Способ получения 1,4-диазобицикло [2,2,2]октана

 

Изобретение относится к способу получения 1,4-диазабицикло(2,2,2)октана, широко применяемому в различных отраслях промышленности. Соединение получают термической обработкой диэтаноламина в присутствии одно- или двухосновных карбоновых кислот. Смесь нагревают, отгоняя фракции до 245^oC, а фракцию выше 245^oC обрабатывают щелочью и ректификацией на колонке в присутствии толуола в интервале 130 - 240^oC, выделяют целевой продукт с выходом до 75%. Технический результат - упрощение процесса и увеличение выхода целевого продукта.

Изобретение относится к химии и технологии тонкого органического синтеза, а именно к способу получения 1,4-диазабицикло[2,2,2]октана. Актуальность решения этой задачи связана с тем, что в последнее время 1,4-диазабициклооктаны нашли широкое применение в различных областях промышленности.

Широкое применение 1,4-диазабицикло[2,2,2]октан и его гомологи нашли в качестве катализаторов в производстве полиуретанов, причем по сравнению с другими третичными азотистыми основаниями эти соединения обладают активностью, превышающей их на порядок [1].

[1] Baker J.W., Holdsworthy J.B.J. Chem. Soc., 1947, p. 713.

Четвертичные соли бицикла - нитраты и алкилнитраты используются в смеси с окислителями в качестве жидкого и твердого ракетного топлива [2, 3].

[2] Doss R.С., Reynolds W.B. Pat. USA 3018619; (1962) С.A., 1962, vol. 56, p. 15719.

[3] Erner W.E. Pat. USA 3073827 (1963), v. 59, p. 643.

Комплексы диазабициклооктана с перекисью водорода широко используются для избирательного окисления, в частности для превращения 3-оксобиснор-4-холен-22-аля в прогестерон [4].

[4] Verlan V.R. Tetrah. Lett., 1969, p. 985.

Нашли применение диазабициклооктаны и для индуцирования перегруппировки Ремберта-Бэкланда [5].

[5] Philips J.C., Swisher Y.V., Haidukewich D., Morales O. Chem. Comm., 1971, p. 22.

Это далеко не полный перечень практического применения производных 1,4-диазабициклооктанов, которое они нашли в настоящее время. Поэтому весьма актуальной становится задача поиска наиболее простых и доступных в препаративном отношении методов их синтеза.

Впервые 1,4-диазабицикло[2,2,2]октан был получен при взаимодействии дибромэтана с аммиаком [6].

[6] Hofmann A.W. Proc. Roy. Soc. London, 1859, v. 9, p. 153: Однако дальнейшие исследования показали, что продуктом этой реакции является гексаметилентетрамин.

И только в 40-х годах нашего столетия 1,4-диазабицикло[2,2,2]октан был получен с удовлетворительными выходами.

Для введения этиленового мостика между атомами азота в молекуле пиперазина с целью образования бициклического триэтилендиамина были использованы две методики. Хроматка и Энгель получили 1,4-диазабициклооктан пиролизом галоидоводородных солей 1-(2-галоидэтил)пиперазина [7]. Однако выход целевого продукта составляет всего 22-25%.

[7] O.Hromatka and E.Engel, Ber., 1943, Bd. 76, p. 712.

Большую часть продуктов такого пиролиза составлял пиперазин. Манн и Мухерджи [8] сообщили о получении такой четвертичной соли диазабициклооктана с 77%-ным выходом.

[81 F.G.Mann and D.P.Mukherjee, J. Chem. Soc., 1949, p. 2298.

Хроматка и Краупп [9], используя методику этих авторов, получили четвертичную соль 1,4-диазабициклооктана лишь с выходом 50%, но сумели повысить выход до 70% при использовании в реакции в качестве растворителя этиленгликоля; они нашли, что эта четвертичная соль может быть пиролитически диметобромирована до конечного диазабициклооктана с 70%-ным выходом: К недостаткам этого метода [9] следует отнести двухстадийность процесса.

[9] O.Hromatka and O.Kraupp, Monatsh. 1951, v. 82, p. 880.

Манн и Мухерджи [8] сообщили также о синтезе 1,4-диазабициклооктана пиролизом соли амина, образующейся в реакции метиламина с трис(2-хлорэтил)амином; выхода, однако, не были указаны. Эта реакция, приводящая к образованию внутримолекулярного мостика, несомненно протекала через стадию отщепления триэтиламина от соответствующего производного пиперазина. Хроматка и Краупп [9] действительно получили гидрохлорид этого соединения в обсуждаемой реакции в условиях, описанных в предшествующей работе [8], но не изучали пиролиз этой соли.

К серьезным недостаткам этого метода [9] следует отнести использование в качестве исходных материалов отравляющего вещества - азотистого иприта, что делает этот способ опасным.

Применение различных алюмосиликатов, пятиокиси фосфора, окиси тория, а также окислов кобальта, платины, палладия, меди, никеля, хрома и марганца [10-13] повышает выход 1,4-диазабицикло[2,2,2]октана при высокотемпературных циклизациях этиленполиаминов до 60 %.

[10] Krause J.H., Smith R.K., Herrick E.C. Pat. GB. 871754 (1958); С.A., 1962, v.56, p.3492.

[11] Herrick E.G. Pat. VSA 2937176 (1960); C.A., 1960, v. 54, p. 21145.

[12] Андерсон А. , Курган Д.К., Гиллер C.A., Шиманская М.В. Пиперазин. Изд-во АН ЛатвССР, Рига, 1965.

[13] Muhlbauer H. G. , Lichtenwalter M. Pat. USA 3285920 (1966); C.A., 1967, v. 66, p. 76033.

He вызывает сомнения, что невысокие выхода 1,4-диазабициклов в перечисленных выше реакциях связаны в первую очередь с тем, что все они протекают через стадию образования пиперазиновых производных, многие из которых в силу различных причин не способны превращаться в конечные 1,4-диазабициклооктаны. Это привело к тому, что в последние десятилетия в качестве исходного "строительного" материала для конструирования указанных бициклических соединений стали использоваться уже готовые замещенные пиперазины.

В качестве наиболее часто используемых соединений для получения 1,4-диазабициклооктанов применяются N-моно- и N, N-бис(оксиэтил-, амино-, галоген)пиперазины: Образованию бицикла способствуют используемые в качестве катализатора алюмосиликаты, натриевые и кальцивые соли органических кислот, алкоголяты щелочных металлов [14-20].

[14] Krause, Jack H. Пат. США 2985658 (1961). C.A. 1962, v.57, p. 9864 в.

[15] Spielberger, Georg Engemann, Guenter. Pat. DE. 1132137 (1962). C.A. 1962, v. 57, p. 16633 e.

[16] Brader, Walter H., Jr. Pat. USA 31205269 (1964). C.A. 1964, v. 60, p. 11895 h.

[171 Brader, Walter H., Rowton, Richard L. Pat. USA 3297701 (1967). C.A. 1967, v. 66, p. 115734 x.

[18] Boshe, Horst G, Baer Karl, Shreider Kurt. Pat. DE. 2442929.6 (1976). C.A. 1976, v.85, p. 46750 с.

[19] Гусева Е. А., Завельский Д.З., Терещенко Г.Ф., Сигалина З.И. А.С. СССР 2647436 9 (1980). C.A. 1981, v. 94, p. 47357 с.

[20] Wells, James E. Pat. USA 4514567 (1985). C.A. 1986, v. 104, p. 148909 q.

Образование 1,4-диазабициклооктана наблюдалось и при взаимодействии 1,4-бис(2-гидроксиэтил)пиперазина с органическими карбонатами в присутствии магний-алюминиевого оксидного катализатора [21]. К недостаткам этого метода следует отнести использование в качестве второго реагента органических карбонатов, которые сами в ряде случаев являются малодоступными соединениями.

[21] King S.W. Pat. USA 5280120 (1994). РЖ Хим., 1995, 6Н 114 П.

Следует упомянуть о двух работах, появившихся сравнительно недавно, где рассматриваются превращения N,N'-бис(пиперазиноэтил) этилендиамина в 1,4-диазабицикло[2,2,2] октан, однако ни условий проведения реакции ни выхода конечных продуктов авторы не приводят [22, 23].

[22] Загидуллин Р.Н., Толстиков Г.А. ЖОХ, 1987, т. 57, вып. 6, с. 1426.

[23] Загидуллин Р.Н. ХГС, 1991, вып. 3, с. 381.

К предлагаемому в настоящей заявке способу получения 1,4-диазабицикло[2.2,2]октана наиболее близкими являются реакции, рассматриваемые в [24].

[24] Hojer Jindrich, Nyvlt Vladimir, Velinsky Jaroslav, Glosser Zdenek. Пат. Чехословакии 262219 (1989). C.A. 1990, v. 112, p. 216217.

Поставленная цель в указанных работах достигается термической обработкой диэтаноламина в присутствии кислых катализаторов, так 20-часовое кипячение при температуре от 220 до 320^oC с последующей перегонкой смеси в интервале температур от 160 до 190^oC привело к получению 1,4-диазабицикло[2,2,2]октана с выходом 52%.

Целью настоящего изобретения является упрощение способа получения 1,4-диазабицикло[2,2,2]октана и повышение выхода целевого продукта. Поставленная цель достигается предлагаемым способом, заключающимся в том, что диэтаноламин в присутствии одно- или двухосновных карбоновых кислот нагревают, отгоняют воду и низкокипящую фракцию до 245^oC, затем собирают высококипящую фракцию до 345^oC. Эту фракцию обрабатывают щелочью в расчете 1:1 на кислоту, добавляют растворитель и в интервале 130-240^oC отбирают фракцию, ректификацией которой выделяют конечный продукт с выходом до 75%. Вся реакция протекает в течение 6 часов. Реакция протекает по схеме
Для лучшего понимания изобретения приводятся примеры конкретного выполнения.

ПРИМЕР 1. К 105 г (1 моль) диэтаноламина добавляют 10,5 г янтарной кислоты и начинают нагревание, при этом при температуре 165^oC (в кубе) начинается отгонка воды и низкой фракции, отбор ведут до температуры куба 245^oC, после чего до температуры 315^oC собирают фракцию, содержащую 1,4-диазабицикло[2,2,2] октан. Затем при перемешивании к этой фракции добавляют 20 г 50%-ного раствора КОН и 200 г толуола и начинают разгонку. До температуры 130^oC отбирают азеотроп, а со 130 до 240^oC - толуольную фракцию, содержащую конечный продукт. Выход этой фракции составляет 120 г. Перегонкой этой фракции на колонке Видмера получают 40,88 г (73%) 1,4-диазабицикло[2,2,2]бицикло-октана с т.кип. 174^oC. Процесс занимает по времени 6 часов.

ПРИМЕР 2. К 105 г (1 моль) диэтаноламина добавляют 7,4 г пропионовой кислоты и начинают нагревание, при этом при температуре 165^oC (в кубе) начинается отгонка воды и низкой фракции, отбор ведут до температуры куба 245^oC, после чего до температуры 315^oC отбирают фракцию, содержащую 1,4-диазабицикло[2,2,2] октан. Затем при перемешивании к этой фракции добавляют 10 г 50%-ного раствора КОН и 200 г толуола и начинают разгонку. До температуры 130^oC производят отбор азеотропа, а со 130 до 240^oC отбирают толуольную фракцию, содержащую конечный продукт. Выход этой фракции составляет 132 г. Перегонкой этой фракции на колонке Видмера получают 42 г (75%) 1,4-диазабицикло[2,2,2] бициклооктана с т.кип. 174^oC. Процесс занимает по времени 6 часов.

Структура 1,4-диазабицикло[2,2,2] октана подтверждена данными спектроскопии ЯМР ¹Н, ИК-спектроскопии, состав-элементным анализом и масс-спектрометрии.

В спектре ПМР 1,4-диазабицикло[2,2,2] октана в бензоле имеется сигнал (2,5 м. д.) двенадцати эквивалентных протонов. В ИК-спектре проявляются полосы при 2945, 2937, 2870, 1464, 775 и 755 см^-1 и в области 1100-1400 см^-1, обусловленные различными типами колебаний метиленовых групп.

Масс-спектр подтверждает строение продукта. Масс-спектрометрия высокого разрешения, прибор MX-1310, R = 15000, V_иониз.= 60 эВ. В масс-спектре 1.4-диазабицило[2.2.2] октана имеется пик с m/z, отвечающий молекулярному иону (М⁺). Точно измеренное значение массы этого иона 112,1051 и хорошо совпадает с рассчитанной величиной 112,1000, исходя из состава C₆H₁₂N₂. Картина фрагментации молекулы хорошо согласуется с ее структурой. Дополнительным доказательством ее строения служит хорошее совпадение по основным интенсивностям пиков ионов экспериментального масс-спектра с представленным в машинном каталоге масс-спектров NIST (Версия 4.5).

Элементный анализ.

Найдено, %: С 64,00; H 10,43; N 24,62.

C₆H₁₂N₂.

Вычислено, %: С 64,28; H 10,71; N 25.

Формула изобретения

Способ получения 1,4-диазабицикло[2,2,2] октана термической обработкой диэтаноламина в присутствии одно- или двухосновных карбоновых кислот с последующим разделением продуктов реакции, отличающийся тем, что процесс нагревания сопровождают немедленным удалением воды и низкокипящей фракции до 245^oС, последующей обработкой фракции высококипящих продуктов щелочью и ректификационным выделением целевого продукта в присутствии толуола в интервале 130 - 240^oС.