Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Сравнительно малая доступность и изученность смешанных полигалоген(хлор,бром,иод)бутадиенов, особенно представителей с 3-5 атомами галогена в молекуле, наряду с потенциально широкими возможностями использования этих соединений в научных, препаративных и практических целях делает весьма актуальной проблему разработки эффективных методов их синтеза и изучения химических свойств. Особую важность приобретает также задача повышения реакционной способности и селективности галогенбутадиенов в химических процессах с их участием.
Существуют различные подходы к повышению реакционней способности малоактивных соединений с использованием как "внешних", так и "внутренних" активаторов. Первый подход состоит в подборе условий процесса и/или использовании дополнительного ("внешнего") реагента, благоприятствующего протеканию реакции. Второй подход заключается во введении в молекулу субстрата активирующей (как правило, электроно-акцепторной) группировки, вызывающей "искажение" в распределении электронной плотности в системе и образование активных реакционных центров. Наиболее сильным среди известных активаторов является нит-рогруппа,. обладающая высоким электроноакцепторным действием, передающимся как по системе л-, так и б-евнзей. Вследствие этого, нитроза-мещешше галогенбутадиекы должны обладать высокой реакционной способностью и представлять собой перспективные реагенты с высокой селективностью, особенно в процессах нуклеофильного присоединения и замещения, а разработка способов их получения и исследование химических свойств представляются весьма актуальными.
Связь работы с крупными научными программами и темами. Диссертационная работа выполнена в соответствии с плановыми научными исследованиями Института физико-органической химии АН Беларуси в рамках научного направления 2.11 "Синтетическая органическая химия (тонкий органический синтез)" по темам: "Исследование химических превращений органических и элементоорганических соединений и синтез на их основе физиологически активных веществ и модификаторов полимеров" (1983-1987г.г.)."Развитие новых методов синтеза азот- и кислородсодержащих органических и элементоорганических соединений, исследование их химических, физико-химических и биологических свойств" (1988-1991), а также в рамках Республиканской комплексной программы Фундаментальных исследований, тема Оргсинтез 01 "Разработка новых, в том числе каталитических и электрохимических методов синтеза азот-.
кислород- и полихлорсодержащих органических и элементоорганических соединений с комплексом полезных свойств" (1992-1995г.г.).
Цепь и задачи исследования заключались в активировании галоген-бутадиеновых систем путем введения в диеновую цепь одной или двух нитрогрупп и формировании различных типов высокозлектрофильных реак--циснноопособных нитрогалогенвинильных группировок. В соответствии с поставленной целью выполнение работы сводилось к решению следующих конкретных задач:
-разработке препаративных методов синтеза галогенбутадиенов и их нитропроизводных;
-установлению электронного распределения в молекулах нитроди-енов, оценке влияния нитрогруппы и ее положения в системе на электронную структуру молекулы и формирование реакционных центров;
-систематическому сравнительному исследованию химических свойств нитрогалогенбутадиенов и их поведения в различных процессах, особенно в реакциях нуклеофильного винильного замещения;
-получению практически ценных продуктов на основе нитрогалогенбутадиенов, установлению связи структура - химическая (биологическая) активность в ряду нитрогалогендиенов и их производных.
Научная новизна полученных результатов. К начапу настоящего исследования нитроэамещенные галогенбутадиены были труднодоступны, известны лишь на нескольких примерах и практически не изучены. В ходе работы были разработаны удобные препаративные пути получения различных типов галогенбутадиенов и их нитропроизводных на основе диме-ров промышленных ди- и трихлорзтиленов. Обнаружены новые нетривиальные особенности протекания процессов нитрования некоторых галогенал-кенов и -алкадиенов, заключающиеся в конкурирующем электрофильном замещении на нитрогруппу атомов брома, а не водорода в их молекулах.
Впервые выполнен систематический анализ электронного и пространственного строения молекул нитрогалогенбутадиенов, использованный при интерпретации их реакционной спосоОности в рамках концепции ЖМКО и установлении связи структура - химическая активность.
Подробно изучены химические свойства нитрогалогенбутадиенов, выявлены неочевидные различия в химическом поведении а,0- и з,в-ди-хлорнитровинильных группировок, в частности, склонность терминальной нитрогдуппы (в отличие от интернальной) к нуклеофильному замещению.
Обнаружены ранее не отмечавшиеся в литературе особенности нитрогруппы, находящейся в галогендиеновой цепи. На примере взаимодействия 2-нитропентахлор-1,3-бутадиена с элементарной серой открыта новая реакция нитросоединений, представляющая собой ранее эизвестный
удобный путь построения изотиазолыюго цикла. Получены 0-.N- и кар-боксипроизводные хлорзамещенных изотиааолов, перспективные в качестве биологически активных препаратов. Структура изстиазольных производных надежно доказана методом рентгеноструктурного анализа.
Установлено, что процесс восстановления нитрогалогеидиенов, независимо от положения в цепи нитрогруппы и Типа атомов галогена, ва-вершается на стадии образования соответствующих оксимов.
Высокая электрофильность гем-дигалогеннитровинилььых фрагментов и реакционная способность терминальных атомов галогена в 2-нитроза-мещенных галогендиенах позволила разработать новые удобные способы синтеза различных типов гетероциклических систем путем реакций 2-нитрогалогенбутадиенов с бифункциональными нуклеофилами. Таким образом, в частности, были получены производные оксазолидина, бензок-сазолина, имидазплидина, бензимидазолина, оксатиолана, тиазолндина с одной и двумя нитрогруппами в боковой цепи.
Установленные закономерности структура - химическая активность в рамках концепции ЖМКО позволили региоселективно осуществлять процессы нуклеофильного замещения и на примере 1,3~динитро-1,4,4-три-хлорбутадиена, содержащего различные типы нитрогалогенвинильных группировок, синтезировать 4-моно-, 4,4- и 1,4-ди-, а также 1,1,4,4-тетразамещенные продукты.
В итоге в практику тонкого органического синтеза введены новые эффективные и селективные реагенты и создано новое научное направление - химия нитрозамещенных галогенбутадиенов.
Практическая значимость полученных результатов состоит в разработке новых реагентов и подходов к целенаправленному синтезу полифункциональных органических соединений различных классов, в том числе* и практически ценных продуктов. Вводимые в практику тонкого органического синтеза нитрогалогенбутадиены представляют собой удобные модельные объекты для изучения процессов нуклеофильного винильного замещения (SNVin), а многовариантность комбинаций нитрогруппа - галоген (положение, тип) дает возможность осуществлять на их основе построение сложных молекулярных систем.
В процессе работы получены продукты, обладающие рядом полезных свойств и перспективные для использования в качестве компонентов высокопрочных коррозионностойких композиционных материалов и защитных покрытий, новых флотореагентов для шламовой флотации сильвинитовых руд, светочувствительных материалов в сухой вакуумной фотолитографии, биоцидов и химических средств защиты растений.
На основе открытой новой реакции китросоединений разработан
удобный способ получения ранее неизвестной и недоступной дихлоризо-тиазол-3-карбоновой кислоты - структурного изомера дихлориэотиа-зол-4(и 5)-карбоновых кислот, эффективных рострегулирующих препаратов, защищенных патентами ведущих западных фирм. Полученный продукт по данным ВШШСЗР проявил высокую активность в качестве дефолианта на хлопчатнике.
Большое число синтезированных веществ прошло испытания на противоопухолевую активность в Национальном институте рака (США.,Мэриленд). В результате испытаний выявлены соединения, обладающие высокой биологической активностью в отношении 9 видов рака. На основании полученных данных и имеющегося материала по химическим свойствам этих веществ сделаны предположения о зависимости структура - биологическая активность в ряду изученных соединений. Наиболее активные и перспективные препараты проходят углубленные исследования . Отобранные для дальнейших испытаний высокоэффективные соединения лежат за пределами традиционных противоопухолевых препаратов, что придает особую ценность полученным результатам в плане формирования банка данных по антираковым субстанциям.
Экономическая значимость получению результатов. Полученные результаты могут служить предметом лицензионных соглашений по новым эффективным пестицидам, антисептикам, противоопухолевым препаратам и компонентам композиционных материалов. Ряд синтезированных нитрога-логендиенов может представить коммерческий интерес в качестве новых доступных реагентов для органического синтеза.
Основные положения диссертации, выносиыие на защиту:
-комбинирование реакций галогенирования, дегидрогалогенирования и дегалогенирования доступных димеров 1,2-ди- и трихлорэтилена с использованием межфаэного катализа - удобный метод синтеза различных хлор- и хлорбромсодержащих 1,3-бутадиенов;
-элекгрофильное замещение атома водорода на нитрогруппу - основное направление процесса нитрования пентагалогенбутадиенов азотной кислотой и нитрующими смесями НШз + Н3РО4 (H2SQ4};
-преобладание аддитивного пути нитрования в реакциях тетрага-логенбутадиенов с ааотнсй кислотой и нитрующими смесями;
-возможность использования полуэмпирических квантовохимических методов- для определения молекулярной геометрии и электронного строения нитрогалогенбутадиенов;
-положение нитрогруппы, природа атомов галогена в нитрогалоген-диеновой цепи и "жесткость" нуклеофильного реагента - определяющие -*>акторы протекания SNVin процесса, варьируя которые можи регулиро-
вать ход реакции, вводить в молекулу нитродиена 1,2,3 и 4 функциональные группы, осуществлять процесс ступенчато, селективно еамещать нитрогруппу и/или атомы галогена;
-возможность адекватной интерпретации региоселективного нуклео-фильного замещения атомов галогена и нитрогруппы в нитрогалогендиенах в рамках концепции ЖМКО и результатов квантовохимических расчетов;
-особенности химического поведения нитрогруппы в галоіенбутади-еновой системе, новая реакция нитросоединений, приводящая к иаотиа-зольному циклу - результат влияния на NOg галогендиеновой системы;
-противоопухолевая активность в ряду нитрогалогенбутадиеноь и их производных как следствие высоких алкилирующих свойств этих веществ ;
-нитрогаюгнэамещенные бутадиены - новые высокореакцио.шоспо-собные реагенты в синтетической органической химии.
ЛичнШ вклад соискателя. Под руководством автора и им лично выполнена вся экспериментальная работа и проведено теоретическое обсуждение полученных результатов, изложенных в диссертации. Некоторые данные (симуляция на ЭВМ спектров ШР изомеров 1,.1,4-трихлорбутадие-на. квантовохимические расчеты диенов, рентгеноструктурный анализ, реакции с фосфорорганическими реагентами и данные по практическому использованию синтезированных соединений) получены автором совместно с другими сотрудниками.Результаты опубликованы в совместных работах.
Апробация результатов диссертации. Материалы диссертации были представлены и обсувдены на следующих научных форумах:
Всесоюзная конференция " Химия непредельных соединений" (Казань ,1986г.), XVII Всесоюзная конференция "Синтез и реакционная способность органических соединений серы" (Тбилиси,1989г.), IV и V Всесоюзные конференции по металлоорганической химии (Казань,1988 г. и Рига, 1991 г.), И Региональная конференция "Ензмины в органическом синтезе" (Пермь, 1991 г.), V Всесоюзная научная конференция "Современное состояние и перспективы развития теоретических основ производства хлорорганических продуктов" (Баку, 1991 г.), V Всесоюзная конференция по химии азотсодержащих гетероциклических соединений (Черноголовка, 1991 г.), VII Совещание по реактивам (Уфа - Баку, 1993 г.), VI Молодежная научная конференция по синтетическим и природным физиологически активным соединениям" (Ереван, 1982 г.), Международная конференция молодых ученых "Органический синтез: история развития и современные тенденции" (Санкт-Петербург, 1994 г.), 35th IUPAC Congress (Turkey, Istanbul; 1995).
Опублииованность результатов. По теме диссертации опубликована одна монография, 36 научных статей (из ьлх одна обзорная), 12 тезисов докладов. Отдельные разработки защищены 5 авторскими свидетельствами СССР на изобретение и патентом Российской Федерации.
Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав литературного обзора, посвященных синтезу и химическим свойствам галогенбутадиенов и нитрозамещечных бутадиенов, обсуждения полученных результатов (3-6 главы) и их практического испольгования (7 глава), экспериментальной части (8 глава), выводов, списка цитируемой литературы и приложений.
Диссертация изложена на 299 страницах, из них 197 страниц текста, 3 рисунка, 42 таблицы на 51 странице, 3 приложения на 21 странице (результаты изучения пестицвдной, антимикробной и противоопухолевой активности синтезированных соединений) и список использованных источников на 27 страницах, включающий 322 наименования. -
![Производные 2-арилспиро[3,1-бензоксазин-4,1`-циклопентана]: синтез, свойства и приложение к радикальной полимеризации](/i/i/4266/481802.png "Производные 2-арилспиро[3,1-бензоксазин-4,1`-циклопентана]: синтез, свойства и приложение к радикальной полимеризации Красько, Светлана Анатольевна")
