Содержание к диссертации
Введение
I. Обзор литературы 7
1.1. Синтез, особенности строения и реакции алкинов и диинов 7
1.1.1. Особенности строения ацетиленов 7
1.1.2. Синтез ацетиленов 11
1.1.3. Свойства ацетиленов 13
1.1.4. Синтез и свойства диацетиленовых соединений 16
1.2. Особенности структуры, синтез и свойства 1,2,5-оксадиазолов (фур азанов) 23
1.2.1. Особенности структуры фуразанов : 23
1.2.2. Основные методы синтеза фуразанов 25
1.2.3. Свойства фуразанов 27
II. Обсуждение результатов 34
II.1. Синтез исходных соединений 34
II.2. Использование алкилзамещенных фуразанов для введения ацетиленовых заместителей 38
II.3. Использование 3,4-диаминофуразана для получения соединений ацетиленового ряда 42
II.4. Использование З-амино-4-нитрофуразана для получения соединений ацетиленового ряда 50
ІІ.5. Топохимическая твердофазная полимеризация диацетиленовых соединений 65
II.6. Термохимические свойства фуразанилсодержащих ацетиленов и диацетиленов 66
III. Экспериментальная часть 69
III. 1. Синтез исходных веществ 69
III.2. Реакции на основе 3,4-диметилфуразана 76
III.3. Реакции на основе 3,4-диаминофуразана 80
III.4. Реакции на основе З-амино-4-нитрофуразана 85
Выводы 91
Список литературы 92
- Синтез и свойства диацетиленовых соединений
- Основные методы синтеза фуразанов
- Использование алкилзамещенных фуразанов для введения ацетиленовых заместителей
- Реакции на основе 3,4-диаминофуразана
Введение к работе
Актуальность темы определяется ведущей ролью ацетиленовых и диацетиленовых соединений в развитии современной теоретической и экспериментальной химии. Нарастающий дефицит нефти позволяет считать разработку новых методов получения органических соединений на базе ацетилена и синтез ранее неизвестных классов последних важной и актуальной задачей. Высокая реакционная способность ацетиленовых соединений позволяет получать на их основе самые разнообразные продукты тонкого органического синтеза. Тройная связь в качестве структурной единицы природных и синтетических соединений часто повышает их биоактивные свойства, расширяет спектр их фармакологического действия, уменьшает токсичность и т.д.
Соединения представляют также большой интерес для химии и материаловедения энергоемких веществ вследствие большого запаса энергии, содержащейся в тройной связи.
С другой стороны, производные 1,2,5-оксадиазола (фуразана) находят применение в качестве фармацевтических препаратов, реагентов для аналитических определений, исходных соединений для синтеза и модификации полимеров, пропелланов.
Соединений ацетиленового ряда, содержащих фуразановый цикл, насколько нам известно, до сих пор не было описано в литературе.
Цель работы заключается в разработке методов синтеза фуразанилзамещенных ацетиленов и диацетиленов, нового класса соединений ацетиленового ряда, и изучении их свойств.
Научная новизна. Впервые разработаны методы синтеза фуразанилзамещенных ацетиленов и диацетиленов. Выявлена связь между особенностями структуры полученных соединений и их устойчивостью. Обнаружена высокая эффективность межфазного катализа в реакции алкилирования диаминофуразанов через генерацию N-анионов. Практическая ценность работы заключается в получении новых соединений ацетиленового ряда, содержащих в своей структуре фуразановый цикл, имеющих большой потенциал для использования в различных областях органической химии, в особенности химии биологически активных соединений и веществ, обладающих высоким содержанием энергии. На защиту выносятся:
Разработка метода синтеза фуразанилзамещенных ацетиленов и диацетиленов реакцией нуклеофильного ароматического замещения
Применение метода межфазного катализа для алкилирования сверхслабых оснований посредством генерации N-анионов.
Установление особенностей спектральных и термохимических свойств полученных соединений в связи с их структурными параметрами.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка цитируемой литературы.
В первой главе рассмотрены литературные данные по синтезу, особенностям строения и реакциям алкинов и диинов, а также по особенностям структуры, синтезу и свойствам 1,2,5-оксадиазолов (фуразанов). Вторая глава посвящена обсуждению экспериментальных результатов по синтезу и свойствам фуразанилзамещенных ацетиленов и диацетиленов. Третья глава содержит методики проведения экспериментов, спектральные, физико-химические и аналитические данные полученных соединений.
Апробация работы. По теме работы опубликовано 2 печатные работы. Результаты исследований докладывались на Второй международной конференции молодых ученых "Актуальные тенденции в органическом синтезе на пороге новой эры" (Санкт-Петербург, 1999).
Синтез и свойства диацетиленовых соединений
Тройная углерод-углеродная связь является одной из наиболее изученных и используемых в практике органического синтеза функциональных групп. В последние годы ренессанс ацетиленовой химии связан с использованием тройной связи в биохимии (создание новых высокоэффективных антираковых антибиотиков с ендииновой циклической структурой). С другой стороны, большие успехи достигнуты в молекулярном дизайне ацетиленовых структур с уникальным строением и функциональными свойствами, что позволило использовать их в молекулярной электронике. На основе ацетиленовых соединений созданы кристаллы, содержащие молекулярные поры для использования их в процессах разделения, включения и катализа и таким образом эти соединения стали органическими аналогами цеолитов. Ацетиленовые двух и трехмерные аллотропные соединения обладают структурой и свойствами, отличными от природных модификаций алмаза, графита и фуллерена, и в настоящее время находятся в стадии создания [1]. Как известно, ацетилен относится к молекулам, обладающим очень большим запасом энергии (реакция образования ацетилена из простых веществ сильно эндотермична - АН298 = 226,3 кДж/моль) и среди соединений углерода его молекула является самой энергоемкой в расчете на один атом углерода.
Вследствие этого все реакции присоединения к тройной связи оказываются экзотермическими.
Квантово-химические расчеты распределения электронной плотности в ацетилене и этилене показывают, что на атомах углерода и водорода ацетилена эффективные заряды существенно больше по сравнению с этиленом. Большая электроотрицательность С-атомов ацетилена проявляется и в свойствах алкинильной группы в целом, более отрицательной, чем винильная группа и таким образом этинильная группа оказывается более сильным элекроноакцепторным заместителем.
В отличие от реакций с электрофильными реагентами, установленная экспериментально большая реакционноспособность алкинов по сравнению с алкенами по отношению к нуклеофилам противоречит всем характеристикам ацетиленов и олефинов (положение НСМО) [2]. Присоединение гидрид иона к ацетилену по расчету на 26 ккал/моль более экзотермично, чем присоединение к этилену [3]. Термодинамические данные подтверждаются также более высокой кинетической реакционноспособностью по отношению к нуклеофилам. Также была отмечена большая склонность ацетиленовой связи принимать транс-структуру в переходном состоянии при присоединении гидрид иона к ацетилену. Вероятно, что энергия при такой деформации меньше транс пирамидализации алкенов при нуклеофильной атаке [2]. Таким образом, молекула ацетилена, слабый электрофил в исходном состоянии, становится сильным электрофилом в процессе взаимодействия сгидрид анионом из-за значительного транс-изгиба молекулы ( на 30) и понижения энергии НСМО.
Протон в газовой фазе присоединяется к ацетилену с экзотермическим эффектом с образованием винильного карбкатиона, имеющего линейную форму (А) или циклическую форму (тг-комплекс) (Б): Устойчивость этих катионов при Е+= ИҐ примерно одинакова [4]. В случае Е+ = ОН4", F+, С1+ , более устойчивой является линейная форма А, при Е+ = NHi+, SH+ - циклическая форма Б [5,6]. Сродство ацетилена к таким электрофилам, как катионы щелочных металлов в газовой фазе также весьма значительно [7], при этом более стабильными являются циклические структуры (я-комплексы). Реакции присоединения простейшего радикала Н к ацетилену и этилену сильно экзотермичны и близки по значениям энтальпий (АН298 а -171,4 кДж/моль).
Присоединение радикала происходит по механизму анти-присоединения также с транс-изгибом молекулы ацетилена. Высказано предположение, что преимущественное анти-присоединение радикалов к алкинам определяется стерическими факторами, а образование смеси (Z), (Е)-изомеров есть результат изомеризации продукта анти-присоединения. За последние годы была получена интересная информация о реакциях атомов щелочных металлов с ацетиленом в низкотемпературных матрицах. Более тяжелые атомы (Na, К) обычно переносят электрон на ацетилен с образованием анион-радикалов С2Н2 и их последующими превращениями [7]:
Основные методы синтеза фуразанов
Первые представители ряда 1,2,5-оксадиазола описаны в 1850 году. Незамещенный фуразан является устойчивой жидкостью, которую можно перегонять при атмосферном давлении. Дипольный момент фуразана равен 3,38 D, а другие замещенные аналоги обычно находятся в ряду 4,0-4,8 D.
Ароматичность фуразана, выраженная унифицированным индексом ароматичности Бэрда Ід, сопоставима с таковой для изоксазола и фурана, но существенно ниже значения для тиадиазола. Вычисленные значения 1А, основанные на экспериментальных длинах связей фуразана и подобных ему гетероциклов, в порядке увеличивающейся ароматичности можно расположить в следующий ряд: 1,2,4-оксадиазол 48, изоксазол 52, фуразан 53, фуран 53, 1,2,5-селендиазол 58, 1,3,4-оксадиазол 62, 1,2,5-тиадиазол 104. Кольцо 1,2,5-оксадиазола является стабильной системой. Хотя для 3-гидроксифуразана возможны три таутомерные формы, спектральные данные (ИК и ПМР) доказывают наличие только гидроксисоединения. Спектральные исследования также использовались для характеристики особенностей структуры 1,2,5-оксадиазолов. В 1Н-ЯМР спектре незамещенного фуразана протоны при С-3 и С-4 атомах углерода цикла резонируют при 8 7,92 м.д. в растворе дейтероацетона, при 8,19 м.д. в растворе дейтерохлороформа и при 8,66 м.д. для чистого образца без растворителя [51]. В спектрах 13С-ЯМР сигналы циклических атомов углерода находятся в области 140-160 м.д. с константой спин-спинового взаимодействия около 200 Hz для монозамещенных производных. Под действием электронного удара моноциклические фуразаны подвергаются фрагментации по двум основным направлениям [52]. Первоначальный разрыв связи 0(1)-N(2) с последующей фрагментацией по связи С(3)-С(4) (путь а) или с выделением катиона N0 (путь б): В инфракрасном спектре фуразаны характеризуются полосами поглощения в области 1525-1560 (C=N-0), 1430-1385 (N-O), 1040-1030 и 890-880 см"1 (гетероцикл) [53]. В ультрафиолетовых спектрах фуразанов наблюдается лишь концевое поглощение при 230-250 нм. Анализ спектров в газовой фазе позволил сделать вывод о тг-тс характере этих переходов [54]. 3,4-Диметилфуразан имеет максимум поглощения при 216 нм с экстинкцией 2440 в циклогексане. Синтез фуразанов может быть осуществлен многими способами, однако три из них, представленные ниже, могут считаться наиболее общими.
Дегидратация 1,2-диоксимов. Исходные вещества обычно получают оксимированием соответствующих 1,2-дикетонов или а-нитрозированием алкилкетонов с последующим оксимированием образующегося монооксима 1,2-диона: Различные реагенты применялись для дегидратации, включая H2SO4, NH4OH, дициклогексилкарбодиимид, спиртовый раствор гидроксида натрия и т.д. Для получения 3,4-диметилфуразана из диметилглиоксима был использован, например, янтарный ангидрид [55], а 3-метилфуразана - фталевый ангидрид [56]. Дизамещенные фуразаны более устойчивы и позволяют использовать для дегидратации соответствующих глиоксимов более жесткие условия. Иногда дегидратация диацетатов глиоксимов гидроксидом натрия протекает более гладко; таким образом, были получены З-ферроценил-4-алкилфуразаны [57]. Деоксигенирование фуроксанов. Эффективным путем синтеза симметрично замещенных фуразанов является деоксигенирование фуроксанов, легко синтезируемых димеризацией соответствующих окисей нитрилов. При этом необходимо учитывать возможность протекания избыточного восстановления и в случае недостаточно стабильных фуразанов возможно образование продуктов раскрытия цикла [58]. Перегруппировка Боултона-Катрщкого. Фуразаны образуются также перегруппировкой оксимов некоторых З-ацил-1-оксо-2-азолов, включая оксимы 1,2,4-оксадиазолов, изоксазолов и фуразанов [59, 60]. 3-Гидроксииминоалкил-1,2,4-оксадиазолы перегруппировываются в 3-амидофуразаны, при этом реакция (Е)-оксимов протекает гладко, в то время как (Z)-rooMepbi обычно не вступают в перегруппировку. Кроме самих оксимов, в реакцию вступают также амидооксимы и гидразидооксимы 1,2,4-оксадиазолов [61]. (Е)-Оксимы 3-ацилизоксазолов более устойчивы к перегруппировке по сравнению с оксимами 1,2,4-оксадиазолов. Однако в присутствии оснований они легко перегруппировываются в р-кетоалкилфуразаны, которые могут гидролизоваться в условиях реакции.
Использование алкилзамещенных фуразанов для введения ацетиленовых заместителей
С помощью потенциометрического титрования были определены значения рК« этих кислот и рассчитаны индукционные константы а . Из полученных
результатов авторами сделан вывод о том, что введение в молекулу карбоновой кислоты фуразанового заместителя приводит к увеличению ее кислотности. Так, фуразан-3-уксусная кислота (рК« 2,98) почти на два порядка сильнее уксусной кислоты (рКа 4,76). При этом при введении нитрогруппы в молекулу фуразануксусной кислоты значение рК« понижается всего на 0,13 лог.ед., в то время как для уксусной кислоты значение рКд уменьшается на 3 лог.ед.. Таким образом, кислотность фуразануксусных кислот определяется в основном самим фуразановым циклом. В целом кислотность 4-11-фуразан-З-уксусных кислот близка к кислотности хлоруксусной кислоты.
Важными в синтетическом аспекте исходными соединениями в химии фуразанов являются аминофуразаны. На базе этих соединений описаны многочисленные синтезы и модификации фуразанов [49, 50]. Результаты квантово-химического расчета молекулы аминофуразана методом МЧПДПУЗ с полной оптимизацией геометрии показывают, что минимуму потенциальной энергии молекулы соответствует копланарное расположение аминогруппы и фуразанового цикла. Расчет также показывает, что сопряжение аминогруппы с циклом в аминофуразане меньше, чем в анилине, и таким образом тг электронная кислотность на атоме азота в аминофуразане меньше, чем в анилине [66]. Однако благодаря наличию в цикле трех электроотрицательных гетероатомов фуразан обладает более сильными электроноакцепторными свойствами. Вследствие этого суммарный отрицательный заряд на аминогруппе аминофуразана оказывается ниже, чем в анилине [66].
Пониженная электронная плотность на аминогруппе, связанной с фуразановым циклом, является причиной низкой основности аминофуразанов. Расчетное значение протонного сродства аминофуразана на 12,2 ккал/моль ниже, чем у анилина [66] и этот факт согласуется с результатами исследования основности аминофуразанов [67, 68]. В частности, изучение УФ спектров растворов аминофуразанов в серной кислоте доказывает наличие равновесия:
Величины pKai лежат в интервале от -1,94 до -4,46, что примерно на 7-9 ед. ниже, чем у анилина. Величина константы рК , соответствующая протонированию по циклу, менее чувствительна к влиянию заместителей и лежит в интервале от -4,81 до -5,34. Величины pK«i хорошо коррелируют с am и an - константами заместителей, при этом влияние заместителя определяется в основном индукционным эффектом [67]. В целом диалкил и диарилфуразаны устойчивы к атаке нуклеофилами. Однако если один из заместителей при цикле является хорошей уходящей группой, нуклеофильное ароматическое замещение может иметь место. Например, 3 нитро-4-фенилфуразан образует 3-гидроксипроизводные при нагревании с NaOH [69]. В случае фуразанов, содержащих две электроноакцепторные группы, в среде безводного ацетонитрила и ИагСОз наблюдается образование симметричных дифуразаниловых эфиров [70]. Предполагается, что эта достаточно необычная реакция протекает через промежуточную внутримолекулярную нитро-нитрит перегруппировку. Однако если нитрофуразаны перемешиваются с кристаллогидратами неорганических оснований в сухом ацетонитриле, наблюдается образование гидроксифуразанов [71]. В присутствии основания (водный раствор КОН) в различных растворителях группа NO2 гладко замещается на азидоэтоксильный фрагмент с образованием 3-(2-азидоэтокси)-4-К-фуразанов [72]. Обработка растворов динитрофуразанов также протекает селективно, и образуются соответствующие дигидропроизводные [73]. Следует отметить, что реакции нуклеофильного ароматического замещения изучены достаточно широко и выявлены многие особенности, обусловленные различиями нуклеофилов и нуклеофугов, применяемых в этих реакциях. В то же время аналогичных исследований в ряду гетероароматических соединений проводилось существенно меньше [74]. Фуразановый цикл малореакционноспособен по отношению к электрофилам: нитрование, галогенирование и окисление происходит исключительно в заместителях при цикле. Например, 3-фенилфуразан галогенируется и нитруется в фенильный заместитель, а не в положение 4 цикла. Прямое окисление фуразанов в фуроксаны не сообщалось и в противоположность другим пятичленным гетероциклам фуразан инертен к циклоприсоединению синглетного кислорода [75].
Реакции на основе 3,4-диаминофуразана
Как известно из литературы [49] 3,4-диаминофуразан является очень слабым основанием (величины рКаі находятся в интервале от -1,94 до -4,46, что примерно на 7-9 ед. ниже, чем у анилина) и в обычных условиях не вступает в реакции алкилирования ни с диметилсульфатом, ни с бромистым этилом. Слабые основания с рКа « 1 алкилируют, используя их высокую N-H кислотность, т.е. способность под действием оснований генерировать N-анион. Генерация N-аниона возможна через стадию металлирования, как показано в работах Пожарского [89], при алкилировании, например, амидов фосфорной кислоты [90]. Разработаны также методы алкилирования слабых оснований в условиях межфазного катализа [91].
Метод межфазного катализа является практически удобным и оперативным методом синтеза, т.к. позволяет генерировать N-анион, минуя стадию металлирования.
Мы провели реакцию 3,4-диаминофуразана (3) с бромистым пропаргилом (в соотношении 1 : 4) в системе КОН, К2СО3 в абсолютном ТГФ с использованием иодида тетрабутиламмония (ТБАИ) в качестве катализатора межфазного переноса. Практически сразу после начала перемешивания наблюдалось образование продуктов моно-, ди-, три- и тетраалкилирования. Но уже через 1 ч преобладание двух основных продуктов стало очевидным. С помощью метода препаративной тонкослойной хроматографии (ТСХ) были выделены продукт исчерпывающего алкилирования - 3,4-N,N -тетрапропаргилдиаминофуразан (7) с выходом 50% и продукт диалкилирования - 3-амино-4-]Ч,К-дипропаргиламинофуразан (8) с выходом 11%. Структура соединений (7) и (8) подтверждена спектральными данными и данными элементного анализа.
Спектр Н ЯМР (ПМР) соединения (7) содержит сигнал протонов метиленовой группы в виде дублета при 4,34 м.д. и сигнал протона при тройной связи в виде триплета при 2,25 м.д. В спектре 13С ЯМР присутствуют характеристические сигналы атомов углерода фуразанового кольца при 152,20 м.д., тройной связи при 77,87 и 74,63 м.д., а также сигнал углерода метиленовой группы при 38,91 м.д. В ИК спектре присутствуют полосы поглощения при 3300 см _1 (С=С-Н), 2150 см _1 (С=С) и характеристические полосы поглощения фуразанового скелета при 1630-1560 см _1 (C=N-0), 1400-1370 см _1 (N-0). В масс-спектре присутствуют пики с m/z 253[М+1], 213[М-СН2С=СН], 174[М-2СН2С=СН],
Спектральные данные соединения (8) свидетельствуют в пользу несимметричной структуры. Так в спектре ПМР наряду с сигналами протона при тройной связи в виде триплета при 2,39 м.д. и протонов метиленовой группы в виде дублета при 3,13 м.д. присутствует сигнал протонов аминогруппы в виде уширенного синглета при 4,23 м.д. В спектре С ЯМР имеются два сигнала углеродов фуразанового цикла при 151,56 и 149,80 м.д., что подтверждает несимметричную структуру продукта диалкилирования. Также присутствуют сигналы углеродов тройной связи при 77,07 и 74,11 м.д. и сигнал углерода метиленовой группы при 38,92 м.д. В ИК спектре в отличие от спектра соединения (7) присутствуют полосы поглощения первичной аминогруппы при 3450 и 3370 см "\
Преимущественное образование продукта исчерпывающего алкилирования и несимметричного продукта диалкилирования можно объяснить повышением N-Н кислотности после внедрения первого пропаргильного заместителя, обладающего электроноакцепторными свойствами. В пользу этого свидетельствует и тот факт, что продукт исчерпывающего алкилирования образуется даже при соотношении исходных реагентов 1:1. Представлялось интересным выяснить возможность реакции алкилирования 3,4-диаминофуразана (3) в условиях МФК менее реакционноспособными галогенидами, такими как бромистый аллил и бромистый этил. Согласно литературным данным [92] аллилбромид является примерно в 3 раза менее реакционноспособным в реакции алкилирования аминов по сравнению с пропаргилбромидом. Этот факт был подтвержден в эксперименте, в котором раствор соединения (3) в ТГФ энергично перемешивали с 4-кратным избытком аллилбромида в присутствии эквимольных количеств порошкообразных КОН, К2СО3 и каталитического количества ТБАИ. Контроль за прохождением реакции осуществлялся с помощью ТСХ. Через 0,5 ч наблюдалось образование набора продуктов моно-, ди-, три- и тетраалкилирования. После 5 ч перемешивания основной продукт - 3,4-№,К -тетрааллилдиаминофуразан (9) был выделен с выходом 60% методом препаративной ТСХ на силикагеле. Продукты моно-, ди- и триалкилирования присутствовали в реакционной смеси в следовых количествах. Структура фуразана (9) подтверждена спектральными данными и данными элементного анализа.
![Синтез, свойства и исследование антиокислительной активности галогенидов S-[ -(4-гидроксиарил)алкил]изотиурония](/i/i/4276/436731.png "Синтез, свойства и исследование антиокислительной активности галогенидов S-[ -(4-гидроксиарил)алкил]изотиурония Кандалинцева Наталья Валерьевна")