Ароматическое нуклеофильное замещение в синтезе полифункциональных орто-дикарбонитрилов

Абрамов, Игорь Геннадьевич

Ароматическое нуклеофильное замещение в синтезе полифункциональных орто-дикарбонитрилов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

Абрамов, Игорь Геннадьевич АВТОР

доктора химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Ярославль МЕСТО ЗАЩИТЫ

2003 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Ароматическое нуклеофильное замещение в синтезе полифункциональных орто-дикарбонитрилов»

Автореферат диссертации на тему "Ароматическое нуклеофильное замещение в синтезе полифункциональных орто-дикарбонитрилов"

На правах рукописи

АБРАМОВ Игорь Геннадьевич

АРОМАТИЧЕСКОЕ НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ В СИНТЕЗЕ ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНЫХ орто-ДИКАРБОНИТРИЛОВ

02.00.03 - Органическая химия

Автореферат

| диссертации на соискание ученой степени

доктора химических наук

Ярославль 2003

Работа выполнена на кафедре органической химии Ярославского государственного технического университета.

Научный консультант: доктор химических наук, профессор

Владимир Владимирович Плахтинский

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Владимир Юрьевич Орлов доктор химических наук, профессор Святослав Аркадьевич Шевелёв доктор химических наук, профессор Олег Павлович Яблонский

Ведущая организация: Институт элементоорганических соедине-

ний им. А.Н. Несмеянова РАН (г. Москва)

Защита состоится октября 2003 года в 41/ часов на заседании диссертационного совета Д 212.308.01 при Ярославском государственном техническом университете по адресу: 150023, г. Ярославль, Московский пр-т 88, аудитория Г-219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЯГТУ по адресу: 150023, г. Ярославль, Московский пр-т 88.

Автореферат разослан сентября 2003г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор химических наук, профессор ^ В.А. Подгорнова

I а

, /

Актуальность проблемы. В настоящее время одним из основных направлений исследований в области органической химии остаётся дальнейшее развитие теоретических основ органических реакций и разработка на этой основе новых, а также совершенствование уже известных методов синтеза ароматических и гетероциклических соединений, что позволяет создавать новые конструкционные материалы, сочетающие в себе различные полезные свойства. Это связано и с бурным развитием полимерной химии, всё возрастающая потребность которой в полифункциональных ароматических и гетероциклических соединениях требует качественного разнообразия и реальных технологий получения исходных веществ. Одним из вариантов эффективного решения указанных задач является использование реакции ароматического нуклеофильного замещения (^дАг-реакция), с помощью которой можно провести модификацию имеющихся ароматических и гетероциклических соединений. Применение для этих целей реакционноспособных субстратов с высокой подвижностью нуклеофугов таких как 4-нитрофталонитрил (4-НФН) и 4-бром-5-нитрофталонитрил (БНФН) позволяет, во-первых, глубже понять закономерности 5дАг-реакций, протекающих в гомо- и гетерофазных условиях, во-вторых, синтезировать большое число разнообразных по своей природе ароматических и гетероциклических соединений, связанных, аннелиро-ванных или конденсированных с фталонитрильным фрагментом, и, в-третьих, использовать синтезированные фталонитрилы для получения гекса-зоцикланов, обладающих интенсивной флуоресценцией, фталоцианинов и металлокомплексов на их основе с жидкокристаллическими свойствами, ди-ангидридов дифталевых и аминофеноксифталевых кислот - перспективных мономеров для полиэфиримидов.

(Постановление ГКНТ от 25.04.89, № 259), № гос. регистрации 0189.0084464; Комплексной НТП Минвуза РСФСР «Реактив» № гос. регистр. 0183.0007970, 0184.0035922, 0185.0002669; НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники». Подпрограмма: 203. Химия и химические продукты. Per. № проекта НИР: 02.01.008; комплексной программой научных исследований РАН «Новые принципы и методы создания и направленного синтеза веществ с заданными свойствами» и при финансовой поддержке РФФИ (грант 02-03-32366).

Цель работы

Изучение реакции активированного ароматического нуклеофильного замещения атома брома и нитрогруппы в высокоактивированных нитроаро-матических субстратах - 4-НФН и БНФН протекавшей под действием моно-и бифункциональных O-, S-, N-нуклеофильных реагентов и установление закономерностей строение - реакционная способность.

Развитие прикладного аспекта реакции нуклеофильного замещения, разработка ¿тратегии синтеза, изучение синтетического потенциала, определение границ применимости, возможностей конструирования и дальнейшей функционализации различных по своей природе алифатических, ароматических и гетероциклических систем на базе 4-НФН, БНФН и их структурных аналогов.

Синтез и выявление перспектив практического использования полученных ароматических и гетероциклических соединений, связанных или конденсированных с фталонитрильным фрагментом.

Научная новизна

Изучены особенности протекания реакции ароматического нуклеофильного замещения с участием высокоактивированных галоген- и нитро-ароматических субстратов. Проведено исследование реакционной способности ряда нитро- и галогензамещённых ароматических нитрилов в реакции с моно- и бифункциональными О-, S- и JV-нуклеофилами, протекавшей в при-

сутствии депротонирующих агентов в среде различных растворителей. Представлена и обоснована схема протекания указанной реакции с участием реак-ционоспособного <?-нуклеофильного комплекса.

Впервые на примере взаимодействия 4-НФН с фенолами, значения p/G которых изменялись в широких пределах, детально исследованы закономерности 5лАг-реакции, протекавшей в ДМФА в присутствии К2С03. Изучена реакционная способность замещённых фенолов в присутствии К2СО3, и на основании этого для каждого из рассмотренных случаев определена лимитирующая стадия 5лАг-реакции, что позволило подобрать лучшие условия проведения процесса.

Впервые исследованы закономерности гомофазной реакции замещения нитрогруппы в 3- и 4-НФН О-нуклсофильным комплексом фенол-К2СОэ, протекавшей в бинарном растворителе ДМФА-Н20 и получена экстремальная зависимость скорости реакции от количества воды с максимумом, соответствовавшим 75 %-ному ДМФА. Установлено, что ускорение рассматриваемой ^дАг-реакции при небольшом количестве воды происходило из-за разрыхления кристаллической решётки К2СОз и снижения энергии последней. При увеличении количества Н20 за счёт интенсивного перехода образовавшегося 0-нуклеофильного комплекса в раствор и протекания реакции в гомофазных условиях на поверхности раздела фаз образовавшихся мицел-лярных ассоциатов.

Результаты проведённых исследований позволили разработать на основе 4-НФН высокоэффективные методы синтеза ряда моно- и дизамещён-ных фталонитрильных систем, связанных с различными ароматическими и гетероциклическими заместителями и впервые получить дицианопроизвод-ные карборана, бензимидазола, триазола, бензотриазола, бензотриазинона, фталазинона, хиноксалина и др.

Впервые на основании комплексного использования ДдАг-рсакций, протекавших между БНФН и различными органическими и неорганическими

монофункциональными O-, N-, S-нуклсофилами, продемонстрированы широкие возможности указанного субстрата в органическом синтезе.

Впервые на основе БНФН и бифункциональных O-, N-, 5-нуклео-фильных реагентов предложены методы конструирования и разработана стратегия синтеза фталонитрильных систем связанных, аннелированных и конденсированных с 5-, 6-, 7- и 8-членными гетероциклическими системами разных классов - производными бензофурана, тиазола, диоксина, оксазина, гиазина, феноксатиина, тиантрена, хиноксалина, триазола, диоксепина, диок-социна, оксазоцина и др. Разработанные высокоэффективные методы синтеза данных соединений характеризуются высокими показателями конверсии, селективности и выхода целевых продуктов.

Практическая ценность работы

Исследования, связанные с разработкой методов синтеза как исходных, так и целевых продуктов, а также продуктов их дальнейшей функционалиэа-ции в целом вносят вклад в органический синтез и способствуют развитию отдельных направлений в полимерной химии, химии макрогетероциклов.

Образцы большинства описанных в диссертации моно- и дикарбонит-рилов, а также продукты их дальнейшей функционализации были переданы в специализированные организации (ИНЭОС РАН, ИСПМ РАН, ВИАМ, НИИПМ, ИГХТУ) для испытаний. Проведённые совместные исследования были HanpáBneHu на поиск взаимосвязи между химической структурой синтезированных соединений и физико-химическими свойствами полученных на их основе материалов, что позволило выявить круг наиболее перспективных фталонитрилов, позволяющих получать гексазоцикланы, фталоцианины, по-лиэфиримиды и другие структуры, обладающие комплексом полезных, заранее прогнозируемых свойств и превосходящих по ряду показателей существующие аналоги. Оригинальность и новизна разработок защищена 2 авторскими свидетельствами СССР и 9 патентами РФ.

В ходе исследований синтезировано и идентифицировано с помощью

физико-химических методов анализа более 300 соединений, более 100 из которых ранее не были описаны в литературе. Для большинства из них разработаны методы синтеза, обеспечивающие высокие выходы и степень чистоты.

Разработанные методы синтеза исходного 4-нитрофталонитрила, ряда арилендиоксидифталонитрилов и диангидридов прошли опытно-промышленную проверку на базе отделения продуктов малотоннажной химии ЯПИ и на заводе «Химреактивкомплект» (Московская обл.), по результатам которых разработаны и утверждены полные комплекты научно-технической документации на производство 7 соединений.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на Всесоюзной конференции «Ароматическое нуклеофильное замещение» (Новосибирск, 1989); Международных научно-технических конференциях и совещаниях «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии» (1989, 1990, 1997, 2000); I Всероссийской конференции по химии гетероцик-лов памяти А. Н. Коста, (Суздаль, 2000); Международной конференции «Drug Discovery» (Japan, Tokio, 2000); III Всероссийском симпозиуме по органической химии «Стратегия и тактика органического синтеза», (Ярославль, 2001); I Международной конференции «Химия и биологическая активность азотистых гетероциклов и алкалоидов», (Москва, 2001); VII Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии» (Ярославль, 2001); III и IV Симпозиуме по химии Si-, Р-, S, «Петербургские встречи» (Санкт-Петербург, 1998, 2002); 6,h European Technical Sumposium on Polyimides & High Performance Functional Polymers, (France, Montpellir, 2002); Всероссийской конференции с международным участием «Современные проблемы химии высокомолекулярных соединений», (Улан-Удэ, 2002); VIII Международной конференции по химии и физикохимииолигомеров, (Черноголовка, 2002); 25й1 Macromolecular Symposium «Polycondensation 2002», (Hamburg 2002); Международной научно-технической конференции «Полимерные композиционные материалы и покрытия», (Ярославль, 2002) и др.

Публикации. По теме работы опубликовано 24 статьи в российских и международных журналах, получено 2 авторских свидетельства СССР и 9 патентов РФ, опубликовано более 60 тезисов докладов на международных, всесоюзных и всероссийских симпозиумах и конференциях.

Вклад автора. Личный вклад автора состоит в определении целей исследования, его теоретическом обосновании, планировании и проведении экспериментов, синтезов исходных, промежуточных и целевых продуктов, описании, обсуждении, интерпретации полученных результатов и их обобщении.

Положения, выносимые на защиту.

Результаты исследований закономерностей реакции активированного ароматического нуклеофильного замещения нитрогруппы и атома брома в нитроароматических субстратах O-, N-, 5-нуклеофилами, протекавшей в присутствии карбоната калия в различных растворителях.

Взаимосвязь структуры и физико-химических свойств полученных соединений и обоснование выбора наиболее эффективных условий синтеза фталонитрилов.

Способы конструирования и методы синтеза на основе 4-НФН и БНФН алифатических, ароматических и гетероциклических соединений, связанных или конденсированных с фталонитрильным фрагментом и последующая их функционализация.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, химической части (5 глав), экспериментальной части, выводов, библиографии и приложений. Работа изложена на 234 страницах машинописного текста и содержит 26 таблиц, 120 схем и рисунков. Список цитируемой литературы включает 285 источников.

В литературном обзоре рассмотрены некоторые аспекты реакции активированного ароматического нуклеофильного замещения, наиболее характерные методы синтеза 5-, 6- и 7-членных гетероциклических систем с ис-

пользованием SwAr-реакции. Проводится анализ предшествующих работ по синтезу фталонитрильных производных и по их практическому применению. В химической части изложены основные результаты работы и их обсуждение. Экспериментальная часть содержит описание методик синтеза, очистки и анализа исходных, промежуточных и целевых продуктов, их физико-химические характеристики. В приложении приводятся копии актов испытаний и заключений, подтверждающих практическую пользу синтезированных соединений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Исследование реакции активированного нуклеофильного замещения нитрогруппы в 3- и 4-НФН О-, S- и Л'-нуклеофилами

Возможность проведения ^Аг-реакции в условиях генерации in situ O-, S- и ДГ-нуклеофилов под действием депротонирующих агентов, например, карбоната калия, известна сравнительно давно и позволяет решать многие синтетические, технологические и экологические проблемы, а в ряде случаев только этот процесс способствует достижению намеченной цели.

Результаты, полученные нами, а также данные других авторов* в совокупности свидетельствуют о том, что 5\Аг-реакция активированных нитро- или галогснзамещённых субстратов с замещёнными фенолами в I ДМФА в присутствии К2СОз протекает по схеме 1:

Аг-ОН + К2С03 « [Аг-0К2С020Н] (1)

I [Ar-0K2C02H] + Ar'-N02 -- Ar-O-Ar' + KN02 + КНС03 (2)

где Ar и Ar1 - ароматические радикалы

Схема 1

В начале процесса на поверхности карбоната происходила хемосорб-ция фенола Аг-ОН, сопровождавшаяся его депротонизацией и приводившая к

* - Халфина И.А., Власов В.М., 2002.

образованию на поверхности К2С03 реакционноспособного 6-членного хела-топодобного О-нуклеофильного комплекса [АГ-ОК2СО2ОН] 1. Затем этот нук-леофильный реагент взаимодействовал с атомом углерода в нитросубстрате Аг'-Ж>2, связанным с нитрогруппой,и происходило образование а-комплекса 2. При отщеплении нуклеофуга о-комплекс распадался, а образовавшийся продукт реакции Аг-О-Аг' десорбировался с поверхности раздела фаз в раствор, освобождая поверхность К2СО3 для новых актов депротонизации.

Аг - ароматический радикал; R' - электроноакцепторный заместитель

Схема 2

Влияние строения 0-нуклеофильного реагента на скорость замещения нитрогруппы в 4-нитрофталонитриле

В наших предыдущих работах установлено, что скорость реакции 4-НФН с фенолом линейно возрастала с уменьшением энергии кристаллической решетки карбонатов щелочных металлов в ряду: 1л2С03 < Na2C03 < К2СО3 < ИЪгСОз < CS2CO3 и показана целесообразность использования K2COj при проведении данной реакции. Поэтому при исследовании взаимодействия 4-НФН 3 с фенолами, содержащими донорные и акцепторные заместители, в качестве депротонирующего агента был выбран К2С03, на поверхности которого in situ генерировались соответствующие О-нуклеофилы. Варьирование заместителя в феноле приводило к тому, что кислотность выбранных соединений изменялась в сравнительно широком интервале: отрА^яДМСО = 14.3 (4а) до р^пдмсо = 9.8 (4i). Указанная реакция протекала в ДМФА по схеме 3:

3 4(а-|) 5(ан)

= а 3,4-(СНз)2; ь 4-СН3; с Н; «14-С1; в 4-Вг; f 3-СОСН3; а 4-С02СН3;

И 4-СОРИ; I 3,4-(СИ)2. .

Схема 3

При изучении кинетики установлено, что в ДМФА для фенолов с различной кислотностью существуют две реакционные серии (рис.1).

По кинетическим зависимостям расходования 4-НФН (до конверсии ~ 50 %) рассчитаны эффективные константы скорости реакции второго порядка. При этом реакция не осложнялась побочными процессами и в препаративных синтезах выход целевых продуктов 5(ач) превышал 90 %. Реакционная способность слабокислых фенолов 4(а-е)(р/Г„ > 13) возрастала с увеличением их кислотности. Эффективные константы скорости реакции антибатно коррелировались срКа фенолов (прямая 1 рис. 1), что свидетельствовало о лимитировании процесса депротонизацией фенола (схема 1.1). Этот же вывод подтверждает установленная ранее корреляция скорости рассматриваемой реакции с энергией кристаллической решетки карбонатов, т. к. при депротонизации происходит её разрушение. В области значений рКа~ 13 (значения для 11„=Вг «принадлежат» обеим корреляционным прямым) наблюдался излом зависимости рКа, что однозначно свидетельствовало о смене лимитирующей стадии. В этой точке скорости депротонизации и ре-

1дк+з

0 I.........................

8 10 12 14 16 18

рКа

Рис. 1. Корреляция скоростей реакции 4-НФН с рКа фенолов /ДМФА, 363 К, [НФН] 0 = [АЮН] п = [К2С03] о = 0.03 моль/л /

акции замещения в равной степени определяли скорость процесса. Поэтому скоростьопределяющей в этом случае следует признать собственно реакцию замещения (схема 1.2), и реакционная способность сильнокислых фенолов определяется основностью комплекса [Аг-ОКгСОгОН]. Следовательно, можно сделать вывод о том, что влияние электроноакцепторных заместителей проявляется на стадии образования связи С-О.

На рис. 1 данная корреляционная зависимость представлена в виде двух прямолинейных участков. Эффективные константы скорости коррели-ровались с рКа фенолов, и для каждого участка данной зависимости получены соответствующие корреляционные уравнения, имеющие следующий вид:

для фенолов 4 (a-e) lg к = (9.55 ± 1.47) - (0.768 ±0.110) рКа (3)

г 0.972, 5 0.11 (s% 2), N5 для фенолов 4(e-i) lgk = (-9.81 ± 1.13) + (0.714 ±0.101) рКа (4)

г 0.974, 5 0.10 (s% 0.9), N 5

Таким образом, можно сделать вывод о том, что в случае слабокислых фенолов процесс лимитируется стадией депротонизации, и реакционная способность фенолов увеличивается с ростом их кислотности. Для сильнокислых фенолов скоростьопределяющей становится собственно 5д/Аг-реакция.

Влияние среды на скорость реакции 3- и 4-нитрофталонитрилов

с фенолами

На основании проведённых исследований влияния бинарного растворителя ДМФА-вода на скорость 5дАг-реакции установлено, что присутствие воды в реакционной системе способствовало ускорению данной реакции. Для указанных субстратов количество воды, вводимой в реакционную смесь, при котором достигались максимальные скорости реакции замещения нит-рогруппы реакционноспособным комплексом [РЬ-ОКгСОгОН], полностью совпало, а экстремальная зависимость скорости реакции от количества Н20

имела вид кривой типа "колокол" (рис. 2). Это, по-видимому, определялось свойствами бинарного растворителя ДМФА-вода (75 %-ного ДМФА) с мольной долей воды Л^го = 0.588, в котором образовавшийся мицеллярный нуклеофильный комплекс проявлял максимальную активность.

Количество Н20, моль/моль PhOH

Рис. 2. Влияние воды на скорость Рис. 3. Корреляция скоростей реак-

реакции 3- и 4-НФН с фенолом, ции 3- и 4-НФН с рКл фенолов в би-

протекавшей в ДМФА в присутствии нарном растворителе ДМФА-Н20 при

К2С03. 1 - 3-НФН, 2 - 4-НФН Nm0 = 0.588 1 - 3-НФН, 2 - 4-НФН

/ ДМФА-НА 333 К, [НФН] о = [ArOH] 0 = [К2С03] 0 = 0.03 моль/л /

Установлено, что эффективные константы скорости замещения нитро-группы в 3- и 4-НФН О-нуклеофилами, содержащими в бензольном кольце различные донорные и акцепторные заместители, коррелировались с рК„ фенолов по уравнениям:

для 3-НФН lg к = (-3.42 ± 0.07) + (0.398 ± 0.016) рКа (5)

г 0.991, ä 0.02 (s%l), N8 для 4-НФН lg к = (-3.78 ± 0.06) + (0.421 ± 0.014) рКа (6) г 0.994, i 0.015 (s% 2), N 8

Для бинарного растворителя ДМФА-НгО с различными значениями NH2o по аддитивной схеме был рассчитан параметр Димрота (Ет), удачно сочетающий баланс эффектов среды различной природы в рамках однопара-

метровых линейных зависимостей типа: 1§ к - ^ кй + а£т. Эффективные константы скорости реакций для 3-й 4-НФН коррелировались с указанным сольватохромным параметром Димрота Ет по уравнениям:

для 3-НФН \йк = (-2.29 ±0.72) + (0.010± 0.003)£т (7)

г 0.921, 5 0.01 0.42), N5 для 4-НФН ^ к = (-2.49 ±0.51) + (0.011 ±0.002)£т (8) г0.99,50.01 (5%0.25), N8

Ускоряющее действие воды на рассматриваемую 5^Аг-реакцию можно объяснить тем, что при незначительном количестве молекулы этого сорастворителя, внедряясь в кристаллическую решетку карбоната, приводили к её разрыхлению и, в связи с этим, к снижению её энергии

без изменения природы указанного Рис. 4. Корреляция скоростей реакции „

3- и 4-НФН с параметром Димрота Депротонирующего агента. При

бинарного растворителя ДМФА-НгО. дальнейшем увеличении количества 1 - 3-НФН, 2 - 4-НФН.

Условия - Рис 2 воды УСК0Рение определялось интен-

сивным переходом образовавшегося комплекса [Аг-ОКгСОгОН] в раствор и протеканием реакции в гомофазных условиях на поверхности раздела фаз, образовавшихся мицеллярных конгломератов. При этом в выбранных условиях молекулы десорбировавшегося в раствор нуклеофильного комплекса, не подвергаясь диссоциации, образовывали устойчивые мицеллярные ассо-циаты. Именно образованием таких ассоциатов можно объяснить и тот факт, что рост скорости исследуемой реакции продолжался и после образования гомофазной системы (мольная доля воды #нго ^ 0.45) при дальнейшем увеличении количества воды. При этом ассоциированные конгломераты мицелл распадались, по-видимому, на более мелкие ассоциаты - тримеры, димеры,

1дк+ 1,з 1,1 0,9 0,7 0,5 0,3

150

175

200

225

250 Ет

что приводило к увеличению поверхности раздела фаз, и, соответственно, к возрастанию скорости реакции. При содержании воды Ыто = 0.588 (75 %-ный ДМФА) рост скорости реакции прекратился, а при дальнейшем её увеличении скорость реакции стала падать. Этот факт можно объяснить тем, что дополнительное количество введённой воды привело, вероятно, к достижению критической концентрации мицеллообразования, при которой мицелло-образование стало уже невозможным, что нарушило установившееся термодинамическое равновесие всей системы и привело к образованию истинного раствора. По-видимому, при увеличении количества воды происходило усиление сольватации нуклеофильного комплекса [Аг-ОКгСОгОН] протонным растворителем - водой, что привело к существенному снижению активности указанного реагента.

Следовательно, можно сделать вывод о том, что димитирующей стадией для реакции, проводимой в бинарном растворителе ДМФА-Н20, являлась З'дАг-реакция нитроароматического субстрата с реакционноспособным мицеллярным О-нуклеофильным комплексом [Аг-ОКгСОгОН] (схема 1.2), активность которого коррелировалась с его основностью.

Синтезы с использованием 4-нитрофталонитрила и О-, 5- и ДГ-нуклеофильных реагентов

Разработаны два подхода к проведению указанных реакций с О- и 5-нуклеофилами. Для фенолов и их тиоаналогов, содержащих сравнительно сильные электроноакцепторные заместители, скорость процесса лимитируется реакцией замещения нитрогруппы (схема 1.2), и поэтому лучшие результаты достигнуты при проведении реакции в ДМФА при температуре 120... 140 °С. Для реагентов с донорными заместителями лимитирующей стадией является депротонизация фенола, протекающая на поверхности К2С03, и поэтому использование бинарного растворителя ДМФА-Н20 позволяет исключить лимитирование процесса стадией депротонизации, а реакцию про-

водить в гомофазных условиях. В обоих случаях в качестве депротонирую-щего агента, в присутствии которого in situ генерировался реакционноспо-собный нуклеофильный комплекс, использовался К2С03

но

.CN CN

{ \ (75% дмфа) /И 7(85%)

_О

^у^До1

ЧА^ 7(81%)

I /

16i69%> NC^O

15(76%)

' XX

о 8(87%)

14(82%)

NC. NC

N,-CH,

хксп

13(91%)

11 (81-93%)(75% дмфа)

■XX ф ХХ|ХГХЛХ

ГхГО-

12 (80-94%) (75% дмфа) R - Hal, Alk, Ar, OAlk

' 10(85%)

Условия: ДМФА, 90...120 °С, мольн. соотн. 4-НФН : Аг(ОН)п : К2СОэ = п:1:п

Схема 4

В отличие от О-нуклеофильных реагентов в ^Аг-реакцию с 4-НФН в указанных условиях наряду с ароматическими соединениями также активно вступали алифатические и гетероциклические 5-нуклеофилы (схема 5).

Гетероциклические Л'-нуклеофилы замещали нитрогруппу в 4-НФИ менее активно и только в ДМФА при температурах выше 90 "С (схема 5). При этом было установлено отсутствие корреляции между эффективными константами скоростей и рЖа М-нуклеофильных реагентов разных классов, что свидетельствует о том, что основность реагента не совпадает с его нуклео-фильностью, являющейся единственным показателем, наиболее точно отражающим реальную реакционную способность реагента и учитывающим энергию сольватации, силу связи с атомом углерода, эффективный объём,

электроотрицательность и поляризуемость реакционного центра.

NC^sJt0H

МС"^-^ 29(55%)

(75% ДМФА)

20 (93%) '

19(88%) CN

18(80%)

\ l /

XX-

28(75%)

21(87%)

NCr*i

JU,

NC. NC'

NO,

S N

27(90%)

* ГГ

22 (68%)

26(83%)

(75% ДМФА)

NC-^ ^"CN

24 (78-91 %|75% ДМФА)

NC-

25 (72-89%)

(75% ДМФА) R = N02, Hai, Alk, Ar

Условия: ДМФА, 90...120 °C, мольн. соотн. 4-НФН : Nu„ : К2С03 = п:1:п

Схема 5

Взаимодействие 4-бром-5-нитрофталонитрила и производных на его основе с монофункциональными N-, S- и 0-нуклеофилами

Высокую активность БНФН 30 в 5д,Аг-реакциях можно использовать для получения А'-замещённых аминов общей формулы Я-НЫ-Я' (схема 6). Особенностью данной реакции явилось то, что её можно проводить как в ап-ротонных, так и в протонных растворителях. Так, при кипячении эквимоляр-ных количеств указанных реагентов в 2-пропаноле в присутствии триэтила-мина в течение 1...2 ч с выходом 76...98 % образовывались соответствующие продукты замещения 32(а-х). В этих условиях даже в диаминах ЗЦ«', х) происходило замещение только с участием одного реакционного центра, т.к. образовавшийся продукт монозамещения, обладая меньшей растворимостью,

выпадал из реакционной смеси и не участвовал в дальнейших превращениях. При проведении рассматриваемой реакции между БНФН и диаминами 31(1^, х) в среде ДМФА происходило образование симметричных дизаме-щённых продуктов 33(и', х).

33(ж,х) (77, 76 %) 32(а-х) (72-96%)

Где R= Н, =

«1-0:^ °

или Я-К' образуют цикл:

Р Ч Г 8 I 11 *—У О V ж I х N

Схема 6

Триэтиламин в данных реакциях необходим в качестве депротонирующего агента. В его отсутствии эту роль брал на себя исходный амин, который после этого дезактивировался и уже не принимал участия в реакции, что приводило к снижению выхода целевого продукта. В отсутствии ТЭА при обработке БНФН, растворённого в ДМФА, водным раствором аммиака очень легко происходило образование 4-амино-5-нитрофталонитрила31аа. Получившиеся в результате реакции БНФН 30 с циклоалифатическими аминами моноза-мещённые продукты 32 (р-\у), содержат нитрогруппу, способную при повышенной температуре замещаться под действием активных О- и 5-нуклео-филов. Например, нагревание 4-Лг-морфолинил-5-нитрофталонитрила 32« в ДМФА присутствии К2С03 с 2-меркаптобензотиазолом, ^'-(З-гидроксифе-

нил)ацетамидом, бензотриазолом и 4-[(4-гидроксифенил)сульфонил]фенолом привело к получению соответствующих производных 34-37 (схема 7):

Однако заместить нитрогруппу в соединении 32« на морфолиновый фрагмент нам не удалось даже при продолжительном нагревании указанных реагентов в ДМФА. 4.5-Ди(А^-морфолинил)фталонитрил 38 с выходом 12 % неожиданно получили при взаимодействии субстрата 32в с КМО?, протекавшем в присутствии К2С02 (схема 7). Вполне вероятно, что в этих условиях происходила реакция диспропорционирования, в которой одна молекула соединения 32я выступала как субстрат, а вторая как нуклеофил, поскольку в отсутствии морфолина, проведение указанной реакции только с К2С03 приводило к получению симметричного замещённого оксидифталонитрила 39, а в присутствии только ЮТО2 выделено смолоподобное соединение, идентифицировать которое не удалось.

В молекуле БНФН атом брома и нитрогруппа имеют различную под-

Условия: ДМФА, 120...140 "С, мольн. соотн. 32s : Nun : К2СОэ = n:1:n

Схема 7

вижность, и поэтому становится возможным их последовательное замещение. При комнатной температуре в бинарном растворителе ДМФА-Н20 в присутствии К2СОз происходило замещение только атома брома. Реакция с различными по своей природе О-, Б- и Л^-нуклеофильными реагентами протекала в течение нескольких минут и приводила с выходом 79...93 % к образованию соответствующих продуктов монозамещения. Все синтезированные соединения содержали нитрогруппу, способную, как правило, в более жестких условиях вступать в £дАг-реакции с образованием (выходы 50...90 %) соответствующих симметричных и несимметричных дизамещённых производных (схема 8). В качестве реагентов для этих целей были использованы различные фенолы, тиофенолы и ЛГ-нуклеофилы, способные депротониро-ваться в присутствии К2СОз:

аМ

V ■ Г[ У- ••

Н Н

Схема 8

Наряду с алифатическими, ароматическими и гетероциклическими 5-нуклеофилами, активно реагировавшими с БНФН, в 5лАг-реакциях можно использовать различные тиоамиды. Данные 5-нуклеофильные реагенты в

присутствии триэтиламина взаимодействовали с БНФН 30, что приводило через стадию образования имидотиолового эфира к тиофенолу. Образовавшаяся в 4-меркапто-5-нитрофталонитриле БН-группа в присутствии триэтиламина реагировала с молекулой БНФН 30, замещая в нём атом брома, в результате чего происходило образование соответствующего 5,5'-динитро-4,4'-тиодифталонитрила 40 (схема 9):

Д.

nh,

KVW

no,

R^NH,

(CaHs),N

где R = CH3; NH2; NHNH,

NC-^NO,

NC V/N°2

40 (92%)

Схема 9

Необходимо отметить, что при проведении данной реакции в ДМФА выделить продукт 40 не удалось, т.к. он содержал две нитрогруппы, достаточно активированные для дальнейшего замещения. По этой причине вслед за замещением атома брома в молекуле БНФН начиналось замещение нитрогруппы в соединении 40, приводившее к образованию системы тиантрена.Ре-шить эту задачу удалось, заменив ДМФА на 2-пропанол, при кипячении в котором в течение 1ч образовывался целевой продукт замещения атома брома.

Синтез пятичленных Лг- и ^-содержащих гетероциклических соединений, конденсированных с фталонитрильным фрагментом

Образование пятичленной гетероциклической системы тиазола происходило при взаимодействии БНФН 30 с 2-меркаптобензимидазолом 41 и 5-арил-4Я-1,2,4-триазол-3-тиолами 42(а-е), содержавшими в 1,2-положении тиольный и иминный реакционные центры. В каждом случае реакция начиналась с того, что в присутствии К2СО3 in situ происходило образование 5-нуклеофила, который атаковал атом углерода, связанный с атомом брома в БНФН. Данная реакция межмолекулярного нуклеофильного замещения ато-

ма галогена в БНФН, протекавшая при комнатной температуре, завершалась образованием соответствующих продуктов монозамещения 43 и 44(а-е), которые были выделены из реакционной смеси и идентифицированы.

hn^N

NC-^wS NC-^-NO,

HS-f

к,СО,

N-N

42(a-e)

K2CO,

К,СО,

43 (83%)

жхх?

R = а

ГгУ

45(73%)

bC¡); сф

(75%) (55%) * (

¿«¿•А

n nh

Ñ4

44(а-е)

СО,

(78%) Схема 10

(75%)

N-< XX

R 46(а-е)

При температуре 120...140 "С активизировался второй - иминный -

Л^-нуклсофильный центр, который в присутствии К2С03 участвовал во внутримолекулярном замещении нитрогруппы в соединениях 43, 44(а-е), и происходило образование бензимидазо[2,1-6][1,3]бензотиазол-2,3-дикарбонит-рила 45 и 3-арил[1,2,4]-триазоло[3,4-£][1,3]бензотиазол-6,7-дикарбонитрилов 46(а-е) соответственно.

Синтез шестичленных O-, N- и ^-содержащих гетероциклических соединений, конденсированных с фталонитрильным фрагментом

Если в качестве растворителя при взаимодействии БНФН 30 с двукратным количеством тиоамида использовали ДМФА, то без выделения промежуточного продукта 40 с высоким выходом получался 2,3,7,8-тиантрен-тетракарбонитрил 47 (схема 11). В этом случае после образования 5,5'-динит-ро-4,4'-тиодифталонитрила 40 реакция не прекращалась - тиоамид при нагревании в присутствии основания замещал одну из нитрогрупп в соедине-

нии 40, а неустойчивая в этих условиях 5-арилизотиурониевая соль превращалась в тиол. Далее в присутствии триэтиламина происходила реакция внутримолекулярного нуклеофильного замещения нитрогруппы 5-нуклеофи-лом, приводившая к получению 2,3,7,8-тиантрентетракарбонитрила 47.

и ын2 40

N040-

У*

n0,

(Сгн5)^1

"Я

N0-0-8

n0,

—МОГ

сы

47(81%)

n0 Схема 11

Другим примером превращения 5,5'-динитро-4,4'-тиодифталонитрила 40, приводящего к образованию гетероциклической системы, и протекавшего при 140 °С в ДМФА в присутствии К2С03 и КМ02, явилось образование 2,3,7,8-феноксатиинтетракарбонитрила 48 (схема 12):

n0 40

кгюг1 к,со.

N0-

n0,

N0-^ ¿-О |_ n0

кгсо.

"ООСС

48 (58%)

Схема 12

В этом случае при действии системы КИ02-К2С0з вначале происходило замещение одной из нитрогрупп с образованием промежуточного 0-нук-леофила с низкой активностью. Этот вывод следует из результатов проведённых исследований взаимодействия 4-гидроксифталонитрила 41 с 4-НФН, со-

гласно которым реагент 41 проявлял минимальную активность среди всех замещенных фенолов. В рассматриваемом случае образовавшийся О-нуклео-фил содержал ещё более акцепторный (нитрофталонитрильный) фрагмент, что, по-видимому, исключало протекание указанной реакции. Однако 2,3,7,8-феноксатиинтетракарбонитрил 48 был получен и идентифицирован. Мы считаем, что данная реакция становилась возможной только в случае протекания анионотропной перегруппировки Смайлса. В результате этого происходило образование более реакционноспособного 5-нуклеофильного комплекса, вступавшего в реакцию внутримолекулярного замещения второй нитрогруппы и завершавшего формирование феноксатиинового цикла.

Фталонитрильные производные тиантрена 50а и феноксатиина 50Ь были получены при реакции БНФН 30 с 2,3-хиноксалиндитиолом 49а и З-меркапто-2-хиноксалинолом 49Ь, протекавшей при 60 °С в ДМФА в присутствии К2С03:

зо ♦ сйГ — "ХХТЗО

49(а-с) 50а (95%)

50Ь (83%)

где а X = в; X' = Э ЬХ = 3;Х' = 0 сХ = 0;Х' = 0 50с (44%)

Схема 13

Неожиданным оказалось то, что в данной реакции в качестве исходного О-нуклсофильного бифункционального реагента можно использовать низкоактивный 2,3-хиноксалиндиол 49с, содержащий две гидроксильные группы в пиразиновом кольце, обладающем сильноакцепторными свойствами. Проведение данной реакции оказалось возможным благодаря высокой реакционной способности БНФН на первой стадии замещения атома брома и термодинамической устойчивости образующегося диоксинового цикла в соединении 49с на второй стадии внутримолекулярного замещения нитрогруппы. Взаимодействие БНФН с другими бифункциональными (9-нуклеофилами - пирокатехином и его замещёнными аналогами 51(а-е), содержащими ОН-группы

в орто-положенни друг к другу, приводила к получению соответствующих производных дибензодиоксина 52(а-е). При этом реакция протекала в более мягких условиях.

5Ца-в)

2 К,СО,

гт

NO,

NC'^^O

rr0'n

NC'^^O

52(a-e)

где

X>= X3;

Л »8*.,

WUM >JM J

a (94%) b (95%)

С (86%)

Схема 14

HN^-NH

Cl (79%) S

e (72%) s

CH,

Использование в этой реакции вместо пирокатехина 2-(метиламино)-фенола 53(а-е) привело с 48 %-ным выходом к получению 10-арил-10//-феноксазин-2,3-дикарбонитрила 56 (схема 15):

¿Г

K,CO,

NO.

nc^^N

L 55

k,cos

NO,

56a (48%) 56b (74%) 56c (76%)

Схема 15

В выбранных условиях на первой стадии замещения атома брома в БНФН 30 принимали участие два реакционных центра: iY-нуклсофил - вторичная аминогруппа 2-(метиламино)фенола и образовавшийся in situ О-нук-леофил. По данным ЖХ и масс-спектрометрии, в реакционной смеси наряду с

целевым продуктом 56 присутствовали производные диарилоксида 54 и диа-риламина 55. На второй стадии реакции - внутримолекулярном замещении нитрогруппы, протекавшем в присутствии К2СО3, наибольшую активность проявлял 0-нуклеофильный центр, образовавшийся in situ из соответствующего диариламина. Производное диарилоксида 54, содержащее вторичную аминогруппу, было значительно менее активно и в условиях реакции подвергалось внутримолекулярной анионотропной перегруппировке Смайлса, приводящей к образованию продукта 55, реагировавшего после депротонизации по вышеуказанной схеме 15.

Значительно легче и с более высоким выходами протекало взаимодействие БНФН 30 с 2-(Д'-алкиламино)фенолами 57(а,Ь), приводившее к JV-замещённым производным феноксазинадикарбонитрила 58(а,Ь):

Механизм образования данных продуктов аналогичен рассмотренному выше, и, по-видимому, он также включал перегруппировку Смайлса. Однако, если в указанных реагентах 57(а,Ь) вместо гидроксильной группы присутствовала вторая А^-алкиламиногруппа, то образование азинового цикла из этих соединений не происходило и в более жестких условиях.

Шестичленная азиновая система образовывалась в результате реакции БНФН 30 с 1,2,3,4-тетрагидро-8-хинолинолом 69а и подобными ему соединениями 69(Ь-е), содержавшими два активных нуклеофильных центра: О (5) - фенол (тиофенол) и N - вторичный амин (схема 17). Здесь, аналогично рассмотренным выше случаям, вначале также происходило образование соответствующего нуклеофильного комплекса, вступавшего в 5^Аг-реакцию

k,coj

a R = ci Ь R = n(ch3)2

Схема 16

58а (76%) 58Ь (72%)

с БНФН. Схема образования целевых продуктов 62(а-е) также включает перегруппировку Смайлса и реакцию внутримолекулярного замещения нитро-группы, завершающую формирование оксазинового (или тиазинового) цикла.

Я"

а X = О. R = R' - R" = Н Ь X=S, R = R' = R" = H С X = О, R = R" = Н, R' = а d X = О, R = R' = CI, R" =■ Н e X = О. R = R' = H, R" = CH, f X = NH, R « R* = R" = H

59(a-f)

к,со.

62а (72%), 62Ь (79%), 62с (92%), 62а (96%), 62е (87%)

Схема 17

Нагревание в присутствии триэтиламина эквимолярных количеств БНФН 30 и вторичных алифатических диаминов (алкилированных -эти-лендиаминов) привело к образованию соответствующих 1,4-11-1,2,3,4-тетра-гидро-6,7-хиноксалиндикарбонитрилов 63 и 64(а-с1):

-n'^-CN 63 (80%)

(c,h5)3n

Аг Ar

a-d

N02 rAr Ar CN

(C2H5),N

Ук

NCywNO, Afv-NH

,Ar

«yy,N

n(chj, ci

NO,

где Ar =

net

64a (80%) 64b (86%) ?H< 64c (82%) | 64d (79%)

NcV

CN abed

Схема 18

По рассмотренному ранее двухстадийному механизму происходило взаимодействие БНФН 30 с 8-метил-5#-пиримидо[5,4-А]индол-4-тиолом 65 и с 86 %-ным выходом был получен дикарбонитрил фенотиазинового ряда 66:

2 К2СОэ

Схема 19

ТТг^

66 (86%) сн,

Синтез семинленных О-, /V- и ^-гетероциклических соединений, конденсированных с фталонитрильным фрагментом

С целью синтеза новых цианосодержащих соединений азепинового ряда впервые были разработаны методы синтеза ряда бифункциональных нуклеофилов. В основе одного из них лежит реакция конденсации бензонит-рила с гидразидами салициловых кислот. Другой базируется на каталитическом восстановлении соответствующих азометинов. Главной особенностью всех этих соединений явилось то, что в них присутствовали два активных О- (5-) и М-нуклеофильных центра, способных после депротонизации вступать в 5д/Аг-рсакцию с образованием гетероциклической системы. На схеме 20 представлены реакции получения 3-фенилдибензо[&/|[1,2,4]триазо-ло[4,3-£/][1,4]оксазепин-6,7-дикарбонитрила 67 и 3-фенилнафто[2,3-й][1,2,4]-триазоло[3,4ч/][1,5]бензоксазепин-6,7-дикарбонитрила 68, протекавшие между БНФП 30 и соответствующими бифункциональными реагентами в ДМФА:

Л?

.Я

г к,со,

68 (69%)

N0 " О 67 (79%)

Схема 20

Высокая реакционная способность БНФН в 5\Аг-реакциях позволила синтезировать производные азепинового ряда, незамещённые по атому азота (схема 21). Используя в качестве бифункциональных нуклеофильных реаген-

тов амидразоны салициловой 69а и тиосалициловой кислот 69Ь, удалось получить продукты, содержащие оксазепиновый 70а и тиазепиновый 70Ь циклы. При этом в обоих случаях на завершающей стадии формирования семи-членного цикла наблюдалось элиминирование бензамидинового фрагмента.

а X = О, R = Вг Ь X = S, R = Н

HX-Q-R

N» 0 NH,

- CK

'-' UV

70а (56%) 70b (61%)

69(а,Ь)

Схема 21

В аналогичных условиях проводилась реакция БНФНЗО с 2-(6,7-диме-токси-1,2,3,4-тетрагидро-1-изохинолинил)-4-нитрофенолом71 и с 2-(4-толуи-динометил)фенолом 73 (схема 22).

OTT'

(XHj OCH,

OCH,

z K2coa

2K,CO,

Схема 22

В соединении 71 первым в '^Аг-реакцию замещения атома брома вступал более активный А/-нуклеофил тетрагидроизохинолинового фрагмента. В этом случае К2С03, взятый в двукратном количестве, участвовал в де-протонизации фенола, образуя второй реакционный Онуклсофильный центр. Последующее внутримолекулярное замещение нитрогруппы, приводило к образованию 2,3-диметокси-15,16-дигидро-4Ь#-дибензо[2,3:6,7][1,4]оксазе-пино[5,4а]изохинолино-11,12-дикарбонитрила 72.При синтезе соединения 74 последовательность формирования оксазепинового цикла инвертировалась, т.к. О-нуклеофил был более активен.

Семичленный кислородсодержащий дикарбонитрил ряда диоксспина

76 был получен при взаимодействии БНФН 30 с 4,5-дигидрокси-2,7-нафта-линдисульфоновой кислотой 75 (схема 23). В этом примере два 0-реакцион-ных центра бифункционального нуклеофильного реагента находились пери-положении молекулы нафталина, содержавшей, кроме того, две сульфогруп-пы, которые в присутствии К2С03 образовывали нерастворимую в ДМФА дикалиевую соль. Для успешного проведения этой реакции был использован бинарный растворитель ДМФА-Н20 (75 %-ный ДМФА), и поэтому процесс протекал в гомофазных условиях. Обработка реакционной смеси по окончании реакции минеральной кислотой привела к выделению целевой 9,10-ди-цианонафто[ 1,8-6с][ 1,5]бензолдиоксепин-2,5-дисульфокислоты 76.

78 (65%) 76 (64%)

Схема 23

10,12-Диметил-11 -оксо-1,8-диазатетрацикло[8.3.1.18-1202,7]пентадека-2,4,6-трисн-4,5-дикарбонитрил 78, содержащий семичленный гетероциклический фрагмент с двумя атомами азота, был получен при продолжительном (3 ч) нагревании в ДМФА 1.5-диметил-3,7-диазобицикло[3.3.11нонан-9-она 77 с БНФН 30 в присутствии К2С03 (схема 23).

Синтез восьмичленных О-, N- и ^-гетероциклических соединений, конденсированных с фталонитрильным фрагментом

При взаимодействии БНФН 30 с 2,2'-бифенидиолом, протекавшем в ДМФА в присутствии К2С03 с 79 %-ным выходом впервые получен трибензо[/>,£^][1,4]диоксоцин-7,8-дикарбонитрил79 (схема 24). Данная гете-рофазная реакция начиналась с образования in situ бифункционального нук-леофила, который, как показали проведённые исследования, уже при комнат-

ной температуре активно вступал в реакцию с субстратом. В результате замещения атома брома на первой стадии происходило образование промежуточного продукта - соответствующего диарилоксида.

вавшемся соединении завершало формирование оксоцинового цикла. Интересен следующий факт: вторая стадия рассматриваемой реакции - замещение нитрогруппы в диарилоксиде активно протекала уже при 90 °С, в то время как. для получения симметричного продукта дизамещения из 4-нитро-5-фенилфеноксифталонитрила и 2-бифенилола требовалось нагревание выше 120 °С. Это объясняется тем, что образование 8-членного оксоцинового цикла является термодинамически более выгодным, чем образование указанного симметричного фталонитрила. Аналогично протекавшая реакция БНФН с 1,Г-ди-/?-нафтолом привела к образованию бензо[6]динафто[2,1-е:1,2-^][1,4]-диоксоцин-2,3-дикарбонитрила 80 с 75 %-ным выходом (схема 24).

Благодаря высокой активности БНФН в 5^Аг-реакциях нам удалось получить оксазоциновый цикл, используя в качестве исходного бифункционального нуклеофильного реагента малоактивный в данных реакциях Лг'-[2-(3-гидрокси-2-хиноксалинил)фенил]ацетамид 81:

80 (75%)

79(79%)

Схема 24

Последующее внугримолекулярное замещение нитрогруппы в образо-

Схема 24

Подобные малоактивные в 5ЛАг-реакциях 2-гидроксихиноксалины и амиды редко используются в качестве нуклеофильных реагентов, т.к. известно, что присутствующие в молекуле электроноакцепторные заместители заметно снижают активность О-нуклеофильного центра, но в то же время способствуют повышению активности А^-нуклеофильного центра. По-видимому, в нашем случае образование указанной гетероциклической системы оказалось термодинамически выгодным, и при проведении реакции в сравнительно мягких условиях целевой продукт был выделен с 87 %-ным выходом. Механизм рассматриваемой реакции, протекавшей при нагревании исходных реагентов в ДМФА в присутствии двукратного избытка К2СОз, аналогичен описанному ранее и заключался в депротонизации фенола, приводящей к образованию О-нуклеофильного комплекса, замещавшего атом брома в БНФН. Вслед за этим происходило внутримолекулярное замещение нитро-группы М-нуклеофильным центром в амидной группе, приводившее к образованию целевого 5-ацетил-5Я-дибензо[2,3:5,6][1,4]оксазоцино[7,8-й]хинок-салигн-7,8-дикарбонитрила 82.

Синтез гетероциклических соединений на основе производных 4-бром-5-нитрофталонитрила

Получившиеся в мягких условиях и с хорошими выходами 4-(2-наф-тилокси)-5-нитрофталонитрил 83^ 4-амино-5-нитрофталонитрил 31аа и ряд других 4-ариламино-5-нитрофталонитрилов содержали нитрогруппу, которая химическим способом была восстановлена до аминогруппы. Синтезированные таким образом производные вступали в различные реакции, характерные для о/дао-диаминов и приводившие к образованию не описанных в литературе соответствующих гетероциклических дикарбонитрилов. Например, при диазотировании 4-амино-5-(2-нафтилокси)фталонитрила 84 в уксусной кислоте происходила реакция внутримолекулярной циклизации поПшорру с образованием бснзо[Л]нафто[ 1,2ч/]фураи-9,10-дикарбонитрила 85с:

№1МОг

сн.соон N0

84 (84%) Схема 25

4,5-Диаминофталонитрил 86а и М-замещённые диаминофталонитрилы 86(Ь,с), полученные при восстановлении соответствующих нитросоединений, диазотировались в 50 %-ной уксусной кислоте. При этом происходило образование незамещённого 1Я-1,2,3-бензотриазол-5,6-дикарбонитрила 87а и 1-Я-замещённых бензотриазолов 87(Ь,с), содержавших две цианогруппы в 5 и 6-ом положениях ароматического кольца:

МСуч^МО, ^^^^

мс-^Чн мС^-Ц'

я ... К

Я = а Н; Ь

86(а-с) 87(а-с)

Схема 26

При взаимодействии БНФН с 2,3-диаминонафталином был получен 4-[(3-амино-2-нафтил)амино]-5-нитрофталонитрил 88, последующей обработкой которого нитритом натрия в уксусной кислоте синтезирован 4-(1#-нафто[2,3-</][1,2,3]триазол-1-ил)-5-нитрофталонитрил 89:

сн.соон

Схема 27

При нагревании в уксусной кислоте 4,5-диаминофталонитрил 86а вступал в реакцию конденсации с алифатическими, ароматическими и гете-

роциклическими а-дикетонами 90(а-ш) и тетракетонами, например, 90п, образуя при этом соответствующие хиноксалины 91(а-п) (схема 28):

си

ЭОп

хх

N4,

МН,

86а

где

о^Сгвг 0щр о^О

° в"*4! с

' ы Ос'

CN СМ

>?о до

О т

Схема 28

ооп

При нагревании 4,5-диаминофталонитрила 86а с низшими кислотами алифатического ряда 92(а-с) синтезированы 2-алкил-1Я-1,3-бензимидазол-5,6-дикарбонитрилы 93(а-с) (схема 29):

о.

86а

где Я = яН, ЬСН3, с СР3.

но

n0 N0

XXV-

92(а-с)

Схема 29

93(а-с)

ВЫВОДЫ

Главным итогом выполненной диссертационной работы является развитие одного из научных направлений органической химии - исследование реакции активированного ароматического нуклеофильного замещения (Зд/Аг-реакция). Основу развиваемого направления составля-

ют систематизированные экспериментальные данные по синтезу и физико-химическим свойствам широкого круга ароматических и гетероциклических дикарбонитрилов, полученные при проведении комплексного исследования ^Аг-реакции нитрогруппы и атома брома в нитросубстратах различными О-, А'- и 5-нуклеофилами, протекавшей в ДМФА в гомофазных и гетерофазных условиях.

Представлена схема взаимодействия активированных нитроаромати-ческих субстратов с фенолами, протекающая на поверхности К2С03. Показано, что при адсорбции фенола на поверхности К2С03 сначала происходит депротонизация фенола, приводящая к образованию реак-ционноспособного нуклеофильного комплекса [АГ-ОК2СО2ОН], который затем вступает в 5^Аг-реакцию с субстратом.

Исследована реакционная способность фенолов при замещении нитрогруппы в 4-нитрофталонитриле в присутствии карбоната калия в ДМФА. Показано, что в ДМФА для фенолов с различной кислотностью существуют две реакционные серии, в первой из которых для слабокислых фенолов скорость процесса определяется стадией депро-тонизации, а во второй - для сильнокислых - собственно реакцией замещения.

Впервые исследованы закономерности гомофазной реакции замещения нитрогруппы в 3- и 4-НФН О-нуклеофильным комплексом [АГ-ОК2СО2ОН], протекавшей в бинарном растворителе ДМФА-Н20. Показано, что экстремальная зависимость скорости реакции от количества Н20 имела вид кривой типа "колокол" с максимумом, соответствовавшим 75 %-ному ДМФА. Получена корреляция скоростей реакции с параметром Димрота Ет указанного бинарного растворителя. Установлено, что присутствие воды ускоряло рассматриваемую 5^Аг-рс-акцию. При небольшом её количестве из-за разрыхления кристаллической решётки К2С03 и нипщщя энергии ппппгппгй При увеличении

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ!

библиотека I

С.Петербург *

09 И» »И \

количества Н20 - за счёт интенсивного перехода в раствор с поверхности К2С03 молекул 0-нуклеофильного комплекса. При этом реакция протекала в гомофазных условиях на поверхности раздела фаз мицелл, образовавшихся из молекул О-нуклеофильного комплекса.

5. Впервые исследована реакция замещения нитрогруппы в 4-НФН на азотсодержащие гетероциклические нуклеофилы различных классов. Установлено, что нитрогруппа в данном субстрате замещалась указанными реагентами в присутствии К2С03 только в безводном ДМФА при температурах выше 90 °С. Показано, что бензотриазол в присутствии карбоната калия замещал нитрогруппу в 4-НФН с образованием в соотношении 2:1 продуктов замещения как по атому азота/находящегося в положении 1 бензотриазола, так и в положении 2, что объясняется протонной таутомерией бензотриазола. Впервые на основе 4-НФН разработаны высокоэффективные методы синтеза фталонитрильных систем, связанных с различными гетероциклическими системами -производными карборана, триазола, бензотриазола, бензотриазинона, фталазинона, хиноксалина и др.

6. Исследована реакция замещения атома брома в БНФН монофункциональными ароматическими и гетероциклическими О- и 5-нуклеофила-ми, протекавшая в присутствии К2С03. Показано, что благодаря высокой активности БНФН в указанной реакции могут принимать участие малоактивные нуклеофильные реагенты, содержащие электроноакцеп-торные гетероциклические фрагменты. Установлен факт взаимодействия БНФН в присутствии К2С03 с амидным реакционным центром.

7. Впервые на основе БНФН и бифункциональных О-, 5-нуклео-фильных реагентов предложены методы конструирования и разработана стратегия синтеза фталонитрильных систем, связанных, аннелиро-ванных и конденсированных с 5-, 6-, 7- и 8-членными гетероцикличе-

скими системами разных классов - производными бензофурана, тиазо-ла, диоксина, оксазина, тиазина, феноксатиина, тиантрена, хиноксали-на, триазола, тиодиазола, диоксепина, диоксоцина, оксазоцина и др. Разработанные высокоэффективные методы синтеза указанных соединений характеризуются высокими показателями конверсии, селективности и выхода целевых продуктов, что свидетельствует о высокой реакционной способности БНФН и высокой термодинамической устойчивости образовавшихся гетероциклических систем.

8. На основе фталонитрилов, полученных при взаимодействии 4-НФН и БНФН с Л^-ацетиламинофенолами, разработаны методы синтеза ряда новых аминофеноксифталевых кислот - мономеров для ПЭИ, позволяющих получить материалы с новым комплексом свойств. Улучшены методы получения известных мономеров.

9. Совместные исследования, проведённые с рядом специализированных организаций, позволили определить круг дикарбонитрилов, наиболее перспективных с точки зрения их практического использования в микроэлектронике, химии фталоцианинов, в полимерной химии, фармакологии и ряде других областей.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

Плахтинский В.В., Абрамов И.Г., Канинский П.С., Миронов Г.С., Ясинский O.A. Замещение нитрогруппы в 4-нитрофталонитриле с использованием системы фенол - карбонат металла в качестве нуклеофила // ЖОрХ. - 1992. - Т. 28, вып. 6. - С. 1232 - 1235.

Плахтинский В.В., Абрамов И.Г., Канинский П.С., Миронов Г.С., Ясинский O.A. Кинетика реакции 4-нитрофталонитрила с карбонатами щелочных металлов в различных растворителях // Кинетика и катализ. -1993. - Т.34, № 6. - С. 993 - 997.

Плахтинский В.В., Абрамов И.Г., Миронов Г.С., Ясинский O.A. Арома-

тическое нуклеофильное замещение нитрогруппы в нитрофталонитри-лах феноксидами и тиофеноксидами // Тез. докл. симп. по орган, химии. «Петербургские встречи-95» ЖОХ - ЖОрХ, СПб. - 1995. - С. 71.

4. Дорогов М.В., Кошель Г.Н., Абрамов И.Г., Деревягин Л.А. Синтез ароматических симметричных диаминов с двумя сложноэфирными мости-ковыми группами // Изв. вузов. Химия и хим. технология - 1996. - Т. 39, вып. (4-5).-С. 170- 172.

5. Плахтинский В.В., Абрамов И.Г., Миронов Г.С., Ясинский O.A.. Кинетика замещения нитрогруппы в нитрофталонитрилах под действием системы фенол-карбонат калия в водном ДМФА // Изв. Вузов. Химия и хим. технология - 1997,- Т. 40, вып. 2. - С. 31 - 33.

6. Абрамов И.Г., Гусева В.В., Балагурова Е.В., Захаркин Л.И. Первый пример реакции нуклеофильного замещения нитрогруппы в 4-нитрофтало-нитриле на карборанильную группу при действии 5-производного кар-борана IIЖОХ. - 1999. - Т.69. - Вып.!0. - С. 1753.

7. Дорогов М.В., Ивановский С.А., Абрамов И.Г., Красовская Г.Г. Использование гидрокарбоната калия как источника активного депротонирую-щего агента в реакции ароматического замещения нитрогруппы нуклео-филами // Изв. Вузов. Химия и хим. технология. - 1999. - Т. 42, вып. 6.-С. 69-71.

8. Абрамов И.Г., Плахтинский. В.В., Абрамова М.Б., Смирнов A.B., Красовская Г.Г. Синтез гетерилфталонитрилов // ХГС. - 1999. - № П. -С. 1537-1539.

9. Грачев A.B., Силинг С.А., Цыганова О.Ю., Шамшин C.B., Южаков В.И., Абрамов И.Г., Плахтинский В.В. Спектрально - люминесцентные свойства ряда новых гетероциклических соединений в растворах // Журн. прикладной спектроскопии. - 2000.- Т.67.- № 3.- С.336 - 339.

10. Захаркин Л.И., Гусева В.В., Балагурова Е.В. Абрамов И.Г. Синтез кар-боранилзамещённого фталоцианин кобальта, в котором фталоциановая

группа связана с атомом бора карборанового полиэдра // ЖОХ.- 2000.-Т.70,- Вып.8,- С. 1384- 1386.

11. Абрамов И.Г., Ивановский С.А., Смирнов А.В., Дорогов М.В. Синтез производных 4-бром-5-нитрофталонитрила через замещение высокомобильного атома брома N-нуклеофилами // Изв. вузов. Химия и хим. технология. - 2000. - Т. 43, вып. 1. - С. 120-124.

12. Abramov I.G., Dorogov M.V., Smirnov A.V., Abramova М.В. The differing reactivity of the bromo and nitro groups in 4-bromo-5-nitrophthalonitrile towards nucleophilic attack // Mendeleev Commun. - 2000. - № 2. - P. 78-80.

13. Абрамов И..Г., Смирнов A.B., Ивановский C.A., Абрамова М.Б., Плах-тинский В.В. Синтез гетероциклических систем на основе 4-бром-5-нитрофталонитрила // ХГС. - 2000. - № 9. - С. 1219-1223.

14. Siling S.A., Shamshin S.V., Grachev А.В., Tsiganova O.Yu., Yuzhakov V.I., Abramov I.G., Smirnov A.V., Vitukhnovsky A.G., Avcrjushkin A.S., Bui Chi Lap. Synthesis and photophysical properties of hexazocyclanes-bifluorophores // Oxidation Commun. - 2000. - № 4. - P. 481-494.

15. Abramov I.G., Smirnov A.V., Ivanovskii S.A., Abramova M.B., Plakhtinskii V.V., Belysheva M.S., Synthesis of oxygen-containing heterocyclic ortho-dinitriles based on 4-bromo-5-nitrophthaIonitrile // Mendeleev Commun. -2001.-№ 2.-C. 80-81.

16. Abramov I.G., Smirnov A.V., Ivanovskii S.A., Abramova M.B., Plakhtinskii V.V. The First Example of Synthesis of Tetracyano Derivatives of Thian-threne and Phenoxathiin with use of thioacetamide // Heterocycles. - 2001. -Vol. 55,-№6.-P. 1161-1163.

17. Абрамов И.Г., Смирнов A.B., Абрамова М.Б., Бегунов Р.С., Каландадзе JI.C., Смирнова О.В., Плахтинский В.В. Гетероциклические дикарбо-нитрилы на основе 4-бром-5-нитрофталонитрила // Изв. вузов. Химия и хим. технология. - 2001. - Т. 44, вып. 6. - С. 134-139.

18. Абрамов И.Г., Плахтинский В.В. Ароматическое нуклеофильное заме-

щенис в межфазных системах (обзорная статья) // Изв. Вузов. Химия и хим. технология. - 2002. - Т. 45, вып. 1. - С. 3 - 12.

19. Ивановский С.А., Дорогое М.В., Русаков А.И., Абрамов И.Г. Квантово-химические расчёты о-комплексов 4-бром-5-нитрофталонитрила с аминами и азотсодержащими гетероциклическими соединениями// Изв. Вузов. Химия и хим. технология. - 2002. - Т. 45. - Вып. 2. - С. 19 - 23.

20. Абрамов И.Г., Смирнов А.В., Абрамова М.Б., Ивановский С.А., Белы-шева М.С. Синтез ЛУ\Г-алкилированных тетрагидрохиноксалинов реакцией 4-бром-5-нитрофталонитрила со вторичными диаминами // ХГС. -2002. - № 5. - С. 660-664.

21. Abramov I.G., Smirnov A.V., Plakhtinskii V.V., Krasovskaya G.G., 4-(l-Benzotriazolyl)-5-nitrophthalonitrile as a highly active substrate in aromatic nucleophilic substitution reactions // Mendeleev Commun. - 2002. -№ 2. - P. 72-74.

22. Abramov I.G., Zhandarev V.V., Smirnov A.V., Kalandadze L.S., Goshin ME., Plakhtinskii V.V. Syntesis of substituted asines with the participation of 4-bromo-5-nitrophtalonitrile // Mendeleev Commun. - 2002. - № 3. - P. 120 - 122.

23. Майзлиш В.E., Абрамов И.Г., Ивановский С.А., Шапошников Г.П., Смирнов А.В., Быкова В.В., Усольцева Н.В. Нуклеофильное замещение в 4-бром-5-нитрофталодинитриле. VI. 4-Диметилфенокси-5-нитрофе-ноксифталодинитрил и фталоцианин меди на его основе // ЖОХ. - 2002.Т. 72.-Вып. 9.-С. 1552- 1556.

24. Abramov I.G., Smirnov A.V., Kalandadze L.S., Plakhtinskii V.V., Sakha-rov V.N. Synthesis of Substituted Dibenzoxazepine Using of 4-Bromo-5-nitrophthalonitrile // Heterocycles. - 2003. - Vol. 60. - № 7. - P. 1611-1614.

25. Авт. св. 1509352 СССР, МКИ4 С 07 С 121/75. Способ получения 4,4'-(арилендиокси)дифталонитрилов / Плахтинский В.В., Канин-ский П.С., Абрамов И.Г., Миронов Г.С., Устинов В.А., Рябухина Н.С., Кофанов Е.Р. // Б.И.1989. № 35.

! 39

26. Пат. 2164513 РФ (2001), 4,4'-(оксибис(п-фенилентио))дифталонитрил / Ивановский С.А., Абрамов И.Г., Смирнов A.B., Абрамова М.Б., Алов Е.М., Никифоров A.B., Пономарёв И.И., Сидоренко В.И. // Б. И. 2001. №9.

27. Пат. 2165417 РФ (2001), 2,3,7,8-Феноксатиинтетракарбонитрил / Ивановский С.А., Абрамов И.Г., Смирнов A.B., Абрамова М.Б., Плахтин-

, ский В.В., Шамшин C.B., Белышева М.С. // Б. И. 2001. № 11.

^ 28. Пат. 2165418 РФ (2001), 2,3,7,8-Тиантрентетракарбонитрил / Ивановский С.А., Абрамов И.Г., Смирнов A.B., Абрамова М.Б., Плахтинский

B.В., Шамшин C.B., Белышева М.С. // Б. И. 2001. № 11.

29. Пат. 2165929 РФ (2001), Гетероциклические о-дикарбонитрилы / Ивановский С.А., Абрамов И.Г., Смирнов A.B., Абрамова М.Б., Плахтинский В.В., Шамшин C.B., Белышева М.С. // Б. И. 2001. № 12.

30. Пат. 2167855 РФ (2001), Способ получения 4-бром-5-нитрофтало-нитрила / Ивановский С.А., Абрамов И.Г., Смирнов A.B., Дорогов М.В. //Б. И. 2001. № 15.

31. Пат. 2183627 РФ (2002), Гетероциклические о-дикарбонитрилы / Ивановский С.А., Абрамов И.Г., Смирнов A.B., Абрамова М.Б., Шамшин C.B., Белышева М.С. // Б. И. 2002. № 17.

' 32. Пат. 2185377 РФ (2002), Гетероциклические о-дикарбонитрилы / Ивановский С.А., Абрамов И.Г., Смирнов A.B., Абрамова М.Б., Шамшин C.B., Белышева М.С. // Б. И. 2002. № 20.

33. Пат. 2185378 РФ (2001), Гетероциклические о-дикарбонитрилы / Ивановский С.А., Абрамов И.Г., Смирнов A.B., Абрамова М.Б., Шамшин

C.B., Плахтинский В.В. // Б. И. 2002. № 20.

34. Пат. 2200735 РФ (2003). 2,2'-Дифенил-3,3'ЧЛг-фенилен)бис(6,7-хинокса-линдикарбонитрил) / Ивановский С.А., Смирнов A.B., Абрамов И.Г., Абрамова М.Б., Шамшин C.B., Плахтинский В.В. // Б. И. 2003. № 8.

35. Бузин П.В., Яблокова М.Ю., Смирнов A.B., Абрамов И.Г., Кузнецов A.A. Новые реакционно-способные олигоимиды на основе бис-(3-аминофенокси)фталевой кислоты // Тез. докл. VIII Междунар. конф. по химии и физикохимии олигомеров. - Черноголовка. - 2002. -С. 50.

36. Kuznetsov A.A., Busin P.V., Yablokova M.Y., Abramov I.G., Ivanovsky S.A. New polyctherimides and copolyetherimides based on new AB and AB2 type monomers. // 6,h European Technical Symposium on Polyimides & High Performance Functional Polymers. Montpellier France. -2002. Abstract Book - P. 15.

37. Busin P.V., Yablokova M.Y., Abramov I.G., Smirnov A.V., Kuznetsov A.A. New AB polyetherimides obtained by direct polycyclocondensation of amino phenoxyphthalic acids // 25lhMacromolecular Symposium «Polycondensation 2002» Hamburg. - 2002. - Abstract Book - P. 135 - 136.

38. Смирнов A.B., Абрамов И.Г., Каландадзе JI.C., Сахаров В.В., Абрамова М.Б., Плахтинский В.В. Новые оксазепины на основе 4-бром-5-нитрофталонитрила // Сб. трудов Междунар. конф. «Химия и биологическая активность кислород- и серусодсржащих гетероциклов» - Москва-2003,-Т. 2.-С. 190.

39. Абрамов И.Г., Смирнов A.B., Каландадзе Л.С., Сахаров В.В., Абрамова М.Б., Плахтинский В.В., Красовская Г.Г. Синтез серусодер-жащих гетероциклических дикарбонитрилов // Сб. трудов Междунар. конф. «Химия и биологическая активность кислород- и серусодсржащих гетероциклов» - Москва - 2003,- Т. 2. - С. 7 - 8.

Лицензия ПД 00661. Печ.л. 2. Заказ 1581. Тираж 100. Отпечатано в типографии Ярославского государственного технического университета г. Ярославль, ул. Советская, 14 а, тел. 30-56-63.

Ir-

)

Í <

I s

'Acó? ~/\

»149 94^

i í

Содержание диссертации автор исследовательской работы: доктора химических наук, Абрамов, Игорь Геннадьевич

ВЕДЕНИЕ.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Реакция нуклеофильного замещения в синтезе функциональных ароматических соединений.

1.2. Особенности протекания реакции активированного ароматического нуклеофильного замещения.

1.3. Влияние строения субстрата-электрофила на протекание 5^Аг-реакции.

1.3.1. Влияние акцепторных заместителей в субстрате.

1.3.2. Влияние природы уходящей группы.

1.4. Влияние строения реагента-нуклеофила.

1.5. Влияние среды.

1.6. Ароматическое нуклеофильное замещение в межфазных системах.

1.6.1. Влияние природы депротонирующего агента.

1.6.2. Схема протекания процесса.

1.7. Замещение нитрогруппы и атомов галогенов в высокореакционных субстратах О-, N-, S-нуклеофилами.

1.8. Реакции с участием бифункциональных и амбидентных нуклеофилов.

1.9. Внутримолекулярное нуклеофильное замещение в синтезе конденсированных гетероциклических соединений.

1.10. Условия мицеллобразования.

1.11. Возможные варианты практического использования соединений, содержащих фталонитрильные фрагменты.

1.11.1. Мономеры для термостойких полиэфиримидов.

1.11.2. Полупродукты для оптической техники.

1.11.3. Исходные соединения для фталоцианинов.

2. ХИМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

2.1. Исследование реакции активированного нуклеофильного замещения нитрогруппы и атома брома в нитроароматических субстратах О-, N- и S-нуклеофилами и синтезы различных производных на этой основе.

2.1.1. Исследование реакции активированного нуклеофильного замещения нитрогруппы в 3- и 4-нитрофталонитрилах О- и 5-нуклеофилами и синтезы на этой основе.

2.1.1.1. Влияние условий проведения реакции.

2.1.1.2. Влияние строения нуклеофильного реагента на 5лАг-реакцию.

2.1.1.2.1. Реакции нитроароматических субстратов в ДМФА.

2.1.1.2.2. Влияние среды на скорость реакции 3- и 4-НФН с фенолом в ДМФА в присутствии К2СО3.

2.1.1.2.3. Влияние строения О-нуклеофила на скорость реакции с 3- и 4-НФН в бинарном растворителе ДМФА-Н20.

2.1.1.3. Влияние строения субстрата на протекание 5дАг-реакции.

2.1.1.4. Влияние природы депротонирующего агента на скорость 5^Аг-реакции.

2.1.1.5. Синтез мостиковых полиядерных систем с фталонитрильными фрагментами.

2.1.1.5.1. Синтез замещённых арилокси(арилтио)фталонитрилов.

2.1.1.5.2. Реакции 4-НФН с ароматическими соединениями, содержащими несколько О- (S-) нуклеофильных центров.

2.1.1.5.3. Синтезы симметричных диариловых эфиров.

2.1.2. Взаимодействие 4-НФН с гетероциклическими iV-нуклеофилами.

2.1.2.1. Влияние природы iV-нуклеофильного центра на SVAr-реакцию.

2.1.2.2. Особенности реакции с бензотриазолом.

2.1.3. Строение и чистота синтезированных соединений.

2.2. Реакции нуклеофильного ароматического замещения атома брома и нитрогруппы в 4-бром-5-нитрофталонитриле и 4-Я-5-нитрофталонитрилах

2.2.1. Взаимодействие БНФН с ^-нуклеофилами.

2.2.2. Реакции БНФН с О-нуклеофилами.

2.2.3. Реакции БНФН с iV-нуклеофилами.

2.2.3.1. Взаимодействие БНФН с алифатическими первичными и вторичными аминами.

2.2.3.2. Реакции БНФН с азотсодержащими гетероциклическими соединениями.

2.2.4. Замещение нитрогруппы в 4-(1-бензотриазолил)-5-нитрофталонитриле О-, S-, А-нуклеофилами.

2.2.5. Замещение нитрогруппы в 4-(морфолино)-5-нитрофталонитриле

О-, S-, iV-нуклеофилами.

22.6. Реакции замещения нитрогруппы в 4-арилокси-5-нитрофталонитрилах

2.3. Синтез замещённых фталевых кислот.

2.4. Строение и чистота синтезированных продуктов.

2.5. Синтез гетероциклических соединений реакцией нуклеофильного замещения атома брома и нитрогруппы в 4-бром-5-нитрофталонитриле.

2.5.1. Синтез пятичленных N- и S-содержащих гетероциклических соединений, конденсированных с фталонитрильным фрагментом.

2.5.2. Синтез шестичленных О-, N- и ^-содержащих гетероциклических соединений конденсированных и аннелированных с фталонитрильным фрагментом.

2.5.3. Синтез семичленных О-, N- и 5-гетероциклических соединений, конденсированных и аннелированных с фталонитрильным фрагментом.

2.5.4. Синтез восьмичленных О-, N- и ^-гетероциклических соединений, конденсированных с фталонитрильным фрагментом.

2.6. Синтез гетероциклических соединений на основе производных БНФН.

2.7. Строение и чистота синтезированных продуктов.

2.8. Исследование возможных областей практического применения синтезированных соединений.

2.8.1. Полупродукты для светочувствительных материалов.

2.8.2. Фталоцианины и металлокомплексы на их основе.

2.8.3. Мономеры для полимерных материалов.

2.8.4. Пигменты для лакокрасочной промышленности.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

3.1. Исходные вещества.

3.1.1. Синтез 4-бром-5-нитрофталонитрила.

3.2. Кинетические исследования.

3.3. Методики синтеза реактивов, полупродуктов и целевых соединений.

3.4. Методики аналитического контроля.

3.4.1. Полярография.

3.4.2. Потенциометрическое титрование.

3.4.3. Хроматография.

3.4.4. Спектроскопия.

3.5. Идентификация синтезированных соединений.

3.5.1. Константы синтезированных соединений.

3.5.2. Свойства и спектральные характеристики некоторых макрогетероциклов.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертация по химии, на тему "Ароматическое нуклеофильное замещение в синтезе полифункциональных орто-дикарбонитрилов"

Актуальность проблемы. В настоящее время одним из основных направлений исследований в области органической химии является развитие теоретических основ органических реакций, а так же разработка на этой основе новых и совершенствование уже известных методов синтеза ароматических и гетероциклических соединений, содержащих различные функциональные группы. Использование указанных соединений в синтезе мономеров для полимерных материалов, позволяет создавать новые конструкционные материалы, сочетающие в себе различные полезные свойства [1-3]. Связанная с бурным развитием полимерной химии и возрастающая из года в год потребность в полифункциональных ароматических соединениях, требует качественного разнообразия, реальных и рентабельных технологий получения исходных мономеров [4-6].

Особый интерес представляют ароматические и гетероциклические соединения, содержащие фталонитрильные фрагменты т.к. полученные на их основе материалы обладают флуоресцирующими свойствами. Данные материалы перспективны для применения в качестве активных сред жидких и твердых лазеров, сцинтилляторов, особенно для индикации жесткого излучения; для трансформации коротковолнового излучения в длинноволновое при передаче информации по волоконно-оптическим линиям связи, поскольку в этом случае расстояние, на которое может быть передана информация, значительно увеличивается; для повышения мощности солнечных батарей, для создания специальных фильтров диагностики минералов, для защиты ценных бумаг, для создания эффективных и относительно простых в производстве люминесцентных приборов.

Другим направлением, где активно используются фталонитрилы, является синтез фталоцианинов и металлокомплексов на их основе. Несмотря на то, что данные соединения с успехом применяются в различных областях науки и техники, они продолжают оставаться объектами интенсивных исследований благодаря уникальности своего строения и проявляемыми в связи с этим, необычными физико-химическими свойствами. Фталоцианины, аналогичные по своей структуре природным порфиринам, используются в качестве активных матриц для нейтронозахватной и фотодинамической терапии рака, сенсибилизаторов, катализаторов, химических сенсоров, жидких кристаллов, плёнок Ленгмюра-Блоджетта, материалов для фотогальваники, пигментов, красителей и т.д.

Для успешного решения этих задач весьма перспективно направление, базирующееся на модификации ароматических соединений путем введения в них новых О-, S-, iV-содержащих функциональных групп и гетероциклических группировок. С точки зрения легкости проведения указанной модификации, среди всего многообразия органических реакций, особое место занимает реакция ароматического нуклеофильного замещения (5дгАг-реакция) в активированных галоген- и нитроароматических субстратах.

Использование 4-нитрофталонитрила (4-НФН) и 4-бром-5-нитро-фталонитрила (БНФН) в качестве исходных субстратов наиболее перспективно для получения вышеуказанных фталонитрильных систем. Кроме того данные объекты интересны и для исследования закономерностей ^Аг-реакции, т.к. обладают очевидной высокой подвижностью нуклеофугов. Присутствующие в указанных соединениях две цианогруппы не участвуют в ^Аг-реакциях и поэтому появляется возможность проведения дальнейшей функционализации полученных соединений.

Данная работа выполнена в соответствии с научно-технической программой (НТП) ГКНТ СССР «Продукты малотоннажной химии» (Постановление ГКНТ от 30.10.85, № 555), № гос. регистрации 0186.0018794, 0187.0018534, 0188.026862; НТП ГКНТ СССР «Перспективные материалы» (Постановление ГКНТ от 25.04.89, № 259), № гос. регистрации 0189.0084464; Комплексной НТП Минвуза РСФСР «Реактив» № гос. регистрации 0183.0007970, 0184.0035922, 0185.0002669; НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники».

Подпрограмма: 203. Химия и химические продукты. Per. № проекта НИР: 02.01.008; комплексной программой научных исследований РАН «Новые принципы и методы создания и направленного синтеза веществ с заданными свойствами» и при финансовой поддержке РФФИ (грант 02-03-32366).

Цель работы

Изучение реакции активированного ароматического нуклеофильного замещения атома брома и нитрогруппы в высокоактивированных нитроароматических субстратах - 4-НФН и БНФН протекавшей под действием моно- и бифункциональных О-, S-, Л^-нуклеофильных реагентов и установление закономерностей строение - реакционная способность.

Развитие прикладного аспекта реакции нуклеофильного замещения, разработка стратегии синтеза, изучение синтетического потенциала, определение границ применимости, возможностей конструирования и дальнейшей функционализации различных по своей природе алифатических, ароматических и гетероциклических систем на базе 4-НФН, БНФН и их структурных аналогов.

Научная новизна

Изучены особенности протекания реакции ароматического нуклеофильного замещения с участием высокоактивированных галоген- и нитроароматических субстратов. Проведено исследование реакционной способности ряда нитро- и галогензамещённых ароматических нитрилов в реакции с моно- и бифункциональными О-, S- и TV-нуклеофилами, протекавшей в присутствии депротонирующих агентов в среде различных растворителей. Представлена и обоснована схема протекания указанной реакции с участием реакционноспособного О-нуклеофильного комплекса.

Впервые на примере взаимодействия 4-НФН с фенолами, значения рКа которых изменялись в широких пределах, детально исследованы закономерности ^дАг-реакции, протекавшей в ДМФА в присутствии К2СОз. Изучена реакционная способность замещённых фенолов в присутствии К2СО3 и на основании этого для каждого из рассмотренных случаев определена лимитирующая стадия 5дгАг-реакции, что позволило подобрать лучшие условия проведения процесса.

Впервые исследованы закономерности гомофазной реакции замещения нитрогруппы в 3- и 4-НФН О-нуклеофильным комплексом фенол-К2СОз, протекавшей в бинарном растворителе ДМФА-НгО и получена экстремальная зависимость скорости реакции от количества воды с максимумом, соответствовавшим 75 %-ному ДМФА. Установлено, что ускорение рассматриваемой ^дАг-реакции при небольшом количестве воды происходило из-за разрыхления кристаллической решётки К2СОз и снижения энергии последней. При увеличении количества Н20 за счёт интенсивного перехода образовавшегося 0-нуклеофильного комплекса в раствор и протекания реакции в гомофазных условиях на поверхности раздела фаз, образовавшихся мицеллярных ассоциатов.

Результаты проведённых исследований позволили разработать на основе 4-НФН высокоэффективные методы синтеза ряда моно- и дизамещённых фталонитрильных систем, связанных с различными ароматическими и гетероциклическими заместителями и впервые получить дицианопроизводные карборана, бензимидазола, триазола, бензотриазола, бензотриазинона, фталазинона, хиноксалина и др.

Впервые на основании комплексного использования £дАг-реакций, протекавших между БНФН и различными органическими и неорганическими монофункциональными О-, N-, ^-нуклеофилами, продемонстрированы широкие возможности указанного субстрата в органическом синтезе.

Впервые на основе БНФН и бифункциональных О-, N-, ^-нуклеофильных реагентов предложены методы конструирования и разработана стратегия синтеза фталонитрильных систем связанных, аннелированных и конденсированных с 5-, 6-, 7- и 8-членными гетероциклическими системами разных классов - производными бензофурана, тиазола, диоксина, оксазина, тиазина, феноксатиина, тиантрена, хиноксалина, триазола, диоксепина, диоксоцина, оксазоцина и др. Разработанные высокоэффективные методы синтеза данных соединений, характеризуются высокими показателями конверсии, селективности и выхода целевых продуктов.

Практическая ценность работы.

Исследования, связанные с разработкой методов синтеза как исходных так и целевых продуктов, а также продуктов их дальнейшей функционализации в целом вносят вклад в органический синтез и способствуют развитию отдельных направлений в полимерной химии, химии макрогетероциклов.

Образцы большинства описанных в диссертации моно- и дикарбонитрилов, а также продукты их дальнейшей функционализации были переданы в специализированные организации (ИНЭОС РАН, ИСПМ РАН, ВИАМ, НИИПМ, ИГХТУ) для испытаний. Проведённые совместные исследования были направлены на поиск взаимосвязи между химической структурой синтезированных соединений и физико-химическими свойствами полученных на их основе материалов, что позволило выявить круг наиболее перспективных фталонитрилов, позволяющих получать гексазоцикланы, фталоцианины, полиэфиримиды и другие структуры, обладающие комплексом полезных, заранее прогнозируемых свойств и превосходящих по ряду показателей существующие аналоги. Оригинальность и новизна разработок защищена 2 Авторскими свидетельствами СССР и 9 патентами РФ.

В ходе исследований синтезировано и идентифицировано с помощью физико-химических методов анализа более 300 соединений, более 100 из которых ранее не были описаны в литературе. Для большинства из них разработаны методы синтеза, обеспечивающие высокие выходы и степень чистоты.

Апробация работы

Результаты исследований доложены на Всесоюзной конференции «Ароматическое нуклеофильное замещение», Новосибирск, 1989; Симпозиуме по химии Si-, Р-, S, «Петербургские встречи», Санкт-Петербург, 1995, 1998, 2002; VI Всероссийской конференции «Карбонильные соединения в синтезе гетероциклов», Саратов, 1996; Международной научно-технической конференции «Перспективные химические технологии и материалы», Пермь, 1997; I Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы химии и химической технологии», Иваново, 1997; Всероссийском семинаре «Проблемы и достижения люминесцентной спектроскопии», Саратов, 1998; Memorial I. Postovsky International Conference: Catalysis on Eve XXI Centure. Ekaterinburg, 1998; Всероссийской конференции «Конденсационные полимеры: синтез, структура, свойства», Москва, 1999; Международной научно-технической конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии «Реактив», 1986, 1989, 1990, 1996, 1997, 2000, 2003; Всероссийской конференции по химии гетероциклов памяти А. Н. Коста, Суздаль, 2000; Drug Discovery Japan, Tokyo 2000; III Всероссийском симпозиуме по органической химии «Стратегия и тактика органического синтеза», Ярославль, 2001; I Международной конференции «Химия и биологическая активность азотистых гетероциклов и алкалоидов», Москва 2001; Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии», Ярославль, 1998, 2001; 6th European Technical Sumposium on Polyimides & High Performance Functional Polymers, Universite

Montpellir II, France, 2002; Всероссийской конференции с международным участием «Современные проблемы химии высокомолекулярных соединений», Улан-Удэ, 2002; VIII Международной конференции по химии и физикохимии олигомеров «0лигомеры-2002», Черноголовка, 2002; 25th Macromolecular Symposium «Polycondensation 2002», Hamburg, 2002; Международной научно-технической конференции «Полимерные композиционные материалы и покрытия» «Polymer 2002» Ярославль, 2002; Международной конференции «Химия и биологическая активность кислород- и серусодержащих гетероциклов», Москва, 2003 и др.

Положения, выносимые на защиту.

Результаты исследований закономерностей реакции активированного ароматического нуклеофильного замещения нитрогруппы и атома брома в нитроароматических субстратах О-, N-, 5-нуклеофилами, протекавшей в присутствии карбоната калия в различных растворителях.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, химической части (5 глав), экспериментальной части, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 234 страницах, включает 26 таблиц, 120 схем и рисунков. Список литературы включает 285 источников.

Заключение диссертации по теме "Органическая химия"

ВЫВОДЫ

1. Главным итогом выполненной диссертационной работы является развитие одного из научных направлений органической химии -исследование реакции активированного ароматического нуклеофильного замещения (5лгАг-реакция). Основу развиваемого направления составляют систематизированные экспериментальные данные по синтезу и физико-химическим свойствам широкого круга ароматических и гетероциклических дикарбонитрилов, полученные при проведении комплексного исследования 5дгАг-реакции нитрогруппы и атома брома в нитросубстратах различными О-, N- и £-нуклеофилами, протекавшей в ДМФА в гомофазных и гетерофазных условиях.

2. Представлена схема взаимодействия активированных нитроароматических субстратов с фенолами, протекающая на поверхности К2СО3. Показано, что при адсорбции фенола на поверхности К2СО3 сначала происходит депротонизация фенола, приводящая к образованию реакционноспособного нуклеофильного комплекса [АГ-ОК2СО2ОН], который затем вступает в 5дЛг-реакцию с субстратом.

3. Исследована реакционная способность фенолов при замещении нитрогруппы в 4-нитрофталонитриле в присутствии карбоната калия в ДМФА. Показано, что в ДМФА для фенолов с различной кислотностью существуют две реакционные серии, в первой из которых для слабокислых фенолов скорость процесса определяется стадией депротонизации, а во второй - для сильнокислых - собственно реакцией замещения.

4. Впервые исследованы закономерности гомофазной реакции замещения нитрогруппы в 3- и 4-НФН О-нуклеофильным комплексом [АГ-ОК2СО2ОН], протекавшей в бинарном растворителе ДМФА-Н20.

Показано, что экстремальная зависимость скорости реакции от количества Н20 имела вид кривой типа "колокол" с максимумом, соответствовавшим 75 %-ному ДМФА. Получена корреляция скоростей реакции с параметром Димрота Ет указанного бинарного растворителя. Установлено, что присутствие воды ускоряет рассматриваемую SVAr-реакцию. При небольшом её количестве из-за разрыхления кристаллической решётки К2СОз и снижения её энергии. При увеличении количества Н20 за счёт интенсивного перехода в раствор с поверхности К2СОз молекул 0-нуклеофильного комплекса и протекания реакции в гомофазных условиях на поверхности раздела фаз мицелл, образовавшихся из молекул 0-нуклеофильного комплекса.

5. Впервые исследована реакция замещения нитрогруппы в 4-НФН на азотсодержащие гетероциклические нуклеофилы различных классов. Установлено, что нитрогруппа в данном субстрате замещается указанными реагентами в присутствии К2СОз только в безводном ДМФА при температурах выше 90 °С. Показано, что бензотриазол в присутствии карбоната калия замещает нитрогруппу в 4-НФН с образованием в соотношении 2:1 продуктов замещения как по атому азота находящегося в положении 1 бензотриазола, так и в положении 2, что объясняется протонной таутомерией бензотриазола. Впервые на основе 4-НФН разработаны высокоэффективные методы синтеза фталонитрильных систем, связанных с различными гетероциклическими системами - производными карборана, триазола, бензотриазола, бензотриазинона, фталазинона, хиноксалина и др.

6. Исследована реакция замещения атома брома в БНФН монофункциональными ароматическими и гетероциклическими О- и ^-нуклеофилами, протекавшая в присутствии К2С03. Показано, что благодаря высокой активности БНФН в указанной реакции могут принимать участие малоактивные нуклеофильные реагенты, содержащие электроноакцепторные гетероциклические фрагменты.

Установлен факт взаимодействия БНФН в присутствии К2СО3 с амидным реакционным центром.

7. Впервые на основе БНФН и бифункциональных О-, N-, 5"-нуклео-фильных реагентов предложены методы конструирования и разработана стратегия синтеза фталонитрильных систем связанных, аннелированных и конденсированных с 5-, 6-, 7- и 8-членными гетероциклическими системами разных классов - производными бензофурана, тиазола, диоксина, оксазина, тиазина, феноксатиина, тиантрена, хиноксалина, триазола, тиодиазола, диоксепина, диоксоцина, оксазоцина и др. Разработанные высокоэффективные методы синтеза указанных соединений, характеризуются высокими показателями конверсии, селективности и выхода целевых продуктов, что свидетельствует о высокой реакционной способности БНФН и высокой термодинамической устойчивости образовавшихся гетероциклических систем.

8. На основе фталонитрилов, полученных при взаимодействии 4-НФН и БНФН с А^ацетиламинофенолами, разработаны методы синтеза ряда новых аминофеноксифталевых кислот — мономеров для ПЭИ, позволяющих получить материалы с новым комплексом свойств. Улучшены методы получения известных мономеров.

Список источников диссертации и автореферата по химии, доктора химических наук, Абрамов, Игорь Геннадьевич, Ярославль

1. Легасов В.А., Дюмаев К.М., Третьяков Ф.Д. и др. ЖВХО им. Д.И. Менделеева. 1988, 33, (4), 469.

2. Лисицын В.Н. Химия и технология промежуточных продуктов. М.:Химия, 1987, 368 с.

3. Горелик М.В., Эфрос Л.С. Основы химии и технологии ароматических соединений. М.: Химия, 1992, 640 с.

4. Barlin G. Nucleophilic substitution. In: "Aromat. And Heteroaromat. Chem. " London: Oxford University Press, 1976, 4, p. 277.

5. Шейн C.M. ЖВХО им. Д.И. Менделеева. 1976, 21, (3), 256.

6. Коршак В.В., Русанов А.Л., Казакова Г.В. и др. ВМС. 1988, ЗОА, 9, 1795.

7. Persson J., Matsson О. J. Org. Chem. 1998, 63, 9348.

8. Terrier F. Nucleophilic aromatic displasement: the influence of the nitro group N.Y.: VSH Publishers, 1991,460 p.

9. Beck J.R. Tetrahedron 1978, 34, (14), 273.

10. Wolf J. J., Zietsch A., Oeser T. et al. J. Org. Chem. 1998, 63, 5164.

11. Fufe C., Damji S., Koll A. J. Amer. Chem. Soc. 1979,101, (4), 951.

12. Глаз А.И., Гитис C.C., Каминский А.Я. Изв. СО АН СССР. Сер. хим. 1990, 4, 100.

13. Артамкина Г.А., Мильченко А.Ю., Белецкая И.П. и др. ДАН СССР 1989, 304, (3), 616.

14. Miller J. Aromatic nucleophilic substitution. Amsterdam: Elsevier, 1968 , 238 p.

15. Гаммет Л. Основы физической органической химии, пер. с англ. под ред. Л.С. Эфроса, М.: Мир, 1972, 354 с.

16. Dewar М. The electronic theory of organic chemistry. London: Oxford University Press, 1949, 3 89 p.

17. Ross S.D. Prog. Phys. Org. Chem. 1963 (1) 31.

18. Buncel E., Campton M., Strauss M. et al. Amsterdam: Elsevier, 1984 , 295 p.

19. Birch A., Hinde A., Radom L. J. Amer. Chem. Soc. 1980,102, (21), 6430.20.