С-амино-1,2,4-триазолы и конденсированные гетероциклические системы на их основе: синтез, особенности строения и реакционная способность Чернышев, Виктор Михайлович

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Чернышев, Виктор Михайлович. С-амино-1,2,4-триазолы и конденсированные гетероциклические системы на их основе: синтез, особенности строения и реакционная способность : диссертация ... доктора химических наук : 02.00.03 / Чернышев Виктор Михайлович; [Место защиты: Юж. федер. ун-т].- Ростов-на-Дону, 2012.- 351 с.: ил. РГБ ОД, 71 12-2/85

Введение к работе

Актуальность темы. С-амино-1,2,4-триазолы (АТ) и их производные применяются в качестве реагентов в производстве пестицидов, лекарственных препаратов, красителей, фотоматериалов, антикоррозионных добавок, полимеров, аналитических реагентов и высокоэнергетических материалов. Выполненный нами патентный поиск показал, что за последние 20 лет в США, Европе и России запатентовано более 900 изобретений, в которых используются АТ и конденсированные производные, получаемые на их основе.

Однако важной проблемой, ограничивающей возможности практического использования АТ, является низкая эффективность методов получения многих аминотриазолов, содержащих функциональные или фармако- ^NH2 форные группы R и R'. Зачастую применяемые методы синтеза АТ многостадийны, требуют использования токсичных и огнеопасных растворителей, дорогостоящих реагентов и малопригодны для реализации в промышленном масштабе. С другой стороны, некоторые перспективные и, казалось бы, универсальные реакции (например, реакция аминогуанидина с карбоновыми кислотами) получили ограниченное применение из-за низкого выхода целевых продуктов. Отсутствие знаний о физико- химических закономерностях таких реакций препятствует развитию перспективных путей синтеза. Поэтому актуальной проблемой является разработка эффективных методов получения АТ из доступных исходных веществ, позволяющих сократить число технологических стадий и повысить безопасность и экологичность производства.

Востребованность АТ в качестве реагентов во многом обусловлена тем, что они легко реагируют с электрофилами, причем в роли реакционного центра может выступать как аминогруппа, так и любой из атомов азота цикла. Полифункциональность, с одной стороны, открывает широкие возможности для синтеза разнообразных производных 1,2,4- триазола и конденсированных гетероциклов, а с другой стороны остро ставит проблему селективности реакций с электрофилами. Во многих случаях недостаточность знаний о реакционной способности АТ, возможность протекания перегруппировок и отсутствие эффективных методов управления этими процессами осложняют применение АТ в качестве реагентов. Из-за этих проблем многие практически ценные производные получают не с помощью реакций АТ с электрофильными реагентами, а путем построения аминотриа- зольного фрагмента на основе ациклических предшественников, содержащих необходимые заместители. Такие методы обычно многостадийны и требуют применения дорогостоящих реагентов (например, синтез гербицида pyroxsulam). Поэтому не менее актуальной задачей является установление взаимосвязи «структура - реакционная способность» в ряду АТ и создание новых селективных методов синтеза производных 1,2,4-триазола на основе реакций АТ с электрофильными реагентами.

Исследования проводились в рамках научного направления университета «Синтез новых соединений с заданными свойствами и источников энергии» при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», государственные контракты П302, П1297, П1472, ГК 02.740.11.0754. Часть исследований выполнена в рамках хоздоговорных НИР.

Цель работы - разработка эффективных методов получения С-амино-1,2,4- триазолов, установление закономерностей «структура - реакционная способность» в ряду этих соединений и создание новых селективных методов синтеза замещенных триазолов и конденсированных гетероциклов на основе реакций С-амино-1,2,4-триазолов с электро- фильными реагентами.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

Исследование реакций образования АТ из аминогуанидина и карбоновых кислот, определение строения и физико-химических свойств промежуточных продуктов - гуанил- гидразидов карбоновых кислот.

Разработка, с учетом кинетических и термодинамических закономерностей реакций, особенностей строения и физико-химических свойств промежуточных продуктов, новых эффективных способов получения АТ.

Исследование особенностей строения, физико-химических свойств и реакций АТ с элек- трофильными и биэлектрофильными реагентами.

Разработка новых селективных методов синтеза замещенных 1,2,4-триазолов и конденсированных гетероциклов на основе реакций АТ с электрофильными и биэлектрофиль- ными реагентами.

Научная новизна. Впервые установлены количественные термодинамические и кинетические закономерности, предложен механизм реакции образования 2- гуанилгидразидов из аминогуанидина и карбоновых кислот в кислых водных растворах. В результате экспериментального и теоретического исследования строения, кислотно- основных и таутомерных свойств 2-гуанилгидразидов карбоновых кислот впервые установлена цвиттерионная структура этих соединений в кристаллическом состоянии и полярных растворителях. На основании кинетических исследований предложены механизмы реакций циклизации 2-гуанилгидразидов в аминотриазолы.

Установлено, что реакция N-цианогуанидина с тиосемикарбазидом приводит к образованию 1-замещенных 3,5-диамино-1,2,4-триазолов, а не производных 1,3,5-триазина.

Впервые исследованы особенности строения, кислотно-основные свойства и таутомерия ряда функционально замещенных 5-амино-1,2,4-триазолов и их солей. Показано, что в ряду 3-Я-5-амино-1,2,4-триазолов положение таутомерного равновесия зависит преимущественно от полярности растворителя и относительной полярности таутомеров, а не от электроноакцепторных (донорных) свойств заместителя R.

В результате комплексного исследования реакционной способности С-амино-1,2,4- триазолов и их производных выявлены новые закономерности, раскрывающие взаимосвязь между строением и реакционной способностью аминотриазолов по отношению к электро- фильным реагентам. Впервые обнаружено, что при алкилировании 1-замещенных 3,5- диамино-1,2,4-триазолов и частично гидрированных 2-амино-1,2,4-триазоло[1,5- а]пиримидинов, помимо продуктов эндоциклического алкилирования, образуются алкила- мино- и диалкиламинопроизводные. Установлено, что эндоциклическое алкилирование 1-замещенных 3,5-диамино-1,2,4-триазолов может протекать с участием как атома N4, так и N2. Предложены новые методы избирательной защиты и активации различных реакционных центров в молекулах С-амино-1,2,4-триазолов путем введения ацильных групп.

Обнаружен ряд новых перегруппировок и рециклизаций:

перегруппировка 2-(2,5-диоксопирролидин-1-ил)гуанидина в производные 5-амино- 1,2,4-триазол-3-илпропановой кислоты при действии нуклеофилов, установлен ее механизм;

перегруппировка 2-замещенных-3-амино-1,2,4-триазоло[4,3-а]пиримидинов в 1- замещенные-3-амино-1,2,4-триазоло[4,3-а]пиримидины;

рециклизация солей 1-замещенных 2-амино-1,2,4-триазоло[1,5-а]пиримидинов в соли 1 -замещенных 3 -амино-1,2,4-триазоло[4,3 -а]пиримидинов;

редкий пример перегруппировки солей 2-бензил-3-амино-1,2,4-триазоло[4,3- а]пиримидинов по Димроту с отщеплением бензильной группы в мягких условиях.

Необычная направленность рециклизаций в ряду азолопиримидинов объяснена на основании квантовохимического анализа относительной термодинамической стабильности, а также новых данных об особенностях строения этих соединений.

Разработаны новые селективные методы синтеза аминотриазолов, замещенных 1,2,4- триазолов и конденсированных гетероциклов, включающих аминотриазольный фрагмент.

Практическая ценность. Разработаны новые способы получения веществ, применяющихся в промышленности и научных исследованиях: 5-амино-3-Я-1,2,4-триазолов (R = алкил-, арил-, пиридил-, (C^₁₁COOH, (C^₁₁COOR, (CH2)nCONR¹R², ArSO2NH-), бис-5- амино-1,2,4-триазол-3-илалканов, замещенных 3,5-диамино-1,2,4-триазолов, 3,5-динитро- 1,2,4-триазола и конденсированных гетероциклов, содержащих в своих молекулах фрагмент 5-амино-1,2,4-триазола. Разработанные способы позволяют существенно увеличить выход и степень чистоты целевых продуктов, уменьшить расход реагентов, сократить время синтеза по сравнению с известными аналогами, улучшить экологичность синтезов. Полученные в работе новые физико-химические данные (кинетические уравнения, константы скорости и равновесия, тепловые эффекты, зависимости растворимости от температуры и др.) могут использоваться для разработки и оптимизации технологических процессов.

Исследования частично проводились в рамках выполнения хоздоговорных работ и поисковых НИР. Разработанная методика получения 3-(5-амино-1#-1,2,4-триазол-3- ил)пропановой кислоты внедрена в научно-производственный процесс ООО «Кембридж», г. Москва. Новизна и практическая значимость разработок подтверждены 13 патентами РФ.

Положения, выносимые на защиту.

Результаты исследования строения, физико-химических свойств, закономерностей реакций образования и циклизации 2-гуанилгидразидов карбоновых кислот.

Новые способы получения 3-замещенных 5-амино-1,2,4-триазолов.

Результаты исследования особенностей строения С-амино-1,2,4-триазолов и новые закономерности их реакций с электрофильными и биэлектрофильными реагентами.

Новые методы синтеза замещенных 1,2,4-триазолов и конденсированных гетероциклов на основе реакций С-амино-1,2,4-триазолов и их производных с электрофильными и биэлектрофильными реагентами.

Личный вклад автора. Выбор темы, формулировка цели, задач исследования и основных выводов, обработка и анализ результатов экспериментов. Все результаты, приведенные в диссертации, получены либо самим автором, либо под его руководством, или при его непосредственном участии.

Апробация работы. Материалы диссертации представлены и обсуждены на международных и всероссийских научных конференциях. Ряд разработанных методик прошел испытания в ООО «ИИХР», г. Химки.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 57 научных работ, в том числе 30 статей в рецензируемых российских и зарубежных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 13 патентов на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка цитируемой литературы и четырех приложений. Работа изложена на 338 страницах машинописного текста, включает 94 рисунка и 55 таблиц. Список литературы содержит 566 источников.