Введение к работе
Актуальность проблемы. Настоящая работа посвящена исследованию новых реакций ацетилена и его производных, изучению строения продуктов реакций и их вероятных механизмов методом рентгеноструктурного анализа (РСА). Ацетилен является универсальным строительным блоком, широко используемым в современном органическом синтезе. На основе ацетиленов получают практически все типы карбонильных соединений, аминокислоты, производные аренов и азотистых гетероциклов. Получаемые из ацетиленов с помощью современных промышленных технологий соединения находят применение в качестве пестицидов, лекарственных препаратов, красителей и особенно полимерных материалов. В последние годы ацетиленовые соединения становятся незаменимыми для развития биотехнологии, нанотехнологии и молекулярной электроники. Новые горизонты в синтетической химии ацетилена открывает металлокомплексный катализ.
В этой связи актуально дальнейшее развитие химии ацетилена, основы которой были заложены академиком А.Е.Фаворским и успешно развиваются в наше время школой академика Б.А.Трофимова. Органическая химия находится сейчас на таком этапе, когда структура синтезируемых веществ и методы их получения существенно усложнились. Хотя спектральные методы по-прежнему доминируют при установлении строения новых соединений и выяснении механизма реакций, все в большем количестве случаев они оказываются недостаточными. Вот почему на первый план как наиболее прямой и объективный метод выходит рентгеноструктурный анализ. Он позволяет с высокой точностью определять не только состав исследуемого вещества, но и его тонкие стереохимические особенности, содействующие лучшему пониманию физико-химических свойств, механизма образования и реакционной способности. Эта информация актуальна в целенаправленном поиске новых материалов с полезными свойствами (кристаллохимическая инженерия).
Данная работа может быть полезна широкому кругу исследователей, в первую очередь, химикам и технологам в решении актуальных проблем тонкого органического синтеза и для разработки новых технологий, основанных на использовании ацетилена и его производных.
Работа относится к приоритетному направлению РАН 5.1. “Теоретическая химия и развитие методологии органического и неорганического синтеза, новые методы физико-химических исследований” и выполнена в рамках темы 5.1.6.2. “Разработка методов направленного синтеза новых веществ и материалов (в том числе, наноструктурированных) для критических технологий на основе ацетилена и его производных”.
Цель работы:
Систематическое использование рентгеноструктурного анализа в решении структурных и химических задач, трудно поддающихся традиционным спектральным методам, для развития новых направлений химии ацетилена, связанных с разработкой методик синтеза малодоступных азотистых гетероциклов и их производных.
Научная новизна и практическая значимость.
Впервые методом РСА проведено системное изучение реакций ацетиленовых соединений, определено строение продуктов 50 новых химических реакций с участием ацетилена и его производных. Открыты две принципиально новые реакции: 1) трехкомпонентная реакция между алкиларил(гетарил)кетоксимами, ацетиленом и алифатическими кетонами, приводящая к образованию ранее неизвестных 4-метилен-3-окса-1-азабицикло[3.1.0]гексанов с фрагментами азиридина, 1,3-оксазолидина и винилового эфира и 2) одностадийное получение 7-метилен-6,8-диокса-бицикло[3.2.1]октанов (феромонов насекомых), взаимодействием ациларенов(гетаренов) и ацетилена.
В результате рентгеноструктурного и кристаллохимического изучения продуктов некоторых реакций выявлены и структурно охарактеризованы новые типы гетероциклических соединений, установлены особенности их строения и предложены вероятные механизмы реакций их образования. В их число входят:
- цвиттер-ионные ароматические аминокислоты с аминодигидрофурановым фрагментом, образующиеся при взаимодействии антраниловой кислоты с a,b-ацетиленовыми g-гидроксинитрилами;
- ароматические аминоэфиры с циано- и кетогруппами, образующиеся при этерификации 3- и 4-аминобензойных кислот a,b-ацетиленовыми g-гидроксинитрилами;
- пиридиниевые бетаины на основе изоникотиновой кислоты, образующиеся при присоединении к последней a,b-ацетиленовых g-гидроксинитрилов;
- глубоко функционализированные пиразолы, полученные путем регио- и стереспецифичного присоединения тиосемикарбазидов к a,b-ацетиленовым g-гидроксинитрилам;
- дигидразиды тиоугольной кислоты с ацетиленовыми заместителями, полученные присоединением 4-фенилбут-3-ин-2-она к тиокарбогидразонам ароматических альдегидов и тиокарбогидразиду;
- глубоко функционализированные циклобутенилпирролы, образующиеся из циклоаддуктов дихлордицианхинона и 2-этинилпирролов;
- 1,3-оксазолидинодигидробензимидазолы, легко изомеризующиеся на Al2O3 в производные о-фенилендиамина с иминоаминодигидрофурановым фрагментом.
Предложен новый подход к кросс-сочетанию пирролов с ацетиленами, основанный на селективном присоединении 1-галогенацетиленов к пиррольному ядру. Для полученного этим методом 2-(2-бензоилэтинил)-5-фенилпиррола обнаружены две кристаллические модификации, различающиеся типом Н-связывания молекул в кристаллической решетке.
Прямым винилированием метил-a-D-глюкопиранозида ацетиленом в суперосновной среде получен 2,3,4,6–тетра(О-винил)метил-a-D-глюкопиранозид и установлена его структура в кристаллах и в растворе.
Впервые установлена Z-конфигурация иминогрупп (по отношению к атому кислорода фуранового кольца) в иминодигидрофуранах, образующихся при циклизации гидроксиалкенонитрилов - промежуточных продуктов взаимодействия ацетиленовых гидроксинитрилов с аминами.
Установлена цвиттер-ионная структура и наличие дигидрофуранового фрагмента в новом семействе соединений, образующихся при взаимодействии аминокислот с a,b-ацетиленовыми g-гидроксинитрилами.
В реакции диоксима 4,4’-диацетилдифенила с ацетиленом впервые обнаружена способность диоксимов к образованию с ДМСО устойчивых полимерных ассоциатов.
Обнаружена перегруппировка циклоаддуктов DDQ и 2-этинилпирролов, открывающая простой путь к ранее неизвестным глубоко функционализированным циклобутенам, содержащим пиррольные фрагменты.
Впервые синтезированы и исследованы ацетилен-содержащие дигидразоны - перспективные предшественники лекарственных препаратов и лиганды для создания мультиядерных комплексов.
Исследовано семейство новых функциональных красителей – 2-арилазо-1-винилпирролов и намечены пути их возможного практического использования.
Исследована реакция присоединения аминокислот к тройной связи ацилацетиленов, приводящая к N-ацилвинильным производным аминокислот, содержащим высоко активный енаминоновый фрагмент.
Путем региоселективного присоединения к аденину a,b-ацетиленовых g-гидроксинитрилов синтезированы новые типы 9-замещенных аденина.
Полученные данные имеют практическую значимость при создании соединений с полезными свойствами и функциональным назначением. Проведенные исследования значительно расширяют синтетические возможности в области химии ацетилена, связанные с модифицированием классических реакций ацетилена и получением труднодоступных гетероциклических систем (производных 6,8-диокса-бицикло[3.2.1]октанов – феромонов насекомых, 3-окса-1-азабицикло[3.1.0]гексана, синтетических аминокислот с фармакофорным дигидрофурановым фрагментом и ряда других).
Автор защищает актуальное научное направление в химии ацетилена, связанное с развитием классических реакций ацетилена и получением на базе ацетиленовых предшественников новых типов полифункциональных гетероатомных соединений, перспективных в качестве строительных блоков для органического синтеза, лигандов и материалов с полезными свойствами; а также основные результаты проведенных рентгеноструктурных и кристаллохимических исследований, предложенные механизмы реакций, и выводы, сделанные на основе выполненных исследований.
Личный вклад автора. Автором сформулирована тема диссертации, определены научные задачи, исследовано кристаллическое и молекулярное строение продуктов новых химических реакций, обсуждены вероятные схемы реакций, проведен анализ литературных данных, сформулированы основные выводы.
Апробация работы и публикации
Основные результаты диссертации изложены в 24 статьях в рецензируемых отечественных и зарубежных периодических изданиях, рекомендованных ВАК. Кроме того, результаты работы представлены на национальных и международных конференциях (тезисы опубликованы): Международной конференции по органической химии “Химия соединений с кратными углерод-углеродными связями” (Санкт-Петербург, 2008), научной конференции «Органическая химия для медицины «Орхимед-2008» (Черноголовка, 2008), 10-м Симпозиуме журнала «Tetrahedron» «Проблемы органической и биоорганической химии» (Париж, 2009), Международной конференции "Основные тенденции развития химии в начале XXI века" (С.-Петербург, 2009), 1-ой Международной конференции "Новые направления в химии гетероциклических соединений" (Кисловодск, 2009), 12-м Европейском симпозиуме по органической реакционной способности (Хайфа, 2009), 12-й Европейской конференции по химии твердого состояния (Мюнстер, 2009), 12-й Объединенной конференции RSC-SCI по гетероциклической химии (Брайтон, 2010), II-й Конференции для молодых ученых “Дифракционные методы исследования вещества: от молекул к кристаллам и наноматериалам»” (Черноголовка, 2010), 3-м Европейском химическом конгрессе (Нюрнберг, 2010).
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 6 глав, основных результатов и выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 428 страницах машинописного текста, включая 54 таблицы, 125 рисунков, 69 схем и 638 литературных ссылок. Во введении обоснованы актуальность темы и сформулированы цели и задачи диссертационной работы, освещены научная новизна и практическая значимость результатов исследования. В первой главе (литературный обзор) представлены публикации преимущественно последних данных по новым реакциям ацетиленов, а также приведены успехи в модифицировании классических ацетиленовых реакций. В главах 2-5 описываются реакции и обсуждаются полученные результаты. В 6 главе приведена экспериментальная часть. Завершается работа изложением основных результатов и выводов и списком цитируемой литературы.
Исследования выполнены совместно с сотрудниками Иркутского института химии им. А.Е. Фаворского СО РАН, которые осуществили синтез кристаллов.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность академику Б.А.Трофимову за поддержку темы диссертации и сотрудникам Иркутского института химии им. А.Е. Фаворского СО РАН - д.х.н. Л.В.Андриянковой, д.х.н. А.М.Васильцову, д.х.н. Т.Е.Глотовой, д.х.н. Н.К.Гусаровой, д.х.н. Л.Б.Кривдину, д.х.н. С.Ф.Малышевой, д.х.н. А.Г.Малькиной, д.х.н. С.А.Медведевой, проф. А.И.Михалевой, д.х.н. Н.А.Недоле, д.х.н. Л.Н.Собениной, д.х.н. Е.Ю.Шмидт, к.х.н. Б.Г.Сухову, к.х.н. О.А.Тарасовой; а также к.х.н. Г.Г.Александрову, к.ф-м.н. Г.В.Шилову, к.ф-м.н. А.Н.Чехлову и всем соавторам за активное сотрудничество. Автор искренне благодарен своему учителю профессору О.А.Дьяченко за постоянное внимание и поддержку.
