1-метилтетразоло[5,1-a]ізоіндол у реакціях з малеїнімідами та хлорангідридами карбонових кислот

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Виходячи з літературних даних, нами проаналізована інформація про методи синтезу та властивості тетразолоізоіндолів, яка відображена в літературному огляді, надрукованому в журналі “Химия гетероциклических соединений”. З огляду випливає, що, на відміну від методів синтезу, хімічні властивості тетразолоізоіндолів досліджені недостатньо. Розрахункові роботи, виконані співробітниками кафедри, вказують на високу дієнову активність тетразолоізоіндолів, але експериментально реакція циклоприєднання в ряду тетразолоізоіндолу не досліджувалась.

Гетероциклічна система тетразолоізондолу включає в себе два типи цікавих з теоретичної та практичної точки зору гетероциклів: 1) ізоіндол - найбільш яскравий в хімії гетероциклічних сполук феномен парадоксального поєднання ароматичності і реакційної здатності; флуоресцентні властивості і біологічна активність ізоіндолів - невичерпна база для подальшого дослідження їх корисних властивостей; 2) тетразол - гетероорганічна сполука, що має лише один атом Карбону - потенційний носій таутомерних перетворень; відомі також корисні властивості тетразолів. Крім того, вже існуючі дані з практичних властивостей саме конденсованої системи тетразолоізоіндолу вказують на їх високу антидепресивну та антиконвульсивну дію.

Враховуючи викладене, а також той факт, що хімічні властивості тетразолоізоіндолу систематично не вивчалися, тема данної роботи є актуальною.

Мета роботи. Дослідити реакції 1-метилтетразоло[5,1-а]ізоіндолу з малеїнімідами та хлорангідридами карбонових кислот за різних умов. Зіставити отримані практичні результати зі зробленими теоретичними прогнозами на основі проведених раніше на кафедрі розрахунків електронної будови тетразолоізоіндолу.

Задачі дослідження. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі: дослідити хід циклоприєднання на прикладі реакції 1-метилтетразоло[5,1-а]ізоіндолу з малеїнімідами, встановити склад продуктів реакції; розробити препаративні методи синтезу продуктів взаємодії 1-метилтетразоло[5,1-а]ізоіндолу та його перхлорату з хлорангідридами карбонових кислот; синтезувати ці продукти та дослідити їх будову сучасними спектральними методами.

1. Дослідження ходу циклоприєднання на прикладі реакції 1-метилтетразоло[5,1-а]ізоіндолу 1, одержаного за відомою методикою, з малеїнімідами

Циклоприєднання досліджували за різних умов: варіювали температуру від -10 до 110С; використовували різні розчинники; в реакцію вводили як тетразолоізоіндол, так і його перхлорат у присутності таких основ, як триетиламін, 5%-ний розчин лугу, насичений розчин карбонату калію; як дієнофіли використовували різноманітні малеїніміди; змінювали співвідношення реагентів, - але в усіх випадках реакція відбувалась неоднозначно. Завдання ускладнювалось малою стійкістю та високою дієновою активністю тетразолоізоіндолу.

Показано, що при проведенні реакції перхлорату 1-метил-5Н-тетразоло[5,1-а]ізоіндолію або іодиду 1,2-диметил-5Н-1,2,4-триазоло[5,1-а]ізоіндолію в присутності триетиламіну з малеїнімідами в піридині продуктами реакції є перегруповані адукти циклоприєднання складу 1:2, а саме 3-((2-(1-метил-1Н-тетразол-5-іл)феніл)(1-R-2,5-діоксопіролідин-3-іл)метилен)-1-R-2,5-діоксопіролідин-2,5-діони 4, утворення яких є наслідком кількох послідовних реакцій. Спочатку відбувається утворення адукту Міхаеля 2, наявність якого зафіксовано за допомогою хромато-УФ-спектроскопії, наступний етап - утворення адукту Дільса-Альдера складу 1:23. Ці процеси контролюються електронною будовою субстрату. Сполука 3 внаслідок скелетного перегруппування як результату виходу з просторових затруднень у трициклічній 7-азабензонорборненовій системі перетворюється на адукт Міхаеля-Дільса-Альдера 4.

Ідентифікація перегрупованих адуктів проводилась за критеріями, виробленими на основі аналізу спектральних характеристик інших конденсованих ізоіндольних систем. Для сполук типу 4 характерна атроподіастереомерія, існування в розчині двох енергетично вигідних форм у співвідношенні практично 1:1 приводить до подвоєння сигналів в спектрах ЯМР 1Н. Детальний розгляд ділянки 2,5 - 3,5 м. ч., де містяться сигнали протонів Нa, Нb, Нс та Нd, дозволяє однозначно встановити структуру продуктів реакції 4. Так, при 2,62 - 2,72 м. ч. спостерігається дублет дублетів із значеннями КССВ 3J (Hc,He)=6,4 Гц та 2J (Hc,Hd)=18,5 Гц, який можна віднести до одного з двох протонів Нс, Нd. Значення КССВ добре збігаються з очікуваними. Дублет дублетів цього протону для другої форми знаходиться при 3,26 - 3,34 м. ч. Далі, при 2,88 - 3,02 м. ч. спостерігаються два дублети із значеннями КССВ 2J (Ha,Hb)=21,5 Гц, які належать протонам Нa, Нb, і характерне значення їх КССВ підтверджує правильність визначення структури одержаного нами адукту як перегрупованого. Два дублети цих протонів для іншої форми знаходяться в межах 3,06 - 3,18 м. ч. - їм відповідають три найвищі піки зазначеної ділянки. При 3,04 - 3,12 м. ч. знаходиться дублет дублетів другого з протонів Нс, Нd, частина одного з менших дублетів якого перекривається з іншими сигналами, що знаходяться на цій ділянці. Значення КССВ 3J (Hd,He)=9,2 Гц та 2J (Hc,Hd)=18,5 Гц також добре збігаються з очікуваними. В межах 3,08 - 3,16 м. ч. знаходиться і дублет дублетів цього протону для іншої форми, але він досить суттєво перекривається з іншими сигналами, розташованими в цій ділянці, з-поміж яких можна вирізнити лише крайні частини цього дублету.

Аналогічні висновки було зроблено і при дослідженні циклоприєднання в ряду триазолоізоіндолів (схема 1, X=CCH3).

2. Вплив введення замісників в положення 5 системи тетразолоізоіндолу на збереження локалізованого ізоіндольного фрагменту

На стадії одержання ацилпохідних було зафіксовано утворення неочікуваних сполук, яке потребувало детального дослідження.

Показано, що при ацилюванні перхлорату 1-метилтетразоло[5,1-а]ізоіндолу хлорангідридами карбонових кислот, на відміну від ацилювання ангідридами, несподіванно утворюються нові ціанінові барвники - монометинціаніни 13-22. Цей метод одержання монометинціанінів не має аналогій у літературі.

Було встановлено, що залежно від співвідношення реагентів істотно змінюється співвідношення продуктів реакції. Знайдено, що мольне співвідношення вихідний перхлорат / хлорангідрид / триетиламін 1:1:1 є оптимальним для одержання ацилпохідних, а для одержання барвників оптимальним є співвідношення 1:1:2.

На співвідношення продуктів реакції також впливає характер замісника R. Так, нам не вдалось виділити ацилпохідні з R = (CH2)3Cl та C4H9, у цьому випадку були виділені лише відповідні барвники 15 та 16. Якщо R = Ме, то з малим виходом одержана ацилпохідна 5, при R = t-Bu ацилпохідна 12 домінує, утворення відповідного барвника в невеликій кількості фіксується методом ТСХ. Цей результат можна пояснити впливом стеричних факторів на перебіг утворення монометинціанінів. У випадку ароматичних (гетероароматичних) радикалів R виходи ацилпохідних зростають, чому особливо сприяють електроноакцепторні замісники в ароматичному кільці. Наприклад, з невеликим виходом були виділені барвники 17, 18 та 22. І навпаки, при наявності електронодонорних замісників в ароматичному кільці утворюються ціанінові барвники з високим виходом.

Спектри ЯМР 1Н синтезованих барвників мають однотипний характер: у деяких випадках сигнали подвоюються, що зумовлено існуванням в розчині кількох енергетично вигідних форм; характеристичним є положення сигналів 9,9ґ-Н (8,4 - 8,5 м. ч.) та N-CH3 (4,6 - 4,7 м. ч.). Значення лmax в електронних спектрах поглинання більшості барвників в ацетонітрилі знаходяться в межах 552 - 569 нм, лише для барвника 21 воно становить 582 нм, що підтверджує відсутність істотного спряження R з хромофором барвника. Ті невеликі розбіжності значень лmax, які спостерігаються в електронних спектрах поглинання монометинціанінів, можна пояснити електронним впливом R. Значення інтенсивності поглинаня (lg е) синтезованих барвників 4,2 - 5,4.

Структуру одного з монометинціанінів, 14, доведено за допомогою рентгеноструктурного дослідження. Спостерігається альтернування зв'язків в плоскому метиновому ланцюгу, де C(11)-C(13)=1,3669 Е, C(13)-C(10)=1,4168 Е. Максимальне відхилення площини C(8)-C(10)-C(11)-C(13) від планарної становить 0,009 Е. Арильний замісник примушує метиновий ланцюг адаптуватись під цис-цис конфігурацію. Арильний фрагмент повернутий на 50° по відношенню до метинового ланцюга, кінцеві атоми азоту виходять з планарної площини на 0,916 Е (N4) та -1,080 Е відповідно.

Порівняльний аналіз геометрії двох монометинціанінів тетразолоізоіндолу з замісниками R=Ph 14 та R=H 23 показав суттєву різницю їхньої будови. Дані рентгеноструктурного дослідження незаміщеного монометинціаніну 23, а саме: 1) вирівнювання довжин зв'язків С(8)-С(9) та С(9)-С(10) (1,379(4) та 1,366(3) Е відповідно), 2) зв'язки С(7)-С(8), С(10)-С(11), N(4)-C(1), N(8)-C(17) за своїми довжинами близькі до одинарних зв'язків у спряженій системі, 3) збільшення валентного кута С(10)-С(9)-С(8) до 132,7(3)°, - дозволяють говорити про внесок резонансної структури С. Результати досліджень методом ЯМР не суперечать висновку про внесок карбокатіонної резонансної структури: з літератури, присвяченій дослідженню карбокатіонів методом ЯМР 13С випливає, що для класичних карбокатіонів значення 1JCH знаходиться в інтервалі 165 - 183 Гц; нами встановлено, що в спектрі монометинціаніну з R=H значення 1JCH становить близько 173 Гц. У спектрі ЯМР 1Н сигнал метинового протона спостерігається при 8,95 м. ч., що також підтверджує цей висновок. Треба зазначити, що аналіз довжин зв'язків та порівняння їх з середніми значеннями не дозволяє однозначно вказати домінуючі резонансні структури. Тому для вирішення питання про внесок різних резонансних структур в загальну будову катіона даного монометинціаніну нами були зроблені неемпіричні квантовохімічні розрахунки в межах теорії функціоналу густини (DFT), які показують, що внесок карбокатіонної структури С є невеликим, однак ним не можна нехтувати.

Формальна наявність ізоіндольного фрагменту в одержаних ацилпохідних 5-12 дозволяла очікувати від них дієнової активності, але жодна спроба ввести сполуки 5-12 в реакцію з малеїнімідами не призвела до успіху. Причину повного зникнення дієнової активності вдалось встановити за допомогою спектральних досліджень. На підставі даних ІЧ спектроскопії та порівнянні одержаних результатів з відомими літературними даними зроблено висновок про сильне супряження в ацилпохідних групи С=О з ароматичними фрагментами. Для електронної структури ацилпохідних характерний суттєвий внесок резонансних форм B та С.

Цей висновок підтверджено і даними ЯМР 13С. Результати спектроскопічних досліджень методом ЯМР 13С структурно близьких до ацилпохідних сполук - амідів та тіоамідів - дозволяють казати про суттєві внески полярних резонансних структур у будову ацилпохідних та тіоамідів і відсутність внесків таких структур у будову амідів.

Встановлено принципову здатність ацилпохідних до розкриття тетразольного кільця при пропусканні через силікагель. Так, для ацилпохідної 12 з R=t-Bu після проходження через тверду фазу спостерігалось подвоєння сигналів в спектрі ЯМР 1Н, після чого речовина була проаналізована методом хромато-мас-спектрометрії, який показав наявність двох піків: перший з часом виходу 7,92 та m/z 228 та другий з часом виходу 11,34 та m/z 256. Одержаний результат можна інтерпретувати як розкриття тетразольного кільця з елімінуванням вільного азоту.

3. Комплексоутворення ціанінових барвників з металами

Описано ряд дослідів з солями різних металів. На прикладі взаємодії незаміщенних моно- та триметинціанінів з гексаціанофеаратом(ІІІ) та тетраціанонікелатом(ІІ) калію нам вдалось виділити чотири комплекси в твердому вигляді та проаналізувати їх спектральними методами.

Імовірно, на певному етапі реакція проходить як іонний обмін, а одним з продуктів взаємодії є KClO4, оскільки в складі одержаних комплексів калій не виявлений. Дані ІЧ спектроскопії свідчать про відсутність у досліджуваних сполуках перхлорат-йона та наявність координованих ціанідних груп FeCN та NiCN відповідно. За даними електронних спектрів можна припустити октаедричне оточення феруму і плоскоквадратне нікелю в одержаних комплексах. Дериватографічне дослідження вказує на відсутність сольватів. Склад комплексів не залежить від співвідношення вихідних реагентів. Проведене рентгеноструктурне дослідження монокристалів комплексу триметинціаніну з тетраціанонікелатом(ІІ) калію. Комплекс барвника з тетраціанонікелатом(ІІ) калію- це регулярна супрамолекулярна структура складу L2[Ni(CN)4], де L - катіон триметинціаніну 1-метилтетразоло[5,1-a]ізоіндолу.

Геометрія аніону [Ni(CN)4]2- є характерною для плоскоквадратного локального координаційного оточення нікелю, сформованого чотирма групами СN. При цьому аксіальні контакти Ni-C складають відповідно 3,796 та 3,739 ?, що дозволяє говорити про додаткову взаємодію нікелю з p-спряженою системою барвника.

В свою чергу, атоми Нітрогену груп CN пов'язані з триметинціаніном неспецифічними водневими зв'язками, відстані N-H знаходяться в межах 2,432 - 2,530 ?. Будь-який аніон [Ni(CN)4]2- має по три N-Н контакта з двома лігандами, які лежать в одній площині і мають аксіальне розташування по відношенню до нікелю. Ще по одному контакту N-Н формується з двома лігандами, які розташовані практично перпендикулярно до площини комплексного аніону [Ni(CN)4]2-.

Висновки

тетразолоізоіндол препаративний ацилпохідний ціаніновий

Підтверджено гіпотезу про високу дієнову активність 1-метил[5,1-a]тетразолоізоіндолу та 1,2-диметил-1,2,4-триазоло[5,1-a]ізоіндолу за положеннями 5,9b.

Показано, що з типовими дієнофілами - малеїнімідами - відбувається три послідовні процеси: утворення аддукту Міхаеля (складу 1:1); утворення адукту Дільса-Альдера (складу 1:2) та результуюче скелетне перегрупування останнього.

Встановлено, що введення в положення 5 системи тетразолоізоіндолу ацильної групи призводить до повного зникнення дієнової активності.

Показано, що при ацилюванні тетразолоізоіндолів хлорангідридами карбонових кислот поряд з ацилпохідними утворюються невідомі раніше монометинціаніни з замісниками в мезо-положенні.

Встановлено, що оптимальним для одержання монометинціанінів є співвідношення перхлорату 1-метил-5Н-тетразоло[5,1-а]ізоіндолію / хлорангідриду / триетиламіну 1/1/2, алкільні та електронодонорні ароматичні замісникі R сприяють збільшенню виходів барвників.

За результатами рентгеноструктурних досліджень зроблено порівняльний аналіз геометрії двох монометинціанінів тетразолоізоіндолу з замісниками R=Ph та R=H. З врахуванням неемпіричних розрахунків в межах теорії функціоналу густини (DFT) зроблено висновок про доцільність врахування в описі електронної будови монометинціаніну з R=H внеску карбокатіонної резонансної структури.

Показано принципову можливість утворення комплексів як монометинціаніну, так і триметинціаніну 1-метил[5,1-a]тетразолоізоіндолу з гексаціаноферратом(ІІІ) та тетраціанонікелатом(ІІ) калію.

Література

1. Войтенко З.В., Егорова Т.В., Ковтуненко В.А. Триазоло- и тетразолоизоиндолы // Хим. гетероцикл. соедин. - 2002. - № 9. - С. 1171 - 1193.

2. Егорова Т.В., Войтенко З.В., Затовский И.В., Вольф Ж.Ж. Комплексообразование цианиновых красителей ряда тетразоло[5,1-а]изоиндола с гексацианоферратом(III) и тетрацианоникелатом(II) калия // Координац. химия. - 2002. - Т. 28, № 8. - С. 557 - 559.

3. Кисіль А.І., Єгорова Т.В., Войтенко З.В, Вольф Ж.Ж. Тетразолоізоіндоли в умовах реакції ацилювання // Вісник Київського ун-ту. Хімія. - 2003. - Вип. 39-40. - С. 35 - 37.

4. Єгорова Т.В., Карбовська Р.В., Войтенко З.В, Туров О.В. Реакція 1,2-диметил-1,2,4-триазоло[5,1-a]ізоіндолу та 1-метилтетразоло[5,1-a]ізоіндолу з малеінімідами // Вісник Київського ун-ту. Хімія. - 2003. - Вип. 39-40. - С. 95 - 97.

5. Voitenko Z.V., Boisdon M.Th., Yegorova T.V., Kysil' A.I., Favrot J., Wolf J.G. IR spectroscopy study of the reactivity of aromatic 5-acyltetrazoloindoles // J. Mol. Structure. - 2003. - V. 658, № 6. - P. 171 - 177.

6. Voitenko Z.V., Yegorova T.V., Kysil' A.I., Andre C., Wolf J.G. New cyanine dyes derived from tetrazolo[5,1-a]isoindoles // Tetrahedron. - 2004. - Vol. 60, № 1. - P. 199 - 206.

7. Єгорова Т.В., Войтенко З.В. Реакція 1,2-диметил-1,2,4-триазоло[5,1-а]ізоіндолу з р-анізилмалеїнімідом // Тези доповідей Міжнародної конференції “Хімія азотовмісних гетероциклів” (ХАГ-2000). - Харків (Україна), 2000. - С. 89.

Размещено на Allbest.ru