2-(N-фталоил)-N, N, N', N'-тетраметилвинамидиния перхлорат и бис-[1-гидрокси-(4,6-ди-трет-бутил-фенил)]амин как синтоны для получения гетероциклических соединений Валиуллин Василь Акрамович

Содержание к диссертации

Введение

1. Обзор литературы. Синтез и свойства замещенных аналогов малондиальдегида и их производных . 7

1.1. Синтез замещенных аналогов малондиальдегида. 7

1.1.1. Формилирование алифатических соединений по Вильсмайеру-Хааку . 7

1.1.2. Формилирование карбонильных соединений и их производных. 8

1.1.3. Формилирование соединений, содержащих систему сопряженных двойных связей. 12

1.1.4. Формилирование а-замещенных карбоновых кислот. 13

1.1.5. Формилирование активной метильной группы. 17

1.2. Другие методы получения аналогов малоновых альдегидов. 19

1.2.1. Реакции производных ацетилена. 19

1.2.2. Гидролиз галогенсодержащих соединений . 21

1.2.3. Присоединение галоформов и ортоэфиров к двойной связи. 21

1.3. Свойства продуктов реакции Вильсмайера. 23

1.3.1. .Взаимопревращение продуктов реакции Вильсмайера. 23

1.3.2. Взаимодействие аминоакральдегидов с электрофильными реагентами. 25

1.3.3. Взаимодействие аминоакральдегидов с нуклеофильными реагентами. 26

1.3.4. Свойства солей винамидиния. 29

1.4. Синтез и свойства макрогетероциклических металлохелатов. 32

1.4.1. Синтез макрогетероциклов. 32

1.4.2. Синтез макрогетероциклических металлохелатов. 35

1.4.3. Химические свойства макрогетероциклических металлохелатов. 39

2. Обсуждение полученных результатов. 42

2.1. Формилирование производных глицина и свойства полученных продуктов. 42

2.1.1. Формилирование аналогов К,М-диалкиламиноглицина. 42

2.1.2. Получение производных глицина со свободной аминогруппой . 45

2.1.5. Строение перхлората 2-(К-фталоил)-М,К,М',К',-тетраметилвинамидиния. 47

2.1.4. Химические свойства солей винамидиния. 50

2.2. Взаимодействие трет-бутилпроизводных пирокатехина и орто-бензо- хинона с аммиаком. 56

2.2.1. Взаимодействие rapem-бутилпроизводных пирокатехина и орто- бензохинона с аммиаком . 56

2.2.2. Кристаллическая структура продукта взаимодействия 3,5-ди-гарет-бутил- пирокатехина и 3,5-ди-т/?ет-бутил-орто-бензохинона с аммиаком по данным РСА. 74

3. Экспериментальная часть. 80

4. Выводы. 88

5. Список литературы

• Формилирование алифатических соединений по Вильсмайеру-Хааку
• Гидролиз галогенсодержащих соединений
• Получение производных глицина со свободной аминогруппой
• Взаимодействие rapem-бутилпроизводных пирокатехина и орто- бензохинона с аммиаком

Введение к работе

Одним из основных направлений развития синтетической органической химии на современном этапе является поиск путей синтеза высокореакционных синтонов, позволяющих получать органические соединения разнообразного строения. Обычно, для этой цели используют известные химические реакции. Так, например, полученные при формилировании замещенных фенилуксусных кислот соли (реакция Вильсмайера-Хаака), являются удобными соединениями для синтеза оснований Шиффа, макрогетероциклов и винамидинов полимерного строения.

Значительный интерес к вышеуказанным соединениям обусловлен еще и тем, что они способны вступать в реакции с солями переходных металлов, образуя координационные соединения разнообразного строения.

Цель настоящей работы состояла в поиске путей синтеза новых синтонов, позволяющих получать гетероциклические и макрогетероциклические соединения, которые, в свою очередь, способны образовывать координационные соединения с ионами переходных металлов. В работах Арнольда впервые была показана способность монозамещенных уксусных кислот вступать в реакцию формилирования при взаимодействии с реагентом Вильсмайера N Хаака (РОС13, ДМФА). Уникальность строения и высокая реакционная способность образующихся солей, щелочной гидролиз которых приводит к образованию трехугле-родного дикарбонильного синтона, позволили синтезировать и детально исследовать строение и химические свойства большого числа неизвестных ранее соединений, способных, в свою очередь, образовывать бис-хелатные и макроцик-лические молекулы. В данной работе была изучена возможность протекания -описанных выше превращений в ряду простейших N-замещенных аминокислот (производных глицина).

Также нами была изучена возможность использования солей тетраметил-винамидиния в качестве аналогов традиционно используемых диметиламиноа-кральдегидов и малондиальдегидов, что позволяет избежать лишней стадии выделения этих соединений.

В химии комплексов металлов со свободнорадикальными лигандами наряду с пространственно экранированными нитроксильными и о-хиноновыми системами в качестве лигандов могут быть задействованы пространственно экранированные феноксазинильные системы, в частности 1-Н-1-оксо-2,4,6,8-тетракис-трет-бутилфеноксазинон. В нашей лаборатории, на протяжении ряда лет, исследовались пространственно-экранированные феноксазиновые системы. Принято считать, что образование феноксазиновой системы происходит в результате внутримолекулярной циклизации в образующемся, на первой стадии реакции, нестабильном диоксидифениламине или о-индофеноле. Однако, до последнего времени, каких- либо доказательств образования таких продуктов получено не было.

Интерес к соединениям такого типа, в первую очередь, вызван тем , что восстановленная форма соединения способна образовывать координационные соединения различной степени окисления.

Взаимодействие в трехкомпонентной системе включающей 3,5-ди-трет-бутилпирокатехин, 3,5-дитрет-бутил-о-бензохинон и водный раствор аммиака, основано на способности 3,5-ди-трет-бутилпирокатехина вступать в реакцию с аммиаком, образуя соответствующий о-аминофенол, который в свою очередь легко реагирует с 3,5-дитрет-бутил-о-бензохиноном с образованием фенокса-зинона.

При нагревании такой смеси в среде изопропилового спирта нами получен продукт, являющийся 1 : 2 молекулярным комплексом бис-[1-гидрокси-(4,6-дитрет-бутилфенил)] амина и 1-Н-1-оксо-2,4,6,8-тетракис-трет-бутилфеноксазинона, строение которого было установлено методом рентгено-структурного анализа.

Формилирование алифатических соединений по Вильсмайеру-Хааку

Наиболее общим методом введения одной или нескольких формиль ных групп в молекулу органического соединения является открытая в 1927 году реакция Вильсмайера-Хаака [1]. В отличие от родственных реакций Гаттермана [2], Гаттермана-Коха [3], Раймера-Тиммана [4] и др., носящих достаточно частный характер, реакция Вильсмайера-Хаака является универсальным процессом, дающим возможность формилирования разнообразных органических соединений. Метод заключается во взаимодействии М,К-дизамещенных амидов муравьиной кислоты и хлорирующего агента с образованием комплекса солевой структуры [5,6,7].

Использование разнообразных амидов карбоновых кислот и применение таких хлорирующих агентов как хлористый тионил и фосген позволило заключить, что N-незамещенные и монозамещенные амиды не взаимодействуют с хлорирующими агентами, а дизамещенные амиды, кроме диметилформамида (ДМФА), взаимодействуют только с хлорокисью фосфора [9]. Кроме того, некоторые соединения не реагируют в условиях реакции Вильсмайера-Хаака с N-алкил-форманилидами, тогда как использование более дешевого и доступного ДМФА позволяет их проформили-ровать [10]. Главное отличие этой реакции от вышеперечисленных методов состоит в возможности формилирования алифатических соединений. Возможность взаимодействия реагента Вильсмайера-Хаака с алифатическими соединениями впервые была установлена Шмидле и Барнетом [11]. Формилируя стирол, они вместо ожидаемого винилбензальдегида получили а-фенилакриловый альдегид. Продолжая работу в этом направлении, Арнольд [12] обнаружил, что для гладкого протекания реакции необходима дополнительная активация двойной связи или метиленовой группы.

Формулирование карбонильных соединений и их производных. Альдегиды и кетоны, а также их ближайшие производные, являются наиболее удачными объектами для формилирования. Было показано, что при взаимодействии винилалкиловых эфиров, ацеталей и алкил-3-хлорал-киловых эфиров с агентом, полученным из ДМФА и фосгена, образуется следующий набор продуктов [12]:

Похожим образом в данных условиях реагируют и ацетали ароматических кетонов. Диэтилацеталь ацетофенона образует набор производных аналогично виниловым эфирам и ацеталям алифатических альдегидов [13].

В отличие от своих производных, кетоны реагируют с образованием несколько иных продуктов. Связано это, по-видимому, с тем, что карбонильная группа, не защищенная алкильными заместителями, в условиях реакции легко енолизуется и замещается на галоген. В механизме, предлагаемом авторами [14], енольная форма подвергается электрофильной атаке с образованием катиона, который перегруппировывается в конечный продукт.

Циклические алифатические кетоны [15] в условиях реакции Вильс-майера-Хаака претерпевают двукратное формилирование с образованием различных производных.

И совсем по-другому ведут себя диалкилкетоны. Формилирование гомологов ацетона приводит к образованию продуктов двойного форми-лирования. При этом атом кислорода исходного кетона замещается на два атома галогена, а обработка продукта щелочью приводит к циклизации

Ацетон и метилалкилкетоны, в отличие от своих ацеталей, реагируют с тремя молекулами формилирующего агента с образованием иминие-вых солей следующей структуры [16]. Кроме виниловых эфиров формилированию также могут быть подвергнуты и вещества, содержащие активированную систему сопряженных двойных связей. В этом случае реагент Вильсмайера атакует дальнюю от функциональной группы двойную связь с удлинением цепи [17].

В аналогичную реакцию вступают 1,1,3-триалкоксибутаны и диал-киламинобутадиен. Диаминобутадиены реагируют с двумя молекулами реагента Вильсмайера [18]. Катионы, содержащие сопряженную систему двойных связей, например, соли винамидиния, также претерпевают подобные превращения [17].

Гидролиз галогенсодержащих соединений

Взаимодействие ортоэфиров с винилалкиловыми эфирами, полученными удалением молекулы спирта из ацеталей при помощи бисульфита натрия или сульфаниловой кислоты [35], приводит к образованию тетра-ацеталей малоновых альдегидов [36]. Однако, для подавления побочных процессов сшивки приходится использовать большой избыток ортоэфира.

У данного метода есть еще один существенный недостаток. В отличие от алкилмалоновых альдегидов, получающихся с выходом 50-70%, арилмалоновые альдегиды образуются менее успешно, не более 28% [37].

Помимо способов прямого введения формильной или ацетильной группы в молекулу органического соединения, заслуживает внимания метод модификации готового дикарбонильного фрагмента. Поскольку а-по-ложение в молекулах этих соединений является наиболее реакционноспо-собным по отношению к электрофильным атакам, то катионы и вещества с поляризованной С-Х связью достаточно легко взаимодействуют с а-уг-леродным атомом. Этот метод позволил получить а-алкил [38] и а-гета-рилдикарбонильные соединения [39]. ROC

Свойства продуктов реакции Вильсмайера. 1.3.1. .Взаимопревращение продуктов реакции Вильсмайера.

В зависимости от условий проведения реакции Вильсмайера-Хаака, структуры исходных соединений и, особенно, условий выделения могут быть получены разнообразные производные Р-дикарбонильных соединений: соли винамидиния, р-диметиламино-, р-окси-, р-хлор-, р-алкоксиа-кральдегиды и кетоны.

Все эти соединения, при необходимости могут взаимопревращаться друг в друга различных условиях. Так, щелочной гидролиз азотсодержащих и алкоксипроизводных приводит к р-оксиальдегидам и их натриевым или калиевым солям.

Взаимодействием кислородсодержащих продуктов с хлорирующим агентом получаются хлорпроизводные [40].

Обмен атома хлора на аминогруппу осуществляется подобно обычной реакции алкилирования аминов галогеналканами [41], причем соответствующие аммониевые соли можно получить только таким способом [42,43].

Взаимодействием кислородсодержащих производных с солями ами-диния можно получить винамидиниевые соли [44]. . Взаимодействие аминоакральдегидов с электрофильными реагентами.

Среди всего набора производных, получаемых по реакции Вильс майера-Хаака, особенный интерес вызывают соли винамидиния и диме-тиламиноакральдегиды, поскольку они проявляют более высокую реакционную способность. Благодаря своему строению Р-аминовинилкарбо-нильные соединения проявляют ряд весьма интересных свойств. В отличие от Р-диальдегидов, легко алкилирующихся по одному атому кислорода галоидными алкилами [12], аминоакральдегиды не образуют продуктов О-алкилирования. Аминогруппа в этих соединениях также не способна к алкилированию. Вместо этого галоидный алкил атакует открытое а-поло-жение углеродной цепи с образованием а-замещенных производных [38].

Как было указано автором, Р-аминовинилальдегиды и кетоны являются винилогами диалкиламидов карбоновых кислот. Благодаря наличию винильного фрагмента их свойства меняются: реакционная способность и нуклеофильность атома азота в значительной мере подавляется и во многих процессах участвует, прежде всего, винильный фрагмент. Его присутствие образует систему сопряженных двойных связей, в которой электронная плотность распределяется по всему фрагменту.

Взаимодействие аминоакральдегидов с нуклеофильными реагентами. В реакциях нуклеофильного замещения участвует, прежде всего, диалки-ламиногруппа. Это доказывается в реакциях с гидроксиламинами и реактивами Гриньяра [38]. При взаимодействии р-диметиламновинилкетонов с гидроксиламином образуются только 5-алкилизоксазолы.

Реактивы Гриньяра взаимодействуют с р-аминовинилкетонами не затрагивая карбонильную группу, а замещая диметиламиновый остаток. Реакции Р-дикарбонильных соединений с аминами приводят зачастую к образованию продуктов замещения только одного атома кислорода [45, 46, 47], хотя в процессах циклизации замена аминопроизводных на малоновые альдегиды иногда приводит к резкому увеличению выхода

Получение производных глицина со свободной аминогруппой

Однако все исследованные на тот момент кислоты содержали ароматические гетероциклические фрагменты, в то время как алифатические гетеро-циклы к рассмотрению не принимались, поскольку считались аналогами 1Ч,]Ч-диметилглицина. Несмотря на это, нами было обнаружено, что N-пипе-ридил-, N-морфолил- и N-пиперазилуксусные кислоты 1 формилируются с удовлетворительными выходами. Мы вводили N-гетарилуксусные кислоты в реакцию Вильсмайера-Хаака в виде их натриевых солей, которые с высокими выходами (90-95%) образуются при реакции пиперидина, морфолина и N-ме-тилпиперазина с натриевой солью монохлоруксусной кислоты.

Образующиеся в результате реакции формилирования соли винамиди-ния обладают высокой растворимостью, что затрудняет их выделение в индивидуальном виде. Однако в результате щелочного гидролиза образуются смеси соответствующих замещенных диметиламиноакральдегидов и мало-ндиальдегидов 2, которые мы выделяли по стандартной методике в виде темно-коричневого масла и использовали без дальнейшей очистки для синтеза макрогетероциклов и аминоиминов. =0

Как и ожидалось, альдегиды 2 обладают достаточно высокой реакционной способностью. В реакции с фенилендиамином они с удовлетворительными выходами образуют высокоплавкие и труднорастворимые винамидины полимерного строения.

Однако, темплатным синтезом были получены комплексы Со (II) с макрогетероциклическими лигандами. Получение производных глицина со свободной аминогруппой. Помимо получения соединений, содержащих готовый гетероциклический фрагмент, главной нашей целью было получение активного трехугле-родного фрагмента, содержащего свободную аминогруппу. Свободная аминогруппа открывает богатые возможности для модификации готовых амино-иминов, гетероциклов и макрогетероциклов, поскольку, как было показано ранее, она легко вступает в различные реакции [79].

Арнольдом было установлено, что аминоуксусная кислота в реакцию Вильсмайера-Хаака не вступает [19], а формилированию подвергается только гидрохлорид глицина, однако полученные производные не отщепляют образовавшуюся N-формильную группу даже в условиях щелочного гидролиза [20].

Поэтому мы решили защитить аминогруппу стандартной ацильной защитой. Стандартным способом защиты аминогруппы является ацилирование уксусным ангидридом, однако оказалось, что N-ацетилглицин при формили-ровании образует высоко растворимую соль винамидиния, которая не может быть выделена из реакционной смеси. Попытки извлечь ее в виде диметила-миноакральдегида при помощи щелочного гидролиза, по видимому, приводят к частичному отщеплению ацетильной группы и самоконденсации. Этих недостатков оказался лишен N-фталоилглицин 5, который получается по известной реакции фталевого ангидрида и глицина в толуоле [80], легко выделяется и очищается простой перекристаллизацией из водного метанола с добавкой НС1.

Взаимодействие rapem-бутилпроизводных пирокатехина и орто- бензохинона с аммиаком

Для бензоидных структур 18 закрепленных О- либо N-метилировани-ем, характерно единообразие численных значений всех параметров (к298 AG , AH ,AS ) ZjE-процесса, протекающего по механизму планарной инверсии [90], тогда как для исходных хинониминов регистрируется резкое уменьшение констант скоростей и увеличение энтальпийной и энтропийной составляющих энергии активации в неполярных растворителях. Это обусловлено совмещением с планарной г,Е-конверсией еще двух процессов [92]: разрыва внутримолекулярной водородной связи (ВВС) 0(N)-H N и торсионного поворота на 180 фенольного (анилинового) фрагмента молекул. В сильнополярном ДМСО, разрывающем ВВС, кинетические параметры молекул (М = Н) имеют значения, характерные для О(М)-метилпроизводных).

При переходе к фенилртутным производным и металлохелатам о-индофенолов наблюдаются более значительные батохромные сдвиги Хщах и вариации параметров кинетики 7,Е-изомерии лигандов, которые, однако, не следуют простой зависимости, выявленной для исходных хинониминов, что обусловлено вариабельностью их строения (структурная изомерия) и подвижностью (мезомерия) электронного распределения. Так, при металлохела-тировании эффективнее, чем при образовании ВВС, может блокироваться участие неподеленной электронной пары (пр) иминного азота в механизме планарной инверсии лигандов, что приводит, например в случае Zn-хелата к большому увеличению барьера активации Z,E-H30MepHH в неполярном толуоле. Резкое ( 10 ккал/моль) уменьшение этого барьера в полярном ДМСО свидетельствует, очевидно, об N— N -перекоординации металла и реализа -60 ции бивариантного механизма торсионного кручения. Однако для РЬ !-хелата этого же лиганда при однотипном сдвиге кпах в ДМСО возрастает и барьер, и энтропия активации, что связывается с необходимостью разрыва координационной связи при Z,E- конверсии.

Кроме этого, для тетраэдрических координационных узлов бисхелатов лиганда 18 с Zn и РЬ11 характерен дигональный твист [93] и, если он способен протекать через цис-планарую промежуточную форму, неизбежно снижение активационных барьеров торсионного кручения /wpem-бутилирован-ных хинониминовых фрагментов из-за стерических препятствий. По этой же причине бензаннелирование в положения 5,6 о-индофенолов в решающей мере определяет прогрессивное уменьшение барьеров активации Z,E-динамики в ряду ОСН3, Н, PhHg- и Hg п производных нафтоиндофенола. Здесь ВВС, О— N-миграция и хелатирование приводят к торсионному развороту хинониминового фрагмента уже в основных состояниях. Напротив, бензоид-но-хиноидные переходы для 4,5-бензаннелированного о-индофенола вообще невозможны из-за энергетической невыгодности потери ароматичности нафталиновым фрагментом [93], поэтому вариации кинетики и активации Z,E-конверсии такого лиганда не сопровождаются сколько-нибудь значительными СМещеНИЯМИ Хщах.

Принято считать, что взаимодействие 3,5-ди-/я/?ет-бутилпирокатехина с аммиаком и кислородом воздуха протекает так, что вслед за образованием соединения 16 происходит внутримолекулярная циклизация в феноксазинон 13.

Исследования [94] показали, что неустойчивый продукт 16 может быть стабилизирован благодаря образованию хелатных комплексов с ионами переходных металлов, получаемых темплатным синтезом.

Темплатная реакция в пиридине 3,5-ди-/и/?ет-бутил-пирокатехина с аммиаком в присутствии 02 и металлической меди, или солей Си1 и Си11 приводит с выходами 36, 72 и 82% соответственно к пиридиновому аддукту лиганда 16 [94]. Перекристаллизацией его из дихлорметана получен бисхелат 19. Его строение доказано методом РСА. Пиридиновый аддукт имеет основное триплетное состояние с локализацией неспаренных электронов на АО металла (орбиталь о-типа) и ВЗМО лиганда (орбиталь я-типа). Различие симметрии этих орбиталей приводит к их ортогональности и стабилизации основного триплетного состояния. Значение интеграла обменного взаимодействия ферромагнитного типа, найденное по уравнению Ван Флека, -2J превышает 200 см"1. Вследствие эффектов Яна-Теллера атом меди находится не в центре октаэдрического координационного полиэдра хелата ЬгСи, а смещен к О-атомам одного из лигандов и соответствующие Cu-O-связи укорочены на 0,2 А.

Комплексы металлов третьей группы с о-гидроксифенил-о-хиноними-ном 16 были получены в темплатных реакциях 3,5-ди-т/?ега-бутилпирокате-хина 15 с аммиаком в присутствии кислорода воздуха и солей металлов М = La, Се, Рг, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Al, Sc, Ga, Y, In [90, 96]. Трислигандная структура лантанидных комплексов подтверждена методом РСА на примере хелата L3Sm.

Лиганды расположены по «пропеллеру» и донорные атомы (60+3N) формируют вокруг атома Sm координационный полиэдр в виде слегка скрученной (на 15) трехшапочной тригональной призмы (КЧ = 9) с атомами кислорода в вершинах призмы и атомами азота над ее боковыми гранями. Межатомные расстояния Sm-N (2,597-2,605 А) несколько больше, чем Sm-O (2,383-2,417 А), Оба шестичленных цикла в каждом лиганде имеют одинаковые, промежуточные между ароматической и чисто хиноиднои геометрию и электронное распределение.

Похожие диссертации на 2-(N-фталоил)-N, N, N', N'-тетраметилвинамидиния перхлорат и бис-[1-гидрокси-(4,6-ди-трет-бутил-фенил)]амин как синтоны для получения гетероциклических соединений

Синтез и строение N, O-гетероциклических соединений на основе анионных -аддуктов 2,4-динитрофенолаЛеонова Ольга Викторовна

Взаимодействие солей 2-бензопирилия и их моноциклических аналогов с соединениями, содержащими С-N-связьТосунян, Дмитрий Эдуардович

Новые органические N,S-содержащие лиганды на основе 2-тиозамещённых бензальдегидов и их комплексные соединения с Ni(II), Co(II), Cu(II)Шиморский Антон Владимирович

Синтез, строение и химические превращения производных 1,2,4-триазол-3-тионов и ряда других N,S-содержащих гетероциклических соединенийРжевский, Андрей Александрович

«Реакции 2-диазо-1,3-дикарбонильных соединений с тиокетонами и ацетиленовыми диполярофилами: синтез S-, N- и О-содержащих гетероциклов»Иванов Алексей Владимирович

Гетероциклизация N-(2-гетерил)амидов 4-арил-2-гидрокси-4-оксо-2-бутеновых кислот под действием диазосоединений Гаврилова Наталья Евгеньевна

Синтез и электрохимическое исследование дииминодитиолатных, дииминодисульфидных и дииминосульфидных N_2 S_2-комплексов никеля(II) и кобальта (II) Чижевский Андрей Анатольевич

ГЕМ.-дихлорциклопропилкетоны в синтезе 2-N,N-диалкиламинозамещенных фуранов, тиофенов и пирроловСадовский, Олег Леонович

N-(2-карбоксиэтил)хитозан: синтез, свойства, применениеПестов Александр Викторович

Окислительное аминирование 6,8-диметилпиримидо-[4,5-с]пиридазин-5,7(6Н,8Н)-диона и его N (2)-оксидаБеседин Денис Валентинович