Новые превращения 7Н-бензо(е)перимидин-7-она тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Зотова Ольга Алексеевна

НОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ 7Н-БЕНЗО(с]ПЕРИМИДИН-7-ОНА

02.00.03 - органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва - 2004

Работа выполнена в ФГУП "Государственный научный центр «Научно-исследовательский институт органических полупродуктов и красителей».

Научный руководитель д.х.н., проф. Казанков Михаил Васильевич

Официальные оппоненты: д.х.н., проф. Калия Олег Леонидович

д.х.н., проф. Москва Виктор Владимирович

Ведущая организация: Институт органической химии РАН

им. Н.Д. Зелинского

Защита состоится »^Сентября 2004 г. на заседании диссертационного совета Д 212.204.04 в РХТУ им. Д.И. Менделеева (125047, г. Москва, Миусская пл., д. 9 ) в ^часов в конференц-зале.

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-информационном центре РХТУ им. Д.И. Менделеева.

Автореферат диссертации разослан 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.204.04

Кухаренко А.В.

Актуальность темы. Производные гетероаннелированных антронов, в т.ч. пиримидиноантрона- (7Н-бензо[е]перимидин-7-она), прочно занимают собственную нишу в гамме наиболее ценных антрахиноновых красителей, а также находят применение в различных новых областях науки и техники. Появление простого метода получения пиримидиноантронов циклизацией а-диметилформамидиниевых производных антрахинона сделало их легко -доступными и гораздо более рентабельными для промышленного синтеза. Вместе с тем, полученные нами наблюдения указывали на то, что ряд новых аспектов химического поведения этой довольно своеобразной гетероциклической поликонденсированной системы может стать объектом специального исследования, интересного и с чисто научной точки зрения. Вышеизложенное послужило основанием для постановки настоящей работы.

Цель работы состояла в исследовании поведения пиримидиноантрона и его 4-метилпроизводного при взаимодействии с N и О-нуклеофилами.

Научная новизна. Обнаружено, что пиримидиноантрон подвергается прямому замещению N и О-нуклеофилами в положения 4 и 6. Установлены факторы, способствующие региоспецифичности и селективности замещения атома Н4. Показано, что в случае 4-метилпиримидиноантрона нуклеофильная атака направляется исключительно по метильной группе. При действии алкил-аминов она превращается в альдегидную, а последующее замещение атома приводит к 6-алкиламино-4-формилпиримидиноантронам. При действии щелочных агентов происходит димеризация с образованием 1,2-бис(пирими-диноантрон-4-ил)этана. Исследован и предложен механизм этой реакции. Обнаружены случаи крайне редкого замещения метильной группы функциональными группами (р-гидроксиэтиламинной и гидроксильной). Рассмотрены особенности электронного строения производных пиримидиноантрона.

Практическая ценность. Разработаны методы, позволяющие легко с высокими выходами и абсолютно региоселективно получать из

пиримидиноантрона его 4-(амино, гидрок-

библиотека | спет««*-' 1 оэ и®'

си)замещенные. Преимущество этих методов по сравнению с известными заключается в том, что в качестве исходного вещества используется сам 1-аминоантрахинон, минуя синтез его 2-замещенных. Найдены методы получения ранее недоступных производных пиримидиноантрона. Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 статей. Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 89 страницах печатного текста, содержит 2 таблицы и 7 рисунков; состоит из введения, обзора литературы, двух глав обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов и списка цитируемой литературы из 62 наименований.

1. ПРЕВРАЩЕНИЯ ГШРИМИДИНОАНТРОНА 1.1. ЗАМЕЩЕНИЕ АТОМОВ ВОДОРОДА В ПИРИМИДИНОАТРОНЕ N И О-НУКЛЕОФИЛАМИ Пиримидиноантрон (I) реагирует с аммиаком, образуя 4-амино-производное (Па). Реакция катализируется солями меди, в присутствии которых протекает практически количественно. К действию ароматических аминов соединение (I) инертно, но при катализе (ацетат меди) легко (1 час, 70-80°С) араминируется также в положение 4 (соединения Иб-д, таблица).

2

Я = Н (а), РЬ(б), л-МеСбШ (в), л-МеОСда, (г), л-КНаСбИ, (д)

Более сложная картина наблюдается при взаимодействии с алифатическими аминами. Атаке подвергаются два реакционных центра -положения 4 и 6, причем, в продуктах реакций с бутиламином и морфолином помимо 4- и 6-алкиламинопроизводных (Пи,к; Ши,к) присутствуют 4,6-

ди(алкиламино)пиримидиноантроны (IV и,к), образование которых происходит исключительно из 6-изомеров (III и,к). Насколько мы можем судить, вступление двух остатков нуклеофила при прямом замещении наблюдается впервые (см. 1.2). Строение аминосоединений (П-!У) подтверждено встречными синтезами

я, И'-(С2н,)го 00

Взаимодействие с алкиламинами тоже сильно зависит от присутствия ионов меди, что проявляется в повышении общего выхода смеси изомеров (И, Ш), а также в увеличении в ней относительного содержания 4-изомеров (II). Представляется наиболее вероятным, что реагирующий амин и атом азота гетероцикла, расположенный в орто-положении к реакционному центру, связываются с ионом меди (см. 1.2.), после чего происходит внутримолекулярная реакция, что и определяет региоспецифичность замещения. По современным представлениям, при протекании внутримолекулярных реакций в комплексах металлов с аминами в качестве реакционной частицы выступает амид-ион, обладающий гораздо большей нуклеофильностью, чем сам амин. Для генерации амид-иона не в комплексе, а в

реакционной среде, мы ввели амид натрия вместо ацетата меди. Оказалось, что в присутствии ЫаКНг при взаимодействии с циклогексиламином и анилином соединение (I) в обоих случаях превращается в смесь 4- и 6-аминоизомеров. Как и можно было ожидать, с увеличением активности реакционной частицы снижается региоспецифичность замещения, причем у ароматических аминов, которые в условиях интрамолекулярной реакции атакуют только положение 4, появляется возможность атаковать и менее реакционноспособный центр - положение 6. Это указывает на координационный характер специфического катализа ионами меди.

Таблица.

Выходы аминопроизводных пиримидиноантрона

№ соединения Амин- Выход, %*

Метод**

А Б В

II б Анилин 69 • 69

III б - - 24

IIb п-Толуидин 87 -

Пг п-Ангаидин 65 -

Ид п-Фенилендиамин 56 -

II е Этаноламин 93 76

Ше 4 21

II ж •у-Метоксипропиламин 93 33,5

III ж 5 14,5

II 3 Циклогексиламин 81 37 61

Шз 14 8,5 35

Пи Бутил амин 60 31

Ши 14 22

IV и 5 6

II к Морфолин 66 35

III к 5 7

IV к 20 15

Примечания. *Соединения (Пб-д), метод А - после перекристаллизации, в

остальных случаях - после хроматографического разделения смесей. **Методы: в присутствии ацетата меди (А), в отсутствии ацетата меди (Б), в присутствии амида натрия (В).

Пиримидиноантрон (I) подвергается прямому замещению и при взаимодействии с О-нуклеофилами. При действии гидроксида натрия в среде ДМСО реакция протекает при комнатной температуре практически мгновенно с образованием 4- и 6-гидроксипроизводных (V, VI) в соотношении 1:1 и общим выходом 98%. м'^м

В то же время, в среде бутанола образуется исключительно 4-гидрок-сиизомер (V) с выходом 92%. Реакция идет медленнее, чем в ДМСО, но быстро завершается при нагревании. Строение гидроксипроизводных (V, VI) доказано встречными синтезами: 4-изомера (V) из 4-хлорпиримидиноантрона (VIII), а 6-изомера (VI) действием серной кислоты в присутствии борной кислоты на пиримидиноантрон (I).

Мы предположили, что гидроксилирование идет по разным маршрутам вследствие различия атакующих частиц: гидроксид-иона в ДМСО и алкоксид-иона в спиртах с образованием 2-алкоксипроизводного (УШ) и последующим замещением алкоксигруппы на гидроксильную. Однако наблюдать промежуточное соединение (VIIa) не удается. 4-Хлорпиримидиноантрон (VIII) в среде бутанола ведет себя аналогично, но его превращение в бензоле при действии бутилата натрия удается остановить, выделив соединение (VIIa) из смеси с конечным продуктом реакции (V).

Действие фенолята калия в ДМСО на соединение (I) также приводит к 4-гидроксисоединению (V), а 4-феноксипроизводное (\Иб), полученное из 4-хлорпиримидиноантрона (VIII), реагирует со щелочью аналогично

VI

бутоксисоединению (VIIa). Следовательно, алкоксид- и феноксид-ионы избирательно атакуют положение 4.

R = Ви (а), Ph (б); R' = Alk, Ar.

В свою очередь алкокси- и феноксигруппы в соединениях (VIIa,6) легко вытесняются и различными аминами. Это побудило провести реакцию с алкил-аминами в бутаноле в присутствии щелочи. Действительно, в этих условиях образуется с количественным выходом один продукт - 4-алкиламино-производное (П).

Таким образом, удалось найти методы, позволяющие селективно и с высокими выходами получать 4-(амино, алкиламино, ариламино, гидрокси)производные из незамещенного пиримидиноантрона (I).

12 СПЕКТРАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА И ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ ПИРИМВДИНОАНТРОНОВ

Выше (1.1) отмечена необычность образования дизамещенных продуктов реакции пиримидиноантрона (I) с алкиламинами и показано, что вторичному замещению подвергаются 6-алкиламинопроизводные. Это можно было бы объяснить тем, что последние могут существовать в таутомерной иминогидроксиформе, у которой крайнее сконденсированное с гетероциклом бензольное кольцо имеет пара-хиноидное строение и поэтому способно к

дальнейшему замещению в положение 4. Однако в рассматриваемое превращение вступает и 6-морфолинопроизводное (Шк), имеющее закрепленную аминокетоструктуру. Поэтому в общем случае можно говорить о существенном вкладе в электронное строение соединений (III) цвиттер-ионной граничной структуры (б). В ИК спектрах соединений (Ш) это проявляется сильным смещением у,^: до 1625-1640 см'1 против 1670 см"1 у соединения (I), что указывает на значительный заряд на атоме кислорода.

Мезомерия наблюдается и у 4-аминопроизводных (II), но в кислых и в щелочных средах 4- и 6-аминоизомеры (II, III) ведут себя по-разному. Электронные спектры всех 6-аминоизомеров претерпевают относительно небольшие изменения в кислой среде и практически не изменяются в щелочной. У 4-аминоизомеров (II), кроме 4-морфолинопроизводного (Пк), в кислой и щелочной среде происходит сильный (до 104 нм) батохромный сдвиг полосы переноса заряда. Соединение Ик в щелочной среде не изменяется, т.к. у него отсутствует подвижный атом Водорода, а в кислой среде происходит протонирование по аминогруппе и полоса переноса заряда исчезает. Кардинальные отличия в изменении спектров 4-аминопроизводных (II) с незакрепленной аминокетоструктурой при ионизации свидетельствуют в пользу того, что их катионы и анионы существуют в иминогидроксиформах (а, б).

б

+

а

III

а

б

В целом же показано, что электронное взаимодействие аминогрупп с системой проявляется гораздо больше в положении 4, чем в положении 6, и приводит к образованию цепи сопряжения, включающей амино- и карбонильную группы, с ярко выраженной высокой электронной проводимостью.

4-Аминопиримидиноантроны (II) образуют комплексы с солями меди и других переходных металлов (Сс1, Со, N1, Н§). Поскольку комплексо-образование приводит к изменениям спектров, подобным наблюдающимся при протонировании, можно полагать, что координация осуществляется по двум типам: А - для лигандов с закрепленной и Б - для лигандов с незакрепленной

Представляется, что первичным актом прямого аминирования пиримидиноантрона (I) является координация аминного медного комплекса

устойчивому хелатному комплексу типа А или Б, что, в свою очередь, увеличивает движущую силу реакции. Вполне возможно тип Б настолько более выгоден, что ответственнен за дезалкилирование диалкиламинов, реакции с которыми приводят к сложным смесям, в которых превалируют продукты замещения с вторичными аминогруппами.

Отмеченные различия в поведении 4- и 6-аминопроизводных при действии щелочей также наблюдаются у 4- и 6-гидроксипиримидиноантронов (У,У1): желтый цвет соединения (VI) не изменяется, а раствор 4-гидроксипроизводного (V) приобретает фиолетовый цвет (Хтгй545 нм).

На основании сопоставления суммы спектральных данных, более подробно обсужденных в диссертации, и химических свойств выделены два основных фактора электронного строения пиримидиноантронов.

по атому К3. Последующее образованйевязи приводит к более

1) Положение 4 испытывает наиболее сильное совместное электронно-акцепторное влияние гетероцикла и карбонильной группы, что в совокупности с координационным фактором определяет преимущественное направление нуклеофильной атаки.

2) Взаимодействие между электронодонорным заместителем в положении 4 и карбонильной группой столь велико, что этот фрагмент молекулы 4-амино- либо 4-гидроксипиримидиноантронов можно с достаточным приближением рассматривать как сопряженный амино- либо гидроксикетон.

Я - №ГО/, ОН

Оба отмеченных фактора строения определяют реакционную способность и 4-метилпиримидиноантрона (XI). Электроноакцепторное влияние системы на 4-метильную группу делает ее весьма активным и единственным центром молекулы, подвергающимся нуклеофильной атаке. Легко происходящий отрыв протона приводит к углублению цвета, что в свете вышеизложенных представлений говорит о переносе отрицательного заряда на карбонильную группу, т.е. о значительном вкладе в строение аниона граничной метидной структуры (б).

2. ПРЕВРАЩЕНИЯ 4-МЕТИЛПИРИМИДИНОАНТРОНА 2.1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ 4-МЕГИЛПИРИМВДИНОАНТРОНА СО ЩЕЛОЧНЫМИАГЕНТАМИ И АМИНАМИ

Как показано выше (1.1), прямым замещением пиримидиноантрона селективно можно получить только 4-замещенные. Мы предположили, что

блокирование положения 4 метильной группой может обеспечить получение индивидуальных 6-замещенных. Однако оказалось, что 4-метил-пиримидиноантрон (XI) в тех же условиях вообще не подвергается нуклеофильной атаке по положению 6, а вступает в превращения с участием метильной группы. Причины этого, обусловленные электронным строением системы, рассмотрены в предыдущем разделе.

Соединение (XI), взаимодействуя с гидроксидом натрия либо трет-бутилатом калия, подвергается димеризации, которая в среде бутанола количественно приводит к единственному продукту - 1,2-бис(пиримидино-антрон-4-ил)этану (XII). Его строение подтверждено элементным анализом, ПМР, ИК и масс-спектрами. В среде ДМСО наблюдается сложная картина: образуется смесь продуктов димеризации (XII, ХШа,б), а кроме того, с выходом 20% выделен 4-гидроксипиримидиноантрон (V).

ХП,ХШа,б

смесь продуктов X - простая связь (а), СН2 (б)

При действии циклогексиламина на соединение (XI) в присутствии ацетата меди с выходом порядка 48% образуется 4-формил-6-циклогексил-аминопиримидионантрон (XV). Его строение подтверждается элементным анализом, ПМР и масс-спектрами и доказано приведенными ниже синтезами.

При действии циклогексиламина альдегид (XVI), полученный по аналогии с 4-метилбензантроном из соединения (XI), аминируется, образуя соединение (XV), а 4-метил-6-циклогексиламинопиримидиноантрон (XVII), полученный из бром-производного (XVIII), не изменяется. Следовательно, в реакции соединения (XI) с циклогексиламином конечный продукт (XV) получается в результате замещения атома Н6 в первоначально образовавшемся альдегиде (XVI). И, наконец, полным доказательством строения соединения (XV) является его восстановление в метальное производное (XVII) по Кижнеру-Хуанг-Минлону.

XVI Ш

Аналогичные по строению соединению (XV) продукты образуются при взаимодействии соединения (XI) с различными первичными алкиламинами, за исключением этаноламина, реакция с которым привела к весьма неожиданному результату. Оказалось, что в случае этаноламина происходит замещение метальной группы алкиламиногруппой. С выходом 40% выделен 4-(2-гидроксиэтиламино)пиримидиноантрон (Не), идентичный веществу, полученному аминированием незамещенного пиримидиноатрона (I) или его 4-хлорпроизводного (VIII).

XI Пе 1,УШ

ЛР=Н(1),С1(УШ)

Последнее превращение и образование гидроксисоединения (V) при действии щелочи в ДМСО являются примерами чрезвычайно редких реакций замещения метальной группы функциональными группами. Аминирование с вытеснением метальной группы известно только для некоторых замещенных 1,4-бензохинона и в меньшей мере - 1,4-нафтохинона, в ряду которого наблюдается и единственный случай замещения на гидроксигруппу.

2.2. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМАДИМЕРИЗАЦИИ 4-МЕТИЛПИРИМИДИНОАНТРОНА

Димеризация соединений с активированной метальной группой в щелочных средах общепризнанно является радикальным процессом, однако механизм ее остается дискуссионным. Большинство авторов полагают, что димер образуется в результате спаривания радикала бензильного типа, но зарегистрировать эту частицу никому не удавалось. Исследуя димеризацию в бутаноле 4-метшширимидиноантрона (XI) (см.2.1), мы зарегистрировали спектр ЭПР его радикала и поэтому попытались изучить механизм реакции.

При проведении реакции, как в присутствии кислорода воздуха, так и в анаэробных условиях, регистрируется разрешенный спектр ЭПР. Расчетный спектр с общей шириной 2,2 мТл хорошо описывает положение основных линий СТС и значительно хуже соотношение их интенсивностей. Неполное совпадение интенсивностей и наличие на краях экспериментального спектра дополнительных слабых сигналов указывают на присутствие ПМ частиц другого типа с полной шириной спектра 2,6-2,7 мТл. Схема расщепления линий СТС (5",, 4"„ и константы сверхтонкого взаимодействия свидетельствуют о

том, что основной спектр ЭПР соответствует радикалу (XIX). Относительно малые расщепления сигнала на протонах связаны с тем, что

спиновая плотность в радикале сосредоточена преимущественно на карбонильной группе. Это можно отразить вкладом в его электронное строение

метидной структуры (Х1Х6), т.е. в нем сохраняется поляризация в том же направлении, что в анионе (XX), из которого он образуется (см. 1.2).

При проведении реакции в анаэробных условиях после исчезновения розовой окраски аниона (XX) образуется коричневый раствор, сохраняющийся сколь угодно долго, из которого при доступе воздуха моментально выпадает в осадок димер (XII). Это указывает на образование растворимого промежуточного соединения, уже имеющего димерное строение и окисляющегося в конечный продукт, т.е. являющегося восстановленной формой последнего. Поскольку радикал (XIX) можно представить как радикал 7,4-хинометида пиримидиоантрацена, он, подобно хинометидам, может присоединить карбанион (XX) с образованием димерного анион-радикала (XXII), окисление которого приведет только к конечному продукту.

Спектр ЭПР анион-радикала (XXII) должен иметь такую же схему расщепления линий СТС, как спектр радикала (XIX), но дополненную расщеплением сигнала на второй метиленовой группе с увеличением ширины спектра. Следовательно, появление дополнительных сигналов на периферии спектров можно связать с тем, что регистрируется суммарный спектр радикалов (XIX) и (XXII). Периферийные сигналы не могут относиться к анион-радикалу (XXI), который генерирован электрохимическим восстановлением соединения (XI) и имеет ширину спектра 2,0 мТл. В то же время, участие его в процессе подтверждается нижеприведенным химическим экспериментом с изучением стехиометрии реакции.

Если в отсутствии кислорода 2 мольные части исходного соединения (XI) расходуются на образование димерного анион-радикала (XXII), а 1 часть - на

окисление аниона (XX) в радикал (XIX) с образованием анион-радикала (XXI), то после окисления такой реакционной смеси 1/3 исходного вещества должна остаться непрореагировавшей.

С целью установления этого факта при проведении реакции в анаэробных условиях после образования раствора и длительной выдержки щелочь нейтрализовалась кислотой, после чего прибор соединялся с атмосферой. Действительно, удалось выделить 26% исходного вещества (XI), что достаточно доказательно, учитывая условия эксперимента (малые количества реагентов и невозможность обеспечения абсолютного отсутствия кислорода).

Таким образом, нами предлагается механизм, изображенный на схеме. Он включает: депротонирование метальной группы, окисление образовавшегося аниона (XX) в радикал (XIX) с последующим присоединением к нему второй молекулы аниона (XX), которое приводит к анион-радикалу димера (XXII), а окисление последнего — к димеру (XII).

В заключение можно отметить, что наш случай оказался удобным для исследования благодаря тому, что радикал (XIX) достаточно стабилен, а анион-радикалы (XXI) и (XXII) мало стабильны, т.к. по типу относятся к семихинонам, которым свойственно легко превращаться в диамагнитные формы. Поэтому наблюдается практически чистый спектр радикала..

ВЫВОДЫ

1. Обнаружено, что пиримидиноантрон подвергается прямому замещению К- и О-нуклеофилами в положения 4 и 6.

2. Установлены факторы, способствующие региоспецифичности и селективности замещения атома Показано, что специфический катализ ионами меди при аминировании обусловлен координацией металла по атому Ы3 и что алкоксид- и феноксид-ионы избирательно атакуют положение 4, а гидроксилирование и аминирование в спиртовой среде протекает через образование 4-алкоксипроизводного.

3. Разработаны методы, позволяющие селективно получать 4-(амино, алкиламино, ариламино и гидрокси)производные из незамещенного пиримидиноантрона.

4. Обнаружено, что в случае 4-метилпиримидиноантрона нуклеофильная атака направляется исключительно по метильной группе.

5. При действии щелочных агентов в спиртовой среде 4-метил-пиримидиноантрон димеризуется, превращаясь в 1,2-бис(пиримидиноантрон-4-ил)этан. Исследован и предложен механизм димеризации.

6. При действии алкиламинов метальная группа превращается в альдегидную, а последующее замещение атома Н6 приводит к 6-алкиламино-4-формилпиримидиноантронам. Обнаружены случаи замещения метальной группы: при действии гидроксида натрия в среде ДМСО, помимо продуктов димеризации, образуется 4-гидроксипиримидиноантрон, а взаимодействие с этаноламином приводит к 4-(2-гидроксиэтиламино)пиримидиноантрону.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ

ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. Казанков М.В., Зотова О.А. Замещение атомов водорода в пирими-диноантроне N и О-нуклеофилами.// ЖОрХ, 1994, т.30, вып. 6, с. 930.

2. Казанков М.В., Зотова О.А. Превращения 4-метилпиримидиноантрона при действии щелочных агентов и аминов.// ЖОрХ, 1999, т. 35, вып.11, с. 1736.

3. Казанков М.В., Зотова О.А., Уланова Л.А., Пыхтина Е.В. Исследование механизма димеризации 4-метилпиримидиноантрона.// ЖОрХ, 2000, т. 36, вып. 2, с. 294.

4. Зайцев Б.Е., Зайцева Ю.Н., Рябов М.А., Зотова О.А., Казанков М.В. Взаимодействие 6-аминопиримидиноантронов с минеральными кислотами. // ХГС, 1996, № 3, с. 374.

5. Зайцев Б.Е., Зайцева Ю.Н., Рябов М.А., Шебан Г.В., Зотова О.А., Казанков М.В. Спектроскопическое и квантово-химическое изучение строения 4-аминопиримидиноантронов. // ХГС, 1996, № 8, с. 1109.

6. Зайцев Б.Е., Зайцева Ю.Н., Рябов М.А., Зотова О.А., Казанков М.В. Изучение взаимодействия переходных металлов с производными 4-аминопиримидиноантрона методом электронной спектроскопии. // Вестник РУДН. Серия Химия, 1997, № 1, с. 65.

Заказ № 798

Объем п.л. 1

Тираж 100 экз.

Типография «ЮСК-Полиграфия» Адрес: г. Москва, ул. Коаснобогатырская, 92 тел.: 963-41-11,964-31-39

if 13118

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПРЕВРАЩЕНИЯ ПО МЕТИЛЬНОЙ ГРУППЕ В АРОМАТИЧЕСКИХ И ХИНОИДНЫХ СИСТЕМАХ ПРИ ДЕЙСТВИИ НУКЛЕОФИЛОВ. (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).

1.1. Общие понятия и представления.

1.2. Димеризация в щелочных средах.

1.3. Реакции замещения метальной группы.

1.4. Превращение метальной группы в альдегидную при действии аминов.

ГЛАВА 2. ПРЕВРАЩЕНИЯ ПИРИМИДИНОАНТРОНА.

2.1. Замещение атомов водорода в пиримидиноантроне

N-иО- нуклеофилами.

2.2. Спектральные свойства и электронное строение пиримидиноантронов.

ГЛАВА 3. ПРЕВРАЩЕНИЯ 4-МЕТИЛПИРИМИДИНОАНТРОНА.

3.1. Взаимодействие 4-метилпиримидиноантрона со щелочными агентами и аминами.

3.2. Исследование механизма димеризации 4-метилпиримидиноантрона.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

ВЫВОДЫ.

Пиримидиноантрон (7Н-бензо[е]перимидин-7-он) известен уже около 100 лет. Его производные нашли применение как красители, что, в свою очередь, способствовало и совершенствованию их методов синтеза. Так, появление простого пути синтеза пиримидиноантронов циклизацией диметилформамидиниевых солей, получающихся из 1-аминоантрахинона и его замещенных, сделало эту гетероциклическую поликонденсированную систему несравненно более доступной и рентабельной для промышленного синтеза. Сказанное определяет практическую целесообразность работ по синтезу и изучению свойств соединений этого ряда. В то же время, несмотря на то, что пирмимидиноантрон достаточно хорошо изученная система (чему, в частности, способствовали исследования, проводившиеся в нашем институте С.И.Поповым с сотрудниками), оказалось, что ряд аспектов ее химического поведения может стать объектом специального изучения, интересного и с чисто научной точки зрения.

Отправным моментом для постановки данной работы послужило полученное нами наблюдение о способности пиримидиноантрона подвергаться прямому замещению нуклеофилами. А обнаружение ряда особенностей поведения незамещенного пиримидиноантрона побудило обратиться к 4-метилпроизводному. Превращения этого соединения при действии аналогичных реагентов оказались для нас весьма неожиданными, и их исследование определило дальнейшее развитие работы.

В диссертации использованы данные спектроскопических исследований, проведенных проф. Б.Е.Зайцевым с сотр. в соавторстве с нами, а также выполненных ими квантовохимических расчетов. Исследование методом ЭПР проведено совместно с к.х.н. Е.В.Пыхтиной и Л.А.Улановой. Названным и многим другим коллегам, оказавшим помощь при выполнении работы, автор выражает глубокую признательность.

Поскольку обзор литературы по пиримидиноантрону имеется в диссертации Л.Б.Красновой [7], в главе первой рассматривается литература, непосредственно относящаяся к одной из частей нашей работы. Собственные публикации, отражающие ее основное содержание, помещены в начало списка литературы [1-6].

ВЫВОДЫ

1. Обнаружено, что пиримидиноантрон подвергается прямому замещению N- и О-нуклеофилами в положения 4 и 6.

2. Установлены факторы, способствующие региоспецифичности и селективности замещения атома Н4. Показано, что специфический катализ ионами меди при аминировании обусловлен координацией металла по атому N и что алкоксид- и феноксид-ионы избирательно атакуют положение 4, а гидроксилирование и аминирование в спиртовой среде протекает через образование 4-алкоксипроизводного.

3. Разработаны методы, позволяющие селективно получать 4-(амино, алкиламино, ариламино и гидрокси)производные из незамещенного пиримидиноантрона.

4. Обнаружено, что в случае 4-метилпиримидиноантрона нуклеофильная атака направляется исключительно по метальной группе.

5. При действии щелочных агентов в спиртовой среде 4-метилпиримидиноантрон димеризуется, превращаясь в 1,2-бис(пиримидиноантрон-4-ил)этан. Исследован и предложен механизм димеризации.

6. При действии алкиламинов метальная группа превращается в альдегидную, а последующее замещение атома Н6 приводит к 6-алкиламино-4-формилпиримидиноантронам. Обнаружены случаи замещения метальной группы: при действии гидроксида натрия в среде ДМСО, помимо продуктов димеризации, образуется 4-гидроксипиримидиноантрон, а взаимодействие с этаноламином приводит к 4-(2-гидроксиэтиламино)пиримидиноантрону

84

1. Казанков М.В., Зотова О. А. Замещение атомов водорода в пиримидиноантроне N- и О-нуклеофилами.// ЖОрХ, 1994, т.ЗО, вып. 6, с. 930.

2. Казанков М.В., Зотова О.А. Превращения 4-метилпиримидиноантрона при действии щелочных агентов и аминов.// ЖОрХ, 1999, т. 35, вып.11, с. 1736.

3. Казанков М.В., Зотова О.А., Уланова JI.A., Пыхтина Е.В. Исследование механизма димеризации 4-метилпиримидиноантрона.// ЖОрХ, 2000, т. 36, вып. 2, с. 294.

4. Зайцев Б.Е., Зайцева Ю.Н., Рябов М.А., Шебан Г.В., Зотова О.А., Казанков М.В. Спектроскопическое и квантово-химическое изучение строения 4-аминопиримидиноантронов. // ХГС, 1996, № 8, с. 1109.

5. Зайцев Б.Е., Зайцева Ю.Н., Рябов М.А., Зотова О.А., Казанков М.В. Взаимодействие 6-аминопиримидиноантронов с минеральными кислотами. // ХГС, 1996, № 3, с. 374.

6. Зайцев Б.Е., Зайцева Ю.Н., Рябов М.А., Зотова О.А., Казанков М.В. Изучение взаимодействия переходных металлов с производными 4-аминопиримидиноантрона методом электронной спектроскопии. // Вестник РУДН. Серия Химия, 1997, № 1, с. 65.

7. Краснова Л.Б. Антрахинонил-1-амидины и синтезы новых производных антрапиримидина.//Дисс.канд.хим.наук, М.; 1982.

8. Эфрос Л.С., Горелик М.В. Химия и технология промежуточных продуктов. Л.: Химия, 1980.

9. Perkin W.H. Ueber die Einwirkung von Alkalien auf p-Nitrotoluol. // J. Chem. Soc., 1880, 37, p. 546.

10. Fischer О., Hepp E. Ueber die Einwirkung von Alkalien auf p-Nitrotoluol resp. p-Nitrotoluolsulfosaure. // Ber., 1893, 26, S. 2231.

11. Green A.G. Die Farbstoffe der Stilbengruppe. I. // J. Chem. Soc., 1904, 85, p. 1424.

12. Green A.G., Marsden F., Scholefield F. Die Farbstoffe der Stilbengruppe. II. // J. Chem. Soc., 1904, 85, p.1432.

13. Green A.G., Davies A.H., Horsfall R.S. Die Farbstoffe der Stilbengruppe. IV. Die Einwirkung von kaustischen Alkalien auf p-Nitrotoluol und seine Derivate. // J. Chem. Soc., 1907, 91, p. 207.

14. Russell A.G., Janzen E.G. Elektron Transfer Processes. IV. Disproportionation of o- and p-Nitrotoluenes in Basic Solution. // J. Am. Chem. Soc., 1967, 89, p. 300.

15. Russell A.G., Janzen E.G. Spontaneous Formation of Radical-Anions from Nitroaromatics in Basic Solution. // J. Am. Chem. Soc., 1962, 84, p. 4153.

16. Russell A.G., Williamson R.S. Nature of Polar Effect in Reactions of Atoms and Radicals. II. Reactions of Clorine Atoms and Peroxy Radicals. // J. Am. Chem. Soc., 1964, 86, p. 2357.

17. Taylor E.C., Driscoll J.S. Pyridine 1-Oxides. IX. Further Oxidative Dimerizations of 4-Nitro-3-picolines. // J. Org. Chem., 1961, 26, p. 3796.

18. Piette L.H., Ludwig P., Adams R.N. Electrolytic Generations of Radical Jons in Aqueous Solution. // J. Am. Chem. Soc., 1961, 83, p. 3909.

19. Margerum J.D. Transient Photodecarboxylation Intermediates. // J. Am. Chem. Soc., 1965, 87, p. 3772.

20. Treves G.R. Investigation of the Oxidative Condensation of 2-Metoxy-4-nitrotoluene. The Use of Oxidative Catalysts. // J. Am. Chem. Soc., 1948, 70, p. 875.

21. Chandrasenan K., Tomson R.H. Biquinones III. The Dimerisation of 1,4-Naphthaquinones. // Tetrahedron, 1971, v. 27, p. 2529.

22. Scholl R., Wallenstein H. Uber die Dianthrachinonil-(l.l')-glyoxale und das Anthraflavon der a-Reihe. // Chem.Ber., 1936, В. 69B, S. 503.

23. Davies D.G., Hodge P., Yates P. Chemistry of Quinones. Part. II. Some Base-Catalysed Reactions of Alkylanthraqunones. // J. Chem. Soc., Perkin Trans I, 1973, № 8, p. 850.

24. Houben-Weyl. Methoden der organischen Chemie. Stuttgart, Georg Thieme Verlag, 1977, B. 7 (3a).

25. Hoffmann J. Ueber einige Derivate des Dibromthymochinons. // В., 1901, 34, S. 1558.

26. Anslow W.K., Raistrich H. The Fction of Alcoholie Monomethylamine on Derivatives of Benzoquinone and Toluquinont. Part I. The Methoxy- and Hydroxymethoxy- derivatives. //J. Chem. Soc., 1939, p. 1446.

27. Cameron D.W., Scott P.M. Facile Loss of C-Methyl Groups during the Amination of Quinones. //J. Chem. Soc., 1964, p. 5569.

28. Cameron D.W., Gilles R.G.f., Titman R.B. Side-chain versus Nuclear Amination of Methyl-substituted Benzo- and Naphthoquinones. // J. Chem. Soc. (C), 1969, 8, p. 1245.

29. Cameron D.W., Scott P.M., Lord Todd. Uber die Reaktion von Tetrametil-1,1-benzochinon mit Aminen. // J. Chem. Soc., 1964, p. 42.

30. Ингольд К. Теоретические основы органической химиии. М.: Мир, 1973.

31. Houben-Weyl. Methoden der organischen Chemie. Stuttgart, Georg Thieme Verlag, 1977, B. 7 (3b), S. 490.

32. Baxter J., Cameron D.W., Sanders J.K.M., Titman R.B. Reaction of 2-Ethyl-and 2-Benzyl-l,4-naphthoquinone with N-Methylcyclohexylamine.// J. Chem. Soc., Perkin Trans I, 1972, p. 2046.

33. Пат.557249 (1929). Германия. F.Kacer. Verfahren zur Oxydation mehrkerniger aromatischer Verbindungen. // Frdl., Bd.19, S. 2124.

34. Пат.576176 (1930). Германия. O.Bayer, F.Kacer. Verfahren zur Herstellung von Oxydationsprodukten der Benzanthronreihe. // Frdl., Bd. 19, S. 2125.

35. Пат. 343064 (1915). Германия. L.Cassella. Verfahren zur Herstellung von stickstoffhaltigen Kondensationsprodukten der Anthrachinonreihe. // Frdl., Bd. 13, S. 396.

36. Пат. 346188 (1915). Германия. L.Cassella. Verfahren zur Herstellung von l-Amino-2-anthrachinonaldehyd. //Frdl. Bd., 13, S. 395.

37. Казанков M.B. а -Аминоантрахиноны: пери-эффекты, превращения в пери-конденсированные системы и синтезы на их основе. //Дисс. . доктора хим.наук, М., 1983.

38. Bradley W. Kationoid Reactivity of Aromatic Compounds. Part VI. The Direct Amination of mesoBenzanthrone. //J. Chem. Soc., 1948, p. 1175.

39. Bradley W. Kationoid Reactivity of Aromatic Compounds. Part III. The Action of Piperidine on mesoBenzanthrone. // J. Chem. Soc., 1937, p. 1091.

40. Казанков M.B., Уфимцев B.H. Взаимодействие антрапиридонов с нуклеофильными агентами. // ХГС, 1972, № 3, с. 373.

41. Казанков М.В., Садовых Е.Г. Реакции замещения пирролантронов. // ХГС, 1978, № 10, с. 1356.

42. Галушко A.M., Докунихин Н.С. Нуклеофильное замещение водорода в ароматических системах. 1. Взаимодействие антра1,9-с^.изоксазол-6-онов с первичными аминами. // ЖОрХ, 1979, т. 15, вып. 3, с. 575.

43. Горелик М.В., Казанков М.В., Вернадский М.И. Циклизация антрахинонил-1-уксусной кислоты. // ЖорХ, 1976, т. 12, с. 2041.

44. Эктова JI.B., Шишкина Р.П., Фокин Е.П. Аминирование 2-метил-7-хлоркерамидонина первичными алифатическими аминами. //Изв. СО АН СССР, сер.хим.наук, 1975, № 4, вып. 2, с. 133.

45. Краснова Л.Б., Попов С.И. Реакции антрапиримидиниевых солей с нуклеофильными агентами. // Тезисы докладов конференции «Ароматическое нуклеофильное замещение». Новосибирск, 1982, с. 69.

46. Галушко A.M., Докунихин Н.С. Нуклеофильное замещение водорода в ароматических системах. II. О механизме аминирования антра1,9-с4.изоксазол-6-онов. // ЖОрХ, 1982, т. 18, вып. 7, с. 1539.

47. Казанков Г.М. Реакции координирования нуклеофилов. // ЖОрХ, 1993, т. 29, вып. 6, с. 1239.

48. Bredley W., Sutcliffe F.K. The Relation between Self- condensation and Substitution Processes in the Reactions of mesoBenzanthrone with Anions. // J. Chem. Soc., 1954, № 2, p. 708.

49. Пат. 628231 (1933). Германия. O.Schlichting, K.Koberle. Verfahren zur Herstellung von Oxyverbindungen der Anthrapyrimidinereihe. // Frdl., Bd. 22, S. 1118.

50. Горностаев JI.M., Зейберт Г.Ф., Золотарева Г.И. Аминирование антра1,9-сД|изоксазол-6-онов. // ХГС, 1980, № 7, с. 912.

51. Беллами JI. Инфракрасные спектры сложных молекул. М.: И.Л., 1963.

52. Казанков М.В., Гинодман Л.Г., Мустафина М.Я. Влияние конформации на реакционную способность а-ариламиноантрахинонов с комплексом Вильсмайера. //ЖОрХ, 1983, т. 19, вып. 1, с. 153.

53. Михайлова Т.А., Зайцев Б.Е., Горелик М.В. Протонирование антрапиридона и его аминопроизводных. Монопротонированная форма антрапиридона как гетероаналог бензофеналенона. // ЖОрХ, 1979, т. 15, с. 1517.

54. Михайлова Т.А. Исследование 2-оксиазабензантронов. // Дисс. .канд. хим. наук М., 1979.

55. Садовых Е.Г. Синтез и свойства 6Н-антра/1,9-Ь,с/пиррол-6-онов. // Дисс. . канд.хим.наук., М., 1981.

56. Дьюар М. Теория молекулярных орбиталей в органической химии. М.: Мир, 1972, с.474.

57. Пшежецкий С.Я., Котов А.Г., Милинчук В.К., Рогинский В.А., Тупиков В.И. ЭПР свободных радикалов в радиационной химии. М.: Химия, 1972, с. 38-77, 286-293, 452.

58. Пул Ч. Техника ЭПР-спектроскопии. М.: Мир, 1970, с. 412-464.

59. Вертц Дж., Болтон Дж. Теория и практические приложения метода ЭПР. М.: Мир, 1975, стр. 594 -506.

60. Пат. 642001 (1935). Германия. K.Koberle, O.Schlichting. Verfahren zur Herstellung von Aminoverbindungen der Anthrapyrimidinereihe. // Frdl. Bd 23, S. 1063.

61. Уланова JI.A., Пыхтина E.B. Спектры ЭПР анион-радикалов спиропиранов с нитрогруппой в индолиновом фрагменте. // ЖФХ, 1994, т.68, № 1, стр. 75.