электрохимический способ окисления спиртов до карбонильных соединений

Формула изобретения

Электрохимический способ окисления спиртов до карбонильных соединений, включает приготовление реакционной смеси при комнатной температуре, состоящей из окисляемого спирта, воды, бикарбоната натрия, органического растворителя и нитроксильного радикала, отличающийся тем, что электролиз проводят на платиновых электродах при силе тока 1А и температуре 20-25°С, в реакционную смесь добавляют йодид калия, в качестве органического растворителя используют хлористый метилен, а в качестве нитроксильного радикала - 4-ацетиламино-2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил формулы:



при соотношении спирт и нитроксильный радикал 10:1.

Описание изобретения к патенту

Изобретение может найти применение как общий метод окисления спиртов до карбонильных соединений и может быть использовано в фармацевтике.

Известен электрохимический способ окисления спиртов в системе KJ-вода-сорастворитель (Tetrahedron Letters, 1979, № 2, pp.165-168, Т.Shono, Y.Matsumura, J.Hayashi и М.Mizoguchi). При этом первичные спирты окисляются до эфиров кислот, а вторичные - до кетонов.

Например, в ячейку, снабженную мешалкой и рубашкой охлаждения и платиновыми электродами, помещают раствор 2,49 г (0,015 моль) йодида калия в 15 мл воды, 0,06 моль 2-метилциклогексанола и 15-20 мл сорастворителя (трет-бутиловый спирт или гексан). Процесс ведут при постоянном токе (плотность тока 0,02 А/см ²) и заканчивают после того, как будет пропущено 20 Ф/моль электричества. Органический слой отделяют, а водный слой трижды экстрагируют эфиром; органические вытяжки объединяют, промывают водой и водным тиосульфатом натрия. Затем растворитель удаляют, а продукт очищают перегонкой и идентифицируют, сравнивая с заведомым образцом. Выход 2-метилциклогексанона - 52% по веществу и 6% по току.

Недостатком этого метода является высокий удельный расход электричества, т.к. на один моль конечного продукта приходится пропускать до 20 Ф/моль электричества, кроме этого первичные спирты в этих условиях окисляются не до альдегидов, а до эфиров кислот.

Наиболее близким является способ окисления спиртов в двухфазной системе вода-толуол в присутствии кристаллического йода и нитроксильного радикала. (Ross A. Miller and R Scott Hoerrer. Organic Letters, 2003, V.5, № 3, pp 285-287).

Например, в колбу емкостью 100 мл, снабженную магнитной мешалкой, помещают 0,75 г (3,98 ммоль) цинамоилового спирта, 10 мл толуола и раствор 1 г (11,94 ммоль) бикарбоната натрия в 10 мл дистиллированной воды. Затем при перемешивании добавляют 0,06 г (0,398 ммоль) 2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксила и 2,02 г (7,96 ммоль) кристаллического йода. Смесь перемешивают в течение 16 часов при 20°С. Затем смесь охлаждают до 5°С, обрабатывают этилацетатом (10 мл) и добавляют водный раствор сульфата натрия (0,501 г Na₂SO₄ в 5 мл дистиллированной воды). Затем смесь переносят в делительную воронку и отделяют водный слой. Органический слой промывают 10 мл раствора бикарбоната калия, сушат безводным сульфатом натрия и упаривают в вакууме до объема 10 мл, а затем - в среде инертного газа до объема 10 мл. Выпавший осадок отфильтровывают, промывают толуолом (3 мл) и сушат в вакууме. В результате выделяют 0,69 г (85%) соответствующего альдегида.

Недостатком приведенного выше способа является большой расход йода (на 1 моль спирта требуется 2 моль йода), который достаточно дорог, а также образование побочного продукта - йодида калия.

Задача изобретения - усовершенствование процесса окисления спиртов до карбонильных соединений в энергоэкономическом отношении.

Поставленная задача достигается тем, что готовится реакционная смесь при комнатной температуре, состоящей из окисляемого спирта, воды, бикарбоната натрия, органического растворителя и нитроксильного радикала, в качестве органического растворителя используют хлористый метилен, а в качестве нитроксильного радикала используют - 4-ацетиламино-2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил формулы:

при соотношении спирт и нитроксильный радикал 10:1, добавляют йодид калия, а электролиз проводят на платиновых электродах при силе тока 1 А и температуре 20-25°С. При этом затраты электрической энергии на окисление 1 моль спирта в 5 раз меньше. Так же в отличие от прототипа и аналога в синтезе вместо кристаллического йода используется йодид калия, который в процессе окисления не расходуется, что позволяет использовать на окисление 1 моля спирта в 8 раз меньшее количество йодида калия, чем кристаллического йода. Причем первичные спирты окисляются только до альдегидов, а не кислот, что очень важно, т.к. остановить процесс на этой стадии удается не всегда. Кроме того, в предложенном способе используются каталитические количества нитроксильного радикала - 4-ацетиламино-2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксила (в 100 раз меньше, чем в аналоге), что, однако, не мешает проводить процесс с высоким выходом по веществу и по току.

Процесс проводят в бездиафрагменном электролизере на платиновых электродах, в двухфазной системе хлористый метилен - водный раствор йодида калия, в присутствии нитроксильного радикала. На аноде образуется йод, окисляющий нитроксильный радикал до оксоаммониевой соли, которая выступает одноэлектронным окислителем спирта до соответствующего карбонильного соединения. При этом соль оксоаммония превращается в гидроксиламин, который легко окисляется до исходного нитроксильного радикала, таким образом каталитический цикл замыкается. При этом на 1 моль целевого продукта требуется от 2 до 4 Ф электричества.

Эти условия повышают технологичность процесса, сокращают сроки получения целевого продукта, т.к. окисление проводится значительно быстрее и требуется меньшее количество электричества.

Предлагаемый метод позволяет окислять первичные и вторичные спирты электрогенерируемым йодом в присутствии 4-ацетиламино-2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксила, являющегося медиатором процесса окисления. Электрогенирируемый йод имеет преимущество перед другими реагентами, т.к. в процессе окисления им не затрагиваются другие легкоокисляющиеся группы.

Пример 1

Окисление вторичных спиртов на примере окисления циклогексанола до циклогексанона

В бездиафрагменный электролизер емкостью 150 мл, снабженный механической мешалкой, водяной рубашкой охлаждения и двумя платиновыми электродами (пластины, площадью анод - 20 см², катод - 15 см ²), помещают 4,5 мл (0,042 моль) циклогексанола, который растворяют в 30 мл хлористого метилена. Затем прибавляют 5 г (0,06 моль) NаНСО₃ и 2 г (0,01 моль) KJ, растворенных в 70 мл дистиллированной воды. Последним добавляют 1,1 г (0,005 моль) 4-ацетиламино-2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксила. Условия электролиза: температура 20-25°С, сила тока 1 А (плотность 0,05 А/см²). Синтез заканчивают после пропускания 4 Ф/моль электричества. После окончания электролиза содержимое электролизера сливают, избыток йода нейтрализуют раствором щелочи или прибавлением кристаллического Na₂S₂ O₃, после чего отделяют органический слой. Водный слой экстрагируют хлористым метиленом (2×50 мл), органические вытяжки объединяют и сушат безводным сульфатом натрия. По данным ТСХ реакционная смесь содержит два вещества - исходный спирт и продукт. Содержание циклогексанона и циклогексанола определяют методом ГЖХ. Степень конверсии циклогексанола до кетона по данным ГЖХ составила 85%. Для выделения кетона хлористый метилен удаляют, а остаток перегоняют в вакууме, собирая фракцию 48°С (7 мм рт.ст.). Выход циклогексанона 3,05 г (78%).

Пример 2

Окисление первичных спиртов на примере окисления фенилэтилового спирта до -толуилового альдегида.

В бездиафрагменный электролизер емкостью 150 мл, снабженный механической мешалкой, водяной рубашкой охлаждения и двумя платиновыми электродами (пластины площадью: анод - 20 см², катод - 15 см² ), помещают 4,5 мл (0,042 моль) фенилэтилового спирта, растворенного в 30 мл хлористого метилена. Затем прибавляем 5 г (0,06 моль) NaHCO₃ и 2 г (0,01 моль) KJ, растворенных в 70 мл дистиллированной воды. Последним добавляют 1,1 г (0,005 моль) 4-ацетиламино-2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксила. Условия электролиза: температура 20-25°С, сила тока 1 А (плотность 0,05 А/см ²), интенсивное перемешивание. Синтез заканчивают после пропускания 4 Ф/моль электричества. После окончания электролиза содержимое электролизера сливают, избыток йода восстанавливают кристаллическим Na₂S₂O₃, после чего отделяют органический слой. Водный слой экстрагируют хлористым метиленом (2×50 мл), органические вытяжки объединяют и сушат безводным сульфатом натрия. По данным ТСХ реакционная смесь содержит два вещества - исходный спирт и продукт. Содержание -толуилового альдегида и фенилэтилового спирта определяют методом ГЖХ. Степень конверсии фенилэтилового спирта до -толуилового альдегида по данным ГЖХ составила 90%. Для выделения альдегида хлористый метилен удаляют, а остаток перегоняют в вакууме, собирая фракцию 41-42°С (7 мм рт.ст.). Выход -толуилового альдегида 4,01 г (80%).