Содержание к диссертации
Введение
Синтез и превращения 4-азафлуорена
1. Синтез азафлуореновой системы 5
1.1. Окисление азафлуорантенов и азафенантренов 7
1.2. Конденсации на основе производных индана 8
1.3. Внутримолекулярные конденсации замещённых пиридинов 16
2. Химические превращения 4-азафлуоренов 19
2.1. Реакции окисления 19
2.2. Реакции галогенирования 19
2.3. Реакции конденсации , 20
2.4. Синтезы с участием карбонильной группы в положении .23
2.5. Реакции электрофильного замещения 25
2.6. Образование четвертичных солей и их превращения 21
2.7. Реакции восстановления 30
2.8. 9-Аминопроизводные 4-азафлуорена 31
3. Реакции циклизации с участием заместителей 34
3.1. Синтез спироаннелированных производных 34
3.2. Аннелирование бензольного и пиридинового циклов 40
Обсуждение результатов 44
К Синтез исходных соединений 44
2. Изучение реакционной способности 9-амино- и 9-ацетиламино-4-азафлуоренов (1 и 5) .44
3. Изучение реакционной способности 9-фенацил-4-азафлуорена (2) 51
4. Изучение реакционной способности 9-гидрокси-9-фенацил-4-азафлуорена (3) 67
5. Изучение реакционной способности 9-фенацилиден-4-азафлуорена (4) 72
Экспериментальная часть 80
Выводы , 97
Список литературы
- Окисление азафлуорантенов и азафенантренов
- Внутримолекулярные конденсации замещённых пиридинов
- Синтезы с участием карбонильной группы в положении
- Аннелирование бензольного и пиридинового циклов
Введение к работе
Изучение реакционной способности новых производных биологически активных соединений с целью введения различных фармакофорных групп является актуальной задачей органической химии.
Система 4-азафлуорена - основной фрагмент алкалоидов онихинового ряда, открытых около 25 лет назад. Поэтому синтез новых замещённых и спироаннелированных 4-азафлуоренов важен для поиска биологически активных соединений. 4-Азафлуорен и его производные представляют собой один из основных объектов научных исследований, проводимых кафедрой органической химии Российского университета дружбы народов. На кафедре был разработан эффективный двухстадийный метод синтеза 4-азафлуорена, получено и изучено в синтетическом и биологическом плане большое число 4-азафлуоренов, содержащих функциональные группы как в фениленовом, так и в пиридиновом фрагментах молекулы, замещённых по С9 азафлуорена, а также ряд конденсированных и спироаннелированных гетероциклических систем, содержащих этот фрагмент. Однако 9-амино-4-азафлуорен, 9-фенацилиден- и 9-фенацилзамещённые 4-азафлуорены практически не изучены. В настоящей работе ставилась задача изучить взаимодействие 9-амино(амидо-, алкилгидрокси-, алкиламино-, фенацил-)замещённых 4-азафлуоренов, содержащих несколько реакционных центров, с активированными олефинами в условиях реакции Михаэля, а также изучить реакционную способность карбонильной группы в 9-фенацил- и 9-фенацилиден-4-азафлуоренах и возможность получения новых конденсированных и спироаннелированных гетероциклических систем.
Окисление азафлуорантенов и азафенантренов
Азафлуорены представляют определённый интерес. Среди соединений этого типа найдены достаточно эффективные физиологически активные вещества. Производные азафлуоренов проявляют пестицидную активность, свойства регуляторов роста растений, оказывают антигистамин-ное, антибактериальное, антиоксидантное, нейротропное действие. В медицинскую практику введён тефорин - 2Д4,9-тетрагидро-2-метил-9-фенил-Ш-индено[2,1-с]пиридин - эффективный антигистаминный препарат [1, 2]. Широким спектром биологической активности обладают С9 замещённые 4-азафлуорены. Установлено, что 9-морфолино-4-азафлуорен обладает антигистаминной активностью, однако он значительно менее активен, чем димедрол и фенкарол. 9-[Ы-метил-К-(р-оксиэтил)амино]- и 9-[N-Memn-N-(р-пропионоксиэтил)амино]-4-азафлуорены обладают антиоксидантной активностью перекисного окисления липидов. Соединения относятся к препаратам с умеренной токсичностью (LDso 350 и 300 мг/кг). 9-Бром-4-азафлуорен и 9-(Н-(3-фенилзтиламино)-4-азафлуорен обладают более выраженными свойствами ингибитора электрон-транспортной и энергообразующей функций дыхательной цепи, чем известный фармакологический препарат фенобарбитал [3]. Значительное бактерицидное действие оказывает 9-бензилиден-4-азафлуорен [4]. По данным, полученным в лаборатории фармакологии Российского университета дружбы народов, 9-окси-9-о карбэтоксиалкил-4-азафлуорены обладают кардиотропной активностью [5].
Самое важное значение этих соединений заключается в том, что они могут служить фрагментами систем, близких к алкалоидам. Из растений рода Annonaceae была выделена группа алкалоидов, содержащих фрагмент 4-азафлуоренона. Онихин (1), простейший алкалоид, имеющий строение азафлуоренона, впервые был выделен из Onychopetalum amazonicum в 1976 году и проявил антибактериальную активность [6]. Алкалоидом более сложного строения, содержащим фрагмент азафлуорена, является эуполау-ридин (2), выделенный из коры растений Eupomatiaceae [7].
В существующей обзорной литературе по химии азафлуоренов рассматриваются методы синтеза, изучается и сопоставляется реакционная способность изомерных по положению атома азота азафлуоренов [1, 2]. В выполненных на кафедре органической химии РУДН диссертациях, посвященных азафлуоренам, авторы рассматривают вопросы, в основном затрагивающие области их научных интересов. В настоящем литературном обзоре рассматриваются методы синтеза только 4-азафлуорена, а также его химические свойства, обусловленные взаимным влиянием бензольного, пиридинового, циклопентадиенового циклов, составляющих эту трициклическую конденсированную систему. В третьей главе обсуждаются способы синтеза аннелированных и спироаннели-рованных 4-азафлуоренов на основе 9-замещённых производных.
4-Азафлуорен впервые был выделен Крубером из основного экстракта каменноугольной смолы [8]. Среди известных методов синтеза азафлуореновых систем можно выделить три основные группы. К первой группе относятся синтезы, в которых азафлуорен образуется в результате деградации азотсодержащих поликонденсированных соединений. Во второй группе методов используются конденсации на основе производных индана. И наконец, третья группа объединяет реакции внутримолекулярной циклоконденсации замещённых пи-ридинов.
В основном синтез 4-азафлуоренов идёт через стадию образования азаф-луоренонов с последующим восстановлением их до азафлуоренов. 1.1. Окисление азафлуорантенов и азафенантренов
Окислением замещённых азафенантренов перманганатом калия получены первые производные 4-азафлуоренонов. Так, при окислении 2-фенил-бензо[Ь]хинолин-4-карбоновой кислоты (3) наряду с 2-фенил-6-о-карбоксифенилпиридин 4,5-дикарбоновой кислотой (5) образуется в небольшом количестве 3-фенил-4-азафлуоренон-1-карбоновая кислота (4) [9]. Аналогичным путём из бензо[Ъ]хинолин-2,4-дикарбоновой кислоты получена 4-азафлуоренон-1,3-дикарбоновая кислота [10].
Некоторые азафлуорантены с низкими выходами были превращены в азафлуореноны. При окислении марганцовокислым калием 13-азафлуорантена (6), выделенного путём фракционной разгонки каменноугольного пека, получена смесь 1-азафлуоренон-8-карбоновой кислоты (7) и 4-азафлуоренон-8-карбоновой кислоты (8). Из последней путём декарбоксилирования в присутствии окиси кальция получен 4-азафлуоренон (9) [11].
Внутримолекулярные конденсации замещённых пиридинов
Частично гидрированные 4-азафлуореноны получены внутримолекулярной гетероциклизацией 1,3-индандионов с 3-оксоалкильными (или 3-аминофенильными) заместителями при атоме С2. Например, обработка уксусной кислотой а-анилинометил-р-(1,3-индандион-2-ил)-р-фенилпропиофенона (45) (полученного в результате реакции Манниха 2-(а-фенацилбензил)-1,3-индандиона (43) с вторичным амином и формальдегидом и последующего ами-нообмена образовавшегося основания Манниха (44) с анилином) приводит к 3,4-дигидро-1,4-дифенил-3-бензоил-2Н-индено[ 1,2-Ь]пиридин-5-ону (46) [21]. R2NH/CH20
Этил-чх-ацетил-Р-(2-индан-1,3-дион-2-ил)-р-фенилпропионат (47) при взаимодействии с ацетатом аммония претерпевает циклизацию с образованием производных 1,9а-дигидрофлуорена и 4а,5-дигидроинденопиридина. Количественное соотношение образующихся при циклизации продуктов зависит от реакционной среды. При проведении реакции в уксусной кислоте выход инденопиридина (48) составляет 84%, а выход аминофлуорена (49) — 14%. В присутствии 50% уксусной кислоты соединение (48) не образуется. Добавление апротонных растворителей (бензол, диоксан) благоприятствует образованию инденопиридина (48) [22].
Дигидропроизводные 4-азафлуорена (51, 53) могут быть получены на основе 1,3-индандиона двумя способами: 1) конденсацией 2-арилиден-1,3-индандионов (50) и эфиров Р-аминокротоновой кислоты (либо эфиров ацето-тиоуксусной и ацетодитиоуксусной кислот в присутствии ацетата аммония в качестве азотсодержащей компоненты); 2) конденсацией 1,3-индандиона (52), альдегидной компоненты и (3-аминотиокротоновой кислоты [23].
При конденсации 2-арилиден-1,3-индандионов (54) с цианотиоацетами-дом в присутствии пиперидина с последующим действием алкилгалогенида образуются 5-оксо-2-алкилтио-1,4-дигидроиндено[1,2-Ь]пиридины (56 a-h) с высоким выходом. С незначительно меньшим выходом тетрагидроинденопириди-ны образуются при совместной конденсации 1,3-индандиона (55), ароматического альдегида и цианотиоацетамида в аналогичных условиях [24]. N SCH2R N SCH2R 1.3. Внутримолекулярные конденсации замещённых пиридинов
Доступность и многообразие производных пиридина делает возможным синтез на их основе всех изомерных азафлуоренов. В основном методы синтеза основаны на циклизации замещённых в орто-положении к бензольному или пиридиновому циклу арил- или бензоилпиридинов. В качестве конденсирующих агентов применяют серную кислоту, полифосфорную кислоту, хлористый алюминий. Прямой синтез незамещённого 4-азафлуорена был разработан на кафедре органической химии РУДН. Каталитическая дегидроциклизация З-метил-2-фенилпиридина (57) или 2-о-толилпиридина (59) с одинаковыми выходами (примерно 20%) приводит к 4-азафлуорену (21) независимо от того, осуществляется ли циклизация по фенильному или по пиридиновому циклу. Невысокий выход азафлуорена компенсируется высокой селективностью процесса, а также рециклом непрореагировавшего фенилпиридина. Этот метод оказался удобным и для синтеза замещённых 4-азафлуоренов (18Ь) [25]. Me ел Me
В работе [6] предложен региоселективный синтез замещённого онихина, основанный на циклизации арилпиридинкарбоновой кислоты. 2-(2-Бром-5-метоксифенил)-4-метил-3-пиридинкарбоновая кислота (60) может быть превращена в 6-метоксионихин (61) или в 8-метоксионихин (62), не содержащийся в природе, в зависимости от выбора условий реакции. а) РРА, 130С, 30 (79%); Ь) Н2 / Raney Nt / МеОН/ ЕЮАс / NaOAc, r.t, 15 (86%); с) NaH/THF, затем BuU, -78С, 45і (40%). 4-Азафлуорен, а также 7-галогензамещённые 4-азафлуорены (64) могут быть получены на основе 2-фтор-З-метилпиридина (63) путём последовательных превращений, представленных на схеме [26].
В результате фотохимической циклизации Пшорра 2-диазонийдиарил ке-тонов (65) образуются смеси изомерных азафлуоренонов. Использование фотосенсибилизаторов (три (2,2 -бипиридил)рутения (II) ) снижает образование побочных бензоилкетонов. Так, два изомера (7-метил-2- и -4-азафлуоренона) (66, 67) образуются с суммарным выходом 67% [27].
Синтезы с участием карбонильной группы в положении
Исходными соединениями для исследований, выполненных в рамках настоящей работы, служили 9-амино-4-азафлуорен (1), 9-фенацил-4-азафлуорен (2), 9-гидрокси-9-фенацил-4-азафлуорен (3) и 9-фенацилиден-4-азафлуорен (4). Методики синтеза соединений 1, 2, 4 были разработаны ранее на кафедре органической химии Российского университета дружбы народов [40, 68, 43]. Метод синтеза азафлуорена 3 разработан нами. Получение азафлуоренов 1-4 будет описано в соответствующих главах, посвященных изучению их реакционной способности. 2. Изучение реакционной способности 9-амино- и 9-ацетиламино-4 азафлуоренов (1 и 5) 9-Амино-4-азафлуорен (1) получен восстановлением оксима 4-азафлуоренона-9 гидратом гидразина в присутствии никеля Ренея [40]. Аминоазафлуорен 1 в индивидуальном виде не вьзделялся. Он охарактеризован в виде стабильного N-ацетильного производного - 9-ацетиламино-4-азафлуорена (5).
Реакционная способность аминозамещённых азафлуоренов 1 и 5 практически не изучена. Нам представлялось интересным исследовать поведение этих азафлуоренов в условиях реакции Михаэля. Так как алкилирование соединений 1 и 5 в условиях реакции Михаэля может протекать по двум реакционным центрам (положение 9 и амино или ацетамидная группы), то важно было установить регионаправленность реакции. Кроме того ожидаемые аддукты могут представлять интерес в качестве синтонов для получения диаминозамещённых 4-азафлуоренов, а также спироаннелированных 4-азафлуоренов.
Известно, что 4-азафлуорен алкилируется в условиях реакции Михаэля по положению О) с образованием 9,9-диалкилзамещённых производных [37]. Недавно было показано, что 1-амино-4-азафлуорен цианэтилируется избытком акрилонитрила в присутствии тритона Б как по аминогруппе, так и по положению Сд, давая 1-[К,К-ди-(р-цианоэтил)амино]-9-(р-цианозтил)-4-азафлуорен. Нами было осуществлено алкилирование 9-амино-4-азафлуорена (1) и его N-ацетилзамещённого производного 5 акрилонитрилом, акролеином и метилакрилатом в присутствии тритона Б в бензоле при 20С. В этих условиях цианэтилирование аминоазафлуорена 1 протекает по положению С9 с образованием (60%) 9-амино-9-(р-цианоэтил)-4-азафлуорена (6), который вьзделен и охактеризован в виде дигидрохлорида.
Аналогично протекает и цианэтилирование ацетамидного производного 5. При этом с выходом 52% получен 9-ацетиламино-9-(Р-цианоэтил)-4-азафлуорен (7). Такая регионаправленность реакции цианэтилирования обусловлена тем, что соответствующий карбанион А является ароматическим. Азафлуорен 7 был получен также в две стадии из аминоазафлуорена 1. Также по положению Сд идёт алкилирование 9-ацетиламино-4-азафлуорена (5) акролеином. При этом с выходом 10% образуется 9-ацетиламино-9-(р-формилэтил)-4-азафлуорен (8). Последний получен также в две стадии из аминоазафлуорена 1.
Алкилирование аминоазафлуорена 1 метилакрилатом сопровождается процессами межмолекулярной и внутримолекулярной конденсации первоначального аддукта по (. Последний процесс приводит к образованию 2 -оксоспиро[4-азафлуорен-9,5 -пирролидина] (9), который выделен с выходом 17%. Спиро[азафлуоренпирролидон] 9 образуется также при щелочном гидролизе 9-ацетиламино-9-(Э-цианоэтил)-4-азафлуорена 7 с выходом 25%. СОСНз
Известно, что нитрилы присоединяют амины с образованием амидинов. Из цианэтильного производного 7 и гидроксиламина получен N-гидроксиамидин 10 (14%), на основе которого планировалось синтезировать систему с фрагментом 1,2,4-оксадиазола. Однако небольшой выход соединения 10 затруднил дальнейшее его использование.
Строение соединений 6-10 подтверждено с помощью спектральных данных. В ИК спектрах цианэтильных производных 6 и 7 наблюдается полоса валентных колебаний CN группы при 2245-2250 см"1. Полоса валентных колебаний СО в ацетамидной группе соединений 7, 8, 10 проявляется в области 1650-1680 см"1, а колебания NH - в виде широкой полосы в области 3300-3400 см 1. Колебания СО формильной группы в ИК спектре соединения 8 проявляются в виде интенсивной полосы при 1725 см 1. Валентные колебания СО пирролидонового фрагмента спиросоединения 9 проявляются в виде интенсивной полосы при 1700 см"1, а полоса NH - в области 3300-3600 см"1, что хорошо согласуется с литературными данными. В ИК спектре соединения 10 отсутствует полоса валентных колебаний CN группы. Валентные колебания свободных и ассоциированных NH2 и ОН групп проявляются при 3350-3600 см"
В масс-спектрах соединений 6-10 наблюдаются пики молекулярных ионов различной интенсивное , чххпветствующие их брутто-формулам. Основные направления фрагментации ионов М замещённых азафлуоренов 6-8, 10 связаны с разрывами в циано(формил, гидроксиамидин)этильном и амидном радикалах.
В масс-спектрах соединений 6, 7, 10 максимальную интенсивность имеет пик фрагментного иона с m/z 181. Для фрагментации этого иона характерно элиминирование Н и фрагмента с m/z 16. Это даёт основания приписать иону с m/z 181 структуру катиона иминоазафлуорения, а не 4-азафлуоренона. В масс-спектре соединения 8 максимальным по интенсивности является пик фрагментного иона с m/z 43. Фрагментация иона М4" спиро[4-азафлуоренпирролидона] 9 обусловлена разрьшами в пирролидоновом фрагменте.
В спектрах ПМР соединений 6-10 (таблица 1) для азафлуоренового фрагмента можно выделить сигналы протонов пиридинового кольца Н-1, Н-2 и Н-3 с химическими сдвигами, соответствующими их положению в кольце, в области 5 7.8-8.3 м.д, 1.2-1 Л м.д. и 8.45-8.8 м.д. и константами спин-спинового взаимодействия 11,2=6.4-7,6 Гц, 12,3=4-3-6.4 Гц и Ji,3=l .5-2.3 Гц. Сигнал амидного протона проявляется в виде уширенного сигнала с 5 5.15-5.92 м.д. Протоны метиленовой группы P-R-этильного радикала, связанной с азафлуореновым кольцом неэквивалентны и проявляются в виде двух мультиплетов в области 5 2.2-3.2 м.д. Сигнал метиленовых протонов, связанных с нитрильной, формильной или гидроксиамидиновой группой, представляет собой триплет (6-8, 10) в области б 1.48-1.98 м.д. Сигнал протонов метиленовой группы, связанной с СО в пироллидоновом фрагменте соединения 9, проявляется в виде мультиплета в области S 2.5-2.6 м.д.
Таким образом, установлено, что алкилирование 9-аминозамещённых 4-азафлуоренов протекает по положению 9, а не по амино(амидо)группе, что связано с ароматичностью аниона А при С9. Впервые получены дифункцио-нальнозамещённые 4-азафлуорены, содержащие амино(амидо)группу при С9 и нитрильную (формильную, гидроксиамидиновую) в Р-положении этильного радикала при С9.
Аннелирование бензольного и пиридинового циклов
Гидратацию осуществляли 6% серной кислотой в присутствии сульфата ртути (II). Кетол 3 выделен с выходом 43%. В качестве побочного продукта в этих условиях образуется 9-фенацилиден-4-азафлуорен (4). Последний является продуктом как ацетилен-алленовой перегруппировки (перегруппировка Мейера-Шустера), так и дегидратации 9-гидрокси-9-фенацил-4-азафлуорена (3). Это было показано нами экспериментально. Гидроксифенацилазафлуорен 3 в условиях реакции (6% серная кислота, HgS04) дегидратируется. Строение азафлуорена 3 хорошо коррелирует с данными спектральных методов. В его ИК спектре наблюдаютя полосы валентных колебаний СО и ассоциированных ОН групп соответственно при 1675 см"1 и 2900-3300 см"1.
В масс-спектре имеется пик молекулярного иона с m/z 301 соответствующий его брутто-формуле (таблица 6). Основное направление фрагментации иона связано с отрывом фенацильного радикала, которое сопровождается миграцией к нему протона. В результате этого распада образуются катион-радикал 4-азафлуоренона (m/z 181, 100%) и катион-радикал ацетофенона (m/z 120, 33%). Из других направлений фрагментации иона М следует отметить выброс CeH5CsO+ (m/z 105, 50%).
В спектре ПМР (таблица 7) соединения 3 кроме сигналов протонов азафлуореновой части молекулы наблюдается уширенный сигнал протона гидроксила при 6 5.44 м.д. Сигналы протонов мвтиленовой группы фенацильного радикала наблюдаются в виде спектра АВ-типа с 5 3.67 м.д. (J=17,4 Гц) и 6 3.50 м.д. (J=17,4 Гц).
На основе соединения 3 мы планировали получить сложные эфиры с целью осуществить их циклизацию в спироаннелированные 4-азафлуорены. Планировали также получение диола, аминоспирта, гидроксиимино-замещённого производного. 4-Азафлуорены с такими функциональными группами в литературе не описаны. Они представляют интерес в качестве "строительных блоков" для синтеза конденсированных и спироаннелированных 4-азафлуоренов, а также для поиска биологически активных соединений. В связи с указанным выше в работе были изучены реакции ацилирования гидроксильной группы соединения 3 ангидридами и хлорангидридами кислот, восстановление карбонильной группы фенацильного радикала и реакции конденсации её с азотистыми нуклеофилами.
При взаимодействии 9-гидрокси-9-фенацил-4-азафлуорена (3) с уксусным ангидридом (70С), хлористым ацетилом и хлористым бензоилом в присутствии третичных аминов ((С2Н5)зН пиридин) вместо ацилирования гидроксильной группы происходит дегидратация, приводящая к образованию 9-фенацилиден-4-азафлуорена (4). Последний представляет собой смесь геометрических Z- и Е-изомеров.
Мы полагаем, что первоначально при действии алюмогидрида лития образуется алкоксид-анион, трансформация которого приводит к 4-азафлуоренону. Восстановление последнего и приводит к 4-азафлуоренолу 28. При восстановлении 3 амальгамой алюминия в смеси спирт-бензол [71], где образование алкоксид-аниона менее вероятно, с невысоким выходом (10%) был получен 9-гидрокси-9-( 1 -гидрокси-1 -фенилзтил-2 )-4-азафлуорен (29).
Неожиданно диол 29 практически не растворился в ДМСО, бензоле и хлороформе. Поэтому он был охарактеризован данными ИК спектроскопии и масс-спектрометрии. В ИК спектре соединения 29 наблюдается широкая полоса валентных колебаний ассоциированных ОН-групп в области 3200-3600 см"1. Полоса валентных колебаний СО отсутствует.
В масс-спектре диола 29 имеется пик молекулярного иона с m/z 303, соответствующий его брутто-формуле (таблица 6). Основным направлением распада иона NT1", подтверждающим структуру 29, является элиминирование радикала СН2НС(ОН)СбН5 с образованием фрагментного иона с m/z 182 (62%). В то время как в исходном соединении 3 максимальную интенсивность имел фрагментный ион с m/z 181. Значительную величину в масс-спектре соединения 29 имеет фрагментный ион с m/z 285 (15%), отвечающий выбросу из иона М молекулы воды.
Соединение 3 при взаимодействии с гидратом гидразина элиминирует фенацильный радикал и превращается в гидразон 4-азафлуоренона (30). Образование последнего можно представить следующей схемой:
В спектре ПМР соединения 31 (таблица 7) проявляются сигналы всех протонов молекулы. Сигнал протона группы ОН проявляется в области S 5.74 м.д, а протон группы =N-OH - в области б 10.89 м.д.
В ИК спектре соединения 31 отсутствует полоса валентных колебаний группы СО, широкой полосой при 3100-3400 см 1 проявляются валентные колебания свободной и ассоциированной ОН группы.
В масс-спектре соединения 31 (таблица 6) присутствует пик молекулярного иона с m/z 316 (3%), соответствующий его брутто-формуле. Элиминирование радикала CH2C(Ph)=N-OH приводит к фрагментному иону с m/z 182 (100%).
Таким образом, реакционная способность соединения 3 определяется в основном трансформациями третичной гидроксильной группы. При этом большую роль играет основность реагентов. В присутствии основных реагентов средней силы происходит элиминирование фенацильного радикала и образование 4-азафлуоренона. С менее сильными основаниями и в нейтральной среде реагирует карбонильная группа фенацильного радикала.