3. Saját munka
3.2. Foszfinsavak direkt észteresítése alkoholokkal
3.2.2. Difenilfoszfinsav (3) észteresítése alkoholokkal 186
Következő modellvegyületünk a szintén aciklusos, de sztérikusan gátolt, kevésbé reakcióképes difenilfoszfinsav (3) volt, melynek butanollal történő direkt észteresítése MW körülmények között 200 °C-on 3 óra után sem vezetett teljes konverzióhoz. A butil- difenilfoszfinátot (4a) szerény, 20%-os termeléssel kaptuk (3. táblázat/1. kísérlet). Az ugyanilyen körülmények között bombacsőben végzett termikus kísérletben nem sikerült kimutatni a várt 4a észtert. Ez a tapasztalat önmagában is jól példázza a MW potenciálját.
Hosszabb szénláncú alkoholokkal 235 °C-on, 6 órás besugárzás már közepes (34-61%) konverziót eredményezett.
3. Táblázat: Difenilfoszfinsav (3) direkt észteresítése MW körülmények között Kísérlet R T
[°C]
t [óra]
Konverzióa [%]
Termelés
[%] Termék
1 nBu 200 3 28b 20 4a
2 nPent 235 6 36 30 4b
3 iPent 235 6 34 22 4c
4 nOct 235 6 61 42 4d
5 iOct 235 6 46 35 4e
a Relatív 31P NMR intenzitások alapján.
b Összehasonlító termikus kísérletben 4a észtert nem sikerült kimutatni.
Látható, hogy szemben a fenil-H-foszfinsav (1) direkt észteresítésével, ahol rövid (30-60 perces) reakcióidő is elegendő volt ahhoz, hogy teljes átalakítást érjünk el, a difenilfoszfinsav (3) direkt észteresítése még erélyes körülmények között is csak közepes termeléssel szolgáltatta a megfelelő foszfinátokat (4a-e), ami a második fenilcsoport okozta sztérikus gátlással magyarázható.
3.2.3. 1-Hidroxi-3-metil- és -3,4-dimetil-3-foszfolén-oxidok (5, 6) észteresítése alkoholokkal74,188-190
Ezután a számunkra érdekesebb gyűrűs foszfinsavak, elsőként a McCormack cikloaddícióval előállítható 1-hidroxi-3-metil- és -3,4-dimetil-3-foszfolén-oxidok (5, 6) direkt észteresíthetőségét tanulmányoztuk.
4. Táblázat: 3-Metil-3-foszfolén-oxidok (5, 6) direkt észteresítése MW körülmények között Kísérlet R1 R2 T
[°C]
t [óra]
Konverzióa [%]
MW () Termelés
[%] Termék
1 H nBu 180 2 35 (0) 30 7b
2 H nBu 200 2 62 (11) 58 7b
3 H nPent 220 2,5 100 94 7d
4 H 3-Pent 200 4 35 28 7e
5 H iPent 235 3 100 74 7f
6 H nOct 220 2 100 71 7g
7 H iOct 220 2 100 (28) 76 7h
8 H nDodecil 230 2 100 95 7i
9 Me nPr 180 4 27 20 8a
10 Me nBu 220 3 65 (13) 60 8b
11 Me iBu 200 2 34 30 8c
12 Me nPent 235 3 90 67 8d
13 Me iPent 235 4 80 57 8f
14 Me nOct 230 2 100 95 8g
15 Me iOct 220 2,5 100 (29) 82 8h
16 Me nDodecil 230 2 100 95 8i
a Relatív 31P NMR intenzitások alapján.
A 3-metil-foszfolén-oxid (5) és feleslegben vett butanol elegyét zárt rendszerben 2 órán át 180, illetve 200 °C-on besugározva a kívánt 1-butoxi-3-metil-3-foszfolén-oxidhoz (7b) 30%-, illetve 58%-os termeléssel jutottunk. Termikus összehasonlító reakcióink során 0%, illetve 11%
konverziót tapasztaltunk (4. táblázat/1. és 2. kísérletek). Mivel a MW készülékben a felső
választottunk. Hosszabb szénláncú alkoholok alkalmazása a reakcióhőmérséklet további emelését tette lehetővé. Pentanollal végezve a direkt észteresítést, 220 °C-on már 2,5 óra után teljessé vált az átalakítás, így a 7d pentil-foszfinátot 94%-os termeléssel kaptuk (4. táblázat/3. kísérlet). Az elágazó láncú i-pentanollal (3-metil-1-butanollal) a fokozott sztérikus gátlás miatt erélyesebb körülményekre volt szükség (4. táblázat/5. kísérlet). Szekunder alkohol, úgy mint a 3-pentanol esetén hosszabb reakcióidő is csak gyenge konverzióhoz vezetett (4. táblázat/4. kísérlet). Oktanollal és 2-etil-hexanollal már 2 órás besugárzás alatt teljesen lejátszódott az észteresítés (4. táblázat/6 és 7. kísérletek), míg termikus melegítéssel legfeljebb 28%-os konverziót értünk el (4. táblázat/7. kísérlet).
Az észteresítést megkíséreltük különféle katalizátorok jelenlétében is (pl. p-toluol- szulfonsav, ionos oldószerek: [bmim][BF4], [bmim][PF6], stb.), azonban ezek nem segítették a reakciót. Egyes esetekben a kettőskötés átrendeződését tapasztaltuk.
Az 5 → 5’ kettőskötés vándorlás termikusan is előidézhető, mely esetünkben csak kismértékű (≤5%) volt, ezért külön nem vizsgáltuk.
Az 1-hidroxi-3,4-dimetil-3-foszfolén-oxid (6) direkt észteresítése során a monometil- származékhoz (5) hasonló tendenciákat figyeltünk meg. A reakciót 15 ekvivalens butanollal végezve 220 °C-on 60%-os termeléssel sikerült előállítani a kívánt 8b észtert (4. táblázat/10. kísérlet). Az észteresítés kevésbé illékony alkoholokkal ezekben az esetekben is eredményesebb volt (4. táblázat/12-16. kísérletek). Elágazó láncú alkoholok a fokozott sztérikus gátlás miatt kedvezőtlenebbek, mint az egyenes láncú analógjaik (4. táblázat/11. vs 10., 15. vs 14. kísérletek). Az összehasonlító termikus kísérletek a MW megvalósításhoz képest ebben az esetben is szignifikánsan gyengébb konverzióhoz vezettek (4. táblázat/10 és 15. kísérletek).
Látható továbbá, hogy a két metilcsoportot tartalmazó származék (6) észteresítése az 5-ös foszfinsav átalakításánál valamelyest erélyesebb körülményeket igényel.
Érdekességképpen megkíséreltük a foszfolén-oxidok (5 és 6) fenol-származékokkal (fenol, p-klór-fenol és p-krezol) történő direkt észteresítését is, azonban úgy találtuk, hogy ezek nem alkalmas reakciópartnerek.190 Ezekben a kísérletekben a kívánt termékek mennyisége csupán 3%
körül volt, így az ariloxi-származékok hatékonyabb előállítása egyelőre sikertelen maradt.
3.2.4. 1-Hidroxi-3-metil- és -3,4-dimetil-foszfolán-oxidok (9, 10) észteresítése alkoholokkal74,188,189
Következő modellvegyületeink az 1-hidroxi-3-metil-, illetve -3,4-dimetil-foszfolán-oxidok (9 és 10) voltak, melyeket közvetlenül a megfelelő foszfolén-oxidokból állítottunk elő katalitikus hidrogénezéssel.74 Korábban csak az észterek redukcióját írták le ily módon,5,191 de azt találtuk, hogy erélyesebb körülmények között közvetlenül a savak is redukálhatók, így egy lépésben juthatunk a telítetlen 1-hidroxi-foszfolén-oxidokból (5 és 6) telített 1-hidroxi-foszfolán- oxidokhoz (9 és 10) (1. ábra). A dimetil-származék (10) a két metilcsoport különböző relatív helyzete alapján 2:1 arányú izomerelegyként képződött.
1. Ábra: 1-Hidroxi-foszfolán-oxidok (9, 10) előállításának lehetőségei
A telítetlen analógokhoz (5 és 6) képest a foszfolán-oxidok (9 és 10) direkt észteresítése során erélyesebb körülményeket alkalmazva is csak szerényebb termeléssel kaptuk a megfelelő foszfinátokat (11, illetve 12). Az 5. táblázatban szereplő eredményekből látható, hogy – csakúgy mint a foszfolén-oxidok esetén – a monometil-származék (9) reakcióképesebb volt a két metilcsoportot tartalmazó analógnál (10) (5. táblázat/1. vs. 6. kísérlet, 2. vs. 7. kísérlet, stb.).
Tisztítást követően 45-86% termeléssel jutottunk 11 és 12 gyűrűs foszfinátokhoz.
5. Táblázat: 3-Metil- és -3,4-dimetil-foszfolán-oxidok (9, 10) direkt észteresítése MW körülmények között
Kísérlet R1 R2 T [°C]
t [óra]
Termelés [%]
Izomereloszlása [%]
nyerstermékben
Izomereloszlása [%]
tisztítás után
Termék
1 H nBu 230 3 54 ~ 50 – 50 52 – 48 11a
2 H nPent 235 3 79 ~ 50 – 50 70 – 30 11b
3 H iPent 235 4 59 ~ 50 – 50 75 – 25 11c
4 H nOct 230 4 74 ~ 50 – 50 50 – 50 11d
5 H iOct 220 3 86 ~ 50 – 50 60 – 40 11e
6 Me nBu 210 3 45 60 – 20 – 20 63 – 19 – 18 12a
7 Me nPent 235 5 60 70 – 15 – 15 80 – 10 – 10 12b
8 Me iPent 235 6 56 64 – 19 – 17 71 – 29 12c
9 Me nOct 230 4 70 60 – 20 – 20 65 – 19 –16 12d
10 Me iOct 220 4 50 66 – 19 – 15 69 – 31 12e
a Relatív 31P NMR intenzitások alapján.
Az 1-alkoxi-3-metil-foszfolán-oxidokat (11a-e) két diasztereomer közel 1:1 arányú elegyeként kaptuk. Az 1-hidroxi-3,4-dimetil-foszfolán-oxid (10) 2:1 arányú izomerelegyéből kiindulva, a megfelelő foszfinátok (12a-e) három izomer [két optikailag inaktív forma (2. ábra/12-A és 12-B) és egy racemát (2. ábra/12-C)] ~3:1:1 arányú elegyeként képződtek, mely izomerarányok az oszlopkromatográfiás tisztítás során kismértékben változtak.
2. Ábra: 1-Alkoxi-3,4-dimetil-foszfolán-oxidok (12) diasztereomerei
3.2.5. 1,2,3,4,5,6-Hexahidrofoszfinin-oxid (13) észteresítése alkoholokkal74,188
A direkt észteresítést egy hattagú modellvegyületre, a gyűrűbővítéssel előállított 1-hidroxi- 1,2,3,4,5,6-hexahidrofoszfinin-1-oxidra (13) is kiterjesztettük. Azt tapasztaltuk, hogy 13 foszfinsav reakciókészsége összemérhető az 1-hidroxi-3,4-dimetil-foszfolán-1-oxid (10) észteresítési reakcióban mutatott reakciókészségével. A jó konverzió elérése érdekében magas hőmérsékletre (~235 °C) és hosszú reakcióidőkre (3-6 óra) volt szükség, így a megfelelő foszfinátokat (14a-c) 45-62%-os termeléssel sikerült előállítani, két izomer közel 7:3 arányú elegyeként.
6. Táblázat: 1,2,3,4,5,6-hexahidrofoszfinin-1-oxid (13) MW direkt észteresítése Kísérlet R T
[°C]
t [óra]
Termelés [%]
Izomereloszlása
[%] Termék
1 nBu 230 3 45 ~ 69 – 31 14a
2 nOct 235 4 62 ~ 66 – 34 14b
3 iOct 235 6 54 ~ 69 – 31 14c
a Relatív 31P NMR intenzitások alapján.
3.2.6. Foszfinsavak direkt észteresítésben való reakcióképessége
A vizsgált modellvegyületek direkt észteresítési reakcióban megfigyelt reakcióképessége alapján általánosan elmondható, hogy az aciklusos fenil-H-foszfinsav (1) lényegesen könnyebben reagál alkoholokkal, mint a gyűrűs származékok (5, 6, 9, 10, 13). Összehasonlítva a telítetlen (5, 6) és a telített (9, 10) gyűrűs foszfinsavak észteresíthetőségét, a tapasztalatok szerint az „alkén jellegű” foszfolén-oxidok (5 és 6) valamelyest reakcióképesebbek, mint az inkább „alkán jellegű”
foszfolán-oxidok (9 és 10), ami azzal magyarázható, hogy az előbbi esetben a –P=O-csoport P-atomja elektrofilebb. Továbbá megállapítható, hogy a két metilcsoportot tartalmazó vegyületek (6, 10) nehezebben reagálnak alkoholokkal, mint az egy metilcsoportot tartalmazó analógok (5, 9).
A reaktivitási sort a sztérikusan leginkább gátolt difenilfoszfinsav (3) zárja (3. ábra).
3.2.7. Az egyensúly lehetőségének vizsgálata foszfinsavak direkt észteresítése során189