From Chemistry Towards Technology Step-By-Step From Chemistry Towards Technology Step-By-Step От химии к технологии шаг за шагом 2782-1900 82263 10.52957/27821900_2022_03_27 Научные статьи Scientific articles Научные статьи Quantum-chemical study of the carboxylation reaction of 4-aminophenol, 4-acetylaminophenol and their salts in the synthesis of 5-aminosalicylic acid Квантово-химическое исследование реакции карбоксилирования 4-аминофенола, 4-ацетиламинофенола и их солей в синтезе 5-аминосалициловой кислоты Варваркин Сергей Викторович Varvarkin Sergey Viktorovich https://orcid.org/0000-0002-8840-248X Соловьев Михаил Евгеньевич Soloviev Mikhail Evgen'evich

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Герасимова Нина Петровна Gerasimova Nina Petrovna gerasimovanp@ystu.ru

доктор химических наук;

doctor of chemical sciences;

 Ярославский государственный технический университет Yaroslavl State Technical University Ярославский государственный технический университет Ярославль Россия Ярославский государственный технический университет Ярославль Russian Federation 23 09 2022 23 09 2022 3 3 27 33 04 07 2022 12 09 2022 https://chemintech.ru/en/nauka/article/82263/view

Квантово-химическим методом функционала плотности изучен механизм реакции получения 5-аминосалициловой кислоты путем карбоксилирования 4-аминофенола, 4-ацетиламинофенола и их натриевых солей при взаимодействии с углекислым газом. Вычислены изменения полной электронной энергии и свободной энергии Гиббса компонентов в результате реакции и проведено многомерное сканирование поверхности потенциальной энергии. В ходе сканирования исследовано изменение полной электронной энергии при различных расстояниях между атомом углерода в молекуле углекислого газа и атомом углерода в бензольном кольце, к которому происходит присоединение. Показано, что 4-аминофенол и 4-ацетиламинофенол не способны вступать в реакцию, так как это невыгодно с термодинамической точки зрения. В то же время, соли 4-аминофенола и 4-ацетиламинофенола уже способны вступать в реакцию. При этом разница между использованием 4-аминофенола и 4-ацетиламинофенола несущественна. Это позволяет использовать в качестве исходного соединения 4-ацетиламинофенол, более устойчивый к окислению и менее токсичный. Предложен механизм карбоксилирования соли 4-ацетиламинофенола на основе многомерного сканирования поверхностей потенциальной энергии реагирующих частиц. Для экспериментального подтверждения возможности данной реакции было проведено газофазное каталитическое карбоксилирование 4-ацетиламинофенолята натрия, полученного in situ из 4-ацетиламинофенола и карбоната натрия. Реакцию проводили при 190 °С в течение 2 часов под давлением углекислого газа 3 МПа без использования растворителя. Строение и чистота полученной при этом 5-аминосалициловой кислоты (выход 47%) подтверждены различными физико-химическими методами. Данный метод синтеза 5-аминосалициловой кислоты перспективен для промышленной реализации.

We studied the reaction mechanism of 5-aminosalicylic acid by carboxylation of 4 aminophenol, 4-acetylaminophenol and their sodium salts by interaction with carbon dioxide using the quantum density functional method. We calculated the changes in total electron energy and Gibbs free energy of the components as a result of the reaction and performed a multidimensional scan of the potential energy surface. The scan analyzed the change of total electron energy at different distances between the carbon atom in the carbon dioxide molecule and the carbon atom in the benzene ring to which the bonding takes place. We have shown that 4-aminophenol and 4-acetylaminophenol are not able to react as it is thermodynamically unfavourable. At the same time, the salts of 4-aminophenol and 4-acetylaminophenol are ready to reaction. The difference between using 4-aminophenol and 4-acetylaminophenol is not significant. This makes it possible to use 4-acetylaminophenol, which is more resistant to oxidation and less toxic, as a starting compound. We proposed a mechanism for the carboxylation of 4-acetylaminophenol salt based on a multidimensional scan of the potential energy surfaces of the reacting particles. In order to experimentally confirm the feasibility of this reaction we conducted a gas-phase catalytic carboxylation of sodium 4-acetylaminophenolate prepared in situ from 4 acetylaminophenol and sodium carbonate. We conducted the reaction at 190 oC for 2 hours at 3 MPa carbon dioxide pressure without using a solvent. The structure and purity of the 5 aminosalicylic acid obtained (47% yield) have been validated by various physico-chemical methods. This method for the synthesis of 5-aminosalicylic acid is prospective for industrial implementation.

 карбоксилирование 4-аминофенол 4-ацетиламинофенол 5-аминосалициловая кислота месалазин термодинамические функции свободная энергия Гиббса carboxylation 4-aminophenol 4-acetylaminophenol 5-aminosalicylic acid mesalazine thermodynamic functions Gibbs free energy

Суербаев Х.А., Сейтенова Г.Ж., Канапиева Ф.М. Противотуберкулезное лекарственное средство ПАСК (п-аминосалициловая кислота) // Вестник КазНУ. Серия химическая. 2011. Т. 61, вып. 1. С. 71 75. Suerbaev H.A., Seytenova G.Zh., Kanapieva F.M. Protivotuberkuleznoe lekarstvennoe sredstvo PASK (p-aminosalicilovaya kislota) // Vestnik KazNU. Seriya himicheskaya. 2011. T. 61, vyp. 1. S. 71 75. Князев О.В., Каграманова А.В., Лищинская А.А. Оценка эффективности терапии язвенного колита средней степени тяжести месалазином ММХ // Медицинский совет. 2021. № 5. С. 113-123. DOI: 10.21518/2079-701X-2021-5-113-123. Knyazev O.V., Kagramanova A.V., Lischinskaya A.A. Ocenka effektivnosti terapii yazvennogo kolita sredney stepeni tyazhesti mesalazinom MMH // Medicinskiy sovet. 2021. № 5. S. 113-123. DOI: 10.21518/2079-701X-2021-5-113-123. Berends S.E., Strik A.S., Lowenberg M., D’Haens G.R., Mathot R.A.A. Clinical Pharmacokinetic and Pharmacodynamic Considerations in the Treatment of Ulcerative Colitis // Clinical Pharmacokinetics. 2018. Vol. 58, no. 1. P. 15-37. DOI: 10.1007/s40262-018-0676-z. Berends S.E., Strik A.S., Lowenberg M., D’Haens G.R., Mathot R.A.A. Clinical Pharmacokinetic and Pharmacodynamic Considerations in the Treatment of Ulcerative Colitis // Clinical Pharmacokinetics. 2018. Vol. 58, no. 1. P. 15-37. DOI: 10.1007/s40262-018-0676-z. Саблин О.А., Черноусова В.В., А.Д. Комлев. Месалазин-индуцированный пневмонит при лечении язвенного колита // Терапевтический архив. 2021. Т. 93, № 2. С. 199-203. DOI: 10.26442/00403660.2021.02.200618. Sablin O.A., Chernousova V.V., A.D. Komlev. Mesalazin-inducirovannyy pnevmonit pri lechenii yazvennogo kolita // Terapevticheskiy arhiv. 2021. T. 93, № 2. S. 199-203. DOI: 10.26442/00403660.2021.02.200618. Klotz U. The Pharmacological Profile and Clinical Use of Mesalazine (5-Aminosalicylic Acid) // Arzneimittelforschung. 2012. Vol. 62, no. 2. P. 53-58. DOI: 10.1055/s-0031-1299685. Klotz U. The Pharmacological Profile and Clinical Use of Mesalazine (5-Aminosalicylic Acid) // Arzneimittelforschung. 2012. Vol. 62, no. 2. P. 53-58. DOI: 10.1055/s-0031-1299685. BNF 76 (British national formulary). London: Pharm. Press, 2018. 1653 p. BNF 76 (British national formulary). London: Pharm. Press, 2018. 1653 p. Михеев В.В., Миронов М.М., Абдуллина В.Х. Химия красителей и крашения. Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2009. 81 c. Miheev V.V., Mironov M.M., Abdullina V.H. Himiya krasiteley i krasheniya. Kazan': Izd-vo Kazan. gos. tehnol. un-ta, 2009. 81 c. Harveer K., Jasmeen S. Synthesis, characterization and radical scavenging activity of aromatic amine conjugates of 5-aminosalicylic acid // Bulletin of the Chemical Society of Ethiopia. 2014. Vol. 28, no. 3. P. 475 480. DOI: 10.4314/bcse.v28i3.17. Harveer K., Jasmeen S. Synthesis, characterization and radical scavenging activity of aromatic amine conjugates of 5-aminosalicylic acid // Bulletin of the Chemical Society of Ethiopia. 2014. Vol. 28, no. 3. P. 475 480. DOI: 10.4314/bcse.v28i3.17. Basu Baul T.S., Manne R., Tiekink E.R.T. Mono- and di-anionic coordination modes of arylazosalicylates in their bis(ƞ5-cyclopentadienyl)titanium(IV) complexes: Syntheses and crystal structures // Inorganica Chimica Acta. 2019. Vol. 484. P. 469-480. DOI: 10.1016/j.ica.2018.09.076. Basu Baul T.S., Manne R., Tiekink E.R.T. Mono- and di-anionic coordination modes of arylazosalicylates in their bis(ƞ5-cyclopentadienyl)titanium(IV) complexes: Syntheses and crystal structures // Inorganica Chimica Acta. 2019. Vol. 484. P. 469-480. DOI: 10.1016/j.ica.2018.09.076. Gusev V.Y., Baigacheva E.V., Gogolishvili V.O. Azo Derivatives of Pyrocatechol, Resorcinol, and Salicylic Acid as Collectors for Sulfide Ore Flotation // Russian Journal of Applied Chemistry. 2019. Vol. 92, no. 12. P. 1734–1744. DOI: 10.1134/s1070427219120150. Gusev V.Y., Baigacheva E.V., Gogolishvili V.O. Azo Derivatives of Pyrocatechol, Resorcinol, and Salicylic Acid as Collectors for Sulfide Ore Flotation // Russian Journal of Applied Chemistry. 2019. Vol. 92, no. 12. P. 1734–1744. DOI: 10.1134/s1070427219120150. Sana S., Tasneem, Ali M.M., Rajanna K.C., Saiprakash P.K. Efficient and Facile Method for the Nitration of Aromatic Compounds by Nitric Acid in Micellar Media // Synthetic Communications. 2009. Vol. 39, no. 16. P. 2949–2953. DOI: 10.1080/00397910802711318. Sana S., Tasneem, Ali M.M., Rajanna K.C., Saiprakash P.K. Efficient and Facile Method for the Nitration of Aromatic Compounds by Nitric Acid in Micellar Media // Synthetic Communications. 2009. Vol. 39, no. 16. P. 2949–2953. DOI: 10.1080/00397910802711318. Natarajan P., Chaudhary R., Rani N., Sakshi, Venugopalan P. 3-(Ethoxycarbonyl)-1-(5-methyl-5-(nitrosooxy)hexyl)pyridin-1-ium cation: A green alternative to tert-butyl nitrite for synthesis of nitro-group-containing arenes and drugs at room temperature // Tetrahedron Letters. 2020. Vol. 61, no. 9. Р. 151529. DOI: 10.1016/j.tetlet.2019.151529. Natarajan P., Chaudhary R., Rani N., Sakshi, Venugopalan P. 3-(Ethoxycarbonyl)-1-(5-methyl-5-(nitrosooxy)hexyl)pyridin-1-ium cation: A green alternative to tert-butyl nitrite for synthesis of nitro-group-containing arenes and drugs at room temperature // Tetrahedron Letters. 2020. Vol. 61, no. 9. R. 151529. DOI: 10.1016/j.tetlet.2019.151529. Agharbaoui F.E., Hoyte A.C., Ferro S., Gitto R., Buemi M.R., Fuchs J.R., Kvaratskhelia M., Luca L.D. Computational and synthetic approaches for developing Lavendustin B derivatives as allosteric inhibitors of HIV-1 integrase // European Journal of Medical Chemistry. 2016. Vol. 123. P. 673–683. DOI: 10.1016/j.ejmech.2016.07.0. Agharbaoui F.E., Hoyte A.C., Ferro S., Gitto R., Buemi M.R., Fuchs J.R., Kvaratskhelia M., Luca L.D. Computational and synthetic approaches for developing Lavendustin B derivatives as allosteric inhibitors of HIV-1 integrase // European Journal of Medical Chemistry. 2016. Vol. 123. P. 673–683. DOI: 10.1016/j.ejmech.2016.07.0. Kalbasi R.J., Massah A.R., Zamani F., Javaherian Naghash H. Fast and Efficient Nitration of Salicylic Acid and Some Other Aromatic Compounds over H3PO4/TiO2-ZrO2 Using Nitric Acid // Chinese Journal of Chemistry. 2010. Vol. 28, no. 3. P. 397–403. DOI: 10.1002/cjoc.201090086. Kalbasi R.J., Massah A.R., Zamani F., Javaherian Naghash H. Fast and Efficient Nitration of Salicylic Acid and Some Other Aromatic Compounds over H3PO4/TiO2-ZrO2 Using Nitric Acid // Chinese Journal of Chemistry. 2010. Vol. 28, no. 3. P. 397–403. DOI: 10.1002/cjoc.201090086. Kirimura K., Gunji H., Wakayama R., Hattori T., Ishii Y. Enzymatic Kolbe–Schmitt reaction to form salicylic acid from phenol: Enzymatic characterization and gene identification of a novel enzyme, Trichosporon moniliiforme salicylic acid decarboxylase // Biochemical and Biophysical Research Communications. 2010. Vol. 394, no. 2. P. 279–284. DOI: 10.1016/j.bbrc.2010.02.154. Kirimura K., Gunji H., Wakayama R., Hattori T., Ishii Y. Enzymatic Kolbe–Schmitt reaction to form salicylic acid from phenol: Enzymatic characterization and gene identification of a novel enzyme, Trichosporon moniliiforme salicylic acid decarboxylase // Biochemical and Biophysical Research Communications. 2010. Vol. 394, no. 2. P. 279–284. DOI: 10.1016/j.bbrc.2010.02.154. Abe K., Nakada A., Matsumoto T., Uchijyo D., Mori H., Chang H.C. Functional Group-Directed Photochemical Reactions of Aromatic Alcohols, Amines, and Thiols Triggered by Excited-State Hydrogen Detachment: Additive-free Oligomerization, Disulfidation, and C(sp2)–H Carboxylation with CO2 // Journal of Organic Chemistry. 2021. Vol. 86, no. 1. P. 959-969. DOI: 10.1021/acs.joc.0c02456. Abe K., Nakada A., Matsumoto T., Uchijyo D., Mori H., Chang H.C. Functional Group-Directed Photochemical Reactions of Aromatic Alcohols, Amines, and Thiols Triggered by Excited-State Hydrogen Detachment: Additive-free Oligomerization, Disulfidation, and C(sp2)–H Carboxylation with CO2 // Journal of Organic Chemistry. 2021. Vol. 86, no. 1. P. 959-969. DOI: 10.1021/acs.joc.0c02456. Gu M., Yan X., Cheng Z. Hybrid catalytic effects of K2CO3 on the synthesis of salicylic acid from carboxylation of phenol with CO2 // Research on Chemical Intermediates. 2016. Vol. 42, no. 2. P. 391-406. DOI: 10.1007/s11164-015-2025-2. Gu M., Yan X., Cheng Z. Hybrid catalytic effects of K2CO3 on the synthesis of salicylic acid from carboxylation of phenol with CO2 // Research on Chemical Intermediates. 2016. Vol. 42, no. 2. P. 391-406. DOI: 10.1007/s11164-015-2025-2. Ienaga S., Kosaka S., Honda Y., Ishii Y., Kirimura K. p-Aminosalicylic Acid Production by Enzymatic Kolbe–Schmitt Reaction Using Salicylic Acid Decarboxylases Improved through Site-Directed Mutagenesis // Bulletin of the Chemical Society of Japan. 2013. Vol. 86, no. 5. P. 628–634. DOI: 10.1246/bcsj.20130006. Ienaga S., Kosaka S., Honda Y., Ishii Y., Kirimura K. p-Aminosalicylic Acid Production by Enzymatic Kolbe–Schmitt Reaction Using Salicylic Acid Decarboxylases Improved through Site-Directed Mutagenesis // Bulletin of the Chemical Society of Japan. 2013. Vol. 86, no. 5. P. 628–634. DOI: 10.1246/bcsj.20130006. Lue H., Liu J., Xing C., Tan M., Gao F. Synthesis of 5-Aminosalicylic Acid using Kolbe-Schmidt Reaction Under Supercritical Conditions // Asian Journal of Chemistry. 2011. Vol. 23, no. 9. P. 3819-3823. Lue H., Liu J., Xing C., Tan M., Gao F. Synthesis of 5-Aminosalicylic Acid using Kolbe-Schmidt Reaction Under Supercritical Conditions // Asian Journal of Chemistry. 2011. Vol. 23, no. 9. P. 3819-3823. Neese F. The ORCA program system // Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science. 2012. Vol. 2, no. 1. P. 73–78. DOI: 10.1002/wcms.81. Neese F. The ORCA program system // Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science. 2012. Vol. 2, no. 1. P. 73–78. DOI: 10.1002/wcms.81. Neese F., Wennmohs F., Hansen A., Becker U. Efficient, approximate and parallel Hartree–Fock and hybrid DFT calculations. A “chain-of-spheres” algorithm for the Hartree–Fock exchange // Chemical Physics. 2008. Vol. 356, no. 1-3. P. 98–109. DOI: 10.1016/j.chemphys.2008.10.036. Neese F., Wennmohs F., Hansen A., Becker U. Efficient, approximate and parallel Hartree–Fock and hybrid DFT calculations. A “chain-of-spheres” algorithm for the Hartree–Fock exchange // Chemical Physics. 2008. Vol. 356, no. 1-3. P. 98–109. DOI: 10.1016/j.chemphys.2008.10.036. Овчинников К.Л., Старостин М.В., Ларионов Н.Н. Квантово-химическое изучение региоселективности гетерореакции Дильса-Альдера α,β-непредельных тиокарбонильных соединений с несимметричными диенофилами // От химии к технологии шаг за шагом. 2021. Т. 2, вып. 3. С. 56-60. DOI: 10.52957/27821900_2021_03_56. URL: http://chemintech.ru/index.php/tor/2021-2-3 Ovchinnikov K.L., Starostin M.V., Larionov N.N. Kvantovo-himicheskoe izuchenie regioselektivnosti geteroreakcii Dil'sa-Al'dera α,β-nepredel'nyh tiokarbonil'nyh soedineniy s nesimmetrichnymi dienofilami // Ot himii k tehnologii shag za shagom. 2021. T. 2, vyp. 3. S. 56-60. DOI: 10.52957/27821900_2021_03_56. URL: http://chemintech.ru/index.php/tor/2021-2-3 Levine I.N. Physical Chemistry. 6th Ed. New York: McGrawHill, 2009. 989 p. Levine I.N. Physical Chemistry. 6th Ed. New York: McGrawHill, 2009. 989 p.