Обсуждение и результаты

Циклические ацетали и кетали триолов, в частности глицерина, находят широкое применение в тонком органическом синтезе [64-66]. Недавно было показано, что некоторые соединения этого ряда могут быть использованы в качестве антифризных присадок к топливам [67,68], ПАВ [69], добавок в пищевой [70] и косметической [71] промышленности. В этой связи представляет интерес изучение строения циклических формалей глицерина и их производных. Ранее нами было показано, что О-алкилирование 4-гидроксиметил-2,2-диметил-1,3-диоксолана с количественным выходом приводит к соответствующим производным [72].

Целью настоящей работы являлось получение и определение строения эфиров и хлоридов на основе 4-гидроксиметил-1,3-диоксолана и 5-гидрокси-1,3-диоксана.

Синтез и структура циклических формалей глицерина

Исходные формали глицерина 1а,б получены конденсацией глицерина с формальдегидом в среде толуолаприТ=100^°С в присутствии катионита КУ-2 в качестве катализатора с выходом 95% и соотношении 1а: 1б =1:3 (схема 2.1, табл. 2.1). Соотношение 1,3-диоксолан- и 1,3-диоксановых спиртов 1а и 1б определяли по интегральной интенсивности протонов находящихся при С-4 атоме в случае диоксолана 1а и С-5 – диоксана 1б (табл.2.2, приложение 2,3).

Реагенты и условия: a) HO(CH₂O)nH (n ≈ 8—100), толуол, 100 °C, 6 ч;

Схема 2.1

Таблица 2.1. Влияние катализатора на общий выход, соотношение 1,3-диоксолан- и 1,3-диоксановых спиртов1а и 1б.

*практический выход

**соотношение изомеров определено по спектрам ЯМР ¹Н

Строение полученных циклических формалей глицерина 1а, б подтверждено данными ЯМР-спектроскопии ¹Н, ¹³С (приложение рис. 1-3), в том числе с применением двумерных корреляционных методик (приложение рис. 4-6) и хромато-масc спектрометрии Отнесение сигналов замещенных гетероциклов 1а, б проведено на основании анализа величин химических сдвигов и КССВ протонов гетероциклического фрагмента (рис. 2.1,табл. 2.1, 2.2).

a

б

a - 4-гидроксиметил-1, 3-диоксолан; б - 5-гидрокси-1,3-диоксан.

Рисунок 2.1 - Отнесение сигналов замещенных гетероциклов смеси 4-гидроксиметил-1,3-диоксолана 1а и 5-гидрокси-1,3-диоксана 1б

Таблица 2.2- Данные спектров ЯМР ¹Н (δ, м. д., J, Гц) соединений 4-гидроксиметил-1,3-диоксолана 1а и 5-гидрокси-1,3-диоксана 1б.

Таблица 2.2 - Данные спектров ЯМР ¹³С (δ, м. д., J, Гц) соединений 4-гидроксиметил-1,3-диоксолана 1а и 5-гидрокси-1,3-диоксана 1б

В спектре ЯМР ¹Н смеси 4-гидроксиметил-1,3-диоксолан 1а и 5-гидрокси-1,3-диоксана 1б синглетные сигналы при δ_H 4.88 и 5.05 м.д. (табл. 2.1) соответствуют протонам метиленовой группы при С(2) атоме диоксолана 1а, метиновые протоны при С(4) атоме диоксоланового кольца проявляются в виде триплета при δ_H 4.17 м.д. Эквивалентные протоны С(5)Н₂-группы резонируют в области δ_H 3.64 и 3.73 м.д. в виде мультиплетов. Для диоксолана 1a протоны С(6) Н₂- группы мультиплетов в области δ_H 3.53-3.62 м.д. и δ_H 3.6 (уш.с) соответствует протонам гидроксильной группы.

Для 1,3-диоксана 1б положение сигнала протона при δ_H 3.56 м.д. с КССВ 1.9 и 3.6 Гц в соответствует метиновому протону при С(5) атому и проявляется в виде триплет триплетов (табл. 2.1). Аномерные протоны при С(2) углеродном атоме диоксана 1б резонируют в области δ_Н 4.78 и 4.90 м.д. в виде дублетов и имеют КССВ 6.2 и 6.2 Гц соответственно, что характерно для 5-замещенных 1,3-диоксанов. Аксиальные и экваториальные протоны метиленовой групп при С(4) атоме химически эквивалентны протонам при С(6) атоме. Сигналы Н^ах(4) и Н^ах(6) проявляются в более сильном поле δ_H и протоны Н^eq(4) и Н^eq (6) резонируют в области δ_H 3.72 и 3.85 м.д. в идее двух дублетов с одинаковой константой 11.4 Гц.

Отметим, что в 1,3-диоксане 1б, судя по положению сигналов протонов С⁵Н и ОН (3.56 м.д. и 3.60 м.д., соответственно), имеет место внутримолекулярная водородная связь за счет преимущественной аксиальной ориентации ОН-группы. Значение КССВ для протонов С⁵Н и С⁶Н диоксана 1б (² J 11.4; ³ J 3.8 и 1.9 Гц) (табл.2.1) подтверждают экваториальное расположение протона и, соответственно, аксиальное положение ОН-группы при С(6) атоме. Полученные результаты согласуются с имеющимися литературными данными. Согласно которым, для цис -2-алкил-5-окси-1,3-диоксанов аналогичные значения химических сдвигов [73] близки (3.51 м.д. для экваториальной связи С⁵Н и 2.76 м.д. для аксиальной ОН-группы), тогда как сигнал экваториальной ОН-группы в транс -2-алкил-5-окси-1,3-диоксанах сдвинут в сильное поле (1.78 м.д.), а аксиальная ориентация С⁵Н-группы резонирует в слабом поле (3.86 м.д).

Как известно, образующиеся в результате взаимодействия триолов с карбонильными соединениями смесь диоксан- и диоксалановых спиртов находится в динамическом равновесии. В связи с этим, нами изучено влияние температуры, природы растворителя, рН-среды на смещение равновесия.

С использованием ЯМР спектроскопии было показано, что соотношение циклических формалей глицерина 1а, б не изменяется с течением времени. Так, в спектрах ЯМР ¹Н смеси спиртов 1а, б записанных в CDCl₃ при 25 С° через 1 час, сутки, неделю соотношение 1а: 1б не изменяется и остается равным 1: 3 (рис. 2.1).

Рисунок 2.1. Фрагмент спектра ЯМР ¹Н смеси 4-гидроксиметил-1,3-диоксолана 1а и 5-гидрокси-1,3-диоксана 1б во времени. а) через 1 час; б) через сутки; в) через неделю (СDCl₃, 25°С, 300 МГц)

Природа растворителя может оказывать влияние на смещение динамического равновесия и на характер сигналов в спектрах ЯМР, и как следствие в разных растворителях положение сигналов отдельных протонов может существенно меняться. В связи с этим были записаны протонные спектры смеси 4-гидроксиметил-1,3-диоксолана 1а и 5-гидрокси-1,3-диоксана 1в в растворителях различной природы (хлороформе, бензоле) рис. 2.2.

Рисунок 2.2 Фрагмент спектра ЯМР ¹Н смеси 4-гидроксиметил-1,3-диоксолана 1а и 5-гидрокси-1,3-диоксана 1б в различных растворителях: а) CDCl₃; б) C₆D₆; в) CDCl₃+H₂SO₄

Как видно из рис. 2.2 наилучшее разрешение пиков наблюдается в бензоле.

Известно, что при наличии pH заместителей во 2 положении смеси диоксан-диоксалановых структур, равновесие смещается в зависимости от температуры в сторону 5-гидрокси-1,3-диоксана.

Нами были проведены эксперименты по снятию спектров ПМР при различных температурах 20ºС, 40ºС, 80ºС для смещения равновесия 4-гидроксиметил-1,3-диоксолана и 5-гидрокси-1,3-диоксана.

Из рис. 2.3 видно что спектр не меняется при вариации температуры. Таким образом, мы не наблюдаем смещения равновесия формалей глицерина сторону какого-либо одного изомеров.

Рисунок 2.3 Фрагмент спектра ЯМР ¹Н смеси 4-гидроксиметил-1,3-диоксолана 1а и 5-гидрокси-1,3-диоксана 1б при разных температурах: а) 20ºС, б) 40º С, в) 80º С

2.2 Синтез и структура 4-[(бензилокси)метил]-1,3-диоксолана и 5-(бензилокси)-1,3-диоксана

О -алкилирование бензилхлоридом циклических формалей глицерина 1а,б (схема 2.2) с выходом 75-80% привело к соответствующим простым эфирам 2 а,б. В полученной смеси содержание 5-тизвенной структуры 2а возросло (2а:2б = 2:1). Это связано, очевидно, с большей активностью первичной гидроксильной группы формаля 1а по сравнению с вторичной гидроксильной группой соединения 1б.

Реагенты и условия: С₆Н₅СН₂Cl, 50%-ный р-р NaOH, Q+Cl –, толуол, 70 °C, 1 ч;

Схема 2.2

Отнесение сигналов замещенных гетероциклов 2а, б проведено на основании анализа величин химических сдвигов и КССВ протонов гетероциклического фрагмента (рис.2.2).

а)

б)

a - 4-[(бензилокси)метил]-1,3-диоксолан; б - 5-(бензилокси)-1,3-диоксан.

Рисунок 2.2 - Отнесение сигналов замещенных гетероциклов 4-[(бензилокси)метил]-1,3-диоксолана 2а и 5-(бензилокси)-1,3-диоксана 2б

Рисунок 2.3- Фрагмент спектра HSQC 4-[(бензилокси)метил]-1,3-диоксолана и 5-(бензилокси)-1,3-диоксана

Таблица 2.3 – Данные спектров ЯМР ¹Н (δ, м. д., J, Гц) соединений 4-[(бензилокси)метил]-1,3-диоксолана 2а и 5-(бензилокси)-1,3-диоксана 2б

Таблица 2.4 – Данные спектров ЯМР ¹³С (δ, м. д., J, Гц) соединений 4-[(бензилокси)метил]-1,3-диоксолана 2а и 5-(бензилокси)-1,3-диоксана 2б

Так, в спектре ЯМР ¹Н смеси 4-[(бензилокси)метил]-1,3-диоксолана 2а и 5-(бензилокси)-1,3-диоксана 2б синглетные сигналы при δ_H 4.39 и 5.03 м.д. соответствуют протонам метиленой группы при С(2) атоме диоксолана 2а, метиновые протоны при С(4) атоме диоксоланового кольца проявляются в виде пентета с четырьмя КССВ при δ_H 4.25 м.д. (J³ 5.9, 5.9, 5.9, 5.9 Гц). Эквивалентные протоны С(5)Н₂-группы резонируют в области δ_H 3.71 и 3.95 м.д. в виде триплета с КССВ J² 5.9 Гц и J³ 5.9 и 5.9 Гц соответственно. Эквивалентные метиленовые протоны С(6)Н₂ – группы проявляются в виде мультиплетов в области δ_H 3,5 с КССВ 10.0, 5,9 Гц и дублет дублетов в области δ_H 3,57 также с КССВ 10.0, 5,9 Гц. Метиленовые протоны С(6)Н₂ – группы проявляются более слабом поле за счет воздействия бензилной группы, в виде дублетов области δ_H 4.57 и 4.59 с КССВ 12.0, 12.0 Гц. Мултиплет в области δ_H 7.3- 7.7 соответствует протонам бензилной группы.

Для 1,3-диоксана 2б положение сигнала протона при δ_H 3.53 м.д. соответствует метиновому протону при С(5`) атоме с КССВ 3.7, 6.9 Гц.. Аномерные протоны при С(2`) углеродном атоме диоксана 2б резонируют в области δ_Н 4.71 и 4.87 м.д. в виде дублетов и имеют КССВ 6.05 и 6.05 Гц соответственно, что характерно для 5-замещенных 1,3-диоксанов. Аксиальные и экваториальные протоны метиленовой групп при С(4`) атоме химически эквивалентны протонам при С(6`) атоме. Сигналы Н^ах(4`) и Н<sup>ах</sup>(6`) проявляются в более сильном поле δ_H 3.68 в виде дублет дублета с КССВ 11.4 Гц, протоны Н^eq(4`) и Н<sup>eq</sup> (6`) резонируют в области δ_H 3.74 и 3.80 м.д. в идее двух дублетов с одинаковой константой 5.4 Гц и 3.7, 6.9 Гц. Метиленовые протоны С (8`)Н_{2 -} группы резонируют в области δ_H 4.57 и 4.59 м.д. в виде синглета. Метиновые группы бензилового кольца отражаются в виде мультиплетов в области δ_H 7.1-7.3.