3 Н 209-211 0,74 С12Н13Ж>2 6,89 7,03 69

ХУ О СНЗСО(СН2)Э N02 184-186 0,52 C12H12N204 11,44 11,29 65

ХУ1 О С6Н5СО(СН2)3 Н 190-191 0,48 С17Н15Ж>2 5,11 5,28 74

ХУЛ О С6Н5СО(СН2)3 N02 250-252 0,55 С17Н14И204 8,89 9,03 69

*) Соединения очищены: ХШ, ХУ1 и ХУП - перекристаллизацией из гексана; XII, Х1У

и XV -переосаждением гексана из бензола. **) ТСХ на А1203 в системе растворителей бензол-этанол (20:1).

Следует отметить, что в масс-спектрах изученных бензазолов Х11-ХУП не наблюдается заметных процессов, связанных с расщеплением гетероциклических колец. Это можно объяснить тем, что для производных бензазолов, содержащих легко расщепляющиеся под электронным ударом заместители, конкурирующий распад бензазольного цикла, по-видимому, не характерен, однако, присутствие последнего обеспечивает весьма специфические направления распада.

3. СИНТЕЗ ФУРИЛ И ТЕТР АГИДРОФУРИЛСОДЕРЖАЩИХ А-ИМИДАЗОЛ ИНОВ

Известно,что 2-замещенные и 1,2-дизамещенныел'-имидазолины могут быть получены циклоконденсацией этилендиамина или Ы-моно-замещенных этилендиаминов с производными карбоновых кислот - сложными эфирами, нитрилами, амидами, тиоамидами, амидинами, а также иминоэфирами или солями иминоэфиров.

Для получения производных л -имидазолинов, содержащих фрагменты в положении "2" имидазолинового кольца, нами использована циклоконденса-ция иминоэфиров фуран-2-карбоновой (ХУШ) и 5-метилфуран-2-карбоно-вой кислоты (XIX), а также гидрохлоридов иминоэфиров 5-11-фуран-2-кар-боновых (XX,XXI) и (Е)-^ -(5-11-фурил-2)акриловых (ХХИ-ХХГУ) кислот с этилендиамином (ХХУ) и М-бензэтилендиами-ном (ХХУ1) и И-(бензими-дазолил-2-метил)-этилендиамином (ХХУ11)-. Исходные Ы-монозамещенные

этилендиамины (XXYI-XXY1I) были синтезированы с выходом 62-84% ал-килированием этилендиамина (XXY) соответствующими хлорпроизводны-ми. Алкилирование проводили с использованием 5-ти кратного избытка этилендиамина с целью предотвращения образования побочных продуктов более высокой степени замещения.

В результате продолжительного (15-18 ч) кипячения эквимолекулярных количеств иминоэфиров (XYIII, XIX) и 1,2-диаминов (XXY-XXYII) в абсолютном этаноле с выходом 70-75% образуются 1-Ш-2-(5-11.-фурил-2)-Д-ими-дазолины (XXYIII-XXXII). ^

R! icf + RINHCH2CH2NH2 -9- i|_| I л

V >0E« аон \>A

XYIII,XIX XXY.XXYI XXYUl-XXXl

Гидрохлориды иминоэфиров в реакциях с 1,2-бифункциональными нукле-офильными реагентами являются значительно более реакционноспособны-ми, чем основания иминоэфиров. Это обстоятельство можно объяснить увеличением электронной плотности углеродного атома C=N-группы в гидрохлоридах иминоэфиров вследствие большого смещения5"-электронной пары двойной связи по направлению к атому азота иминоэфирной группы.

В соответствии с этим конденсация гидрохлоридов иминоэфиров кислот фуранового ряда(ХХУШ-ХХХН) с этилендиамином (XXY) и N-монозаме-щенными этилендиаминами (XXYI-XXYII) проводили в более мягких условиях - при 0 С в абсолютном метаноле с последующим кипячением реакционной смеси в течение 1-2 ч и обработкой эквивалентным количеством ме-тилата натрия при 0 С. В результате с выходом 73-87% были синтезированы соответственно 1-R1 -2-(5-К-фурил-2)-(ХХХШ-ХХХУИ) и l-Rl-2-[ (-5-R-фурил-2)винил]-^-имидазолины (XXXYII-XLII) (табл.2).

. ¡Г! ,NH«hci I .iL/fHsCHlJ 1D

R^ >(CH=CH)n-C' + R1-CH2NHCH2CH2NH2-N/-^1

0 OEt ЛН4С. • V

XXYIII-XXXII XXY-XXYII -ЬОК /< XXXIII-XLII

Известно,что 2-трихлорметилбензимидазол (ХЫП) при взаимодействии с нуклеофильными реагентами не подвергается галоформному распаду, а вступает в реакции нуклеофильного замещения с атомов хлора. Нами использовано это свойство вещества XLIII для синтеза 1-фурфурил- (XLIY) и 1-тетрагидрофурфурил-2-(бензимидазолил-2)-Д*имидазолинов (XLY). Установлено, что при непродолжительном нагревании XLIII с N-монозамещен-ными этилендиаминами (молярное соотношение 1:4) в воде целевые ¿£ими-дазолины (XLIY,XLY) образуются с выходом 70-86%.

-1 - Г~ К

, 11 р.11 + HetCH2NHCH2CH2NH2 -'

-HCl kfi' XLIII н XUY.XLY 1

Oyfct

Физико-химические константы и выходы синтезированных£имидазолинов приведены в табл.2. Состав полученных¿имидазолинов был установлен на основании данных элементного анализа; строение их было подтверждено данными ИК и ПМР спектров.

Таблица 2.Характеристики синтезированных I А » (| Дд

2-замещенных и 1,2-дизамещенных А-имидазолиноп

Соеди- ! Я ! п ! Ш |Т.1сип.,о С(мм.рт.ст.) | 1Ш) ] Бругго- | Содержание, % 6) | Выход,0/

нение •) I | ■ 1 | или Т.пл.,0 С;(пШО)| | формула ;с ! н | N1 1 1

ХХУШ н 0 Н 173-174 0,48(а) С7Н8№0 .6,0 20,5 76

61,7 5,9 720,6

XXIX н 0 РЬСН2 155-157(2) 0,53(6) C14H14N20 .74.! , 6,3. 12.5. 72

№20-1,5480) 74,3 6,2 12,4

XXX Ме 0 Н 148-150 0,40(а) С8Н1 ©N20 63,8 6.6. . _18.9. 74

64,0 6,7 18,7

XXXI Ме 0 рьсте 167-169(1,5) 0,62(6) C15H16N20 75.1 . 6,5 . 11,9. 70

(пт0-1,5480) 75,0 6,7 11,7

XXXII Вг 0 н 163-165 0,60(а) C7H7BrN20 38.9. 3.4. 12,8, 87

39,1 3,3 13,0

XXXIII N02 0 н 155-154 0,40(6) С7Н7Ю03 45.7. 3.9. 22,8. 73

45,8 3,8 22,9

ХХХГУ N02 0 РЬСН2 102-103 0,77(6) С13Н11ШОЭ _60.4. 4.1 . _ 16.2. 86

60,7 4,3 16,3

ХХХУ N02 0 тиенил- . 0,70(6) С12Н1ШЗОЗ 76

2-метил (пШО-1,5258) 52,0 4,0 15,2

ХХХУ1 N02 0 бензимчдазо- 0,32(а) С)5Н13К503* - - 74

лил-2-метил 2C6HЗN307 20,0

ХХХУП Н 1 Н 152-154 0,40(а) C9H10N20 80

~66,7 62 17,3

ХХХУШ Вг I Н 142-144 0,52(а) C9H9BrN20 44.7. 3,8 . .11.3- 82

( с разл.) 44,8 3.7 11,6

XXXIX N02 1 н 138-140 0,38(6) С9Н9№03 52,0. 4,4 . ^20 1 . 84

(с разл.) 52,2 4,3 20,3

хь N02 1 РЬСН2 84-85 0,68(6) С16Н15КЗОЗ 64.7. .4.9. 13.8. 75

64,6 5,0 14,1

ХЫ N02 I тиенил- - 0,54(6) CI4HIЗNЗOЗ „55,6, 4.2. ,14,1 . 73

-2-метил №20-1,5325) 55,4 4,3 13,9

*У Соединения перекристаллизованы: ХХУ1И и XXXII- из толуола; XXX и ХХХУН- из смеси бензол-гексал (10:1); XXXIII- из смесн бензол-гексан (5:1); XXXIV и ХЬ-из циклогексана; ХХХУШ-из смеси толуол-этанол (15:1); XXXIX - из смеси бензол-циклогексан (5:1).

а)- ТСХ на А1203 в системах растворителей бензол-метанол (10:1)(а) и СС14-метанол (20:1) (б).

б)-В числителе приведены найденные значения, в знаменателе - вычисленные.

4.СИНТЕЗ 2-ЗАМЕЩЕННЫХ И 1,2-ДИЗАМЕЩЕННЫХ ИМИДАЗОЛОВ, СОДЕРЖАЩИХ ФУРАНОВЫЕ ФРАГМЕНТЫ Для получения фурилимидазолов нами выбран метод, заключающийся в дегидрировании фурилсодержащих/-имидазолинов.Известно, что каталитическое дегидрирование Д-имидазолинов является одним из наиболее простых и доступных способов получения имидазолов. Реакция обычно протека-

ет в интервале температур 170-350°С в присутствии платины, меди, железа, серебра, никеля и других металлов. Дегидрированию Димидазолинов способствуют также различные вещества,связывающие водород - сера, селен, оксид меди, циклогексанон, перманганат бария и др.

Первоначально с целью нахождения наиболее благоприятных условий для превращения 1-Я1-2-(5-И-фурил-2)- (ХХУШ-ХХХУ1) и 1-Я1-2-[(Е)-2-(5-К-фурил-2)винил]-Д-имидазолинов (ХХХУН-ХЬ) в соответствующие имида-золы бьшо подробно изучено дегидрирование 1 -бензил-2-(фурил-2)-/!-ими-дазолина (XXIX), выбранного в качестве модельного соединения. Реакции проводились в присутствии различных катализаторов дегидрирования, при различных температурах и в различных растворителях. В результате ряда опытов бьшо установлено,что наиболее целесообразно дегидрирование -имидазолина XXIX проводить в присутствии 10-15% мае. никеля Ренея или 20-30% мас.5%-ного Р<1/С при кипячении в додекане (Т.кип.=216 С) в течение 2-3 ч. В этих условиях выход целевого 1-бензил-2-(фурил-2)-имидазола составляет 62-67%.

При дегидрировании в аналогичных условиях дг-имидазолинов ХХУП1-ХХХУИс выходом 55-65% были синтезированы 1-Ш-2-(5-фурил-2)- (ХЫ1, Х1ЛУ, ХЬУ) и 2-[(Е)-2(фурил-2)-винил]-имидазол(ХЬУ1):

I ' и №-Ке;Ра/С;-Н2 7 "

ХХУШ-ХХХУН ХШ-ХЬУ1

Отметим, что все наши попытки получения 2-замещенных имидазолов, содержащих 5-бромфурильные или 5-нитрофурильные радикалы, дегидрированием соответствующихд-имидазолинов оказались безуспешными, а именно, при проведении реакций в указанных выше условиях наблюдалось сильное осмоление реакционных смесей, из которых не удалось выделить целевые имидазолы.

Далее нами изучено дегидрирование 1-фурил-2-112- -имидазолинов ХЬУП-Ь. При этом установлено, что дегидрирование этих соединений следует проводить при кипячении в додекане или при нагревании до 225-230 С в диэтилен-гликоле в течение 4-5 ч. в присутствии 20% мае. никеля Ренея. В этих условиях выход целевых 1-фурфурил-2-112 -имидазолов 1Л-1ЛУ составляет 65-77%:

ХЬУП-Ь ЬЫЛУ

Константы и выходы синтезированных имидазолов (ХШ-ХЬУЦЛ-ЫУ) представлены в табл.3. Некоторые из полученных имидазолов были очищены пе-

рекристаллизацией (соединения ХЫ1-Х1ЛУ, ХЬУ1,ЬП-1ЛУ); остальные соединения были выделены из реакционных смесей и очищены колоночной хроматографией на А1203. Состав полученных имидазолов был установлен на основании данных элементного анализа, а их строение подтверждено данными

ИК-и ПМР-спектров. -^

Таблица 3.Характеристики синтезированных фурилсодержащих имидазолов

и*

Соеди-! Я 1 ¡Т.пл., 1 * 1 1 Брутго- 1 Содержание, % ♦**) | .Выход, ;

)неиие | ! к' ¡оС») 1 М**)! формула ! С | н ! N | %•♦••);

Х1Л1 фурил-2 н 168-169 0,57(а) С7Н6ГОО 66.5. 4.6 . 21.1 . 58

66,7 4,5 20,9

ХИН фурил-2 РЬСН2 78-80 0,72(6) С14Н12Ы20 74,9. ,12.7. 67(72)

75,0 5,4 12,5

ХЫУ 5-метилфурил-2 Н 142-144 0,50(а) C8H8N20 55

64,9 5,4 18,9

Х1.У 5-мегилфурил-2 РЬСН2 масло»»*") 0,68(6) С15Н14Ы20 75,4, .6,0. 11,6. 61 (67)

75,6 5,9 11,8

ХЬУ! 2-(фурил-2)винил Н 121-123 0,64(а) С9Щ^О 67,7. 4.9. .17,4. 65

67,5 5,0 17,5

Ц Ме фурфурил С9НЮ№0 6.9. .17,0. 77

66,7 6,8 17,3

Ш РЬ фурфурил 58-60 0,38(6) С14Н12№0 65

75,0 5,4 12,5

ин РЬСН2 фурфурил 67-68 0,42(6) С15Н14№0 75.7, 5.8. .12,1 . 74

75,6 5,9 11,8

иУ инаолил-3 фурфурил 108-110 0,45(а) С1бН13ГОО 73,2, 5.0. 15,8. 68

73,0 4,9 16,0

*) Соединения пере кристаллизованы: ХШ,ХЦУ - из ксилола; ХЬШ - из петролейного эфира; ХЬУ1 - из толуола; Ш,ЬУ- из смеси гексан-хлороформ(10:1); ЫУ - из смеси бензол-метанол(15:1). **) ТСХ на А1203 системах растворителей бензол-метанол (10:1) (а); СС14 - метанол (20:1) (б). •••) - В числителе приведены найденные значения, в знаменетале - вычисленные. "••) - В скобках указан выход соединений, полученных встречным синтезом. •••••)-Соединения очищают при помощи колоночной хроматографии на А1203, бензол-метанол (10:1).

5. СИНТЕЗ 2-ЗАМЕЩЕННЫХ БЕНЗИМИДАЗОЛОВ И БЕНЗОКСАЗОЛОВ,

СОДЕРЖАЩИХ ФУРАНОВЫЕ ФРАГМЕНТЫ Фурилсодержащие бензимидазолы представляют значительный интерес с точки зрения их биологической активности, а также в качестве удобных объектов для изучения реакционной способности бисгетероциклических соединений, в которых азольное и ¡¡(^избыточные кольца связаны друг с другом или разделены винильным фрагментом. Однако соединения этого типа до настоящего времени обычно получают с небольшим выходом по реакции Вейденхагена - взаимодействием о-фенилендиамина с альдегидами фуранового ряда в присутствии ацетата меди (молярное соотношение 1:1:2; 80-90 С, 2-6 ч) с последующей обработкой реакционной смеси газообразным сероводородом.

Нами было найдено, что при кипячении (5-6 ч) эквимолекулярных количеств нминоэфиров и о-фенилендиамина в диоксане в присутствии 15-20%

мол. уксусной кислоты с выходом 70-73% образуются 2-(5-Я-фурил-2)бен-зимидазолы (ЬУ,ЬУ1):

ЬУДЛЛ

При нагревании эквимолекулярных количеств гидрохлоридов иминоэфи-ров и о-фенилендиамина в этаноле в течение 1,5-2 ч с выходом 85-93% были синтезированы 2-замещенные бензимидазолы ЬУИ-ЬХ! (табл.4):

.О

/ИКС/

ЬУП-1Х1

Для получения 1,2-дизамещенных бензимидазолов в реакции был взят Ы-ме-тилзамещенный о-фенилендиамин. При этом бьши получены с выходом 6394% соответствующие продукты ЬХП-СХУП:

|| || ^н-нс. Г >кнснз ' Ц

Я

■ \0Е, Ч^МШ -ИН4С1, -ЕЮН 1 ' С

ЬХП-ЬХУИ

Все синтезированные фурилсодержащие бензимидазолы (ЬУ-ЬХУП) являются кристаллическими соединениями с четкими температурами плавления. Состав вновь синтезированных соединений установлен на основании данных элементного анализа. Строение полученных бензимидазолов подтверждено данными ИК- и ПМР-спектров.

Для получения 2-фурил-замещенных бензоксазолов была осуществлена циклоконденсация в вышеуказанных условиях иминоэфиров ХУ1Н-Х1Х с о-аминофенолом (молярное соотношение 1:1).Выходы продуктов циклокон-денсации (ЬХУП,ЬХ1Х) были несколько ниже соответствующих бензимидазолов (58-60%).

-Н

ш. сюсоон

^О* к Дон

ХУШ-Х1Х ЬХУШ-ЬХ1Х

яОс-т♦ Гп ^СХХ-О

В отличие от бензимидазолов ЬУ11-ЬХУ11, получение соответствующих бензоксазолов реакцией гидрохлоридов иминоэфиров ХХУШ-ХХХП с о-амиио-

фенолом требовало более жестких условий (нагревание 3-4 часа) и при этом выход продуктов был ниже (78-87%):

•О

>(СН+СН)п-С

' и

ОН -N4401,-ЕЮН

— д/ | ■ — 1

ХХУШ-ХХХИ ЬХХ-ЬХХ1У

Некоторые физико-химические характеристики синтезированных 2-фурил-замещенных бензоксазолов ЬХУ1П-ЬХХ1У приведены в табл.№ 5.

Таблица 4. Характеристики синтезированных фурнлсодержащих бензимидазолов

^ ■ -СН--СА-0-'1

Соии-1 Я ! п |Т.пл.,оС') 1 • | Брутто- .Содержание, %*") \. Выход.

ненис | 1 1 Щ ¡(Лкт.дая.) ! яг**) ! формула ; с : н | N ! ■/.*"•)

1.У н 0 н 289-29) 0,56(а) 73

(285-286;290-292)

ЬУ1 Мс 0 Н 280-282 0,50<а) C12HmN20 72,8. 4.9 .14.3 . 70

72,7 з.о 14,1

ЬУП Вг 0 И 230-231 0,б4(а) С11Н7ВгМ20 50,3. -2.8. 10.4. 90

(228-230) 50,2 2,7 10,6

ЬУШ N02 0 Н 233-234 0,52(6) С11Н7ЫЗОЗ 174 , ,18.3. 85

(230-231) 57,6 3,0 18,3

их н 1 н 224-225(разл.) 0,42(а) С13НЮГОО 7«. 5,0. П,4 88 (46)

(223) 74,3 4,8 13,3

ьх Вг 1 Н 210-212(разл.) 0,66(6) С13Н9ВгМ20 24.1 .3,0, 10.0 . 93

ст> 54,0 ЗД 9,7

иа N02 1 Н 245-247(раэл.) 0,40(6) C13H9N303 «1,0 3.4. 16.7 87(50)

61.2 3,5 16,5

ьхн н 0 снз 71-72 0,78 (6) 94

ист Вг 0 енз 125-126 (123-124) 0.78 (а) С12Н9ВгШО 522 52,0 1Л 3,2 2Л 10.1 65(60)

ЬХ1У N02 0 СНЗ 215-216 (213-214) 0.58(6) С12Н9ЮОЗ 22Д 59,2 ЗЛ 3,7 12Л Ш 68(65)

ЬХУ Н 1 снз 117-118 (113-116) 0,81 (а) С14Н12ШО Ш 75.0 5,4 Х2А 12.5 63

Вг 1 снз 127-128 (125) 0,70 (а) С14Н11ВгЯ20 Ш 55.4 ЗЛ 3,6 2Л 9Д 67

ЦХУП N02 1 снз 142-143 0,64 (6) С14Н1Ш303 Щу 62,4 10 4,1 15.6 64

*)-Соелиненкя перекристаллизовани: ЬУ-ЬХ, ЦСТУХХУ- из водного этанола; LXI- из водного ДМФА; ЬХШ, ЬХУ1,ЬХУП - нз пропанола-2.

**) -ТСХ наА1203 в системах растворителей бензол-метанол (10:1)(а) и хлороформ-ацетон (15:1) (б).

***) • В числителе приведены найденные значения, в знаменателе - вычисленные. ♦ ***) - В скобках указан выход соединений, полученных альтернативным способом.

Таблица №5 .Некоторые характеристики фурилзамещенных бензоксазолов

'05

соединение

т.пл.,оС*) Я п (лит дан.)

ЛГ*)

Брутто-формула

содер С

N

Выход,0/.

ЬХУШ н 0 88-90 0,75 60

(86,5-87,5)

иах енэ 0 97-98 0,67 С12Н9Ш2 го 4,6 6,8 58

72,4 4,5 7,0

ьхх Вг 0 113-115 0,58 С11НбВгЖ)2 53,0 2,5 5,7 85

53,2 2,4 5,6

ЬХХ1 N02 0 229-230 0,50 С11Н6№04 57,5 2,7 12,0 78

(231-232) 57,4 2,6 12Д

ьххп н 1 77-79 0,70 С13Н9№2 74,1 4,2 6,7 87

73,9 4,3 6,6

1.ХХШ Вг 1 151-152 0,62 C13H8BrN02 54,0 2,7 4,9 82

53,8 2,8 4,8

ЬХХГУ N02 1 168-169 0,50 С13Н8Ю04 60,7 2,9 11,0 84

60,9 3,1 10,9

*)- соединения перекристаллизованы: ЬХУШ,ЬХХ1 - из гексана; ЬХГХ- из пеггролейного эфира; ЬХХ.ЪХХШ- из водного этанола; ЬХХ1,ЬХХ1У- из водного ДМФА. ♦*) - ТСХ на А1203 в системах растворителей бснзол-мстанол (10:1). ***) - В числителе приведены найденные значения, в знаменателе - вычисленные.

б.ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ 2-<ФУРИЛ-2')-БЕНЗИМИДАЗОЛА Учитывая практический интерес к 2-(фурил-2')-бензимидазолу как потенциальному антидетонатору, нами проведена оптимизация синтеза этого продукта путем привлечения математического метода Бокса-Уилсона.

Реакцию получения целевого продукта осуществляли циклоконденсацией этилового эфира иминоэфира фуран-2-карбоновой кислоты с о-фениленди-амином в диоксане в присутствии уксусной кислоты по схеме:

I I]

Ч(Г Сч0Е4 +

Л-К

т

н

Для количественной оценки влияния факторов на процесс синтеза целевого продукта, получения его математической модели, а также для определения условий достижения максимального выхода продукта использован метод Бокса-Уилсона.

На основании результатов проведенных опытов, в качестве факторов, определяющих процесс, выбраны следующие:

В XI - соотношение количеств фенилендиамина-1,2/им1шоэфир (моль/моль); В Х2- температура процесса (оС);

н

■ ХЗ - продолжительность реакции (час);

Я Х4 - соотношение количеств уксусная кислота / фенилендиамин-1,2 (моль/моль); И Х5 - соотношение количеств диоксак / фенилендиамина-1,2 (г/г)

Уровни факторов и интервалы их варьирования представлены в таблице.№6.

Таблица №6. Уровни факторов н интервалы варьирования

РКДО&г i'i'hv Ш-Ш.:

Основной уровень 2 60 3 1,5 4

Интервал варьирования 1 15 1 0,5 1

Верхний уровень 3 75 4 2 6

Нижний уровень 1 45 2 1 3

Размерность мол/мол °С час мол/мол г/г

За параметр оптимизации был взят выход 2-(фурил-2')-бензимидазола. Составлена матрица планирования, по которым проведены опыты, результаты которых представлены в табл.Л1>7.

Проведение оптимизации методом математического планирования позволило составить математическую модель процесса, которая выражается сле-дующим уравнением:

У = 62,0 - 6,0 XI + 7,25 Х2 - 8,25 ХЗ + 7,0 Х4 + 2,75 Х5

Таблица №7. Матрица планирования и результаты опытов

jJX>V-*.-* -V, 1ШШ МВД« 4КЗН» BttttWViE ШШЙ

1 + + + - + 51,0 47,0

2 - + + + - 70,5 73,5

3 + - + + + 53,5 50,5

4 - - + - - 39,5 44,5

5 + + - + - 76,0 74,0

6 - + - - + 82,0 80,0

7 + - - - - 45,5 50,5

8 - - - + + 79,0 75,0

Результаты статистического анализа показали, что математическая модель адекватна [по критерию Фишера Рэксп.(2,01) < И табл.(3,7)], дисперсия адекватна [ по критерию Кохрена Сэксп.(0,22) < в табл.(0,68)] и все факторы значимы кроме фактора Х5.

На основании проведенной оптимизации были найдены оптимальные условия синтеза целевого продукта -2-(фурил-2')-бензимидазола и разработана технология его получения.

Принципиальная технологическая схема приведена на рисунке 1.

Рассчитанное количество этилового иминоэфира фуран-2-карбоновой кислоты из емкости (поз.Е!) поступает в реактор (поз Р8),

куда подаются о-фенилендиамин (поз.Е2), уксусная кислота (поз. ЕЗ), и 1,4-диоксан (поз. Е4). смесь кипятят при перемешивании в течении 6 часов, затем охлаждают до температуры 20°С ледяной водой и нейтрализуют с помощью аммиачной воды до pH 7,0 — 7,5. Раствор, содержащий 2-(2-фурил)-бензимидазола направляют в вакуум-фильтр (поз.Ф9). Выделившийся продукт промывают водой. Раствор, содержащий 1,4-диоксан, воду и др. направляют в емкость (поз. Ell), откуда поступает в куб ректификационной колонны (поз. К14).

Ректификационная колонна представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат с колпачковой тарелкой. Число тарелок - 42. Кубовый остаток, содержащий воду, 1,4-диоксан и др. направляют в узел БХО.

2-(фурил-2)-беизимидазола.

Е1,Е2,ЕЗ,Е4,Е5,Е6 - емкости для этилового эфира иминоэфира фуран-2-карбоновой кислоты; о-фениосцциамина, уксусной кислоты, диоксана, аммиачной воды и воды; 7Д7 - электродвигатель, Р8 - реактор, Ф9-вакуум-фнльтр; ЕЮ- емкость.

Наработанный по данной технологии продукт был испытан в качестве антидетонатора на Шымкентском нефтеперерабатывающем предприятии. Полученные при этом результаты представлены в табл.8 (в качестве исходного бензина был использован прямогонный бензин с октановым числом (04) 62 ед.).

Таблица 8. Результаты испытания препаратов в качестве антидетонаторов

Название соединений Кол-во добавки,% Октановое число, по исследуемому методу Измеренное по моторному методу

2-(фурил)-бензимидазол (2-ФБИ) 0,5 88 79

-«- -«- -«- 1,0 95 88

-«- -«- -«- 1,5 97 85

2-(5-метил-фурнл)-бензимидазол (2-МФБИ) 0,5 85 76

-«- -«- -«- 1,0 89 81

-«- -«- -«- 1,5 90 84

Метил-трст-бутиловый эфир (МТБЭ) - эталон 5,0 75 71

-«- -«- -«- 10,0 87 82

-«- -«- -«- 15,0 92 87

-«- -«- -«- 20,0 98 91

Как видно из данных таблицы, наиболее эффективным (учитывая затраты на синтез, наличие исходного сырья, выход продукта, и т.п.) из предлагаемых препаратов является 2-ФБИ. Причем оптимальной добавкой препарата считаем добавку до 1,0% (при этом ОЧ возрастает до 95 ед.), которая значительно ниже оптимальной добавки эталона (почти 20%).

Более того, установлено, что применение 2-ФБИ в качестве антидетонатора (добавка до 1,0%) резко снижает количество вредных выхлопных газов, дает повышение ОЧ при низких оборотах, не приводит к большому расходу бензина, не приводит к дополнительной коррозии.

На основании вышеуказанных данных препарат 2-ФБИ рекомендуется к широкому внедрению, т.к. нефтеперерабатывающая промышленность Республики Узбекистана и Казахстана остро нуждается в таких антидетонаторах.

ВЫВОДЫ

1 .Проведено исследование реакции Пиннера с нитрилами 5-Я-фуран-2-карбоновых кислот. Разработаны удобные методы получения иминоэфиров карбоновых кислот фуранового ряда и их гидрохлоридов. Полученные таким образом эфиры использованы в качестве исходных соединений для получения различных производных бензазолов.

2. Разработаны методы синтеза 2-замещенных бензазолов путем конденсации гидрохлоридов иминоэфиров с о-фенилендиамином и производными о-аминофенола.

3.Показано, что в результате конденсации иминоэфиров алкилкарбоновых кислот и их гидрохлоридов с 1,2-бифункциональными нуклеоф ильными реагентами с высоким выходом образуются 2-замещенные бензазолы, включающие фурановые фрагменты.

4.Установлено, что конденсация И-фурфурил и ТЯ-тетрагидрофурфурил-этилен-диамина с гидрохлоридом иминоэфиров ряда карбоновых кислот приводит к соответствующим 2-замещенным -имидазолинам. Впервые показано, что каталитическое дегидрирование этих имидазолинов является удобным методом синтеза труднодоступных имидазолов.

5.Проведена оптимизация синтеза 2-(фурил-2')-бензимидазола с применением современного математического метода Бокса-Уилсона. Найдены основные факторы (соотношение исходных компонентов, температура и продолжительность реакции) влияющие на выход и чистоту продукта.

6. Разработана технология потенциального антидетонатора -2-(фурил-2')-бензимидазола.

Публикации по теме диссертации

Статьи:

1.Куатбеков H.A. Поиск потенциальных стабилизаторов топлив в ряду 2-замещенных бензазоловЛ журн. "Вестник университета Ясави",-

1997.-№2.-с.47-50.

2.Куатбеков A.M., Хапиков С.С., Куатбеков H.A., Абдукаримов A.A. Синтез бензоксазолов, содержащих фурановые фрагментыЛ там же.-1996,-№1.-с.27-31.

3.Куатбеков A.M., Абдукаримов A.A., Куатбеков H.A., Мадыханова К.С. Синтез -имидазолинов, содержащих фрагменты пространственно-затрудненного фенола.\журн."Наука и образование Южного Казахстана".-

1998.-№3 (10).-с.30-32.

Тезисы докладов:

1.Тезисы докладов 1-го Международного Узбекско-Турецкого Симпозиума "Химия растительных веществ" (Ташкент-1994)

2.Тезисы докладов Республиканской научно-технической конференции "Проблема разработки химической технологии импортзамещаемой про-дукции в Узбекистане" (Ташкент-1995)

3. Куатбеков А.М., Абдукаримов A.A., Куатбеков H.A. "Синтез бензазолов на основе гидрохлоридов иминоэфиров алкилтиопропионовых кислот".\ Тезисы докл. Конференции молодых ученых ИХРВ АН РУз, посвященной памяти академика С.Ю.Юнусова. -Ташкент-1997-c.

4.Куатбеков H.A., Абдукаримов A.A., Куатбеков A.M. "Синтез . нитрилов -оксокарбоновых кислот".\ Тезисы докл. Конференции

молодых ученых ИХРВ АН . РУз , посвященной памяти академика С.Ю.Юнусова.-Ташкент-1997-с.

5.Куатбеков H.A., Абдукаримов A.A., Кутлымуратов А.П., Хапиков С.С., Куатбеков A.M., Арипов Х.Н. "Оптимизация синтеза 2-(фурил-2')-бензимидазола".\Тезисы докл. Международной научной конф., посвященной 70-летию Самаркандского Госуниверситета.-Самарканд.-1997-с.

6.Куатбеков H.A., Халиков С.С., Арипов Х.Н. "К технологии 2-(фурил-2')-бензимидазола"Л Тезисы докл. Конференции молодых ученых ИХРВ АН РУз , посвященной памяти академика С.Ю.Юнусова.-Ташкент-1999с.

7.Куатбеков H.A., Халиков С.С., Арипов Х.Н. Оптимизация технологии 2-(фурнл-2')-бензимидазола \ Труды междунар. научно-практ. конф. «Песпективные направления развития химии и химической технологии»,- Шымкент.-1999.-т.2.-с.9б-97.

2-алмаштирилган бензазоллар асосида истикбалли антидстонаторларни синтези ва технологиясн.

5- 11-фуран-2-карбон кислоталарни нитрилларни билан Пиннер реакцияси тадкикот килииди. Ушбу реакцияда нитрилларни тузилишига караб уларии реакцион кобилиятларига таъсир этувчи омиллар аникланди. Фуран каторидаги карбон кислоталарини иминоэфирларини ва иминоэфирларни гидрохлоридларини олинишини кулай усуллари яратилди. Алкилкарбон кислоталарни иминоэфирларини ва уларни гидрохлоридларини 1,2-бифункционал нуклеофил реагентлар билан конденсацияси натижасида фуран фрагментларидан ташкил топган 2-алмаштирилган бензазолларни юкори микдорда чикиши курсатилди. N-фурфурил ва N-тетрагидрофурфурилэтилендиаминни карбон кислоталар каторидаги иминоэфирларни гидрохлоридлари билан конденсацияси тегишли 2-алматшириган - имидазолинларни хосил килиши аникланди. Ушбу имидазолинларни катал итак дегидрогенизациялаш ноёб булган имидазолларни синтезини кулай усули эканлиги биринчи бор курсатилди. 2-(фурил-2)-бензимидазолни синтези оптимизация килинди. Топил ган оптимап шарт-шароитлар уни бензинли екилгиларга антидетонатор сифатида ишлаб чикариш технологиясини яратишда ишлатилдаи.

RESUME

of Dissertation work of KUATBEKOV Nurlan on theme "Synthesis and Technology of Antidetonators based on 2-Substited Benzazoles"

The reactions of Pinner with nitryles of 5-R-furan-2-carbonic acids were investigated. During these investigations suitable methods for obtaining iminoethers and their hydrochlorids carried out. These ethers were used for taking various kinds of benzazoles.

The methods of synthesis of 2-substituted benzazoles worked out by condensation of hydrochlorids iminoethers and o-phenilendiamines or o-aminophenoles.

It was shown that during abovementioned condensation 2-substituted benzazoles with furan fragments were obtained.

Technology of good antidenotaor was carried out based on optimization of 2-furyl-benzimidazole by using В ox-Wilson method.