6.4.1. Получение n-винилкарбазола по реакции винилирования ацетиленом
Впервые прямое винилирование карбазола ацетиленом для получения N-винилкарбазола осуществил в Германии перед Второй мировой войной В. Реппе:
Реакцию проводят под давлением 1,0-2,5 МПа в интервале температур 393-553 К в присутствии в качестве катализатора гидроксидов щелочных и щелочноземельных металлов часто с промотирующими добавками (оксид цинка). В качестве растворителей используют циклогексан, уайт-спирит, N-метил-2-пирролидон и другие.
Метод прямого винилирования карбазолов ацетиленом является достаточно технологичным и экономичным для синтеза N-винилкарбазола и его некоторых производных замещенных в цикле.
Значительные успехи в винилировании карбазола ацетиленом достигнуты при использовании суперосновных сред – сильного основания в диметилсульфоксиде или ином апротонном диполярном растворителе: диметилформамиде, сульфолане, гексаметилтриамидофосфате и т.п. Это объясняется тем, что в результате специфической сольватации катионов происходит резкое повышение концентрации свободных анионов карбазола, осуществляющих нуклеофильную атаку ацетилена.
Разработан также эффективный метод синтеза N-винилкарбазола винилированием карбазола ацетиленом при атмосферном давлении под действием гидроксидов щелочных металлов в диметилсульфоксиде в интервале температур 363-433 К с количественным выходом N-винилкарбазола чистотой 99%.
Для прямого винилирования карбазола помимо ацетилена можно использовать винилхлорид и этилен, однако оба реагента проявляют существенно меньшую, чем ацетилен, активность. Этилен винилирует карбазол в присутствии в качестве катализаторов металлов восьмой группы Периодической системы с выходом, не превышающим 40%. Эти методы не получили значительного распространения.
6.4.2. Получение n-винилкарбазола по реакции винилового обмена
Реакция винилового обмена, или транс-винилирование аминов простыми и сложными виниловыми эфирами, является перспективным методом синтеза гетероциклических N-виниламинов:
В качестве катализаторов используют соли двухвалентной ртути в присутствии протонных или некоторых кислот Льюиса, например ВF3. С помощью транс-винилирования были получены N-винильные производные различных азолов – пиразола, имидазола, триазола – и другие N-виниламины.
Однако взаимодействие карбазола с виниловыми эфирами в присутствии тех же катализаторов не приводит к образованию винилкарбазола. Например, по реакции карбазола с винилацетатом в присутствии каталитической системы, включающей оксид ртути и серную кислоту, образуется не мономер, а олигомерный поли-N-винилкарбазол. Это объясняется тем, что в отличие от перечисленных N-винилазолов, N-винилкарбазол чрезвычайно легко взаимодействует с электрофильными реагентами и мгновенно полимеризуется по катионному механизму. Вот почему невозможно получить N-винилкарбазол в присутствии каталитической системы соль ртути – сильная кислота.
Существует два подхода, позволяющих затормозить полимеризацию N-винилкарбазола под влиянием компонентов катализатора транс-винилирования и сделать эту реакцию пригодной для препаративного получения N-винилкарбазола. Один из них заключается в максимальном уменьшении количества кислоты относительно соли ртути: реализован синтез N-винилкарбазола транс-винилированием карбазола простыми виниловыми эфирами в присутствии оксида ртути и малых количеств п-толуолсульфокислоты. Другой подход основывается на том, что поскольку роль сильной кислоты (кроме полимеризации образующихся мономеров) сводится к ионизации соли ртути, при использовании для катализа солей ртути, способных хорошо ионизироваться в органических растворителях, добавки сильных кислот необязательны. В качестве такой соли можно применять трифторацетат ртути. Карбазол в реакции с винилэтиловым или винилбутиловым эфиром в присутствии 1-10% (мас.) трифторацетата ртути в виниловом эфире в отсутствие инертного растворителя легко образует N-винилкарбазол в качестве единственного продукта. Отношение виниловый эфир:карбазол должно составлять не менее 6. При использовании меньших относительных количеств виниловых эфиров и при разбавлении их инертными растворителями наряду с N-винилкарбазолом образуется N-(1-этоксиэтил)карбазол:
где X = H, COMe, Cl, Br, I, Me, -бензо[c]-; Y = H, Cl, Br, I; R = Et.
К сожалению метод транс-винилирования карбазолов простыми виниловыми эфирами в присутствии трифторацетата ртути, несмотря на свою простоту и эффективность, из-за токсичности солей ртути не может конкурировать с прямым винилированием ацетиленом в промышленном производстве, но он очень удобен как препаративный метод.