Исследование реакции конденсации циклогексанона с формальдегидом в разных условиях

1.  Исследование реакции конденсации циклогексанона с формальдегидом в разных условиях

Прежде, чем изучать химические свойства соединения 5, мы сначала попытались установить лучший способ его получения, сравнив известные методики синтеза. Соединение 5 везде получалось в качестве побочного продукта при получении 1,5-дикетона конденсацией циклогексанона с формальдегидом.

К настоящему времени в литературе описано несколько таких методик. По методике Тиличенко [1] смесь 1 моль (100 мл) циклогексанона и такой же объем (100 мл) 0,2н спиртового раствора едкого натра нагревали до 55 °С и добавляли 0,5 моль формальдегида. Смесь разогревалась и закипала, через несколько минут кипение прекращалось. Смесь оставляли стоять, а на следующий день выпавшие кристаллы отфильтровывали. Выход 11,2 г (14,1%). Из маточного раствора при стоянии выделилось еще 3,7 г. Общий выход 14,9 г (18,8%) соединения 5.

По методу Плешека [7] к смеси 1 моль циклогексанона, 0,5 моль 33 % формальдегида и 100 мл метанола добавлялся 4н спиртовой раствор едкого кали (100 мл). Смесь нагревалась до кипения и разделялась на 2 слоя. Маслянистый слой отделяли, разбавляли 200 мл метанола. Выделяли 20 г (22%) не идентифицированного соединения С19Н28О3 с Т.пл. 193 °С.

По методу Колонжа [2, 28] конденсация циклогексанона с параформом в соотношении 3:1 проводилась в безводной среде в присутствии метилата калия.

Мы повторили все эти методики, исследуя продукты реакции с помощью ГЖХ-МС. Соединение 5 выпадает в осадок сразу после проведения реакции. Осадки, выпадающие в реакционной смеси, оставленной без нейтрализации на второй и третий день, оказались не соединением 5 (как считается в методике Тиличенко), а кетолом 3 в виде двух его стереоизомерных форм в соотношении 1:1. Таким образом, выходы целевого продукта, указанные в статье Тиличенко [1], завышались.

Соединение 5 с наибольшим выходом (13 %) было получено нами по методу Колонжа. И в дальнейшем получение этого соединения проводилось именно этим методом. Во всех описанных синтезах при смешивании реагентов мы наблюдали разогрев реакционной смеси до кипения. По окончании реакции смесь нейтрализовали соляной или уксусной кислотой, а выпавший осадок по данным ГЖХ-МС (рис. 1) и ИК-спектра (рис. 2) представлял собой продукт 5. При проведении синтезов с меньшими количествами веществ (0,06 моль циклогексанона) наблюдалось слабое разогревание реакционной смеси, и для ее кипения требовался дополнительный нагрев, а выход продукта уменьшался почти в 2 раза.

В масс-спектре продукта 5 прослеживается ретромихаэлевский распад. Кроме пиков молекулярного иона [М]+=318 и [М-Н2О]+=300, присутствуют фрагменты [М-С6Н10О]+ с массой 220 единиц (отщепление циклогексанового кольца), [С6Н8О-СН2]+ и [С6Н10О]+ с массами 110 и 98 единиц соответственно.

Рис. 1 Хроматограмма и масс-спектр

20,21-Диоксагексацикло[10.8.2.01,6.08,19.08,22.014,19]докозан-22-ол (5).

ИК спектр соединения 5 содержит полосу поглощения гидроксильной группы в области 3388.73 см-1 (рис. 2). Полоса поглощения карбонильной группы отсутствует.

Рис. 2. ИК спектр соединения 5 в КВr.

Данные спектра ЯМР 13С (d, м.д.) (наиболее характерные сигналы) [16]: четвертичные углероды, связанные с кислородом С22, С1 и С19 при 98.2, 96.1 и 79.0, четвертичный углерод С8 при 37.8, третичные углероды С6, С12, С14 при 41.1, 39.8, 39.6.

После выделения соединения 5 мы исследовали реакционные смеси. Например, реакционную смесь, оставшуюся от синтеза соединения 5 по методу Колонжа анализировали методом ГЖХ-МС. В ней содержатся 2 изомера дикетона 1 (30 %, соотношение 1:1,), 2 изомера кетола 3 (40 %, соотношение 1:1), 2 изомера соединения 5 (9 %, соотношение 1:2), трикетон 2 (6 %) и циклогексанон (11 %).

Те же продукты содержатся в реакционной смеси после отделения соединения 5 при синтезе по методике Тиличенко.

2. Термическая дециклизация соединения 5

Тиличенко установил, что соединение 5 при температуре плавления 193 ºС, превращаясь в расплав, переходит в трикетон 2 (в чистом виде он не был выделен), а тот в свою очередь под действием щелочи количественно превращается вновь в соединение 5. Однако были неизвестны оптимальные условия превращения 5 ® 2, количество образующихся стереоизомеров трикетона (теоретически их может быть шесть), их соотношение. Ответ на эти вопросы мы получили с помощью ГЖХ-МС.

Внутримолекулярная циклизация трикетона 2, изученная ранее [14], представлена на схеме (5):

Схема 5

Мы изучили дециклизацию соединения 5 при температуре его плавления 193 0С, а также при 210 0С, оставляя расплав при указанных температурах на 5, 10, 30 и 60 минут. Опыт показал, что в самых мягких условиях (193 0С, 5 мин) образуется смесь пяти стереоизомеров с близкими временами удерживания (15.7, 15.8, 16.07, 16.48, 17.41), одинаковым распадом в масс-спектре и в соотношении (%) 23:10:11:48:2 соответственно. Примесей промежуточных продуктов дециклизации 20, 22 не обнаружено. При увеличении времени выдержки расплава до 30 мин соотношение изменяется (17:13:17:45:9), а в самых жестких условиях (210 0С, 60 мин) оно становится равным 6:19:20:34:8 соответственно. Эти данные показывают, что в первоначальный момент в смеси преобладает один стереоизомер - до 48 %, а при увеличении температуры или времени выдержки его доля падает до 34 %, изменяется доля и других стереоизомеров. Это связано, по-видимому, с взаимопревращением стереоизомеров в расплаве в результате кето-енольной таутомерии.

При обработке смеси спиртовым раствором 1н NaOH при 20 0С происходит полное превращение всех стереоизомеров в один и тот же продукт 5 с незначительной примесью его стереоизомерной формы. Выделить какой либо стереоизомер трикетона 2 в индивидуальном виде нам не удалось.

ИК спектр стереоизомерной смеси трикетона 2 содержит полосу поглощения карбонильной группы циклогексанона при 1705 см-1 (рис. 3).

Рис. 3. ИК спектр соединения 2 в СНСI3.

Попытка выделения индивидуального трикетона за счет предполагаемой разности в растворимости стереоизомеров к успеху не привела.