Синтез полиядерных азолсодержащих систем

Размещено на http://www.allbest.ru//

1

Размещено на http://www.allbest.ru//

02.00.03-Органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Синтез полиядерных азолсодержащих систем

Верхозина Ольга Никитична

Иркутск-2007

Работа выполнена в Институте нефте- и углехимического синтеза при Иркутском государственном университете

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор

Верещагин Леонтий Ильич

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Лопырев Валентин Александрович

кандидат химических наук, доцент

Дмитриченко Михаил Юрьевич

Ведущая организация: Иркутский государственный

технический университет

Защита состоится 7 ноября 2007 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета Д 212.074.06 по защите диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук при Иркутском государственном университете по адресу: 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 126, химический факультет ИГУ.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке ИГУ, с авторефератом диссертации - на сайте ИГУ http://www.isu.ru

Автореферат разослан « 3 » октября 2007 г.

Отзывы на автореферат высылать по адресу: 664003, Иркутск, ул. К.Маркса, 1, ИГУ, химический факультет, ученому секретарю диссертационного совета О.А. Эдельштейн.

Ученый секретарь диссертационного совета,

к. х. н., доцент О.А. Эдельштейн

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Азолы, представляющие собой пятичленные азот- и кислородсодержащие ароматические гетероциклы привлекают внимание исследователей достаточно высокой реакционной способностью, разнообразием химических превращений. Производные азолов предложены к применению в современной медицине, биотехнологии, оборонной и космической технике. Особое место в этом ряду занимают полиядерные неконденсированные 1,2,3-триазол-, тетразол- и 1,3,4-оксадиазолсодержащие структуры. Обладая несколькими реакционными центрами, они являются ценными исходными реагентами для синтеза веществ с новыми полезными свойствами. Весьма перспективным направлением является использование полиядерных азолсодержащих систем в качестве мономерных блоков для формирования полимерных соединений с различной «архитектурой» и свойствами, включая гиперразветвленные высокоплотные энергоемкие полимерные материалы. Исследования в области химии полиядерных неконденсированных азолсодержащих систем являются одним из важных и быстро развивающихся направлений химии гетероциклических соединений как в нашей стране так и за рубежом. Однако, в настоящий момент практически не разработаны препаративные методы синтеза открытоцепных полиядерных структур. В связи с этим, разработка способов построения неконденсированных полиядерных азолсодержащих соединений является одной из актуальных задач органической химии.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательской работы Института нефте- и углехимического синтеза при Иркутском Государственном Университете по теме № 41-198-30 «Развитие теоретических основ формирования азот- и фосфорсодержащих гетероциклов, а также мономеров и полимеров на их основе, обладающих повышенной энергоемкостью, биологической активностью и природозащитным действием».

Цель работы Разработка путей конструирования неконденсированных полиядерных систем, содержащих несколько ядер в виде 1,2,3-триазольных, 1,3,4-оксадиазольных и тетразольных гетероциклов, сочлененных одной или двумя метиленовыми группами. полиядерный алкилирование азол

Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи:

Применение реакции алкилирования азолов для введения фрагментов, содержащих кратные связи цианометильного и пропаргильного фрагментов.

Изучение возможности синтеза полиядерных неконденсированных триазол- и тетразолсодержащих соединений циклоприсоединением органических и неорганических азидов к тройным связям пропаргильных и цианометильных фрагментов в молекулах азолов.

Рассмотрение возможности синтеза функционально замещенных азолсодержащих полиядерных систем, в том числе и полимерного характера.

Изучение реакции трансформации тетразольного гетероцикла в 1,3,4-оксадиазольный под действием ангидридов и хлорангидридов кислот. Применение ангидрида трифторуксусной кислоты и хлорангидридов гетероциклических кислот для синтеза полиядерных 1,3,4-оксадиазолсодержащих соединений.

Изучение возможности использования реакции Димрота для синтеза полиядерных 1,2,3-триазолсодержащих структур с участием гетероциклических азидов.

Научная новизна работы Разработаны варианты синтеза полиядерных 1,2,3-триазол- и тетразолсодержащих систем с применением реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения. Продемонстрирован синтез многоядерных блоков, несущих исключительно 1,2,3-триазольные или тетразольные звенья, а также с различным сочетанием этих гетероциклов. Показана принципиальная возможность проведения реакции рециклизации тетразолов в 1,3,4-оксадиазолы при низких температурах под действием ангидрида трифторуксусной кислоты. Разработаны пути подхода к полиядерным 1,3,4-оксадиазолсодержащим соединениям реакцией хлорангидридов гетероциклических кислот с 5-замещенными тетразолами. Осуществлен синтез бициклических 5-амино-1,2,3-триазолов из соединений с активированной метиленовой группой и гетероциклических азидов.

Практическая значимость работы Предложены способы получения полиядерных 1,2,3-триазол- и тетразолсодержащих систем - энергоемких соединений с высоким содержанием азота, перспективных компонентов газогенерирующих систем. Продемонстрирован синтез 1,3,4-оксадиазолов из тетразолов и ангидрида трифторуксусной кислоты нетермическим путем, что может быть использовано при необходимости масштабного синтеза галогензамещенных оксадиазолов.

Апробация работы основные результаты диссертационной работы были представлены на V Молодежной научной школе-конференции по органической химии (Екатеринбург, 2002); Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2002» (Москва, 2002); 34 th International Annual Conference of ICT(Karlsruhe, FRG, 2003).

Публикации По теме диссертации опубликовано 4 статьи, из них 3 в журналах рекомендованных и одобренных перечнем ВАК, 3 тезисов докладов в материалах конференций.

Структура работы Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов и библиографии. Работа изложена на 128 страницах машинописного текста, включая список цитируемой литературы из 144 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Синтез полиядерных 1,2,3-триазол- и тетразолсодержащих соединений

Предложен вариант синтеза полиядерных блоков неаннелированных гетероциклов ряда азолов, разделенных метиленовыми фрагментами. В основу синтеза положено алкилирование азолов пропаргилбромидом и хлорацетонитрилом с последующим циклоприсоединением органических и неорганических азидов к тройной связи полученных соединений, в результате чего образуется дополнительный триазольный или тетразольный цикл. С этой целью был синтезирован ряд пропаргил- и цианоалкилазолов. Несмотря на однотипность реакции, алкилирование различных азолов происходит далеко не в стандартных условиях. Так 4-нитро-1-пропаргил-1,2,3-триазол (2a) синтезирован из пропаргилбромида и калиевой соли 4-нитро-1,2,3-триазола (1а). Напротив, пропаргилирование и цианоалкилирование бензотриазола (1b) и 5-фенилтетразола (1c) более успешно протекает с триэтиламмониевыми солями этих азолов. Кроме того, реакцией цианоэтилирования фенилтетразола (1c) получено цианоэтильное производное (4c). В процессе реакции алкилирования азолов (1a-c) образуются смеси изомерных продуктов, которые в некоторых случаях удается разделить дробной кристаллизацией или с помощью колоночной хроматографии на окиси алюминия.

(1), (2), (3) X=CH; R1=NO2 ; R= Ph(Bn) (a); X=C; R1-R2=C4H4 R= Ph(Bn) (b); X=N; R1=Ph R= Ph, Bn, CH2CN (c); (4), (5) X=C; R1-R2=C4H4; n=1 (a); X=N; R1=Ph; n=1 (b); X=N; R1=Ph; n=2 (c); (6) X=N; R1=Ph.

В реакцию алкилирования с хлорацетонитрилом вступал бициклический 5-(2-фенил-1,2,3-триазол-4-ил)тетразол (7), с образованием соответствующего цианометильного производного (8).

Сборка полиядерных блоков осуществлялась последовательным наращиванием звеньев ядер азолов циклоприсоединением органического азида к тройной связи пропаргилазолов (2a-c), а также взаимодействием азидов аммония с нитрильной группой цианоазолов (3с, 4a-c, 8). Присоединение азидов к тройной связи пропаргилазолов протекает в среде этилового спирта или толуола при температуре кипения растворителя. Взаимодействие азидов аммония с цианоалкилазолами происходит в ДМФА при 100-110С. При этом образуются структуры из двух гетероциклов, связанных метиленовыми группами (3a-c) и (5a-c), а также трициклические соединения (6) и (9). В зависимости от вида ключевого пропаргилазола и цианоалкилазола в итоге были получены соединения как только с триазольными и тетразольными циклами, так и с различным сочетанием этих гетероциклов. Наличие цианометильной группы в молекулах азолов открывает путь к дальнейшей пристройке новых ядер. Так в реакции азидов аммония с цианоалкилазолами в молекуле появляется новый тетразольный гетероцикл, несущий при атоме азота протон, обеспечивающий возможность алкилирования и пристройки еще одного гетероцикла по вышеописанной схеме. Следует отметить, что в ИК спектрах всех полученных N-цианометилазолов (3с), (4a,b), (8) отсутствует полоса поглощения, характерная для нитрильной группы, картина спектра не меняется в неполярных растворителях, причем спектр ЯМР 13С фиксирует наличие нитрильной группы для этих азолов. Возможно, отсутствие полосы это результат прототропной перегруппировки цианометильного фрагмента, находящегося при атоме азота гетероцикла по типу СН2-CNCH=C=NH, при которой исчезает поглощение нитрильной группы.

Синтез функционально замещенных 1,2,3-триазол- и тетразолсодержащих полиядерных систем.

Рассмотрены возможности построения функционально замещенных триазол- и тетразолсодержащих полиядерных соединений, включая вещества полимерного характера, несущих в качестве связующих элементов кроме гетероциклов карбоксильные звенья. В качестве исходных позиций использованы ацетиленовые соединения с защищенной гидроксильной группой бензоильным остатком. Как выяснилось, бензоильная группа заметно стабилизирует ацетиленовую молекулу. Так циклоприсоединение азидоацетонитрила (11) и 5-азидометилтетразола (12) к пропаргилбензоату (10) происходит с образованием моноциклического триазола (14) и триазолилтетразола (15) с хорошими выходами. Бициклическое соединение (15) получено также из триазола (14) и азида аммония. Столь же успешно протекает взаимодействие пропаргилбензоата с диазидами (13a,b). Эта реакция позволяет выйти на функционально замещенные бистриазолы (16a,b). Во всех случаях циклоприсоединения азидов к тройной связи ацетиленовых соединений возможно образование изомерных триазолов. Однако, как правило, происходит преимущественное образование одного из изомеров, который удается выделить дробной кристаллизацией.

Подход к полиядерным триазолам обеспечивается реакцией азидов с дипропаргиловыми эфирами терефталевой, малоновой и щавелевой кислот (17a-c). Реакция бензилазида и азидоацетонитрила (11) с диацетиленовыми эфирами (17a-c) приводит к сложным эфирам бистриазолов (18a-c). Полученный при этом бистриазол с R=CH2CN (18c) в реакции с азидом аммония образует тетраядерное соединение, несущее одновременно 1,2,3-триазольные и тетразольные циклы (19c). Подобное соединение (19a) получено циклоприсоединением 5-азидометилтетразола (12) к дипропаргиловому эфиру терефталевой кислоты (17a). В спектрах ЯМР наблюдаются только синглетные сигналы, соответствующие симметричным изомерам.

A=p-C6H4 (a); CH2 (b); - (c); R=Bn, CH2CN.

3. Синтез полиядерных 1,3,4-оксадиазолсодержащих систем.

3.1. Синтез 2-замещенных-5-трифторметил-1,3,4-оксадиазолов.

Общеизвестная реакция термолиза 5-замещенных тетразолов под действием хлорангидридов и ангидридов кислот в 1,3,4-оксадиазолы имеет определенные ограничения. Эти ограничения, как правило, связаны с повышенной чувствительностью к нагреву исходных тетразолов, промежуточных соединений и продуктов превращения, поскольку реакция осуществляется при температурах выше 100С. В отличие от установившихся мнений о термолизе 5-замещенных тетразолов с хлорангидридами и ангидридами кислот, в настоящей работе продемонстрирована принципиальная возможность реализации этой реакции при низких температурах с ангидридом трифторуксусной кислоты. Исследования показали, что эта реакция, судя по активному гозообразованию, начинается уже при -10С. Реакция успешно протекает в хлористом метилене, эфире, бензоле, толуоле. Предпочтительны низко кипящие растворители, облегчающие выделение продуктов реакции.

Столь мягкие условия реакции позволили провести взаимодействие с ангидридом трифторуксусной кислоты целого ряда монотетразолов (20 a-j) и бициклических тетразолсодержащих соединений (5c,7,22) с образованием соответствующих 1,3,4-оксадиазолов. Превращение всех выше перечисленных тетразолов в оксадиазолы происходит достаточно быстро при комнатной температуре, время реакции не превышало 5 часов. Продукты реакции выделены с высокими выходами.

(20), (21) R=Me (a), CH2CH2OCH3 (b), CH2Cl (c), CH2CH2Cl (d), CH2CH2N(CH3)2 (e), CH2=CH (f), CH2CN (g), Ph (i), CH2COOEt (j).

Для оценки влияния природы заместителя в ангидридах и хлорангидридах кислот на процесс трансформации тетразолов в оксадиазолы было проведено взаимодействие 5-фенилтетразола (1с) с хлорангидридом трихлоруксусной кислоты. При комнатной температуре не происходило никаких изменений. Используя данные о каталитическом действии аминов в реакции ацилирования тетразолов, в реакционную массу были введены триэтиламин и пиридин. При этом тетразол (1с) реагировал с хлорангидридом трихлоруксусной кислоты при комнатной температуре с бурным выделением азота в присутствии эквимольных количеств триэтиламина или пиридина. Был выделен 2-фенил-5-трихлорметил-1,3,4-оксадиазол, идентичный оксадиазолу полученному в результате реакции термолиза фенилтетразола с хлорангидридом трихлоруксусной кислоты при 80°С. Как и следовало ожидать, наличие сильной акцепторной группировки в молекуле ацилирующего агента способствует быстрому протеканию реакции ацилирования. Промежуточно образующиеся N-ацилтетразолы, содержащие фрагмент с акцепторной группой, крайне нестабильны и превращаются в 1,3,4-оксадиазолы при относительно низких температурах. Таким образом, введение в реакцию высоко активных ангидридов позволяет осуществлять синтез оксадиазолов с применением лабильных исходных тетразолов.

В спектрах ЯМР 13С всех полученных трифторметилзамещенных оксадиазолов наблюдаются характерные сигналы в области 160-173 м.д. и 155-159 м.д., соответствующие по своим химическим сдвигам атомам углерода С2 и С5 1,3,4-оксадиазольных колец соответственно, а также в области 116-120 м.д. относящиеся к трифторметильной группе. Дополнительным подтверждением нахождения трифторметильной группы при атоме углерода С5 оксадиазольного кольца является сигнал атома углерода группы СF3 в виде квартета и расщепление сигнала С5 атома углерода оксадиазольного кольца также в квартет. Величины КССВ 13С-19F составляют 267-271 Гц и 43-46 Гц, соответственно.

3.2. Взаимодействие хлорангидридов гетероциклических кислот с NН-тетразолами.

Рассмотрены возможности синтеза полиядерных 1,3,4-оксадиазолов, в том числе несущих 1,2,3-триазольные и тетразольные звенья. С этой целью в реакции термолиза с 5-замещенными тетразолами были использованы гетероциклические хлорангидриды (5-фенилтетразол-2-ил)уксусной (24) и (2-фенил-1,2,3-триазол-4-ил)карбоновой кислот (25). Взаимодействие хлорангидридов (24) и (25) с моноциклическими и бициклическими тетразолами протекает при 75-85оС достаточно быстро с образованием тетразол- и триазолзамещенных оксадиазолов (26a-е), (27a-c) с 60-70% выходами.

Также осуществлено взаимодействие дихлорангидрида (1-бензил-1,2,3-триазол-4,5)дикарбоновой кислоты (28) с (2-фенил-1,2,3-триазол-4-ил)тетразолом (7) при 80С. Было выделено полиядерное соединение (29), в котором триазольные звенья чередуются с оксадиазольными:

К сожалению, с увеличением числа циклов азолов в молекулах полиядерных оксадиазолов, наблюдается заметное снижение растворимости этих соединений. Большинство из полученных 1,3,4-оксадиазолов обладают определенной фотоактивностью, что проявляется свечением при УФ облучении.

3.3. Взаимодействие хлорангидридов гетероциклических кислот с разветвленными полиядерными тетразолами.

Успешное применение хлорангидридов (24) и (25) в реакции с моно- и бициклическими тетразолами позволило предположить, что они не менее активно будут реагировать с разветвленными полиядерными тетразолами (30а-с). Однако не все полиядерные тетразолы с хлорангидридами (24) и (25), а также с хлорангидридом бензойной кислоты образуют соответствующие разветвленные оксадиазолы. Удалось выделить и идентифицировать только оксадиазолы (31а-с) с выходами не превышающими 45%.

Реакция термолиза тетразолов (30а-с) при 80-90С проходила с образованием смолообразных продуктов, что значительно затрудняло или делало невозможным выделение индивидуальных соединений. Например, диэтиловый эфир бис[2-(тетразол-5-ил)этил]малоновой кислоты (30а) в реакции с хлорангидридами (24) и (25) подвергался полному разрушению. По-видимому осмоление и низкие выходы целевых продуктов связаны с малой устойчивостью в довольно жестких условиях реакции как политетразолов (30а-с), так и образующихся оксадиазолов.

Тем не менее оказалось, что полиядерные разветвленные тетразолсодержащие системы (30a-c) активно вступают во взаимодействие с ангидридом трифторуксусной кислоты с образованием трифторметилзамещенных бис-, трис- и тетракисоксадиазолов (32a-c) с высокими выходами.

4. Синтез биядерных 1,2,3-триазолсодержащих соединений реакцией Димрота.

Известно, что органические азиды вступают во взаимодействие с соединениями с активированной метиленовой группой с образованием 1-замещенных 1,2,3-триазолов. Такая реакция названа в честь первооткрывателя реакцией Димрота. Было решено применить эту реакцию для синтеза биядерных 1,2,3-триазолсодержащих систем с использованием гетероциклических азидосоединений, содержащих в своей структуре 1,2,3-триазольный, 1,2,4-триазольный или оксадиазольный гетероциклы. В качестве исходных соединений с активной метиленовой группой в реакцию вводили циануксусный эфир, цианацетамид, динитрил малоновой кислоты.

Взаимодействие азидов (33-35) с СН-активными соединениями происходило в метиловом спирте в присутствии метилата натрия, во избежание перегруппировки Димрота при 0С.

R=COOEt (а), CONH2 (b), CN (с).

Были выделены соотствующие бициклические аминотриазолы, содержащие кроме 1,2,3-триазольных и 1,3,4-оксадиазольные и 1,2,4-триазольные гетероциклы. Все бициклические соединения (36-38) представляют собой порошкообразные слабо окрашенные вещества с высокими температурами плавления, некоторые из них плавятся с разложеним. Со всеми СН-активными соединениями гетероциклические азиды (33-35) реагировали без каго-либо осмоления, за исключением реакции с динитрилом малоновой кислоты, при взаимодействии с которым наблюдалось потемнение реакционной массы. Чтобы избежать вторичных процессов взаимодействие с ним проводили при температуре -10С.

Применение реакции Димрота для синтеза полиядерных азолсодержащих гетероциклических соединений оказалось удобным в препаративном плане, так как взаимодействие происходит в мягких условиях, не требуется нагревания реакционной массы, что позволяет избежать деструкции исходных и конечных веществ, позволяет использовать термически нестойкие соединения. Кроме того, в отличие от 1,3-диполярного циклоприсоединения, в данной реакции образуется только один 5-амино-1-R-1,2,3-триазольный изомер.

ВЫВОДЫ

Изучен процесс введения в молекулы 1,2,3-триазолов и тетразолов фрагментов, содержащих кратную связь. Реакцией алкилирования азолов бромистым пропаргилом и нитрилом хлоруксусной кислоты получены соответствующие пропаргил- и цианоалкилпроизводные этих гетероциклов.

Разработаны методы синтеза би- и многоядерных 1,2,3-триазол- и тетразолсодержащих соединений реакцией 1,3-диполярного циклоприсоединения органических и неорганических азидов, а также диазидов к тройной связи N-пропаргилазолов и N-цианоалкилазолов. Продемонстрирована возможность синтеза открытоцепных неконденсированных систем, состоящих из 1,2,3-триазольных и тетразольных звеньев.

Предложен подход к образованию полиядерных функционально замещенных 1,2,3-триазол- и тетразолсодержащих структур взаимодействием органических азидов и диазидов с ацетиленовыми эфирами моно- и дикарбоновых кислот. Исследована реакция полициклоприсоединения диазидов к дипропаргиловым эфирам дикарбоновых кислот. Установлено, что в процессе этой реакции образуются соединения олигомерной природы.

Найден новый вариант синтеза 1,3,4-оксадиазолов взаимодействием моно- и полиядерных разветвленных тетразолов с ангидридом трифторуксусной кислоты, происходящий даже при отрицательных температурах, в отличие от общепринятого мнения о термолизе тетразолов. Показана принципиальная возможность низкотемпературной рециклизации тетразолов в 1,3,4-оксадиазолы под действием хлорангидридов, несущих акцепторные заместители.

Разработан метод получения полиядерных 1,2,3-триазол-, 1,3,4-оксадиазол- и тетразолсодержащих соединений термолизом NH-тетразолов под действием хлорангидридов гетероциклических кислот. Осуществлен синтез неконденсированных открытоцепных структур, содержащих в цепи 1,2,3-триазольные, тетразольные и 1,3,4-оксадиазольные блоки.

Показана возможность выхода на бициклические 1,2,3-триазолсодержащие системы взаимодействием гетероциклических азидов с соединениями обладающими активированной метиленовой группой. Взаимодействие гетероциклических азидов СН-активными соединениями происходит в достаточно мягких условиях с образованием биядерных С-амино-1,2,3-триазолов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Верхозина О.Н., Кижняев В.Н., Верещагин Л.И., Рохин А.В., Смирнов А.И. Синтез полиядерных неконденсированных азолов // ЖОрХ.-2003.-Т. 39.-Вып. 12.-С.1863-1867.

Верещагин Л.И., Кижняев В.Н., Верхозина О.Н., Пройдаков А.Г., Смирнов А.И. Синтез полиядерных функционально замещенных триазол- и тетразолсодержащих систем // ЖОрХ.-2004.-Т.40.-Вып. 8.-С.1203-1208.

Верещагин Л.И., Верхозина О.Н., Покатилов Ф.А., Кижняев В.Н. Синтез 2-замещенных-5-трифторметил-1,3,4-оксадиазолов // ЖОрХ.-2007.-Т.43-Вып.10.-С. 1577-78.

Смирнов А.И., Верещагин Л.И., Кижняев В.Н., Верхозина О.Н., Цыпина Н.А. Новые энергоемкие системы с 1,2,3-триазольными и тетразольными циклами // Вестник Иркутского регионального отделения АН высшей школы России.-2003.-№ 2(3).-С.147-157.

Верхозина О.Н. (Меженина), Верхозин В.И., Верещагин Л.И. Синтез полиядерных неконденсированных азольных систем // материалы V Молодежной научной школы-конференции по органической химии.-Екатеринбург, 2002.-С.295.

Верхозина О.Н., Верещагин Л.И., Верхозин В.И. Синтез биядерных неконденсированных триазол- и тетразолсодержащих систем // материалы Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2002».-Москва, 2002.-С. 51.

Kizhnyev V.N., Vereschagin L.I., Verkhozina O.N., Pokatilov F.A., Tsipyna N.A., Smirnov A.I. Triazole and tetrazole containing energetic compounds // Rew. J. Of 34 th International conf. of ICT.- Karlsruhe (FRG), 2003.-P.1-11.

Размещено на Allbest.ru