Методы синтеза 4-нитро-2Н-бензимидазол-1,3-диоксида и анализ его фотохромных свойств

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Фотохромные соединения находят применение в системах скоростной обработки оптических и электрических сигналов, в качестве элементов оперативной памяти ЭВМ (где быстродействие и многократность использования особенно важны), в системах микрофильмирования и микрозаписи, в голографии (где особенно существенно высокое разрешение), а также в оптоэлектронике, дозиметрии, актинометрии, в оптических затворах, автоматически изменяющих пропускание света в зависимости от уровня освещённости и мн. др. Широкое применение фотохромные соединения нашли в цветной фотографии и печати (где в зависимости от их типа можно получать негативное или позитивное многоцветное изображение под действием излучения в диапазоне от рентгеновского до микроволнового).

Так же известно, что некоторые представители 2Н-бензимидазол-1,3-диоксида проявляют высокую биологическую активность и могут быть использованы как лекарственные средства защиты против паразитов Tripanosoma cruzi и Leishmania spp, которыми инфицировано по данным Всемирной организации здравоохранения около 30 млн. человек и более 400 млн. постоянно находятся под угрозой заражения.

Целью настоящей работы является синтез 4-нитро-2Н-бензимидазол-1,3-диоксида и изучение его фотохромных свойств.

1. 2Н-бензимидазол-1,3-диоксиды - новая группа эффективных лекарственных средств, против Tripanosoma cruzi и Leishmania spp.

Трипаносомоз и лейшманиоз - тропические трансмиссионные заболевания, вызываемые простейшими класса жгутиковых, паразиты крови и тканей позвоночных животных и человека. Tripanosoma cruzi и Leishmania spp вызывают болезни такие как, Сонная болезнь, болезнь Чагаса, лейшманиоз, которыми страдают миллионы людей на планете.

Рис. 1

Рис. 2

Эти лекарственные средства не всегда эффективны, поэтому продолжается поиск средств борьбы с этими паразитами.

Авторами вышедшей в 2006 г. статьи было показано, что производные 2H-бензимидазол-1,3-диоксида проявили высокую активность против паразитов (Tripanosoma cruzi и Leishmania spp). Наибольшую эффективность против паразитов (Tripanosoma cruzi и Leishmania spp) проявили соединения представленные на схеме. Полученные соединения запатентованы.

Рис. 3

2. Методы синтеза 2Н-бензимидазол-1,3-диоксидов

2Н-Бензимидазолы в настоящее время достаточно хорошо изученные соединения, по ним существует множество публикаций, а вот 2Н-бензимидазол-1,3-диоксиды очень мало изученные соединения. В настоящее время известны следующие методы синтеза 2Н-бензимидазол-1,3-диоксидов.

Методы синтеза 2Н-бензимидазол-1,3-диоксидов.

Использование хинонов диоксимов в реакциях конденсации с карбонильными соединениями позволяет получать 2Н-бензимидазол-1,3-диоксиды:

бензофуроксан фотохромизм карбонильный

Рис. 4

Рис. 5

Одним из методов синтеза 2Н-бензимидазол-1,3-диоксидов является реакция бензофуроксана и его производных с вторичными нитроалканами в присутствии основания:

Рис. 6

Этим способом из бензофуроксанов, содержащих в 5 положении один из заместителей (Cl, Br, OCH3, CF3), был получен ряд соответствующих 2,2-диалкил-2Н-бензимидазол-1,3-диоксидов.

Следует отметить, что нитропроизводные бензофуроксана в описанную реакцию не вступают.

Механизм взаимодействия бензофуроксанов с вторичными нитроалканами можно представить следующим образом: получающийся из нитроалкана под действием основания карбанион атакует молекулу бензофуроксана по атому азота в положении с образованием аддукта, который изомеризуется с размыканием пятичленного цикла в анион. Отщепление из последнего нитрит-аниона с последующим замыканием цикла приводит к продукту:

Рис. 7

По аналогичному механизму протекает, по-видимому, и взаимодействие бензофуроксана 5 с фенилдиазометаном, в результате которого образуется 2,2-дифенил-2Н-бензимидазол-1,3-диоксид:

Рис. 8

N-циклогексил-о-нитроанилин 10 при нагревании циклизуется с образованием 2-спироциклогексан-2Н-бензимимдазол-N-оксида. Реакция протекает, путем внутримолекулярной конденсации в таутомере:

Рис. 9

При термолизе 2-азидо-3-метилхиноксалин-1,4-диоксида образуется 2-циано-2-метил-2Н-бензимидазол-1,3-диоксид наряду с 3-циано-3-метил-2,1,4-бензоксадиазин-4-оксидом. По-видимому, первоначально в результате потери соединением молекулы азота и раскрытия кольца образуется о-нитрозофенилнитрон, который далее может циклизоваться либо в бензимидазол, либо с включением в цикл атома кислорода - в бензоксадиазин:

Рис. 10

Бензимидазол-1,3-диоксиды можно получать из соответствующих тетрагидро-бензимидазол-1,3-диоксидов. Так, при бромировании 4,5,6,7-тетрагидро-2,2-диметил-2Н-бензимидазол-1,3-диоксида с последующим дегидробромированием тетрабромпроизводного образуется 4,7-дибром-2,2-диметил-2Н-бензимидазол-1,3-диоксид:

Рис. 11

В лаборатории промежуточных продуктов НИОХ был разработан метод синтеза 2Н-бензимидазол-1,3-диоксидов, основанный на взаимодействии бензофуроксанов со спиртами или галоидалканами в серной или хлорной кислотах. Метод позволяет получать широкий ряд 2Н-бензимидазол-1,3-диоксидов, в том числе тех, которые недоступны другими методами синтеза.

Рис. 12

Взаимодействие бензофуроксана со спиртами происходит, по-видимому, по приведенной ниже схеме. Образующийся из спирта карбкатион атакует молекулу бензофуроксана по атому азота в положении, получающийся при этом аддукт 20 изомеризуется с раскрытием цикла в катион, который, теряя протон, превращается в нитрозонитрон. Замыкание цикла в последнем приводит либо к 2Н-бензимидазол-1,3-диоксиду, в случае нуклеофильной атаки атомом азота нитрозогруппы, либо к бензоксодиазин-N-оксиду, в случае нуклеофильной атаки атомом кислорода по нитронной группе:

Рис. 13

Рис. 14

Под действием м-хлорпербензойной кислоты соединение окисляется, при этом получаются N-оксид, который при дальнейшем окислении превращается в 2-спироциклогексан-2Н-бензимидазол-1,3-диоксид:

Рис. 15

3. Фотохромизм соединений и его применение

Фотохромизм - это обратимое, вызванное светом (УФ, видимый, ИК) изменение спектра поглощения соединения. Оно обусловлено переходом соединения из формы A в форму B и обратно.

На практике наиболее часто имеют дело с соединениями, у которых, по крайней мере, одна форма поглощает свет в видимой области спектра.

Если соединения A и B поглощают только в УФ-области спектра, то такую разновидность фотохромии называют фототропией.

B может представлять собой одно или несколько термодинамически метастабильных или нестабильных соединений. При переходе A в B изменяются электронная структура хромофора и соответственно спектр поглощения соединения, а также другие важные свойства вещества, включая оптические (коэффициент преломления), электрические (проводимость, фотопроводимость), термодинамические (энтальпия образования, температура плавления) и другие характеристики. По способности к обратимости различают несколько типов фотохромных систем. Система может быть фотообратимой, т.е. окрашенная форма В переходит при облучении светом в своей длинноволновой полосе поглощения обратно в бесцветную форму A в результате так называемого оптического отбеливания. Термообратимой называют фотохромную систему, которая спонтанно при комнатной температуре или при нагревании переходит в исходную форму A. Многие фотохромные реакции в большей или меньшей степени сопровождаются побочными или необратимыми реакциями, в результате чего фотохромное соединение разрушается (фотохромная система устает).

Рассмотрим механизмы, которые лежат в основе превращений наиболее известных фотохромных органических соединений.

1. Фотодиссоциация

Примером процесса с гомолитическим разрывом связи может служить фотолиз гексафенилбисимидазолила и октафенилдипиррола, которые реагируют по схеме:

С относительно высокими квантовыми выходами возникают глубокоокрашенные радикалы А, которые могут термически рекомбинировать с образованием исходных веществ:

Рис. 16

2. Фотоионизация.

Обратимое изменение цвета может происходить также в результате фотоиндуцированных обратимых окислительно-восстановительных реакций (редокс-реакций). Окрашенной формой в зависимости от типа системы может быть A или B. Особый случай редокс-фотохромии - обратимая фотоионизация. Таким образом из п-фенилендиаминов возникают известные глубокоокрашенные красители типа Вюрстера голубого.

Рис. 17

3. Фотоперегруппировки.

а) Фототаутомерия.

Рис. 18

b) Фотозамещение

Интересный тип фотохромии (внутримолекулярное обратимое ароматическое фотозамещение) обнаружен у 6-арилокси-5,12-нафтаценхинона и некоторых других конденсированных ароматических соединений аналогичного типа.

Рис. 19

c) Фотоизомеризация. Фотохимические превращения трансформы органического соединения в цисформу (транс-цис-изомерия) широко распространены и детально изучены. Пространственная транс-цис-изомеризация обусловлена затрудненным вращением вокруг двойной связи и является причиной фотохромных изменений в целом ряде органических соединений. В силу малого отличия электронных структур исходных и конечных продуктов спектральные изменения в случае транс-цис-изомеризации в сравнении с другими фотохромными процессами, как правило, менее значительны. Эти формы различаются по энергии на величину ?H от 3 до 25 кДж/моль.

Заключение

Таким образом мы синтезировали новое соединение проявляющее фотохромные свойства - 2,2,-диметил-4-нитро-2Н-бензимидазол-1,3-диоксид. Данное соединение при нагревании изомеризуется с изменением цвета в 8-нитро-3H-бензо-[с]-[1,2,5]-оксодиазин-4-оксид, которое при облучении солнечным светом изомеризуется в исходный 2,2,-диметил-4-нитро-2Н-бензимидазол-1,3-диоксид.

Список литературы

1. Boiani M., Boiani L., Denicola A., Torres de Ortiz S., Serna E., Bilbao N.V., Sanabria L., Yaluff G., Nakayama H., Arias A.R., Vega C., Rolan M., Gomez-Barrio A., Cerecetto H., Gonzalez M.. 2Н-Benzimidazole 1,3-Dioxide Derivatives: A New Family of Water-Soluble Anti-Trypanosomatid Agents. // J. Med. Chem. - 2006. - V.49. - P. 3215-3224.

2. Aguirre G., Boiani M., Cerecetto H., Gerpe A., Gonzalez M., Sainz Y. F., Denicola A., Ocariz Carmen Ochoa de, Nogal J.J., Montero D., Escario J. A. Novel Antiprotozoal Products: Imidazole and Benzimidazole N-Oxide Derivatives and Relater Compounds. // Arch. Pharm. Pharm. Med. Chem. - 2004. - V. 337. - P. 259-270.

3. Part of this research is presented in the Uruguayan patent of invention: Boiani M., Cerecetto H., Gonzalez M., Merlino A. Derivados de 1,3-dioxido de benzimidazol. Procedimiento de preparacion y utilizacion (Benzimidazole 1,3-dioxide derivatives. Preparation procedure and utilization). UR Patent No. 29076, 2005.

4. Volkamer K., Zimmermann H.W. Uber arylsubstituierte 1-Hydroxy-imidazole und 1-Hydroxy-imidazol-N-3-oxide. // Chem. Ber. - 1969. - Bd.102. - N.12. - S. 4177-4187.

5. Marwan J. Abu El-Haj. Novel Synthesis of 1-Hydroxy-1H-benzimidazole 3- Oxides and 2,2-Dialkyl-2H-benzimidazole 1,3-Dioxides. // J. Org. Chem. - 1972. - V. 37. - P. 2519-2520.

6. Latham D.W.S., Meth-Cohn O., Suschitzky H., Herbert J.A.L. Benzofurazan N-Oxides as Synthetic Precursors. Part 2. Conversion of Benzofurazan N-Oxides into 2H-Benzimidazoles and Some Unusual Reachtions of 2H-Benzimidazoles. // J. Chem. Soc. Perkin. Trans. 1. - 1977. - N.5. - P. 470-478.

Размещено на Allbest.ru