Способ получения 5-гидрокси-2(5н)-фуранона

Способ получения 5-гидрокси-2(5н)-фуранона

Реферат

Изобретение относится к области органического синтеза, а именно к способам получения 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона, который используется в качестве полупродукта для получения каротиноидов, рострегуляторов, гербицидов, ангельментативных, протеиносаждающих фармацевтических препаратов.

Аналогом предлагаемого способа служит известный способ получения 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона путем окисления фурфурола пероксидом водорода при 20-60°С в присутствии каталитических количеств 2-оксинафтената ванадия и гидрохинона в среде ацетона [авт.св. РФ №1715806, С07D 307/58, 1992].

Недостатками данного способа получения 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона являются:

- высокая экзотермичность реакции, в связи с чем процесс трудноуправляем и небезопасен, требует специального термостатирования, поэтому не может использоваться в широких, в том числе промышленных масштабах;

- повышенная температура, что также делает процесс небезопасным в связи с легкой воспламеняемостью ацетона;

- использование большого количества токсичного растворителя (ацетона);

- осмоление целевого продукта при его выделении.

Другим аналогом заявляемого способа получения 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона служит способ, основанный на многостадийном синтезе исходного 4-гидроксииноата. Первоначально производят гидролиз исходного реагента водным раствором гидроксида калия с образованием соответствующей карбоновой кислоты, которую затем окисляют реактивом Джонсона до соответствующей замещенной 4-оксиалкиновой кислоты с последующим каталитическим гидрированием последней катализатором Линдлара и образованием целевого 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона [патент США №9116055, С07D 307/62, 307/36,1991].

Недостатками данного способа получения 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона являются:

- длительный многостадийный синтез целевого продукта;

- невысокий выход целевого продукта, вследствие потерь при многостадийном синтезе;

- использование реактива Джонсона и катализатора Линдлара, содержащих ядовитые соединения хрома и свинца соответственно.

Наиболее близким к заявленному является способ получения 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона, принятый за прототип, согласно которому фурфурол подвергают электрохимическому окислению на электродах из двуокиси свинца в 1 Н водном растворе серной кислоты, при анодном потенциале 1,5-1,55 В и температуре 15-60°С [авт.св. СССР №412176].

Недостатками данного способа получения 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона являются:

- длительная предварительная электрохимическая обработка свинцовых электродов, (около 2 ч), для получения на их поверхности необходимой оксидной пленки;

- использование электродов из высокотоксичных свинцовых материалов, загрязняющих целевой продукт, что ограничивает его применение в качестве полупродукта для синтеза фармакологических препаратов;

- небезопасная и агрессивная среда - достаточно концентрированный (20%-ый) водный раствор серной кислоты;

- образование заметного количества смолистых веществ, которые усложняют процесс выделения целевого продукта и снижают его препаративный выход.

Приведенные недостатки значительно ограничивают возможности использования указанных способов получения 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона и не решают актуальную проблему создания рационального и безопасного способа получения этого важного вещества.

Техническим результатом изобретения является упрощение процесса синтеза, повышение экологической и пожарной безопасности, сокращение времени реакции, повышение выхода целевого продукта (до 55%).

Поставленный технический результат достигается тем, что способ получения 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона включает взаимодействие фурфурола с пероксидом водорода в условиях электрохимического анодного синтеза: на графитовых электродах при 25-55°С, силе тока 0,01-0,05 А, напряжении 2-10 В в среде водного раствора перхлората щелочного металла, в присутствии сульфата ванадила, при молярном соотношении фурфурола, пероксида водорода, электролита и сульфата ванадила (0,25-1,0):(0,6-2,6):(0,02-2,0):(0,00015-0,0006) соответственно, с последующим выделением целевого продукта экстракцией этилацетатом.

Упрощение способа получения 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона, повышение экологической и пожарной безопасности достигаются благодаря использованию в электрохимическом анодном синтезе графитовых электродов, а также безопасных водных растворов пероксида водорода и перхлоратов щелочных металлов. Подобранные оптимальные условия, температура 25-55°С, сила тока 0,01-0,05 А и напряжение 2-10 В существенно сокращают время технологического процесса данного синтеза. Соблюдение необходимых молярных соотношений фурфурола (0,25-1,0), водных растворов пероксида водорода (0,6-2,6) и перхлоратов щелочных металлов (0,02-2,0), сульфата ванадила (0,00015-0,0006) способствуют повышению выхода целевого продукта.

Таким образом, предложенная совокупность существенных признаков позволяет достичь заявляемого технического результата.

Заявляемый способ изобретения 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона иллюстрируют нижеследующие примеры.

Пример 1.

К 40 мл 0.1 М водного раствора анолита LiClO₄·3Н₂О добавляют 0,05 моль (4,3 мл) фурфурола и 0,29 моль (8,7 мл) 30%-ного водного раствора пероксида водорода. Полученную смесь помещают в анодную ячейку электролизера, снабженную мешалкой. В катодную ячейку помещают 40 мл 0.1 М раствора католита LiClO₄·3H₂O. Электрическую цепь замыкают U-образным электролитическим ключом, заполненным раствором агар-агара в 0,1 М LiClO₄·3H₂O. Используют инертные графитовые электроды квадратной формы сечения, соединенные с регулируемым источником питания постоянного тока при постоянном перемешивании. Реакцию проводят при температуре 50°С, силе тока 0,05 А и напряжении 2 В в течение 4 ч. Затем реакционную смесь охлаждают до комнатной температуры, упаривают на 80% от исходного объема и нейтрализуют Nа₂СО₃ до нейтральной среды. Примеси продуктов некислотного характера извлекают экстракцией CCl₄. Остаток подкисляют разбавленной НСl до рН около 2, этилацетатом экстрагируют целевой продукт. Полученный экстракт кипятят с активированным углем, отфильтровывают, отгоняют растворитель. Получают 2,15 г 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона, т.пл. 52°С. Выход 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона в зависимости от условий электросинтеза и соотношения реагентов представлен в табл.1.

Найдено, %: С 48,00; Н 4,00. Вычислено, %: С 48,08; Н 4,01.

ИК-спектр, см^-1: 1643 (C=C), 1778 и 1806 (С=О сложноэфирной группы α, β-ненасыщенных γ-лактонов) и 3300-3400 см^-1 (ОН).

ПМР-спектр, σ, м.д. (в CDCl₃): 5.44 уш. с (1Н, ОН), 6.20 д. д (1Н, Н³, J_3,4 6, J_3,5 1.2 Гц), 6.24 д. д (1Н, Н⁵, J_5,4 1.2), 7.32 д. д (1Н, Н⁴).

Масс-спектр, m/z: 100 (М⁺, 7.1), 99 (7.6), 83 (5.2), 82 (5.7), 72 (23.3), 71 (13.3), 56 (22.9), 55 (100.0), 54 (37.1), 53 (10.5), 46 (4.3), 45 (18.6), 44 (10.0), 43 (8.1).

Контроль за полнотой расходования фурфурола и пероксида водорода осуществляют методами ГЖХ, УФ-спектроскопии и тонкослойной хроматографии на пластинках «Силуфол», подвижная фаза - ацетон: хлороформ: этанол в объемном соотношении 4:2:5.

Таблица 1
Температура реакции, °С	Начальная сила тока, А	Напряжение, В	Мольное соотношение С4Н3ОСНО:Н2O2:LiClO4·3H2O	Время реакции,* ч	Выход продукта, % от теории
25	0,05	2,0	1,0:1,6:0,2	12	44
40	0,05	2,0	1,0:1,6:0,2	8,0	46
50	0,05	2,0	1,0:1,6:0,2	6,0	48
55	0,05	2,0	1,0:1,6:0,2	5,3	43
25	0,02	2,0	1,0:1,6:0,2	11	44
50	0,02	2,0	1,0:1,6:0,2	5,3	46
50	0,05	5,0	1,0:1,6:0,2	5,5	45
50	0,05	10,0	1,0:1,6:0,2	5,4	43
50	0,05	2,0	0,5:1,6:0,2	8,0	34
50	0,05	2,0	0,25:1,6:0,2	9,0	30
50	0,05	2,0	1,0:2,6:0,2	6,3	35
50	0,01	2,0	1,0:1,6:0,2	5,5	46
50	0,05	2,0	1,0:0,6:0,2	6,0	20
50	0,05	2,0	1,0:1,6:0,02	6,0	36
50	0,05	2,0	1,0:1,6:2,0	6,0	45

Во всех опытах время реакции определялось на момент полного превращения одного из реагентов, находящегося в недостатке, либо (в оптимальных условиях) обоих реагентов.

Пример 2.

Получение 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона осуществляют по методике, приведенной в примере 1, с добавлением каталитических количеств VOSO₄·3Н₂О. Выход 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона в зависимости от присутствия каталитических количеств сульфата ванадила представлен в табл.2.

Таблица 2
Мольное соотношение фурфурол: H2O2:LiClO4·3H2O	VOSO4, моль на моль фурфурола	Продолжительность реакции, ч	Выход продукта, % от теории
1,0: 1,6: 0,2	0,00015	4,2	48
1,0: 1,6: 0,2	0,0003	4,0	55
1,0: 1,6: 0,2	0,0006	3,4	52

Пример 3.

Получение 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона осуществляют по методике, приведенной в примере 2, с использованием водных растворов минеральных солей щелочных металлов, представленных в табл.3, в качестве электролитов. Выход 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона в зависимости от использования водных растворов электролитов представлен в табл.3.

Таблица 3
Электролиты	Продолжительность реакции, ч	Выход продукта, % от теории
LiCl	4,1	52
NaCl	4,2	48
КСl	4,4	42
NaClO4·3Н2О	4,12	53
KClO4·3Н2О	4,3	40

Таким образом, результаты примеров 1 (табл.1), 2 (табл.2), 3 (табл.3) показывают границы использования заявляемого способа и выходы 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона в зависимости от изменения разных параметров электрохимического анодного синтеза.

Способ получения 5-гидрокси-2(5Н)-фуранона, характеризующийся взаимодействием фурфурола с пероксидом водорода в условиях электрохимического анодного синтеза: на графитовых электродах при температуре 25-55°С, силе тока 0,01-0,05 А, напряжении 2-10 В в среде водного раствора перхлората щелочного металла, в присутствии сульфата ванадила, при молярном соотношении фурфурола, пероксида водорода, электролита и сульфата ванадила (0,25-1,0):(0,6-2,6):(0,02-2,0):(0,00015-0,0006) соответственно, с последующим выделением целевого продукта экстракцией этилацетатом.