Введение к работе
Актуальность темы. Химия нитросоединений занимает одно из центральных мест в современной органической химии. Это обусловлено широким спектром областей применения нитросоединений - от использования в качестве энергоёмких материалов (взрывчатые вещества, компоненты ракетных топлив) до производства на их основе лекарственных средств. Неослабевающий интерес к изучению сопряженных нитроалкенов, содержащих электронодефицитную двойную связь и являющихся удобными реагентами для органического синтеза, связан с их высокой активностью в реакциях с нуклеофилами и лёгкой модифицируемостью нитрогруппы.
Ещё большим синтетическим потенциалом обладают галогенсодержащие нитроалкены. Так, на основе алкил(арил)замещёных моногалогеннитроэтенов, дигалогеннитростиролов и полихлорнитроэтенов получены соединения линейного, карбо- и гетероциклического рядов, в том числе производные бензимидазола, фурана, индола, циклопропана. Введение в молекулу гем-галогеннитроалкена дополнительной электроноакцепторной функции (алкоксикарбонильной, трихлорметильной) приводит не только к повышению электрофильности двойной связи, но и к расширению их реакционной способности (за счёт возможности вовлечения в реакцию наряду с нитро-дополнительной функциональной группы). Эти соединения можно рассматривать как перспективные объекты для изучения теоретических вопросов органической химии, а также для синтеза веществ с практически полезными свойствами, например, таких как Р-аминокислоты, производные пиперазинона, бензотиазинона и др.
Работа выполнена в соответствии с заданием Министерства образования РФ по теме «Изучение химии нитроалкенов и их использование в качестве базовых соединений при направленном поиске биологически активных веществ медицинского назначения» (номер государственной регистрации 01.200304244), а также в рамках выполнения персонального гранта Администрации Санкт-Петербурга (М06-2.5К-379).
Целью работы является сравнительная оценка особенностей строения и реакционной способности 2-трихлорметил- и 2-алкоксикарбонил-1-бром-1-нитроэтенов при взаимодействии с представителями С- и TV-нуклеофилов.
Объекты исследования. В соответствии с поставленной целью в качестве объектов исследования выбраны генетически связанные 2-трихлорметил- и 2-алкоксикарбонил-1-бром-1-нитроэтены, которые в настоящей работе вводились в реакции с разными по природе представителями С- и TV-нуклеофилов: 2-фенил-1,3-индандионом, пирролом, индолом и аминами.
Научная новизна. Впервые методами дипольных моментов, УФ, ЯМР Н,
С, ИК спектроскопии и квантовохимических расчётов (DFT B3LYP/6-31G)
осуществлён сравнительный анализ строения 2-трихлорметил- и 2-
алкоксикарбонил-1-бром-1-нитроэтенов. Показано, что в молекулах этих
соединений нитро- и трихлорметильная или сложноэфирная функции находятся
в /72/адноположении, т.е. исследуемые структуры имеют Z-конфигурацию; для соединений с алкоксикарбонильной группой характерна s-г/иоориентация кратных связей С=С и С=0.
Установлено, что в отличие от 2-алкоксикарбонил- и 2-трихлорметил-1-нитроэтенов, легко образующих с 2-фенил-1,3-индандионом аддукты Михаэля (выходы 82-90%), их бромсодержащий аналог с алкоксикарбонильной функцией реагирует в идентичных условиях менее эффективно (выходы 40-41%), а бромнитроалкен с трихлорметильной группой в конденсацию с этим представителем С-нуклеофилов вообще не вступает.
Впервые изучены реакции 2-трихлорметил-1-бром-1-нитроэтена с пирролом, индолом и их N-метилпроизводными, а также 2-алкоксикарбонил-1-бром-1-нитроэтенов - с пирролом и N-метилпирролом. Показано, что эти процессы протекают в мягких условиях и приводят к продуктам алкилирования («заместительного присоединения») с хорошими (преимущественно 70-90%) выходами.
Разработаны однореакторные («one pot») методы синтеза оригинальных 2-индолил- и 2-пирролил-З-нитропропеноатов на основе реакции 2-алкоксикарбонил-1-бром-1-нитроэтенов с индолом, пирролом и их замещёнными. Осуществлён синтез новых представителей 2-ариламино-З-нитропропеноатов.
Выявлено принципиальное различие в результатах реакции дегидрогалогенирования продуктов аминирования, полученных на базе 2-алкоксикарбонил- и 2-трихлорметил-1-бром-1-нитроэтенов: первые приводят к 2-ариламино-З-нитропропеноатам, вторые - к нитроазиридинам.
Комплексно физико-химическими методами (ЯМР 'Н, 1JC, ИК, УФ-спектроскопии) с привлечением рентгеноструктурного анализа (РСА) охарактеризовано строение синтезированных соединений. Установлено, что 2-индолил- и 2-пирролил-З-нитропропеноаты имеют Z-конфигурацию. По данным РСА для представителя ряда - этил-(1-метилиндол-3-ил)-3-нитропропеноата характерна s-TW/адноориентация кратной С=С связи и индольного кольца; упаковка в кристалле формируется за счёт межмолекулярных взаимодействий с участием водородных связей С-Н...0 и С-Н...7г-типов с образованием центросимметричных дим еров, образующих бислоевые супрамолекулярные структуры.
Методом рентгеноструктурного анализа показано, что в молекулах \-{м-нитрофениламино)-, І-(и-хлорфениламино)- и 1-(и-бромфениламино)-2-нитро-3-трихлорметилазиридинов объёмная трихлорметильная группа находится в /72/адноположении по отношению к нитрогруппе и арильному заместителю относительно плоского азиридинового цикла.
Теоретическая значимость. Расширены теоретические представления о строении 2-трихлорметил- и 2-алкоксикарбонил-1 -бром-1-нитроэтенов и о влиянии характера Р-заместителя на химическое поведение гем-бромнитроэтенов. На примере реакций с 2-фенил-1,3-индандионом, индолом, пирролом и ариламинами показано, что трихлорметильная группа дезактивирует (по сравнению с алкоксикарбонильной) галогеннитроалкены (в
реакции со стерически загруженной СН-кислотой 2-фенил-1,3-индандионом) и продукты присоединения к ним индола и пиррола (в реакции дегидрогалогенирования), а в случае дегидрогалогенирования продуктов присоединения ариламинов принципиально меняет направление реакции, - в результате вместо нитроенаминов образуются нитроазиридины. Выявленные закономерности позволяют прогнозировать условия и результат реакций 2-трихлорметил- и 2-алкоксикарбонил-1-бром-1-нитроэтенов с другими реагентами, родственными по структуре применяемым в настоящей работе.
Практическая значимость. Разработаны препаративно доступные методы синтеза ранее не известных 2-индолил(пирролил)-3-нитропропеноатов - нитропредшественников Р-аминокарбоновых кислот, содержащих в молекуле фармакофорные группы, а также серии оригинальных нитроазиридинов с трихлорметильной группой; обе серии соединений могут рассматриваться как потенциально биологически активные вещества. На защиту выносятся:
анализ строения 2-трихлорметил- и 2-алкоксикарбонил-1-бром-1-нитроэтенов, изученного методами дипольных моментов и квантовохимических расчётов;
оценка сравнительной реакционной способности га/и-бромнитроэтенов с трихлорметильной и алкоксикарбонильной функциями во взаимодействии с серией разных по природе нуклеофильных реагентов.
анализ особенностей строения синтезированных групп соединений на основе данных современных физико-химических методов. Апробация работы. Результаты диссертационной работы представлены и
обсуждены на XV студенческой научной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Екатеринбург, 2005), на международной конференции «Органическая химия от Бутлерова и Бейлыптейна до современности» (Санкт-Петербург, 2006), на XVIII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Москва, 2007), на международной конференции «Химия соединений с кратными углерод-углеродными связями» (Санкт-Петербург, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 оригинальных статей в центральных Российских реферируемых журналах, обзорная статья в журнале Известия РГПУ им. А.И. Герцена, 3 сообщения в виде материалов международных конференций и XVIII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии.
Структура и объём работы. Диссертация содержит 140 страниц, состоит из введения, литературного обзора, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов, списка литературы (130 источников), а также включает 45 рисунков и 29 таблиц.
