Способ получения 1-(3-(триметоксисилил)пропил)-1H-имидазола Российский патент 2023 года по МПК C07D233/58 C07F7/18 

Изобретение относится к элементоорганической химии, а точнее к способам получения карбофункциональных триалкоксисиланов.

1-(3-(Триметоксисилил)пропил)-1H-имидазол (CAS 70851-51-3) является важным кремнийорганическим прекурсором, используемым, например, для синтеза иммобилизованных ионных жидкостей, функционализации поверхности оксидных частиц, таким образом он играет ключевую роль для получения материалов, обладающих каталитической активностью, и полимеров с ценными свойствами (CN106699801A. Kong Fanzhen; Yang Tiantian; Zhang Linlin; Li Pengtao; Qi Shilin. Synthetic process of silicon-based imidazole epoxy resin curing agent. Опубл. 24.05.2017; CN111632597A. Wang Yue; Ma Xinbin; Wang Meilin; Lyu Jing; Huang Shouying; Zhao Yujun; Wang Shengping. Silanized modified copper-silicon catalyst containing tertiary amine-based silane coupling agent and preparation method and application thereof. Опубл. 08.09.2020; CN115448943A. X. Weina; L. Chengjie; Z. Zhixiong; Y. Yongbin; W. Ning; Z. Pengli. Ionic liquids and their preparation methods, surface modified silica and its applications. Опубл. 09.12.2022; US2022305472A1. G. A Baker; N. E. Larm, Polyionic nanoclays. Опубл. 09.12.2022). 1-(3-(Триметоксисилил)пропил)-1H-имидазол - коммерческий продукт, выпускаемый многими производителями химических соединений (Aurora Fine Chemicals LLC, BLD Pharmatech Ltd., BOC Sciences, Sigma Aldrich, Inc. и др.).

Существующие способы получения 1-(3-(триметоксисилил)пропил)-1H-имидазола основаны на алкилировании имидазола или имидазолил натрия (3-галогенпропил)триметоксисиланом, при этом варьируется среда и время проведения взаимодействия.

Известен способ получения 1-(3-(триметоксисилил)пропил)-1H-имидазола алкилированием имидазола (3-хлорпропил)триметоксисиланом в среде толуола, который может быть представлен схемой:

(S. Safaei, I. Mohammadpoor-Baltork, A. R. Khosropour, M. Moghadam, S. Tangestaninejad, V. Mirkhania. Nano-silica supported acidic ionic liquid as an efficient catalyst for the multi-component synthesis of indazolophthalazine-triones and bis-indazolophthalazine-triones Catal. Sci. Technol., 2013, 3, 2717-2722. DOI: 10.1039/C3CY00344B. Rostamizadeh, S., Nojavan, M., Aryan, R. et al. Dual Acidic Ionic Liquid Immobilized on α-Fe₂O₃-MCM-41 Magnetic Mesoporous Materials as the Hybrid Acidic Nanocatalyst for the Synthesis of Pyrimido[4,5-d]pyrimidine Derivatives. Catal. Lett., 2014, 144, 1772-1783. DOI: 10.1007/s10562-014-1330-5. P. Ghamari kargar, G. Bagherzade, H. Eshghi. Design and synthesis of magnetic Fe₃O₄@NFC-ImSalophCu nanocatalyst based on cellulose nanofibers as a new and highly efficient, reusable, stable and green catalyst for the synthesis of 1,2,3-triazoles. RSC Adv., 2020, 10, 32927-32937. DOI: 10.1039/D0RA06251K. M. N. Gebresillase, J. G. Seo. Catalytic C-C coupling of furanic platform chemicals to high carbon fuel precursors over supported ionic liquids. Applied Catalysis A: General., 2021, Vol. 628, 118421. DOI: 10.1016/j.apcata.2021.118421.)

Для реализации способа используются разные условия: либо выдерживание реагентов при комнатной температуре в течение 3 часов, либо нагревание при кипении растворителя в течение 24 часов. При этом отсутствуют данные о выделении в индивидуальном состоянии, четком подтверждении структуры образующегося продукта, и его выходе. Попытка воспроизведения данного способа приводит к получению целевого продукта с низким выходом (30%).

Известен способ получения 1-(3-(триметоксисилил)пропил)-1H-имидазола алкилированием имидазолил натрия, образующегося из имидазола и гидрида натрия в среде тетрагидрофурана, (3-хлорпропил)триметоксисиланом. Реакция протекает в соответствии со схемой:

(B. Karimi, M. Gholinejad, M. Khorasania. Highly efficient three-component coupling reaction catalyzed by gold nanoparticles supported on periodic mesoporous organosilica with ionic liquid framework. Chem. Commun., 2012, 48, 8961-8963. DOI: 10.1039/C2CC33320A. B. Karimi, A. Bigdeli, A. A. Safari, M. Khorasani, H. Vali, S. K. Karimvand. Aerobic Oxidation of Alcohols Catalyzed by in Situ Generated Gold Nanoparticles inside the Channels of Periodic Mesoporous Organosilica with Ionic Liquid Framework. ACS Comb. Sci. 2020, 22, 2, 70-79. DOI: 10.1021/acscombsci.9b00160.)

Аналогичная схема превращений используется при реализации способа отличающегося тем, что алкилирование имидазолил натрия проводят действием (3-иодпропил)триметоксисилана. Выход в данном случае колеблется от 60 до 89 %. (Chen, J., Hua, L., Chen, C., Guo, L., Zhang, R., Chen, A., Xiu, Y., Liu, X. and Hou, Z. Temperature-Dependent Immobilization of a Tungsten Peroxo Complex That Catalyzes the Hydroxymethoxylation of Olefins. ChemPlusChem, 2015, 80: 1029-1037. DOI: 10.1002/cplu.201402456. M. Litschauera, M.-A. Neouze. Nanoparticles connected through an ionic liquid-like network. J. Mater. Chem., 2008, 18, 640-646. DOI: 10.1039/B713442H. C. S. J. Cazina, M. Veith, P. Braunstein, R. B. Bedford. Versatile Methods for the Synthesis of Si(OR)₃-Functionalised Imidazolium Salts, Potential Precursors for Heterogeneous NHC Catalysts and Composite Materials. Synthesis 2005(4): 622-626. DOI: 10.1055/s-2005-861784. B. Karimi, A. Maleki, D. Elhamifar, J. H. Clark, A. J. Hunt. Self-assembled organic-inorganic hybrid silica with ionic liquid framework: a novel support for the catalytic enantioselective Strecker reaction of imines using Yb(OTf)₃-PYBOX catalyst. Chem. Commun., 2010,46, 6947-6949. DOI: 10.1039/C0CC01426E. M. Kronstein, J. Akbarzadeh, C. Drechsel, H. Peterlik, M.-A. Neouze. Tailoring Photoluminescence Properties in Ionic Nanoparticle Networks. Chem. Eur. J., 2014, 20: 10763-10774. DOI: 10.1002/chem.201400392.)

Существенным недостатком приведенных способов получения 1-(3-(триметоксисилил)пропил)-1H-имидазола является использование опасного в обращении гидрида натрия, который представляет собой чувствительный к действию влаги реагент, требующий осторожного обращения, кроме того, реакция с имидазолом сопровождается выделением взрывоопасного водорода. Наиболее эффективно алкилирование протекает при использовании дорогостоящего (3-иодпропил)триметоксисилана, что помимо экономической эффективности негативно сказывается и на таком параметре, как «эффективность реакционной массы», из-за высокого атомного веса иода в сравнении с хлором.

Предложен способ получения 1-(3-(триметоксисилил)пропил)-1H-имидазола c выходом 90% алкилированием имидазолил натрия, полученного из имидазола и метилата натрия в среде тетрагидрофурана, (3-хлорпропил)триметоксисиланом. Реакция протекает в соответствии со схемой:

(CN106699801A. K. Fanzhen; Y. Tiantian; Z. Linlin; L. Pengtao; Q. Shilin. Synthetic process of silicon-based imidazole epoxy resin curing agent. Опубл. 24.05.2017.)

Для реализации предложенного способа необходимо применение достаточно дорогостоящего растворителя эфирного типа, склонного к образованию взрывчатых перекисных соединений - тетрагидрофурана.

Технической задачей настоящего изобретения является расширение арсенала способов получения 1-(3-(триметоксисилил)пропил)-1H-имидазола с использованием доступных исходных реагентов и растворителя, обеспечивающего высокий выход целевого продукта.

Техническим результатом изобретения является реализация заявленного способа получения 1-(3-(триметоксисилил)пропил)-1H-имидазола.

Технический результат достигается проведением однореакторного двухстадийного процесса, включающего получение имидазолил натрия при нагревании в среде толуола с водоотделением эквимольных количеств имидазола и гидроокиси натрия, и последующего алкилирования (3-хлорпропил)триметоксисиланом при нагревании в течение 15 ч при температуре кипения реакционной массы. Протекающие химические реакции описываются схемами:

Целевой продукт выделяют из реакционной массы после отделения фильтрованием образовавшегося хлорида натрия и отгонки толуола, фракционированием в вакууме. Реакция протекает с высоким выходом (82%), и однократное фракционирование обеспечивает достаточную чистоту целевого вещества. Чистота и строение 1-(3-(триметоксисилил)пропил)-1H-имидазола подтверждена совокупностью данных ¹H, ¹³C ЯМР спектроскопии и ИК-спектроскопии.

Таким образом, предложен однореакторный двухстадийный способ получения 1-(3-(триметоксисилил)пропил)-1H-имидазола, в котором используются доступные, недорогие исходные соединения.

Пример получения 1-(3-(триметоксисилил)пропил)-1H-имидазола.

В колбу, снабженную магнитным перемешивающим элементом, насадкой Дина-Старка с обратным холодильником, помещают 150 мл толуола, 15 г (0,22 моль) имидазола и 8,8 г (0,22 моль) гидроксида натрия. Реакционную массу нагревают при интенсивном перемешивании и кипении до завершения отделения воды в насадке, для чего требуется 6 часов. Далее прибавляют 43,7 г (0,22 моль) (3-хлорпропил)триметоксисилана и реакционную массу интенсивно кипятят в течение 15 часов. Образовавшийся осадок хлорида натрия отфильтровывают на фильтре Шотта, промывают толуолом. Фильтрат упаривают на ротационном испарителе, остаток подвергают фракционной перегонке в вакууме, собирая фракцию 125-127°С/ 1.7 Торр. Выход 82 %. Продукт представляет собой вязкую бесцветную жидкость со специфическим запахом.

ИК спектр (KBr), ν, см^-1: 3107 (Csp²-H), 2943, 2841 (Csp³-H), 1507 (Csp²-Csp²). Спектр ЯМР ¹Н (399.78 МГц, (CD₃)₂SO) δ, м.д.: 0.53 – 0.57 м (2H, CH₂), 1.82 – 1.89 м (2H, CH₂), 3.54 с (3H, CH₃), 3.90 т (J = 7.1 Гц, 2H, CH₂), 6.88 уш.с (1Н, CH), 7.02 уш.с (1Н, CH), 7.44 уш.с (1Н, CH). Спектр ЯМР ¹³C (100.5 МГц, CDCl₃, δ, м.д.): 6.1 (CH₂), 24.6 (CH₂), 49.0 (CH₂), 50.6 (CH₃), 118.7 (CH), 129.4 (CH), 137.2 (CH).

Таким образом, предложенный способ позволяет получать 1-(3-(триметоксисилил)пропил)-1H-имидазол, который используется, например, для отверждения эпоксидных смол (CN106699801A. K. Fanzhen; Y. Tiantian; Z. Linlin; L. Pengtao; Q. Shilin. Synthetic process of silicon-based imidazole epoxy resin curing agent. Опубл. 24.05.2017.), получения органо-неорганических гибридных материалов, в частности полиионных наноглин (US2022305472A1. G. A Baker; N. E. Larm, Polyionic nanoclays. Опубл. 09.12.2022), гетерогенного магнитного катализатора синтеза широкого ряда 1,2,3-триазолов (P. Ghamari kargar, G. Bagherzade, H. Eshghi. Design and synthesis of magnetic Fe₃O₄@NFC-ImSalophCu nanocatalyst based on cellulose nanofibers as a new and highly efficient, reusable, stable and green catalyst for the synthesis of 1,2,3-triazoles. RSC Adv., 2020, 10, 32927-32937. DOI: 10.1039/D0RA06251K.).

Изобретение относится к способу получения 1-(3-(триметоксисилил)пропил)-1H-имидазола алкилированием (3-хлорпропил)триметоксисиланом имидазола, предварительно активированного переведением в имидазолил натрий действием сильного основания в среде органического растворителя, отличающемуся тем, что в качестве основания используют эквимольное количество гидроокиси натрия, реакцию ведут в среде толуола при постоянном отделении образующейся воды, а последующее алкилирование проводят при кипячении в течение 15 часов. Технический результат: разработан способ получения 1-(3-(триметоксисилил)пропил)-1H-имидазола с использованием доступных исходных реагентов и растворителя, обеспечивающий высокий выход (82%) целевого продукта. 1 пр.

Способ получения 1-(3-(триметоксисилил)пропил)-1H-имидазола алкилированием (3-хлорпропил)триметоксисиланом имидазола, предварительно активированного переведением в имидазолил натрий действием сильного основания в среде органического растворителя, отличающийся тем, что в качестве основания используют эквимольное количество гидроокиси натрия, реакцию ведут в среде толуола при постоянном отделении образующейся воды, а последующее алкилирование проводят при кипячении в течение 15 часов.