Способ получения первичных или вторичный спиртов
Владельцы патента RU 2519950:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) (RU)
Изобретение относится к способу получения первичных или вторичных спиртов общей формулы
где R1=H: R2=C6H5, R1=CH3: R2=-CH2CH2CH2CH3
или R1R2=-(CH2)4-, -(CH2)5-, ,
,
которые находят широкое применение в качестве полупродуктов в органическом синтезе, а также как растворители и экстрагенты. Способ заключается в гидрировании альдегидов или кетонов газообразным водородом в присутствии катализатора. При этом в качестве альдегидов или кетонов используют бензальдегид, метилбутилкетон, циклопентанон, циклогексанон, адамантанон-2 или DL-камфору, а в качестве катализатора используют наночастицы никеля, получаемые восстановлением хлорида никеля (II) боргидридом натрия in situ, и процесс проводят при атмосферном давлении водорода в среде изопропанола при температуре 55-70°C в течение 8-10 часов. Способ позволяет получить целевые продукты с высоким выходом при использовании доступных реагентов. 7 пр.
Изобретение относится к способу получения первичных или вторичных спиртов, в частности к новому способу гидрирования альдегидов или кетонов водородом, который позволяет получать первичные или вторичные спирты общей формулы
где R1=H: R2=C6H5, R1=CH3: R2=-CH2CH2CH2CH3
или R1R2=-(CH2)4-, -(CH2)5-, 
, 
,
которые находят применение в качестве растворителей и полупродуктов в органическом синтезе.
Известен способ получения изопропанола каталитическим гидрированием ацетона водородом в присутствии нанокластеров иридия [Iridium (0) Nanocluster, Acid-Assisted Catalysis of Neat Acetone Hydrogenation at Room Temperature: Exceptional Activity, Catalyst Lifetime, and Selectivity at Complete Conversion / Saim zkar, Richard G.Finke // J. AM. CHEM. SOC. 2005. - Vol.127 - pp.4800-4808].
Недостатком данного метода является необходимость использования дорогостоящего и труднодоступного катализатора. Данным способом не были получены соединения заявляемой структурной формулы.
Известен способ получения вторичных спиртов с ароматическим радикалом каталитическим гидрированием кетонов водородом при 5-8 атм. в присутствии комплекса рутения и изопропилата калия [A Catalyst for Efficient and Highly Enantioselective Hydrogenation of Aromatic, Heteroaromatic, and β,α-Unsaturated Ketones / M.J.Burk, W.Hems, D.Herzberg, Ch.Malan, A.Zanotti-Gerosa // Org. Lett., Vol.2, No.26, 2000].
Недостатком данного метода является необходимость приготовления труднодоступного и дорогого каталитического комплекса, использование водорода под давлением. Данным способом не были получены соединения заявляемой структурной формулы.
Известен способ получения вторичных спиртов гидрированием кетонов изопропанолом в присутствии рутениевых комплексов и трет-бутилата калия [An Efficient Catalyst System for the Asymmetric Transfer Hydrogenation of Ketones: Remarkably Broad Substrate Scope // M.T.Reetz, Xiaoguang Li / J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, pp.1044-1045]. Очевидным недостатком данного метода является сложность получения и высокая стоимость катализатора, использование изопропанола в качестве донора водорода. Данным способом не были получены вещества заявляемой структурной формулы.
Известен способ получения вторичных спиртов гидрированием кетонов водородом при 6 атм. и 85°С в присутствии анионных рутениевых комплексов [Anionic Metal Hydride Catalysts. 2. Application to the Hydrogenation of Ketones, Aldehydes, Carboxylic Acid Esters, and Nitriles / Roger A.Grey, Guido P.Pez, Andrea Wallo // J. Am. Chem. Soc. - 1981. - Vol.103, No.25, - pp.7536-7542]. Недостатком данного метода является высокая стоимость и труднодоступность катализаторов. Данным способом было получено только два вещества заявляемой структурной формулы.
Известен способ получения вторичных спиртов гидрированием кетонов водородом при 50 атм в присутствии комплексов меди [Asymmetric Hydrogenation of Aryl Ketones Mediated by a Copper Catalyst / Hideo Shimizu, Daisuke Igarashi, Wataru Kuriyama, Yukinori Yusa, Noboru Sayo, Takao Saito // Org. Lett. - Vol.9, No.9. - 2007. - pp.1655-1657]. Недостатком данного метода является сложность получения катализатора, использование водорода под большим давлением. Данным способом не были получены вещества заявляемой структурной формулы.
Известен способ получения вторичных спиртов гидрированием ароматических и гетерилароматических кетонов водородом при 1-50 атм в присутствии комплексов рутения [General Asymmetric Hydrogenation of Hetero-aromatic Ketones / Takeshi Ohkuma, Masatoshi Koizumi, Makoto Yoshida, Ryoji Noyori // Org. Lett, Vol.2, No. 12, 2000. - pp.1749-1751].
Недостатком данного метода являются высокая стоимость и труднодоступность катализатора, использование водорода под давлением. Данным способом не были получены вещества заявляемой структурной формулы.
Известен способ получения вторичных спиртов гидрированием кетонов водородом при давлении около 100 атм и температуре выше 200°C в присутствии трет-бутилата калия и в отсутствие катализатора [Hydrogenation without a Transition-Metal Catalyst: On the Mechanism of the Base-Catalyzed Hydrogenation of Ketones / Albrecht Berkessel, Thomas J.S.Schubert, Thomas N.Muller // J. AM. С HEM. SOC. - 2002, 124. - pp.8693-8698].
Недостатком данного метода является использование водорода под давлением и высокая температура. Данным способом не были получены вещества заявляемой структурной формулы.
Известен способ получения вторичных спиртов гидрированием кетонов водородом при давлении 11 атм на никеле Ренея и никеле на окиси магния [Liquid-phase hydrogenation of ketones in the mesopores of nickel catalysts / Hanlong Tsai, Satoshi Sato, Ryoji Takahashi, Toshiaki Sodesawa, Shoichi Takenaka // Phys. Chem. Chem. Phys., 2002, 4, 3537-3542].
Недостатком данного метода являются использование водорода под давлением. Данным способом было получено только одно вещество заявляемой структурной формулы.
Известен способ получения вторичных спиртов гидрированием кетонов водородом при давлении 48 атм на хиральных комплексах рутения, нанесенных на наночастицы магнетита [Magnetically Recoverable Chiral Catalysts Immobilized on Magnetite Nanoparticles for Asymmetric Hydrogenation of Aromatic Ketones / Aiguo Hu, Gordon T.Yee, Wenbin Lin // J. AM. CHEM. SOC. - 2005, 127. - pp.12486-12487].
Недостатком данного метода являются дороговизна и труднодоступность катализатора, использование водорода под давлением. Данным способом не были получены вещества заявляемой структурной формулы.
Известен способ получения вторичных спиртов гидрированием кетонов методов перекрестного гидрирования в присутствии наночастиц никеля, при этом источником водорода является изопропанол, превращающийся в ходе реакции в ацетон. [Nickel Nanoparticles in Hydrogen Transfer Reactions / F Alonso, P.Riente, M. Yus // Acc. Chem. Res. 2011. - Vol.44, №.5, - P.379-391]. Недостатком данного метода является использование в качестве гидрирующего реагента, вместо дешевого водорода, избытка изопропилового спирта, что снижает возможность использования способа в промышленности.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является способ получения спиртов гидрированием кетонов водородом при 4 атм и 75°C в присутствии наночастиц иридия [Iridium Nanoparticles Prepared in Ionic Liquids: An Efficient Catalytic System for the Hydrogenation of Ketones / Gledison S.Fonseca, Jackson D.Scholten, Jairton Dupont // SYNLETT 2004, №9, pp.1525-1528]. Продукты реакции, как правило, не выделялись, идентифицировались с помощью газовой хроматографии. Недостатком данного метода являются высокая стоимость и труднодоступность катализатора. Катализатор получают восстановлением труднодоступного комплекса иридия, перед использованием в реакции гидрирования требует дополнительных операций по его выделению. Использование водорода под давлением требует специального оборудования. Способ является дорогостоящим и неприменимым в промышленности. Данным способом было получено только три вещества заявляемой структурной формулы.
Задачей заявляемого способа является разработка технологичного метода гидрирования кетонов газообразным водородом, не требующего использования дорогостоящих катализаторов и сложных технологических условий, который позволяет достигать высоких значений выхода по исходным кетонам с использованием доступных реагентов.
Техническим результатом является упрощение способа получения соединений заявляемой структурной формулы.
Поставленный результат достигается в способе получения первичных или вторичных спиртов общей формулы
где R1=H: R2=C6H5, R1=CH3: R2=-CH2CH2CH2CH3
или R1R2=-(CH2)4-, -(CH2)5-, , ,
заключающийся в гидрировании альдегидов или кетонов газообразным водородом в присутствии катализатора, отличающийся тем, что гидрированию подвергают альдегиды или кетоны из ряда бензальдегид, метилбутилкетон, циклопентанон, циклогексанон, адамантанон-2, DL-камфора, а в качестве катализатора используют наночастицы никеля, получаемые восстановлением хлорида никеля (II) боргидридом натрия in situ, и процесс проводят при атмосферном давлении водорода в среде изопропанола при температуре 55-70°C в течение 8-10 часов.
Сущностью метода является реакция гидрирования альдегидов или кетонов из ряда: бензальдегид, метилбутилкетон, циклопентанон, циклогексанон, адамантанон-2, DL-камфора газообразным водородом в среде изопропанола или трет-бутанола в присутствии наночастиц никеля.
Способ осуществляется следующим образом.
В плоскодонную колбу загружается боргидрид натрия, изопропанол (или трет-бутанол) и безводный хлорид никеля (II) в мольном соотношении боргидрид натрия: хлорид никеля (II), равном 2: 1 и получают катализатор по реакции
NiCl2+2NaBH4+6 (СН3)2СНОН=Ni0+2NaCl+2B(ОСН(СН3)2)3+4Н2
Количество боргидрида натрия рассчитывается исходя из количества получаемого катализатора с незначительным избытком, и влияния гидридов бора на гидрирование кетона не происходит. После получения черного, прозрачного в тонком слое коллоидного раствора металла загружается альдегид или кетон из ряда: бензальдегид, метилбутилкетон, циклопентанон, циклогексанон, адамантанон-2 или DL-камфора и через реакционную массу барботируется сухой газообразный водород при атмосферном давлении в течение 8-10 часов при температуре 55-70°C. При этом гидрирующим агентом является водород, а не изопропанол, так как гидрирование протекает и в трет-бутаноле, не способном быть донором водорода. По окончании реакции для коагуляции частиц катализатора в реакционную смесь добавляют несколько капель воды. Реакционную массу отфильтровывают, из фильтрата выделяют целевой продукт перегонкой при атмосферном давлении или в вакууме. Свойства синтезированных первичных или вторичных спиртов соответствуют литературным данным.
Стабилизации коллоидных растворов наночастиц никеля не требуется, это значительно упрощает и удешевляет предлагаемый способ гидрирования. Так как и при синтезе катализатора, и восстановлении заявленных веществ используются одинаковые условия, весь процесс сводится к одностадийному синтезу, при котором катализатор образуется in situ из доступного хлорида никеля.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1
Бензиловый спирт. 
В плоскодонную колбу, снабженную барботером и обратным холодильником, загружают суспензию 0.5 г (0.014 моль) боргидрида натрия в 20 мл изопропанола и 0.9 г (0.007 моль) безводного хлорида никеля (II), получают коллоидный раствор катализатора. После этого включают барботаж водорода и добавляют 10.6 г (0.1 моль) бензальдегида. Реакцию проводят при 60°C в течение 8 часов. По окончании реакции прибавляют 0.5 мл воды, и после коагуляции черного осадка отфильтровывают катализатор. Фильтрат перегоняют с дефлегматором, получают 9.1 г (0.084 моль, 84%) бензилового спирта, бесцв. жидкость, т.кип. 204-206°C, 
1.5396 (лит. т.кип. 205°C, 
1.5400).
Пример 2
Гексанол-2. 
В плоскодонную колбу, снабженную барботером и обратным холодильником, загружают суспензию 0.72 г (0.020 моль) боргидрида натрия в 20 мл изопропанола и 1.3 г (0.010 моль) безводного хлорида никеля (II) получают раствор наночастиц никеля. После этого включают барботаж водорода и добавляют 20 г (0.2 моль) метилбутилкетона. Реакцию проводят при 55°C в течение 8 часов. По окончании реакции прибавляют 1 мл воды и, после коагуляции черного осадка отфильтровывают катализатор. Фильтрат перегоняют с дефлегматором, получают 14.9 г (0.146 моль, 73%) гексанола-2, бесцв. жидкость, т.кип. 138-140°C, 1.4136 (лит.т.к. 137-139°C,
1.4140).
Пример 3
Циклопентанол. 
В плоскодонную колбу, снабженную барботером и обратным холодильником, загружают суспензию 0.5 г (0.014 моль) боргидрида натрия в 20 мл изопропанола, после чего постепенно присыпают 0.9 г (0.007 моль) безводного хлорида никеля (II), при этом наблюдают образование черного коллоидного раствора. После этого включают барботаж водорода и добавляют 15.8 г (0.2 моль) циклопентанона. Реакцию проводят при 60°С в течение 8 часов. По окончании реакции прибавляют 0.5 мл воды и после коагуляции черного осадка отфильтровывают катализатор. Фильтрат перегоняют с дефлегматором, получают 10.4 г (0.14 моль, 69%) циклопентанола, бесцв. жидкость, т.кип. 140-142°C, 1.4532 (лит. т.кип. 139-141°C, 1.4530).
Пример 4
Циклогексанол. 
В плоскодонную колбу, снабженную барботером и обратным холодильником, загружают суспензию 0.55 г (0.0154 моль) боргидрида натрия в 20 мл изопропанола и 1 г (0.0077 моль) безводного хлорида никеля (II), при этом получают раствор наночастиц никеля. Затем включают барботаж водорода и добавляют 19.6 г (0.2 моль) циклогексанона. Реакцию проводят при 60°C в течение 8 часов. По окончании реакции прибавляют 1 мл воды и после коагуляции черного осадка отфильтровывают катализатор.
Фильтрат перегоняют с дефлегматором, получают 15.8 г (0.158 моль, 79%) циклогексанола, бесцв. жидкость, кристаллизуется ниже 25°C, т.кип. 160-162°C (лит. т.кип. 160-161°C, т.пл. 23-24°С).
Пример 5
Циклогексанол.
В плоскодонную колбу, снабженную барботером и обратным холодильником, загружают суспензию 0.36 г (0.010 моль) боргидрида натрия в 15 мл трет-бутанола и 0.65 г (0.005 моль) безводного хлорида никеля (II), получают коллоидный раствор катализатора. После этого включают барботаж водорода и добавляют 14.7 г (0.15 моль) циклогексанона. Реакцию проводят при 60°С в течение 9 часов. По окончании реакции прибавляют 0.5 мл воды и после коагуляции черного осадка отфильтровывают катализатор. Фильтрат перегоняют с дефлегматором, получают 11.7 г (0.117 моль, 78%) циклогексанола, бесцв. жидкость, кристаллизуется ниже 25°С, т.кип. 159-161°C.
Пример 6
Адамантанол-2. 
В плоскодонную колбу, снабженную барботером и обратным холодильником, загружают суспензию 0.25 г (0.0070 моль) боргидрида натрия в 20 мл изопропанола и 0.45 г (0.0035 моль) безводного хлорида никеля (II), получают коллоидный раствор катализатора. После этого включают барботаж водорода и добавляют 7.5 г (0.05 моль) адамантанона-2. Реакцию проводят при 65°C в течение 9 часов. По окончании реакции прибавляют 0.5 мл воды и после коагуляции черного осадка отфильтровывают катализатор. Фильтрат перегоняют с дефлегматором, получают 6.75 г (0.045 моль, 90%) адамантанола-2. Спектр ЯМР'Н, 5, м.д.: 0.83 т (1Н), 1.08 т (ЗН), 1.19 с (2Н), 1.42 д (2Н), 1.60-1.76 м (6H), 2.05 д (2Н), 3.72 уш.с (1Н, OH), 3.86 кв (1Н, CH-O).
Пример 7
1,7,7-Триметилбицикло[2.2.1]бициклогептан-2-ол. 
В плоскодонную колбу, снабженную барботером и обратным холодильником, загружают суспензию 0.25 г (0.0070 моль) боргидрида натрия в 20 мл изопропанола и 0.45 г (0.0035 моль) безводного хлорида никеля (II), получают коллоидный раствор катализатора. После этого включают барботаж водорода и добавляют 7.7 г (0.05 моль) D,L-камфоры. Реакцию проводят при 70°C в течение 10 часов. По окончании реакции прибавляют 0.5 мл воды и после коагуляции черного осадка отфильтровывают катализатор. Фильтрат перегоняют с дефлегматором, получают 6.3 г (0.04 моль, 82%) 1,7,7-триметилбицикло[2.2.1]бициклогептан-2-ола. Спектр ЯМР 1H, δ, м.д.: 0.74 т (3H, CH3), 0.79 т (6Н, 2СН3), 0.88-1.84 м (6Н, 3СН2), 2.10 м (1H, CH), 3.45 уш.с (1Н, OH), 3.82 д (1H, CH).
Таким образом, разработан новый способ синтеза первичных и вторичных спиртов, который протекает при температуре 55-70°C в течение 8-10 часов с высоким выходом по исходным веществам, заключающийся в гидрировании альдегидов или кетонов газообразным водородом в присутствии наночастиц никеля, получаемых из хлорида никеля (II) in situ.
Способ получения первичных или вторичных спиртов общей формулы
где R1=H: R2=C6H5, R1=CH3: R2=-CH2CH2CH2CH3
или R1R2=-(CH2)4-, -(CH2)5-, 
, 
,
заключающийся в гидрировании альдегидов или кетонов газообразным водородом в присутствии катализатора, отличающийся тем, что гидрированию подвергают альдегиды или кетоны из ряда бензальдегид, метилбутилкетон, циклопентанон, циклогексанон, адамантанон-2, DL-камфора, а в качестве катализатора используют наночастицы никеля, получаемые восстановлением хлорида никеля (II) боргидридом натрия in situ, и процесс проводят при атмосферном давлении водорода в среде изопропанола при температуре 55-70°C в течение 8-10 часов.
