กรด 3-โบรโมไอโซนิโคตินิก CAS 13959-02-9

สูตรโมเลกุลของกรด 3-โบรโมไอโซพีนคือ C6H4BrNO2 ซึ่งมีหมู่ฟังก์ชัน เช่น วงแหวนเบนซีน วงแหวนไพริดีน และหมู่คาร์บอกซิล ต่อไปนี้คือการวิเคราะห์โครงสร้างพันธะคาร์บอน:

พันธะคาร์บอนในวงแหวนเบนซีน:
ในวงแหวนเบนซีนของกรด 3-โบรโมไอโซพีน มีอะตอมของคาร์บอนทั้งหมด 6 อะตอมเชื่อมต่อกันเป็นโครงสร้างทรงกลม อะตอมของคาร์บอนแต่ละอะตอมถูกสร้างขึ้นระหว่างอะตอมของคาร์บอนสองอะตอมที่อยู่ติดกันในคีย์ σ พันธะคาร์บอนเหล่านี้เป็นพันธะโควาเลนต์ที่เกิดจากการแบ่งปันอิเล็กตรอนคู่ เนื่องจากวงแหวนเบนซีนมีคุณสมบัติอะโรมาติก พันธะคาร์บอน คาร์บอนจึงมีอยู่ในระบบคอนจูเกต อิเล็กตรอน π ที่คอนจูเกตสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระตลอดทั้งวงแหวน ทำให้วงแหวนเบนซีนมีความเสถียรและมีคุณสมบัติทางเคมีที่เป็นเอกลักษณ์

พันธะคาร์บอนในวงแหวนไพริดีน:
โครงสร้างของกรด 3-โบรโมไอโซพีนยังรวมถึงวงแหวนไพริดีนซึ่งประกอบด้วยอะตอมไนโตรเจนหนึ่งอะตอมและคาร์บอนสี่อะตอม อะตอมไนโตรเจนก่อให้เกิดพันธะซิกมาโดยมีอะตอมคาร์บอนสองอะตอมที่อยู่ติดกันและพันธะไฮโดรเจนกับอะตอมไฮโดรเจน พันธะคาร์บอน คาร์บอนในวงแหวนไพริดีนยังแสดงระบบคอนจูเกต คล้ายกับวงแหวนเบนซีน เนื่องจากมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวอยู่ในวงแหวนไพริดีน จึงสามารถใช้เป็นรีเอเจนต์อิเล็กโทรฟิลิกในปฏิกิริยาเคมีได้

พันธะคาร์บอนในกลุ่มคาร์บอกซิล:
โครงสร้างของกรดโบรโมไอโซพีน 3- ยังมีหมู่คาร์บอกซิล (- COOH) อะตอมของคาร์บอนในกลุ่มคาร์บอกซิลจะสร้างพันธะกับอะตอมออกซิเจนในกลุ่มคาร์บอกซิล ในขณะที่อะตอมของออกซิเจนอีกอะตอมจะสร้างพันธะขั้วโลกกับอะตอมไฮโดรเจนในกลุ่มคาร์บอกซิล พันธะคาร์บอนออกซิเจนนี้มีขั้วสูงและเป็นลักษณะของสารประกอบที่เป็นกรด

ปัจจุบันกระบวนการผลิตทางอุตสาหกรรมที่โดดเด่นกรด 3-โบรโมไอโซนิโคตินิกคือการเกิดออกซิเดชันของ 3-โบรโม-4-เมทิลไพริดีน เส้นทางที่สมบูรณ์นี้มีคุณสมบัติในการเลือกปฏิกิริยาสูง ผลพลอยได้น้อยและมีความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์ที่ดีเยี่ยม และสามารถใช้ได้กับการผลิตเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่ได้อย่างเต็มที่

กระบวนการทั้งหมดประกอบด้วยสองขั้นตอนหลัก: การเตรียมสารตั้งต้นของโบรมีนและการเกิดออกซิเดชันของหมู่เมทิลไปยังหมู่คาร์บอกซิล โดยมีสภาวะปฏิกิริยาที่ไม่รุนแรงและสามารถควบคุมได้ดีกว่าตลอด

ขั้นแรกคือการสังเคราะห์สารตั้งต้น การใช้-ราคาต่ำและ 4-เมทิลไพริดีนที่หาได้ง่ายเป็นวัสดุตั้งต้นและโบรมีนเหลวเป็นสารโบรมีน โบรมีนเฉพาะที่-จะดำเนินการภายใต้กรดไหลย้อนที่มีอุณหภูมิคงที่ ด้วยการควบคุมอัตราส่วนปริมาณของโบรมีนและอุณหภูมิของปฏิกิริยา โบรมีนที่ไม่ต้องการที่ตำแหน่งอื่นๆ ของวงแหวนไพริดีนจะถูกระงับ เพื่อเพิ่มผลผลิตของผลิตภัณฑ์ที่มีโบรมีน 3 ตัวให้สูงสุด

เมื่อเสร็จสิ้นปฏิกิริยา ส่วนผสมจะถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิห้องและดับด้วยน้ำน้ำแข็ง มีการเติมสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์เพื่อทำให้ระบบเป็นกลาง หลังจากนั้น ทำการสกัดหลายครั้งด้วยเอทิลอะซิเตต การทำแห้งโดยใช้แอนไฮดรัส โซเดียม ซัลเฟต และการกลั่นสุญญากาศ เพื่อให้ได้-ความบริสุทธิ์สูง-3-โบรโม-4-เมทิลไพริดีน อัตราผลตอบแทนของขั้นตอนนี้ยังคงสูงกว่า 60% อย่างต่อเนื่อง

ขั้นตอนที่สองคือตัวเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชัน 3-โบรโม-4-เมทิลไพริดีนบริสุทธิ์จะถูกละลายในน้ำปราศจากไอออน ตามด้วยการเติมตัวเร่งปฏิกิริยาคอมโพสิตโคบอลต์-ทองแดง ส่วนผสมถูกให้ความร้อนถึง 85–90 องศา และออกซิเจนที่ความดันบรรยากาศจะถูกแนะนำอย่างต่อเนื่องเพื่อทำปฏิกิริยาออกซิเดชัน ซึ่งจะเลือกแปลงกลุ่มเมทิลบนวงแหวนไพริดีนให้กลายเป็นกลุ่มคาร์บอกซิล

หลังจากปฏิกิริยา ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งจะถูกกำจัดออกโดยการกรองแบบร้อนเพื่อให้ได้น้ำกรองที่ชัดเจน สารกรองจะถูกปรับอย่างช้าๆ ให้เป็นกรดอ่อน ทำให้เกิดการตกตะกอนจำนวนมากของของแข็งน้ำมันดิบสีขาว ผลิตภัณฑ์ดิบจะถูกทำให้บริสุทธิ์เพิ่มเติมโดยการตกผลึกซ้ำจากอะซิโตนและทำให้แห้งภายใต้สุญญากาศเพื่อขจัดสิ่งเจือปน ส่งผลให้ผลิตภัณฑ์มี-ความบริสุทธิ์สูง ผลผลิตของขั้นตอนออกซิเดชันนี้ถึงประมาณ 88% ผลผลิตโดยรวมและความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์ของกระบวนการเป็นไปตามมาตรฐานการผลิตทางอุตสาหกรรมอย่างสมบูรณ์

โดยทั่วไปมีการใช้เส้นทางสังเคราะห์สองเส้นทางเพื่อการเตรียมห้องปฏิบัติการขนาดเล็ก- ประการแรกคือการโบรมีนโดยตรงของกรดไอโซนิโคตินิก N-โบรโมซัคซินิไมด์ (NBS) ถูกใช้เป็นสารโบรมิเนติงชนิดอ่อน และปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิห้องในระบบตัวทำละลายที่เป็นกรด

วิธีนี้ต้องการการใช้งานที่เรียบง่ายและอุปกรณ์พื้นฐาน แต่ก็ไม่แสดงความสามารถในการคัดเลือกซ้ำและมีแนวโน้มที่จะผลิตโพลีโบรมิเนตโดย-ผลิตภัณฑ์ ซึ่งนำไปสู่การทำให้บริสุทธิ์ได้ยากและให้ผลผลิตต่ำกว่า 40% เหมาะสำหรับการวิจัยเชิงทดลองเบื้องต้นเท่านั้น

วิธีที่สองคือการพิมพ์หินและคาร์บอกซิเลชันที่อุณหภูมิต่ำ- เริ่มต้นจาก 3-โบรโมไพริดีน การเกิดลิไทเอชั่นเฉพาะไซต์-จะดำเนินการภายใต้อุณหภูมิต่ำมากด้วยบิวทิลลิเธียมที่เป็นเบสแก่ ตามด้วยคาร์บอกซิเลชันโดยการนำคาร์บอนไดออกไซด์เข้าไป

เส้นทางนี้มีขั้นตอนน้อยกว่า แต่ต้องใช้รีเอเจนต์ราคาแพงและสภาวะปฏิกิริยาที่รุนแรงและทนทานต่อข้อผิดพลาดต่ำ ใช้สำหรับการเตรียมตัวอย่างที่มีความบริสุทธิ์สูง-ในปริมาณเล็กน้อยเท่านั้น และไม่สามารถนำไปปรับใช้สำหรับการผลิตทางอุตสาหกรรมได้

โมเลกุลประกอบด้วยโครงสร้างปฏิกิริยาที่สำคัญ 3 โครงสร้าง ได้แก่ วงแหวนไพริดีน อะตอมโบรมีนที่ตำแหน่ง 3 และหมู่คาร์บอกซิลที่ตำแหน่ง 4 มีปฏิกิริยาเคมีสูง และกลุ่มฟังก์ชันสามารถรับปฏิกิริยาอินทรีย์แบบคลาสสิกได้หลากหลาย

หมู่คาร์บอกซิลแสดงคุณสมบัติทั่วไปของกรดคาร์บอกซิลิก มันสามารถผ่านการเอสเทอริฟิเคชันและเอมิเดชันที่เร่งปฏิกิริยาด้วยกรดหรือสารควบแน่น และถูกรีดิวซ์เป็นไฮดรอกซีเมทิลโดยสารรีดิวซ์ เช่น ลิเธียมอลูมิเนียมไฮไดรด์ ด้วยความเป็นกรดที่ค่อนข้างสูง จึงสามารถทำให้เป็นกลางด้วยด่างเพื่อสร้างเกลือในสารละลายที่เป็นน้ำและแอลกอฮอล์

อะตอมโบรมีนที่จับกับวงแหวน-ทำหน้าที่เป็นจุดที่เกิดปฏิกิริยาที่สำคัญ มันมีส่วนร่วมในแพลเลเดียม-การมีเพศสัมพันธ์แบบเร่งปฏิกิริยา Suzuki และ-อะมิเนชันฮาร์ทวิกของ Buchwald และยังสามารถแทนที่ด้วยหมู่นิวคลีโอฟิลิกซึ่งรวมถึงหมู่ไซยาโนและอัลคิลไทโอด้วย ดังนั้นจึงเป็นหน่วยการสร้างที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการสังเคราะห์อนุพันธ์ไพริดีนแบบโพลีแทนที่

อะตอมไนโตรเจนบนวงแหวนไพริดีนแสดงความเป็นด่างอ่อนและสามารถสร้างเกลือด้วยกรดอนินทรีย์ได้ ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนโดยรวมของวงแหวนไพริดีนต่ำ ทำให้ไวต่อปฏิกิริยาการแทนที่ด้วยอิเล็กโทรฟิลิก เช่น ไนเตรชันและฮาโลเจนทุติยภูมิ

สารเคมีนี้รักษาเสถียรภาพทางเคมีที่ดีในสถานะของแข็งที่อุณหภูมิห้อง เมื่อเก็บไว้ในที่แห้ง ปิดสนิท และมืด ความบริสุทธิ์จะไม่ลดลงอย่างเห็นได้ชัดภายในเวลาหลายเดือน มีความต้านทานความร้อนปานกลางและไม่ค่อยสลายตัวภายในช่วงอุณหภูมิหลอมละลาย อย่างไรก็ตาม การให้ความร้อนเป็นเวลานานที่อุณหภูมิสูงจะค่อยๆ ทำให้เกิดการดีโบรมิเนชันและดีคาร์บอกซิเลชัน ทำให้เกิดไพริดีน-จากผลิตภัณฑ์-

ทนทานต่อกรดอ่อนและเบสอ่อน และโครงสร้างต้นกำเนิดยังคงไม่บุบสลายภายใต้การกระทำของกรดเจือจางและเบสอ่อนที่อุณหภูมิห้อง อย่างไรก็ตาม สภาวะที่เป็นด่างแก่ที่มีความเข้มข้นสูงหรือ-สภาวะที่เป็นด่างอย่างสูงที่มีอุณหภูมิสูงมีแนวโน้มที่จะกระตุ้นให้เกิดไฮโดรไลซิสของอะตอมโบรมีน ในขณะที่กรดไหลย้อนเป็นเวลานานในกรดแก่ที่มีความเข้มข้นจะทำให้เกิดดีคาร์บอกซิเลชัน

สารเคมีมีความไวต่อแสง การได้รับแสงอัลตราไวโอเลตหรือแสงแดดเป็นเวลานาน-จะทำให้เกิดการโฟโตลิซิสแบบค่อยเป็นค่อยไป ส่งผลให้สูญเสียโบรมีน การเปลี่ยนสี และลดความบริสุทธิ์

นอกจากนี้ ยังมีแนวโน้มที่จะทำปฏิกิริยากับสารออกซิแดนท์อย่างแรงและตัวรีดิวซ์อย่างแรง และ-การเก็บรักษาร่วมกับสารดังกล่าวจะเร่งการเสื่อมสภาพ มันละลายอย่างเสถียรในตัวทำละลายอินทรีย์ทั่วไป รวมถึงเมทานอล, DMF และ DMSO ที่อุณหภูมิห้อง แต่การย่อยสลายช้ายังคงเกิดขึ้นเมื่อสารละลายถูกให้ความร้อนเป็นระยะเวลานาน