Дипломная работа: Выбор катализатора амидирования и изучение в его присутствии превращения м-толуиловой кислоты в N,N-диэтил-м-толуамид

Цель работы: выбор катализатора амидирования и изучение в его присутствии превращения м-толуиловой кислоты в N,N-диэтил-м-толуамид.

1. Литературный обзор

Амиды кислот - класс органических соединений, представляющих совершенно определенный интерес как с практической, так и с теоретической точек зрения. Практическая ценность в первую очередь определяется их биологической активностью (гормоны, нейропептиды, антибиотики, токсины, ингибиторы ферментов; вещества, вызывающие хемотаксис микроорганизмов и т.п.) и, во-вторых, наличием пептидной группировки -СО-NH-, присутствующей как в шерсти, так и в некоторых искусственных волокнах в определяющей их теплофизические свойства. Интерес к амидам для фундаментальных химических исследований связан с наличием сопряжения между неподеленной парой электронов атома азота и π-электронами карбонильной группы.

1.1 Общие методы получения амидов органических кислот

Одним из наиболее доступных и в то же время промышленно значимым является метод получения амидов через аммонийные соли карбоновых кислот [13]. Последние подвергают сухой перегонке (пиролизу), при этом выход целевого продукта достигает 87-90%.

Прямое взаимодействие кислот с аминами в силу обратимости реакции проводят в присутствии избытка одного из реагентов, причем реакция легко протекает только с алифатическими кислотами с неразветвленной цепью, но с трудом - с ароматическими и пространственно затрудненными кислотами или с менее основными аминами [14].

В реакции принимают участие также вторичные амины, процесс катализируется кислотами. Механизм кислотного катализа относят к типу A_AC 2 [15] и он близок к перегруппировке Бекмана [16].

Возможность получения замещенных амидов по Бекману в присутствии серной или полифосфорной кислот, PCl₅ или других катализаторов характерна для Е-диастереомеров. На примере кетоксимов доказано, что имеет место анти-перегруппировка: группа ОН меняется местами с остатком, находящемся в транс-положении по отношению к ней.

В том случае, когда субстратом выступают сложные эфиры, лактоны или фталиды, в качестве амидирующих агентов можно использовать аммиак или пространственно незатрудненные амины [17]. Реакция сложных эфиров с аммиаком катализируется водой, гликолями и другими подобными соединениями [18]; аналогичная реакция с аминами промотируется солями, например, NH₄ Cl[19].

В зависимости от типа катализатора, используемого при реакции, аминолиз протекает по механизмам A_AC 2 или B_AC 2.

Естественно, лактоны и фталиды аналогичным образом превращаются в имиды без раскрытия кольца [20].

В свою очередь действие на ангидриды карбоновых кислот амидирующих агентов (в том числе мочевины и уретанов) протекает обычно без катализаторов

В случае менее реакционноспособных реагентов (например, дифенил-амина или 2,4-динитроанилина) ацетилирование уксусным ангидридом проводят в присутствии кислотного катализатора [14].

Однако синтезы на основе ангидридов более широко применяются для получения имидов, чем амидов, при этом циклические ангидриды могут давать только имиды, кислые имиды или диимиды в зависимости от реагента и условий эксперимента [21].

Упомянутая несколько выше мочевина может реагировать напрямую с карбоновыми кислотами (синтез по Шербулье [16]).

Следующий метод - один из наиболее широко применяемых способов получения амидов, по которому выходы последних обычно составляют 80-90%. Отрицательным свойством данной реакции является потеря одного эквивалента амина на связывание высвобождающегося хлористого водорода

Реакция сильно экзотермична [22], поэтому зачастую ее проводят в растворителях, например, в дихлорэтане [23], четыреххлористом углероде [24], хлороформе [25], толуоле [26] и т.п. Количественному протеканию конденсации способствует присутствие водного раствора гидроксида натрия [27]. Механизм ацилирования, как правило, соответствует типу S_N 2 [28], а реакционная способность агентов симбатна ряду кислотностей соответствующих кислот и убывает в последовательности RCOHal >(RCO)₂ O ≈ RCOOR > RCONR₂ > RCOR. Кроме того, скорость реакция увеличивается с ростом нуклеофильности амина и может осуществляться основной и даже кислотный автокатализ [29].

Целесообразно упомянуть и другие, представляющие синтетический интерес, ацилирующие агенты: кетены, диктены, кетонитрилы, карбамоилхлориды [14]. В последнем случае в реакцию могут вступать арены, но в присутствии кислот Льюиса (реакция Гаттермана-Хопфа [16]).

Представляет интерес путь через нитрилы - вполне доступный класс соединений [16]:

Реакцию проводят с осторожностью, т.к. первичный амид часто подвергается дальнейшему гидролизу до соответствующей карбоновой кислоты и аммиака. Кислоты и щелочи сильно ускоряют реакцию. При кислотном катализе процесс протекает за счет атаки воды на протонированную форму нитрила, в то время как при основном катализе ион гидроксила взаимодействует со свободным нитрилом. В последнем случае в качестве реагента применяют водный раствор NaOH, содержащий 6-12% перекиси водорода, т.к. гидропероксид-анион в несколько тысяч раз активнее гидроксид-иона [14]. Ароматические нитрилы дают почти количественные выходы, хотя для о-замещенных нитрилов необходимо применять пергидроль.