Cинтез амфифильных соединений на основе п-трет-бутилфенола и п-трет-бутилкаликс[4]арена

УДК 547.562.4+547.639.5+ 547.492

Cинтез амфифильных соединений на основе п-трет-бутилфенола и п-трет-бутилкаликс[4]арена

© ,1* Нгуен Фи Лонг,1,2 ,1 ,1+ 1,2* и 1

1 Институт органической и физической химии им. , КазНЦ РАН.

Ул. Ак. Арбузова, 8. г. Казань, 420088. Республика Татарстан. Россия.

Тел.: [phone]. E-mail: *****@***ru

2 Кафедра органической химии. Химический институт им. . КФУ.

Ул. Кремлевская, 18. г. Казань, 420008. Республика Татарстан. Россия.

Тел.: [phone]. E-mail: [e-mail]

_______________________________________________

*Ведущий направление; +Поддерживающий переписку

Ключевые слова: фенол, каликс[4]арен, этиленкарбонат, оксиэтилирование

Аннотация

Впервые показана возможность образования олигоэфиров на основе реакции п-трет-бутилфенола и п-трет-бутилкаликс[4]арена с этиленкарбонатом в присутствии карбонатов калия и цезия. Установлено, что оксиэтилированные каликсарены, получаемые в данных условиях, имеют более высокую степень оксиэтилирования, чем при проведении данной реакции с использованием в качестве основания трет-бутилата калия, причем наибольшая глубина превращения достигается в присутствии карбоната цезия.

Введение

Создание наноразмерных супрамолекулярных ансамблей, обладающих регулируемой функциональной активностью, – одно из актуальных направлений современной химии и технологии [1-5]. Важным подходом для решения таких задач является нековалентная самосборка дифильных молекул. На сегодняшний день актуальной задачей является создание новых наносистем на основе нетоксичных и доступных соединений, которые могут найти применение для различных медицинских, биологических, ветеринарных, косметических и диагностических целей [1-5].

Ранее [1] были получены данные о том, что полиоксиэтильные производные каликсаренов 1 могут эффективно солюбилизировать в воде малорастворимые лекарственные препараты – стрептоцид, ксимедон и другие - с образованием наночастиц, имеющих размеры в пределах от 4 до 195 нм. Кроме того, композиции на основе оксиэтилированных циклических тетрамеров (каликсаренов) могут быть использованы для обработки эмульсий минеральных масел и воды, например, нефтяных эмульсий, часто встречающихся в производстве, обработке и переработке сырой нефти [5-7].

1

Основной метод синтеза полиоксиэтильных производных – взаимодействие фенолов или каликсаренов с окисью этилена [5-7]. Однако, окись этилена является высокотоксичным и легко воспламеняющимся соединением, что требует при работе с ней использования специального оборудования и выполнения жестких требований техники безопасности. В связи с этим, актуальной задачей является поиск альтернативных методов синтеза полиоксиэтилированных производных.

В литературе [8] имеются данные по получению бис-гидроксиэтиловых эфиров бисфенолов взаимодействием соответствующих бис-фенолов с этиленкарбонатом в присутствии основания – карбоната калия (схема 1).

Схема 1. Реакция бисфенолов с этиленкарбонатом.

В работе [9] было показано образование оксиэтилированных производных п-трет-бутилкаликс[4]арена реакцией его калиевой соли, получаемой взаимодействием с трет-бутилатом калия, с этиленкарбонатом в N,N,N’,N’-тетраметилмочевине. Образование продуктов оксиэтилирования можно объяснить тем, что взаимодействие фенольных гидроксилов с этиленкарбонатом и окисью этилена протекают через один и тот же интермедиат 2, который способен к дальнейшему взаимодействию с этиленкарбонатом и окисью этилена с образованием олигомерных продуктов (рис. 1).

2

2

Рис. 1. Интермедиаты реакций этиленкарбоната и окиси этилена с п-трет-бутилфенолом.

Основными задачами данного исследования стали изучение реакции п-трет-бутилфенола (модельного соединения) и п-трет-бутилкаликс[4]арена с этиленкарбонатом с целью оптимиации условий получения олигоэфирных производных.

Экспериментальная часть

п-трет-Бутилкаликс[4]арен был синтезирован по известной методике [10]. ЯМР эксперименты были выполнены на приборе DRX - Bruker MSL-400 с рабочей частотой 400 MHz. MALDI-TOF масс-спектры были получены на масс-спектрометре MALDI-TOF Dynamo Finnigan. Хроматомасс-спектры были получены на спектрометре DFS фирмы Thermo Scientific, модель Trace GC Ultra.

Синтез оксиэтилированных производных п-трет-бутилфенола (общая методика).

Смесь п-трет-бутилфенола, этиленкарбоната, М2CO3 (М = K, Cs) и воды (мольные соотношения 1 : 10 : (0.01-10) : (0-5) перемешивали в атмосфере аргона при температуре 120 - 160 °С в течение 12-20 часов (до исчезновения исходного фенола). Далее, добавляли в реакционную смесь 50 мл хлороформа и соляную кислоту (1:3), экстрагировали, мыли водой, органический слой сушили над сульфатом магния. Хлороформ отгоняли на роторном испарителе, к остатку добавляли 20 мл хлороформа, тетра-бутиламмоний бромид (ТБАБ) (0,5 мольных % по отношению к фенолу) и 15 мл 2М раствора КОН. Полученную смесь грели при 70°С в течение 2-3 часов. Далее реакционную смесь разрабатывали, как описано выше. В результате был получен маслообразный продукт.

Синтез оксиэтилированных производных п-трет-бутилкаликс[4]арена (общая методика).

Смесь 0,154 ммоль 5,11,17,23-тетра-п-трет-бутилкаликс[4]арена, 1,24 (или 6,82) ммоль этиленкарбоната и 0,03 ммоль М2CO3 (М = K, Cs) в 7 мл растворителя (дифениловый эфир или смесь тетраглим-о-ксилол) перемешивали в атмосфере аргона при температуре 144-250 °С в течение 3-14 часов (до исчезновения исходного каликсарена).

Результаты и их обсуждение

Для проведения реакции с модельным соединением (п-трет-бутилфенолом) были выбраны следующие условия: растворитель – этиленкарбонат, температура - 160 °С, время проведения реакции - 12-20 часов (до исчезновения исходного фенола), основание - карбонат цезия, мольное соотношение реагентов фенол: этиленкарбонат : основание = 1 : 10: 0.01.

В

Б

А

Растворитель

Основа-ние

Условия

время/ температура

Мольное

соотношение

каликсарен :

этиленкарбонат,

взятое для синтеза

Число этиленоксидных

звеньев в одной молекуле

Диапазон

Максимальное значение

Дифениловый эфир

Cs2CO3

3 ч, 250 0С

1 : 8

3-6

3

Дифениловый эфир

Cs2CO3

6 ч, 250 0С

1 : 8

3-7

5

Тетраглим-

о-ксилол

Cs2CO3

3ч, 200 0С

1 : 8

3-8

4

Тетраглим-

о-ксилол

Cs2CO3

6 ч, 200 0С

1 : 8

3-7

4, 7

Тетраглим-

о-ксилол

K2CO3

3 ч, 200 0С

1 : 8

1-8

2, 3

Тетраглим-о-ксилол

K2CO3

6 ч, 200 0С

1 : 8

2-8

2, 3

Тетраглим-о-ксилол

Cs2CO3

14 ч,

200 0С

1 : 44

4-10

7

N,N,N’,N’-тетра-метилмочевина

t-BuOK

4ч, 150 0С [9]

1 : 24

2-9

5

N,N,N’,N’-тетра-метилмочевина

t-BuOK

4ч, 150 0С [9]

1 : 80

4-20

13

В отличие от вышерассмотренной реакции c фенолом взаимодействие этиленкарбоната с каликсареном 3 потребовало использования дополнительного растворителя для того, чтобы достичь растворимости каликсарена в реакционной смеси. В качестве растворителей были использованы дифениловый эфир и смесь тетраглим/о-ксилол. Последняя была взята для увеличения растворимости основания в реакционной смеси, поскольку известно, что глимы хорошо сольватируют катионы щелочных металлов [11].

Реакция в дифениловом эфире позволила поднять температуру до 250оС. В результате образовалась смесь олигоэфиров со степенью оксиэтилирования 3-7 при 8-кратном избытке этиленкарбоната. Увеличение времени реагирования ведет к смещению молекулярно - массового распределения олигомера в сторону более высоких масс. Для сравнения, в известном из литературы примере оксиэтилирования каликсарена 3 в присутствии трет-бутилата калия [9] достигается введение от 2 до 9 оксиэтильных фрагментов при 24-кратном избытке этиленкарбоната.

Использование смеси тетраглим/о-ксилол не дало существенных преимуществ, кроме снижения температуры реакции на 50оС. Степень оксиэтилирования существенно не изменилась. Однако, в отличие от реакции с фенолом в данном случае явное влияние оказывает природа основания. В присутствии карбоната калия наблюдалась четкая тенденция к уменьшению степени оксиэтилирования по сравнению с использованием карбоната цезия в качестве основания. На рис. 5 представлены MALDI TOF масс спектры реакционных смесей, полученных в одинаковых экспериментальных условиях.

n = 2 n = 3

n = 4 n = 7

а б

Рис. 5. MALDI TOF масс спектры (а – реакция с Cs2CO3, б – с K2CO3, растворитель – тетраглим/ксилол, соотношение каликсарен : этиленкарбонат 1 : 8, время проведения реакции – 6 ч.).

Увеличение избытка этиленкарбоната до 44-кратного привело к образованию более высокомолекулярных продуктов, но даже через 14 часов образовывались лишь соединения, содержащие от 4 до 10 оксиэтильных фрагментов.

Заключение

Таким образом, показана возможность образования олигоэфиров на основе реакции фенолов и каликсаренов с этиленкарбонатом присутствии карбонатов калия и цезия. Оксиэтилированные каликсарены, получаемые в данных условиях, имеют более высокую степень оксиэтилирования, чем при проведении данной реакции с использованием в качестве основания трет-бутилата калия, причем наибольшая глубина превращения достигается в присутствии карбоната цезия.

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (10-03-00728).

Литература

[1]  , , , Коновалов система, содержащая супрамолекулярные каликсареновые наноконтейнеры, и способ ее получения // Пат. 2362761 Россия. Б. И. - 2009. - № 000.

[2]  Zakharova L., Kudryashova Y., Selivanova N., Voronin M., Ibragimova A., Solovieva S., Gubaidullin A., Litvinov A., Nizameev I., Kadirov M., Galyametdinov Y., Antipin I., Konovalov A. Novel membrane mimetic systems based on amphiphilic oxyethylated calix[4]arene: Aggregative and liquid crystalline behavior // Journal of Membrane Science – 2010. – V. 364. – P. 90–101.

[3]  , , Коновалов организованные системы на основе дифильного оксиэтилированного каликс[4]арена // Коллоидный журнал – 2012. – Т. 74, № 1 - С. 1–11; г) , , Коновалов свойства супрамолекулярных систем на основе полиоксиэтилированных каликсаренов и аминов // Кинетика и катализ – 2011. – Т. 52, № 4 - С. 540–546.

[4]  Mustafina A., Zakharova L., Elistratova J., Kudryashova J., Soloveva S., Garusov A., Antipin I., Konovalov A. Solution behavior of mixed systems based on novel amphiphilic cyclophanes and Triton X100: Aggregation, cloud point phenomenon and cloud point extraction of lanthanide ions // Journal of Colloid and Interface Science – 2010. – V. 346. – P. 405–413.

[5]  Buriks R., Fauke A., Mange F. Oxyalkylated cyclic phenol-aldehyde resins and uses there for as demulsifiers for water-in-oil type emulsions // US 4032514 – 1977.

[6]  Buriks R. Cyclic phenol-aldehyde resins // US 4259464 – 1981.

[7]  Buriks R., Fauke A., Mange F. Process of demulsification employing oxyalkylated cyclic phenol-aldehyde resins // US 4098717 - 1977.

[8]  Hait S. B., Sivaram S. Synthesis of Bis(hydroxyethyl ether)s of Aromatic Dihydroxy Compounds and Poly(ether-carbonate)s with Bisphenol A // Polymer International – 1998. – V. 47. P. 439-444.

[9]  Maksimov A. L., Buchneva T. S., Karakhanov E. pramolecular calixarene-based catalytic systems in the Wacker-oxidation of higher alkenes // Journal of Molecular Catalysis A: Chemical – 2004. – V. 217. – P. 59-67.

[10]  Gutsche D., Iqbal M., Stewart D. Calixarenes. 19. Syntheses procedures for p-tert-butylcalix[4]arene // J. Org. Chem. – 1986. – V. 51. – N. 5. – P. 742-745.

[11]  астворители и эффекты среды в органической химии. М.: Мир, 1991. 763 с.

Synthesis of amphiphilic compounds on the basis of p-tert-buthyl-phenol and p-tert-buthyl-calix[4]arene

© Phi Long Nguyen,1,2 Sofiya Rushatovna Kleshnina,1+

Svetlana Evgenievna Solovieva,1* Ildar Hamidovich Rizvanov,1 Igor Sergeevich Antipin,1,2* and Alexander Ivanovich Konovalov1

1 A. E. Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry,

Akad. Arbuzova, 8. Kazan, 420088. Tatarstan Republic. Russia. Tel.: [phone].

E-mail: *****@***ru

2 Physical Chemistry Division. A. M. Butlerov Institute of Chemistry. KFU.

Kremlevskaya, 18. Kazan, 420008. Tatarstan Republic. Russia.

Tel.: [phone]. E-mail: igor. *****@***ru

Keywords: calix[4]arene, ethylenecarbonate, olygoethers, oxymethylation, policondansation

Abstract

For the first time, was demonstrated the possibility of formation of olygoethers on the basis of the reaction of p-tert-buthylphenol and p-tert-buthylcalix[4]arene with ethylene carbonate in presence of potassium and cesium carbonates. It was found, that oxyethylated calixarenes, obtained in such conditions, have higher degree of oxyethylation, than at carrying out of this reaction with using potassium tert-buthylate as a base; the biggest degree of conversion was achieved in presence of cesium carbonate.