ЖУРНАЛ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2022, том 58, № 4, с. 381-386

УДК 547.473.3

ПОЛУЧЕНИЕ δ-ВАЛЕРОЛАКТОНА

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УСТОЙЧИВЫХ

ПРОИЗВОДНЫХ ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА¹

И. А. Власов^b, Г. А. Артемьев^b, А. В. Пестовa, b

^a ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина»,

Россия, 620002 Екатеринбург, ул. Мира, 19

^b ФГБУН «Институт органического синтеза им. И.Я. Постовского Уральского отделения РАН» (ИОС УрО РАН),

Россия, 620108 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской/Академическая, 22/20

*e-mail: yana-soloveva-1998@mail.ru

Поступила в редакцию 02.11.2021 г.

После доработки 23.11.2021 г.

Принята к публикации 24.11.2021 г.

Проведено сравнение реакционной способности производных пероксида водорода в реакции окисления

циклопентанона по Байеру-Виллигеру с образованием δ-валеролактона. В качестве окислителей исполь-

зовали пероксид водорода в уксусной, муравьиной или трифторуксусной кислоте, монопероксофталаты

магния и натрия, а также гидропероксиды кумола и трет-бутила. Окисление проводили в водной,

водно-метанольной и водно-этилацетатной средах. Среди исследованных окислителей монопероксоф-

талаты натрия и магния обеспечивают высокую конверсию и селективность реакции в мягких условиях.

Ключевые слова: циклопентанон, окисление Байера-Виллигера, валеролактон

DOI: 10.31857/S0514749222040024, EDN: SIFOFD

ВВЕДЕНИЕ

териалах возрастает не только в России, но и во

всем мире [6]. По этой причине разработка пре-

δ-Валеролактон является ценным циклическим

паративного и масштабируемого метода синтеза

сложным эфиром благодаря способности вступать

δ-валеролактона как сомономера является важной

в реакцию полимеризации с раскрытием цикла с

и нужной не только для развития отечественной

образованием биодеградируемых полимеров, не-

химической промышленности, но и для обеспече-

обходимых для применения как в быту, так и в

ния потребностей общества в современных поли-

медицинской практике [1, 2]. Данные полимеры

мерных материалах.

используются для восстановления или частичной

замены тканей, а также при имплантации и для

Одним из традиционных методов синтеза δ-ва-

создания систем доставки лекарственных препа-

леролактона является окисление циклопентанона

ратов [3-5]. В настоящее время отечественного

по реакции Байера-Виллигера, в классическом

производства δ-валеролактона нет, но потребность

варианте которой в качестве окислителей ис-

в современных биоразлагаемых полимерных ма-

пользуются органические перкислоты, такие как

моноперсерная кислота, пербензойная кислота,

¹ Статья публикуется по материалам доклада, представлен-

м-хлорпербензойная кислота [7]. Однако взырово-

ного на V Международной конференции «Современные

опасность и нестабильность данных кислот огра-

синтетические методологии для создания лекарственных

препаратов и функциональных материалов» (8-12 ноября

ничивают транспортировку и хранение при ком-

2021, г. Екатеринбург и г. Пермь)

мерческом использовании. Другим дешёвым окис-

381

382

СОЛОВЬЁВА и др.

лителем является кислота Каро (H₂SO₅), которую

полученных данных (см. таблицу), эффективным

получают in situ при смешении K₂S₂O₈ и H₂SO₄

растворителем оказалась трифторуксусная кисло-

[8], или используют смесь KHSO₅, KHSO₄ и K₂SO₄

та, как самая сильная из использованных кислот.

[9]. Недостатком такого метода окисления, поми-

При применении в качестве окислителей ги-

мо трудоёмкости процесса, является низкий вы-

дропероксидов кумола и трет-бутила реакцию

ход лактонов, связанный с тем, что под действием

осуществляли в водно-метанольной и этаноль-

сильного окислителя процесс протекает глубоко до

ной среде. Полученные данные (см. таблицу)

образования гидрокарбоновой кислоты. Мягким

свидетельствуют о том, что гидропероксид кумо-

окислителем может выступать пероксид водоро-

ла окисления циклопентанона не обеспечивает.

да [10], но его применение требует использования

Гидропероксид трет-бутила показал низкую кон-

сложных по составу каталитических систем, что

версию кетона, которая незначительно повышает-

является препятствием к промышленному мас-

ся при использовании четырехкратного мольного

штабированию [11, 12]. Монопероксофталат маг-

избытка окислителя.

ния используется в качестве окислителя кетонов

в различных средах. Высокие выходы лактонов

Наиболее эффективными в качестве окислителя

достигаются в водно-метанольном растворе [13].

оказались монопероксофталаты магния и натрия.

Перспективными окислителями являются аддукты

Окисление с использованием монопероксофталата

Н₂О₂ ввиду их большей устойчивости и безопас-

магния осуществляли в водно-метанольной среде

ности при транспортировке и хранении. Такие ад-

(схема 1). Как следует из полученных данных (см.

дукты широко используются в качестве бытовых и

таблицу), четырехкратный избыток окислителя

промышленных отбеливающих и дезинфицирую-

обеспечивает необходимую скорость реакции и

щих средств и являются удобными и коммерчески

высокую селективность процесса как в водно-ме-

доступными окислителями, в том числе при полу-

танольной, так и в водно-этилацетатной среде.

чении лактонов [14].

Использование в качестве окислителя монопе-

Таким образом, с целью разработки препара-

роксофталата натрия (схема 1) в условиях реак-

тивного и масштабируемого метода синтеза δ-ва-

ции, аналогичных окислению с монопероксофта-

леролактона в мягких условиях в настоящей ра-

латом магния, в среде вода-этилацетат приводит

боте предпринята попытка проведения окисления

к резкому уменьшению конверсии кетона (см.

циклопентанона с использованием ряда коммерче-

таблицу). Наблюдаемое различие в реакционной

ских устойчивых и нетоксичных окислителей.

способности, по-видимому, обусловлено разной

растворимостью солей натрия и магния. Поэтому

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

дополнительное использование тетрабутиламмо-

Первоначально окисление циклопентанона осу-

ния бромида в качестве катализатора фазового пе-

ществляли H₂O₂в среде уксусной, муравьиной и

реноса в паре с монопероксофталатом натрия обе-

трифторуксусной кислот (схема 1). Как следует из

спечивает высокую конверсию и селективность

Схема 1

[O]

H₂O/MeOH/AcOEt, rt

OOH OOH

Na⁺

[O]:

Mg²⁺

H₂O₂

ЖУРНАЛ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ том 58 № 4 2022

ПОЛУЧЕНИЕ δ-ВАЛЕРОЛАКТОНА

383

Влияние на окисление циклопентанона различных окислителей по данным ГЖХ, 25°С, 24 ч

Мольное соотношение

Конверсия

Содержание

Окислитель

Растворитель

окислитель-кетон

циклопентанона, %

δ-валеролактона, %

1:1

CH₃COOH

Пероксид водорода

1:1

HCOOH

1:1

CF₃COOH

100

0.65:1

H₂O-MeOH

2:1

H₂O-MeOH

Гидропероксид кумола

1.3:1

EtOH

4:1

EtOH

1.3:1

EtOH

1.3:1

H2O-MeOH

Гидропероксид

трет-бутила

4:1

H₂O-MeOH

100

4:1

EtOH

100

1.3:1

H₂O-MeOH

100

4:1

H₂O-MeOH

100

Монопероксофталат

магния

1.3:1

H₂O-AcOEt

4:1

H₂O-AcOEt

100

1.3:1

H₂O-AcOEt

4:1

H₂O-AcOEt

100

1.3:1

H₂O-AcOEt-MeOH

100

Монопероксофталат

натрия

1.3:1

H₂O-AcOEt^a

100

4:1

H₂O-AcOEt-MeOH

100

4:1

H₂O-AcOEt^a

100

^a Реакцию проводили в присутствии Bu₄NBr

окисления. Аналогичный эффект обеспечивается

нием тиосульфатом натрия с добавлением йоди-

при прибавлении в реакционную массу метанола.

да калия [17]. Гидропероксид кумола и трет-бу-

тила использовали как коммерческие реактивы

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

«Тигонокс К-90» и «Тригонокс Б».

В работе использовали перкарбонат натрия

Для количественной оценки образующихся

(Na₂CO₃·3.1H₂O₂), коммерческий продукт «Ника-

продуктов использовали хроматографический ана-

люкс» (ООО «НПФ Геникс») или синтезирова-

лиз, который проводили на газовом хроматографе

ли по методике [15]. Монопероксофталат магния

Shimadzu GC2010Plus с пламенно-ионизационным

[Mg(OCOC₆H₄COOOH)₂]

- дезинфицирующее

детектором и кварцевой капиллярной колонкой

средство «Дисмозон пур» фирмы «Боде Хеми

ZB-5 (длина 30 м, диаметр 0.25 мм, толщина плен-

ГмбХ и Ко» (Германия) или синтезировали по ме-

ки 0.25 мкм). Газ-носитель - азот, разделенный по-

тодике [16]. Перкарбонат натрия анализировали

ток 1:30. Начальная температура колонки состав-

на содержание Н₂О₂ титрованием перманганатом

ляла 40°C (изотерма 3 мин), затем температура по-

калия [17], монопероксофталат магния - титрова-

вышалась на 10°C/мин до конечной температуры

ЖУРНАЛ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ том 58 № 4 2022

384

СОЛОВЬЁВА и др.

280°C (изотерма 15 мин). Температура испарителя

Окисление гидропероксидом кумола. В кол-

250°С, детектора 300°С.

бу помещали 20.4 мл воды, 20.4 мл метанола и

0.86 г бикарбоната натрия. После растворения би-

Окисление пероксидом водорода. Растворяли

карбоната в раствор добавляли 2.13 г (10.2 ммоль)

0.08 г (0.95 ммоль) циклопентанона в смеси 2 мл

гидропероксида кумола и 0.43 г (5.1 ммоль) цикло-

муравьиной, уксусной или трифторуксусной кис-

пентанона. Смесь перемешивали при комнатной

лоты и 0.034 г (1 ммоль) 30%-ного пероксида во-

температуре 24 ч. Затем осадок офильтровывали,

дорода. Смесь перемешивали при температуре

фильтрат экстрагировали хлористым метиленом

50°С 1.5 ч. Полученный раствор экстрагировали

(3×12 мл). Объединенную органическую фазу су-

хлористым метиленом (3×12 мл). Объединенную

шили сульфатом натрия и упаривали, концентрат

органическую фазу сушили сульфатом натрия и

анализировали.

упаривали, концентрат анализировали.

Окисление гидропероксидом трет-бутила.

Окисление монопероксофталатом магния.

В колбу помещали 20.4 мл воды, 20.4 мл мета-

Растворяли 0.43 г (5.1 ммоль) циклопентанона в

нола и 0.86 г бикарбоната натрия. После раство-

смеси 20.4 мл воды и 20.4 мл метанола, добавля-

рения бикарбоната в раствор добавляли 2.63 г

ли 0.86 г бикарбоната натрия и 2.56 г (6.63 ммоль)

(20.4 ммоль) гидропероксида трет-бутила и

монопероксофталата магния. Смесь перемеши-

0.43 г (5.1 ммоль) циклопентанона. Смесь пере-

вали при комнатной температуре 24 ч. Затем оса-

мешивали при комнатной температуре 24 ч. Затем

док офильтровывали, фильтрат экстрагировали

осадок офильтровывали, фильтрат экстрагировали

хлористым метиленом (3×12 мл). Объединенную

органическую фазу сушили сульфатом натрия и

упаривали, концентрат анализировали. Синтезы

упаривали, концентрат анализировали.

проводили, варьируя мольное соотношение кетона

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

и перфталата (см. таблицу).

Изучены условия окисления циклопентанона

Окисление монопероксофталатом натрия. В

в δ-валеролактон с использованием доступных,

колбу помещали 6.04 мл этилацетата, 0.4 мл воды

устойчивых, безопасных при хранении произво-

и перкарбонат натрия (10.71 ммоль в пересчете

дных пероксида водорода.

на Н₂О₂). Раствор охлаждали до 10°С и при ин-

тенсивном перемешивании порциями вносили

Показана эффективность применения монопе-

1.51 г (10.2 ммоль) фталевого ангидрида, после

роксофталатов магния и натрия, которые обеспе-

чего смесь перемешивали при комнатной темпера-

чивают количественную конверсию циклопента-

туре. К смеси добавляли 0.22 г (2.55 ммоль) цикло-

нона с высокой селективностью.

пентанона и 20 мл воды. Полученную двухфазную

Выявлены особенности использования моно-

систему интенсивно перемешивали при комнат-

пероксофталата натрия, продемонстрировавшие

ной температуре. Этилацетат отгоняли в виде азе-

необходимость использования катализатора фазо-

отропа с водой, β-валеролактон экстрагировали из

вого переноса либо метанола.

водного раствора хлористым метиленом.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Для сравнения перед введением циклопен-

Пузырев Игорь Сергеевич, ORCID: https://

танона смесь подкисляли дополнительным ко-

личеством фталевого ангидрида до рН ≈ 4.5, что

orcid.org/0000-0001-6535-7180

соответствует значению рН водной реакционной

Артемьев Григорий Андреевич, ORCID: https://

среды, содержащей монопероксофталат магния.

orcid.org/0000-0002-2103-5187

Образующийся в этом случае осадок фталевой

Власов Илья Андреевич, ORCID: https://

кислоты после удаления этилацетата отделяли

orcid.org/0000-0003-1727-1475

фильтрованием, дальнейшее выделение δ-валеро-

лактона проводилось аналогично вышеописанно-

Пестов Александр Викторович, ОRCID: https://

му.

orcid.org/0000-0002-4270-3041

ЖУРНАЛ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ том 58 № 4 2022

ПОЛУЧЕНИЕ δ-ВАЛЕРОЛАКТОНА

385

Кузнецов Василий Алексеевич, ORCID: https://

7. Meinwald J., Frauenglass E. J. Am. Chem. Soc. 1960,

orcid.org/0000-0002-2156-6076

82, 5235-5239. doi 10.1021/ja01504a052

8. Monson R.S. Advanced Organic Synthesis: Methods

Первова Марина Геннадьевна, ORCID: https://

and techniques. New York: RHADON. 1976.

orcid.org/0000-0003-4620-5418

9. Kennedy R., Stock A. J. Org. Chem. 1960, 25, 1901-

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

1906. doi 10.1021/JO01081A019

10. Strukul G. J. Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 1198-

Авторы заявляют об отсутствии конфликта ин-

1209. doi 10.1002/(SICI)1521-3773(19980518)37:9<

тересов.

1198::AID-ANIE1198>3.0.CO;2-Y

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

11. Piscopo C., Löbbecke S., Maggi R., Sartori G.

1. Okada M. J. Prog. Polym. Sci. 2002, 27, 87-133. doi

J. Adv. Syn. Cat. 2010, 352, 1625-1629. doi 10.1002/

10.1016/S0079-6700(01)00039-9

adsc.201000076

2. Yang J., Jia L., Hao Q. J. Macromol. Biosci. 2005, 5,

12. Vagnoni M., Samori C. J. Biocat. Biotransform.

896-903. doi 10.1002/mabi.200500096

2021. doi 10.1080/10242422.2021.1913126

3. Lendlein A., Sisson A. Handbook of Biodegradable

13. Mino T., Masuda S., Nishio M., Yamashita M. J. Org.

Chem. 1997, 62, 2633-2635. doi 10.1021/jo9623043

Polymers: Synthesis, Characterization and Ap-

plications. New York: Wiley. 2011.

14. Кузнецов В.А., Первова М.Г., Ятлук Ю.Г. ЖПХ.

4. Tian H., Tang Z., Zhuang X., Chen X., Jing X.

2013, 86, 191-196. doi 10.1134/S1070427213020080

J. Prog. Polym. Sci. 2012, 37, 237-280. doi 10.1016/

15. Вернер Д., Манфред М., Хельмут Х., Габриэле В.

j.progpolymsci.2011.06.004

Пат. 02174490 (1997). РФ. МПК С 11 D1/04.

5. Friess S.L., Farnham N. J. Am. Chem. Soc. 1950, 72,

16. Hignett Geoffrey J. Пат. 4403994 (1982). США. МПК

5518-5521. doi 10.1021/ja01168a042

С 07 С 409/30.

6. Yin G.Z., Yang X.M. J. Polym. Res. 2020, 27, 38. doi

17. Аналитическая химия: Методы химического анали-

10.1007/s10965-020-2004-1

за. Ред. О.М. Петрухин. М.: Химия, 1992.

ЖУРНАЛ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ том 58 № 4 2022