Химия растительного сырья. 2001. №2. С. 21–29. УДК 546.621 МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ ВЫСШИХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ ПРИ ТЕРМОЛИЗЕ АЛКОКСИАЦИЛАТОВ АЛЮМИНИЯ * Ю.С. Матвеев , А.В. Кучин Институт химии Коми Научного центра Уральского отделения РАН, ул. Первомайская, 48, Сыктывкар, ГСП 167982 (Россия) e-mail:chemi@ksc.komisc.komi.ru Рассмотрено новое нетрадиционное применение реакций термолиза – препаративное получение органических соединений. Показано, что при термическом разложении смешанных алкоксиацилатов алюминия могут быть получены сложные эфиры жирных кислот. Рассмотренная ранее для получения эфиров коротких кислот (от уксусной до масляной) эта реакция оказалась пригодной для препаративного получения сложных эфиров высших жирных кислот, в том числе и кислот природных жиров, включая непредельные (олеиновой, линолевой, линоленовой). Этим путем могут быть получены их эфиры с короткими спиртами жирного ряда (от метилового до бутилового). Разложение протекает при температуре до 320°С, выход эфиров достигает 70–80%. Вещества идентифицированы методами тонкослойной и газожидкостной хроматографии, ИК- и ЯМР-спектроскопии. Введение Термолиз органических соединений широко применяется в технике для решения разнообразных задач. Среди применения таких процессов можно выделить два основных вида: 1. Термолиз и пиролиз природных полимеров для получения низкомолекулярных продуктов (сухая перегонка древесины и торфа для получения метанола и уксусной кислоты), коксование ископаемых углей (для получения бензола, толуола, пиридина, аммиака и других продуктов), крекинг нефтепродуктов (при получении углеводородов) и т.п. 2. Термолиз органических производных металлов. Вначале получают производные металлов с разнообразными лигандами, которые разлагают в соответствующих условиях, получая тонкодисперсные металлы, оксиды, сульфиды или нитриды заданного состава. Полезные продукты таких реакций – неорганические соединения. Знание механизма термолиза важно для регулирования этих процессов. Образующиеся летучие продукты обычно не используют, за исключением разложения ацетатов тяжелых металлов при получения ацетона [1]. Термолиз карбоксилатов металлов изучен достаточно подробно [2–5]. На примере производных жирных кислот было показано, что первичным актом их распада является образование промежуточного активного комплекса, обладающего структурой ангидрида соответствующей кислоты [2–5]: * Автор, с которым следует вести переписку. 22 Ю.С. МАТВЕЕВ, А.В. КУЧИН O M С O R M O С O M O C O M M O C CH3 H O O C CH3 + C CH2 M M O O M H O C CH2 H CH2 R O O C CH3 С O R O M R O O M С O O В дальнейшем этот комплекс распадается по-разному, в зависимости от аниона и катиона. Образовавшиеся оксиды металлов проявляют высокие каталитические свойства – на их поверхности протекает целый ряд вторичных реакций. Было показано, что гипотетический муравьиный ангидрид [3-5] нестоек и разлагается в момент образования с отщеплением HCOOH, CO2, CO и H2O. При разложении ацетатов металлов первичными продуктами разложения является уксусный ангидрид (следы которого найдены при разложении ацетата тория) [3], который тут же каталитически распадается на уксусную кислоту и кетен (образование которого доказано методами ИК- и масс-спектроскопии) [5]. В дальнейшем кетен немедленно реагирует с уксусной кислотой, образуя ацетон, который является вторичным продуктом. При этом может происходить восстановление катиона (с образованием металлических Cu или Ni, уранильной группы до UO2 и др.). Другой основной реакцией термического разложения карбоксилатов является распад аниона, сопровождающийся его декарбоксилированием (отщеплением молекулы CO2) с образованием свободных углеводородных радикалов: R-COO → R* + CO2 [1]. Распад любых карбоксилатов металлов определяется прочностью связей в молекуле. Основными типами связей являются: М-О, R-COO, С-Н, С-Х (гетероатомы) и C-С в углеводородных радикалах. Первые два типа связей разрываются достаточно легко, перенос водорода с углеводородного радикала на кислород или гетероатом также не представляет больших трудностей. Разрыв последних двух типов связей затруднен. По этой причине хлорирование и фторирование металлов при разложении галогенкарбоксилатов идет лишь на заключительных стадиях процессов. Разрыва связей C-С внутри углеводородного радикала обычно вообще не происходит (при пиролизе карбоксилатов образуется свободный углерод). Обычно первичным актом распада карбоксилатов является разрыв связи М-О. Далее протекают вторичные реакции, однотипные для любых карбоксилатов. Основной тип таких реакций – первичное декарбоксилирование с разрывом связи R-COO и отщеплением диоксида углерода. Образующийся радикал стабилизируется различными способами. Так, в случае карбоксилатов высших кислот (например, полифторкарбоновых) образуются различные олефины. Это характерно и для разложения карбоксилатов высших карбоновых кислот. Углеводородный радикал сохраняется. Наряду с МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ ВЫСШИХ ЖИРНЫХ … Е 23 диоксидом углерода как основной продукт образуются олефины при переносе атома водорода. Важнейший типом реакций при разложении карбоксилатов является перенос свободных радикалов. Многие вторичные реакции сопровождаются переносом протонов с углерода на кислород. Этому способствует высокая каталитическая способность образующихся оксидов металлов. Высок и вклад гидролитических процессов [1–5]. В отличие от карбоксилатов термолиз алкоголятов изучен гораздо в меньшей степени. При разложении алкоголятов образуются спирты, олефины и простые эфиры. Единого мнения о схеме процесса термолиза алкоголятов не существует до сих пор [6]. Пиролиз алкоголятов металлов (включая алюминий) протекает по схеме [6-7]: Me2O n + CnH2n+2 + ROH Me(OR)n Me2O n + ROR CnH2n+2 + CnH2nCHO + H2 Me(OH)n + CnH2n (Me2O n) Относительные количества каждого из продуктов реакции зависят от условий разложения, прочности алкоксидной группы и каталитических свойств образующегося оксида металла. Первичные продукты разложения – простые эфиры или исходные спирты. Термическая устойчивость алкоголятов снижается в общем гомологическом ряду спиртов с возрастанием разветвленности радикалов. Это верно для самых различных алкоголятов, включая производные третичных спиртов, например, трет-бутилата церия [8]. Ce(OC t Bu3)3 150 °C 90% 1/ 2 [Ce(OC t Bu2)3]2 + 3 i C4H8 вакуум 10% 1 / n[Ce(OCH t Bu2)2H] n + 3 i C4H8 + t Bu2CO На примере изо-пропилата и втор-бутилата алюминия было показано, что перенос фрагментов углеводородного радикала протекает непосредственно внутри димеризованной молекулы алкоголята при 350°С [9]: R H O H2C CH O Et O O Et O CH CH2 O H Al2O3 + 3 C2H5(CH3)CHOH + 3 C2H5CH CH2 R = CH(CH3)C2H5 24 Ю.С. МАТВЕЕВ, А.В. КУЧИН Процесс термолиза алкоксиацилатов алюминия протекает несколько иначе. Обнаружено, что все алкоксиацилаты алюминия разлагаются с образованием сложных эфиров по схемам [10, 11]: (RO)2AlOCOR' → R'COOR + (ROAlO)n ROAl(OCOR')2 → R'COOR + (R'COOAlO)n Координационная связь между атомом алюминия и карбоксильным кислородом создает избыток электронной плотности на металле, способствуя ослаблению его связи с алкоксигруппой [11]: iPrp O iPrp O O Al O Al iPrp RCOOiPrp + (RCOOAlO)m O O O iPrp O O iPrp iPrp Значительное влияние на процессы образования эфиров оказывают стерические факторы. Так, термолиз диацилатов – кислот с близкой кислотностью протекает с преимущественным образованием эфиров с менее разветвленным радикалом. При разложении алкоксиацилатов алюминия до сложных эфиров нередко происходит их симметризация (диспропорционирование с образованием алкоголятов) [11]: 2 (iPrpO)2AlOCOtBu → Al(OiPrp)3 + iPrpOAl(OCOtBu)2 Выход сложных эфиров возрастает с ростом температуры. Для различных алкоксиацилатов он составляет от 0,36 до 0,78 моля / моль соединения при 180°С. Спирты выделяются лишь в следовых количествах, не более чем 0,10 моля / моль соединения [10, 11]. По сравнению с карбоксилатами металлов в алкоголятах связи типов М-О и R-O еще менее прочны (алкоголяты легко гидролизуются и замещают лиганды под действием очень слабых карбоновых кислот). При координации атомом металла ацильных и алкоксидных лигандов последние будут отщепляться более легко. В первую очередь в таких структурах идет деструкция алкоксидных связей – М-О и R-O и карбоксильных связей М-О. Разложение сопровождается переносом отдельных фрагментов внутри молекулы. Происходит перенос алкильного радикала на карбоксильный кислород и внутрикомплексное образование молекулы сложного эфира, который затем отщепляется. Процесс идет на каталитической поверхности оксида металла. Это дает все основания полагать, что термолиз соединений заданного состава можно использовать и для проведения реакций получения сложных эфиров заданного состава. Такой способ был бы удобен при получении сложных эфиров кислот в случае, МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ ВЫСШИХ ЖИРНЫХ … Е 25 если их этерификация затруднена. Кроме того, его можно применить, если в синтезе трудно использовать иные методы (например, при протекании побочных реакций). Экспериментальная часть Были изучены реакции термолиза смешанных алкоксиацилатов алюминия (этилатов и изопропилатов) высшими жирными кислотами с длиной углеводородного радикала С17 (стеариновой, олеиновой, линолевой и линоленовой). Авторы пытались выяснить возможность использования термолиза подобных соединений для получения сложных эфиров такого типа (т.е. выяснить, как протекает процесс: Al(OR)3-n (′RCOO)n → n′RCOOR + AlO(OR; ′RCOO), где ′R – С17. Исходные соединения (моно-, сескви- и дизамещенные ацилаты) были получены по реакции свежих изо-пропилата или этилата алюминия с кислотами в кипящем бензоле [12]: Al(OR)3 + n′RCOOH → Al(OR)3-n (′RCOO)n + nROH↑ R = Et, iPrp; ′R = Ole, Lin, Linn Навеску алкоголятов алюминия обрабатывали в колбе с обратным холодильником, куда в течение 3-4 часов по каплям вводили необходимое количество кислот. Бензол отгоняли, образовавшийся студень высушивали в вакууме до стеклообразного состояния, препараты растирали в порошок. Состав соединений оценивали по содержанию в них металла – таблица 1. Разложение олеатов проводили в запаянных Y-образных ампулах. В одно колено помещали навеску вещества, вакуумировали и запаивали ампулы. Нагревание вели трубчатой печью, повышая температуру по определенному режиму, проводя необходимые наблюдения. Выделившиеся летучие продукты перемораживали в другое колено. Разложение линолеатов проводили в Y-образных трубках при непрерывном вакуумировании со дна колена, охлаждаемого жидким азотом. Навески нагревали по заданному режиму, проводя необходимые наблюдения. По окончании процесса жидкие продукты вымывали эфиром и взвешивали после его полного испарения. Твердый остаток взвешивали и анализировали на содержание металла. Жидкие продукты анализировали методами тонкослойной (использовали смеси эфира, бензола и гексана, проявление проводили раствором перманганата калия) и газожидкостной хроматографии (на сорбентах каучук СКТФ, "Полисорб" и "Carbowax"), а также регистрировали их ИК- и ЯМР-С13 спектры. В качестве свидетелей использовали соответствующие кислоты и эфиры*. Для количественных оценок подводили материальный баланс продуктов. Выход эфиров (или его суммы с кислотой) рассчитывали, относя количество выделившегося летучего остатка к общей массе остатка жирной в образце. Продукты идентифицировали методом ИК-спектроскопии. * Препараты сложных эфиров высших жирных кислот были любезно предоставлены авторам статьи старшим научным сотрудником Института органического синтеза Уральского отделения РАН (Екатеринбург) Ю.Г. Ятлуком. 26 Ю.С. МАТВЕЕВ, А.В. КУЧИН При температурах до 200°С на стенках выделялись капли прозрачной жидкости. При 220–250°С вещество темнеет и начинает пузыриться. При 290°С вещество быстро темнеет, на стенках ампул скапливается желтая маслянистая жидкость. Затем разложение вели 3–4 ч при этой температуре. Повышение температуры до 370°С приводит к быстрому накоплению темной маслянистой жидкости. Твердый остаток чернеет и рассыпается в порошок. Разложение изопропилатного производного сопровождается образованием «кольца» из алкоголята на стенках трубки. Разложение этилатолинолеатов алюминия начинается при 250°С, выделение летучих продуктов заметно выше 270°С. Основное разложение вели 2,5 ч при 310°С. Твердый остаток плавится и темнеет. Повышение температуры до 380°С приводит к быстрому выделению маслянистых продуктов темного цвета. Твердый остаток обугливается и рассыпается в черный порошок. Аналогично разлагаются изопропилатолинолеаты алюминия. Выделение летучих продуктов заметно выше 270°С. Разложение вели 3 ч при 320°С, собирая в приемник желтый маслянистый погон. Твердый остаток темнеет и плавится. При 380°С отгон становится рыжим, а его количество резко возрастает. При дожигании около 420°С выделяются капли коричневого цвета, а обуглившийся остаток рассыпается в порошок. Состав продуктов термолиза представлен в таблице 2. Таблица 1. Алкоксиацилаты алюминия, подвергнутые термолизу Состав № соединений препаратов Содержание металла, % Соединения Найдено Вычислено AlOle(OiPrp)2 8,15 6,34 AlOle0,5(OiPrp)2,5 1 AlOle(OEt)2 9,25 6,77 AlOle0,5(OEt)2,5 2 AlLin(OiPrp)2 6,77 6,33 AlLin0,9(OiPrp)2,1 3 AlLin2(OiPrp) 6,96 6,36 AlLin1,9(OiPrp)1,1 4 AlLin(OEt)2 7,00 6,65 AlLin0,9(OEt)2,1 5 AlLin2(OEt) 5,60 4,27 AlLin1,8(OEt)1,2 6 разложения, °С Температура Соединения № препаратов Таблица 2. Продукты термолиза алкоксиацилатов алюминия Продукты разложения Твердые Состав по расчету Содержание металла, % Летучие Выход Выход, % Состав Моль // Реакции, моль % AlOle0,5(OiPrp)2,5 1 300 AlO(OiPrp) 43,0 91,0 OleiPrp 0.52 92,0 AlOle0,5(OEt)2,5 2 310 AlO(OEt) 31,6 98,0 OleEt 0,56 95,0 AlLin0,9(OiPrp)2,1 3 300 AlO(OiPrp) 24,5 92,0 LiniPrp 0,65 75,5 AlLin1,9(OiPrp)1,1 4 310 AlO(OiPrp)0,4Lin1,2 9,0 95,0 LiniPrp 0,70 72,0 360 Al2O3 + C 45,0 95,0 LiniPrp +LinH 1,50 77,0 AlLin0,9(OEt)2,1 5 310 AlO0,5(OEt)1,3Lin0,3 14,7 93,0 LinEt 0,40 46,5 360 AlO(OEt) 21,5 93,0 LinEt 0,70 78,0 320 AlO0,5(OEt)0,5Lin1,3 8,0 95,0 LinEt 0,65 66,3 360 AlOLin + Al2O3 21,1 95,0 LinEt + LinH 0,97 77,8 400 Al2O3 + C 40,2 98,0 LinEt + LinH 1,86 92,0 AlLin1,8(OEt)1,2 6 МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ ВЫСШИХ ЖИРНЫХ … 27 Е Результаты хроматографической и ИК-спектроскопической идентификации продуктов (табл. 3 и 4) свидетельствуют, что при разложении алюминиевых производных типа Al(OR)3-n(‘RCOO)n при n ≤ 1 образуются сложные эфиры соответствующих кислот. При n ≈ 2 продукты реакции – смесь этих эфиров с соответствующими кислотами. При разложении дилинолеатов алюминия возрастание температуры приводит к повышению вклада кислоты (в ИК-спектрах продуктов, собранных при 300°С, пики ν (С=O) проявляются только лишь в виде небольших полос примесей; тогда как в спектрах продуктов, собранных при 380°С, они прописываются как хорошо разрешенные очень сильные полосы). Таблица 3. ИК-спектроскопическая идентификация летучих продуктов термолиза алкоксиолеатов алюминия Частоты поглощения, см –1 Продукты термолиза C17H33COOC2H5 C17H33COOH № 1* № 2 ** 3020 сл 3040 сл 3040 сл 3020 сл 2970 сл 2970 сл 2970 сл – 2940 ос 2940 ос 2940 ос 2940 ос 2870 ос 2870 ос 2870 ос 2870 ос 1745 ос 1750 ос 1750 ос 1738 ос 1728 с 1728 с 1728 с 1725 сл Отнесение ν (С-H) ν (С=O) 1712 сл 1662 сл 1662 сл 1662 сл 1640 ср 1650 сл 1650 сл 1608 сл 1612 ср 1615 ср 1330 с 1332 с 1330 с 1280 ср 1320 сл 1250 ср 1202 ср 1182 с ν (С-O) 1170 с 1150 сл 1160 ср 1160 ср 1115 с 1122 сл 1125 сл γ (С-H) 728 ср 745 ос 750 ос 730 сл 730 сл * По ИК-спектру идентифицирован как C17H33COOiC3H7. ** По ИК-спектру идентифицирован как C17H33COOC2H5. 720 ср 28 Ю.С. МАТВЕЕВ, А.В. КУЧИН Таблица 4. ИК-спектроскопическая идентификация летучих продуктов термолиза алкоксилинолеатов алюминия Частоты поглощения, см–1 Продукты разложения препаратов № 3* № 5** 3020 с 3020 с № 4*** № 6**** Отнесение LinEt LinH 3020 с 3030 ос 2970 пл 2970 пл 2970 пл 2970 пл 2970 пл 2940 ос 2940 ос 2940 ос 2940 ос 2940 ос 2940 ос 2865 ос 2865 ос 2870 ос 2865 ос 2865 ос 2870 ос 1750 ос 1748 ос 1740 ос 1745 ос 1748 ос 1722 ос 1720 ос 1720 сл 1470 с 1470 с 1420 ср 1420 ср 1380 с 1380 с 1470 с 1470 с 1380 с 1380 с 1350 сл 1350 сл ν (С-H) ν (С=O) 1718 пл ν (С-O) 1470 с 1470 с 1420 с 1380 с ν (С-O-H) 1350 сл 1300 сл 1302 сл 1302 сл 1290 с 1250 ср 1245 ср 1250 ср 1250 ср 1245 ср 1259 ср 1180 с. 1180 с. 1180 с 1180 с 1180 с. 1120 сл 1116 сл 1114 ос 1114 ср 1116 сл 1100 ср 1098 ср 1100 ср 1098 ср 990 сл 980 сл 980 ср 980 сл 970 ср 960 ср 980 ср ν (С-O) 950 с 960 ср γ (С-H) 920 сл 760 сл 760 сл 830 сл 730 с 730 с 730 с 760 сл 728 с 730 с 730 с Продукты термолиза, идентифицированные по ИК-спектрам: * – Lin i-Prp; ** – LinEt; *** – Lin i-Prp + LinH; **** – LinEt + LinH Таким образом, при термическом разложении как алкоксиолеатов, так и алкоксилинолеатов алюминия происходит ряд реакций (симметризация, декарбоксилирование и др.). Основной из них является внутрикомплексный перенос алкильного радикала алкоксигруппы на карбоксильный кислород и отщепление молекулы сложного эфира. При недостаточном количестве алкоксидных групп в молекуле протекает также реакция переноса водорода на карбоксильный кислород и кроме молекулы сложного эфира отщепляется молекула кислоты. Очевидно, значительную роль при этом гидролитические процессы: RCOO AlkO RCOO RCOO O Al OAlk Al OAlk 300-320°C R C O Alk + AlkO Al O + RCOO Al O O 300-320°C R C O Alk играют и МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ ВЫСШИХ ЖИРНЫХ … RCOO Al O [H2O]сор б. 370-380°C Е 29 RCOOH + Al2O 3 Отдельно были сняты ЯМР С13 спектры хроматографически "отмытых" продуктов. Обнаружено, что они практически совпадают с таковыми для этилолеата и этиллинолеата. Результаты позволяют полагать, что термическое разложение смешанных алкоксиацилатов поливалентных металлов можно использовать как препаративный метод получения сложных эфиров, включая «особенные» случаи (эфиры высших жирных кислот или сложных спиртов). Вероятно, подобный метод применим и для получения биологически активных веществ, широко используемых в парфюмерии и фармацевтике. Так, этим путем может быть получен витамин F (смесь этиловых эфиров линолевой и линоленовой кислот). Применение подобных методов позволит резко снизить его стоимость, поскольку в качестве исходного сырья и полупродуктов используются дешевые и общедоступные вещества – бензол, этиловый спирт, этилаты алюминия, кальция или магния, талловое масло (продукт переработки древесины). Процесс получения включает синтез смешанного этилатолинолеата-линолената металла заданного состава действием таллового масла на этилат алюминия, кальция или магния, выделение его в твердом виде и последующий термолиз при 290-310°С, с очисткой образовавшегося эфирного масла перегонкой в вакууме и хроматографически. В настоящее время витамин F получают переэтерификацией льняного масла этанолом с последующей очисткой эфиров перегонкой. Список литературы 1. Бамдас Э.М., Шемякин М.М. // Журнал общей химии. 1984. Т. 18. Вып. 2. С. 324–335. 2. Матвеев Ю.С., Дунаева К.М. // Координационная химия. 1987. Т. 13. Вып. 9. С. 1155–1177. 3. Спицын В.И., Дунаева К.М., Дубровин А.В., Жиров А.И., Мазо Г.Н. Карбоксилаты урана как исходные соединения для получения оксидов // Химия урана. М., 1981. С. 224–226. 4. Дубровин А.В., Александров В.В., Дунаева К.М., Морозов Г.В. и др. // Журнал неорганической химии. 1977. Т. 22. Вып. 6. С. 1625–1634. 5. Дубровин А.В. Изучение процессов термического разложения карбоксилатов урана: Дис. … канд. хим. наук. М., 1978. С. 76–118, 127–154. 6. Турова Н.Я., Новоселова А.В. // Успехи химии. 1965. Т. 34. Вып. 3. С. 385–433. 7. Bradley D.C. // Progr. Inorg. Chem. 1961. V. 2. P. 303–361. 8. Stecher H.A., Rhengold A.L. // Inorg. Chem. 1989. V. 28. №9. P. 3280–3282. 9. Барышников Ю.Ю., Захаров И.Л., Макин Г.И. // Журнал общей химии. 1990. Т. 60. Вып. 6. С. 1350–1354. 10. Степовик Л.П., Додонов В.А., Ваулина Е.Н., Софронова С.М. // Журнал общей химии. 1992. Т. 62. Вып. 4. С. 861–866. 11. Степовик Л.П., Забурдаева Е.А., Разуваева Е.А. // Журнал общей химии. 1996. Т. 66. Вып. 8. С. 1241–1248. 12. Брауэр Г. Руководство по неорганическому синтезу. М., 1985. Т. 3. С. 911. 13. Шумов Л.М., Хейфиц Л.А. Душистые вещества и полупродукты парфюмерно-косметических производств. М., 1990. С. 167–168. Поступило в редакцию 11 октября 2000 г.