Синтез и некоторые реакции ферроценил-, ртуть- и сульфосодержащих тетразолов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

/

/

Липецкий государственный педагогический институт

Красникова Елена Михайловна

/ У , • У **

^ У с/ ^

Синтез и некоторые реакции ферроценил-, ртуть-и сульфосодержащих тетразолов

02.00.03 - органическая химия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель доктор химических наук, профессор Боев В.И.

Научный консультант кандидат химических наук, доцент Москаленко А.И.

Липецк - 1999

Оглавление

стр.

Введение...................................................................................4

Глава I

Новые методы синтеза и свойства тетразолов

(Литературный обзор)........................................8

1.1. Методы получения тетразолов........................................................................................8

1.1.1. Синтез 1 -замещенных тетразолов............................................................................9

1Л .2. Синтез 2-замещенных тетразолов......................................................13

1.1.3. Синтез 5-замещенных тетразолов...............................................13

1.1.4. Синтез 1,5-дизамещенных тетразолов................................................................15

1.1.5. Реакции тетразолов как путь к получению их новых производных........................................................................................................................18

1.1.5.1. Электрофильное замещение по атому углерода тетразольно-

го цикла..........................................................................................................................................................19

1.1.5.2. Нуклеофильное замещение по атому углерода тетразольного цикла.............................................................................................................................................25

1.1.5.3. Реакции по атомам азота тетразольного цикла.....................................28

1.1.5.3.1. Алкилирование................................................................................................................28

1.1.5.3.2. Ацилирование и имидоилирование..............................................................41

1.1.5.3.3. Силилирование, фосфорилирование, сульфонирование............43

1.1.6. Соли тетразолия........................................................................................................................44

1.1.7. Реакции замещенных тетразолов в боковой цепи....................................47

1.2. Физико-химические свойства тетразолов............................................................53

1.2.1. Электронное строение......................................................................................................53

1.2.2. Дипольные моменты............................................................................................................55

1.2.3. УФ и ИК спектры..........................................................................56

1.2.4. Спектры ЯМР............................................................................................................................58

стр.

1.2.5. Масс-спектры..............................................................................................................................60

1.2.6. Кислотно-основные свойства..............................................61

Глава II

Синтез и некоторые реакции ферроценил-, ртуть- и сульфосодержащих тетразолов

(Обсуждение результатов)......................................................63

2.1. а-Ферроценилалкилирование тетразола и его 1-замещенных производных в двухфазных системах..........................................................................63

2.2. а-Ферроценилалкилирование 1,5-дизамещенных тетразолов..........78

2.3. Синтез тетразолилсодержащих солей а-ферроценилкарбокатио-

нов.........................................................................................95

2.4. Новые реакции меркурирования тетразола и его 1-замещенных трифторацетатом ртути(П)............................................................................................................104

2.5. Взаимодействие диоксансульфотриоксида с 1-фенилтетразо-

лом........................................................................................................................................................................112

Глава III

Экспериментальная часть....................................................117

3.1. Экспериментальная часть к разделу 2.1. (табл. 1,2)....................................117

3.2. Экспериментальная часть к разделу 2.2. (табл. 3, 4)....................................120

3.3. Экспериментальная часть к разделу 2.3. (табл. 5, 6)....................................123

3.4. Экспериментальная часть к разделу 2.4. (табл. 7, 8)....................................126

3.5. Экспериментальная часть к разделу 2.5. (табл. 9, 10)................................128

IV. Выводы................................................................................................................................................129

Литература................................................................................................................................................131

Введение

Химия гетероциклических соединений составляет значительную часть всей органической химии в целом. Особое место среди них в ряду пятичленных азотсодержащих гетероциклов занимают тетразолы, содержащие предельно возможное число атомов азота в цикле - четыре - и, обладающие в определенной степени ароматическими свойствами. По сравнению с другими азотсодержащими гегероциклами для этих соединений характерны более высокие значения энергии делокализации [1], и распределение зарядов в тетразолах [2] также существенно различается. Кроме этого заметные различия наблюдаются в дипольных моментах, теплотах образования и кислотно-основных свойствах [1]. Указанные особенности, несомненно, оказывают существенное влияние на химические и физические свойства тетразолов, которые интенсивно исследуются в последние десятилетия [1,3-6]. Повышенный интерес к тетразолам также обусловлен возможностью их широкого практического применения [7]. В медицине -это высокоэффективные антибиотики, антиаллергены, антигипертензив-ные и противогрибковые препараты; в сельском хозяйстве - гербициды и регуляторы роста растений; в фотографии - вещества, регулирующие процессы проявления, улучшающие качество и устойчивость изображений; в аналитической химии - реагенты для определения тяжелых металлов; в области техники - взрывчатые вещества, компоненты высокоэнергетических топлив и газогенерирующих составов различного назначения. Столь широкий диапазон возможностей практического использования производных тетразола, их интересные химические свойства делают исследования в этом направлении весьма актуальными как в научном, так и в прикладном отношении. Тем более, что химические свойства 1-монозамещенных тетразолов, в отличие от 5-замещенных, изучены недостаточно. Лишь в последние годы, благодаря разработке удобных методов получения

1 -монозамещенных тетразолов Гагтоником П.Н. с сотр. [8-11], стали проводиться систематические исследования реакционной способности указанных гетероциклов [6, 12-14].

Целью нашей работы было изучение реакций а-ферроценилалки-лирования тетразола, его 1 -моно- и 1,5-дизамеш;енных, а таюке поиск новых методов функционализации указанных гетероциклов с использованием таких электрофильных реагентов как протонированные карбонильные соединения ферроцена, трифторацетат ртути(П) и диоксансульфотриоксид.

В результате проведенных исследований впервые осуществлено а-ферроценилалкилирование тетразола, его 1 -моно- и 1,5-дизамещенных, и с высокими выходами синтезированы 4- и 3-а-ферроценилалкилированные соли тетразолия, изучена их реакционная способность. Установлено, что при взаимодействии 1-замещенных тетразолов с протонированными карбонильными соединениями ферроцена в РОС13 или в смеси ледяной уксусной кислоты с уксусным ангидридом образуются высокореакционно-способные а-ферроценилкарбокатионы 1,5-дизамещенного тетразола. Меркурированием тетразола и его 1-монозамещенных трифторацетатом ртути(П) получены новые трифторацетатмеркурозамещенные тетразолы, оптимизированы условия протекания данных реакций. Впервые изучено взаимодействие 1-монозамещенных тетразолов с диоксансульфотриокси-дом, и установлены определенные закономерности протекания этой реакции.

Практическое значение работы состоит в том, что разработаны простые и удобные как в препаративном, так и технологическом отношении методы получения ферроценилсодержащих ди- и тризамещенных солей тетразолия, которые могут найти применение в медицине, сельском хозяйстве, в фотографической промышленности. Перхлораты указанных солей являются чрезвычайно взрывоопасными и, вероятно, могли бы быть ис-

пользованы в производстве взрывчатых веществ и компонентов высокоэнергетических топлив. С использованием найденных реакций меркуриро-вания существенно расширяются возможности получения функционально разнообразных 1,5-дизамещенных тетразола.

Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка цитируемой литературы. В первой главе приводится литературный обзор по методам синтеза и основным физико-химическим свойствам тетразолов. Во второй главе изложены результаты собственных исследований и их обсуждение. В третьей главе приведены экспериментальные методики синтезов.

Основной материал диссертации опубликован в следующих работах:

1. Боев В.И., Красникова Е.М., Москаленко А.И., Пилько Е.И., Снегур JT.B., Бабин В.Н., Некрасов Ю.С. а-Ферроценилалкилирование тетразола и его 1-замещенных производных в двухфазных системах // ЖОХ. 1997. Т. 67. Вып. 8. С. 1386-1392.

2. Боев В.И., Москаленко А.И., Красникова Е.М., Снегур JI.B., Бабин В.Н., Некрасов Ю.С. Новые методы а-ферроценилалкилирования нуклео-фильных соединений // Тез. докл. 6-ой Всероссийской конф. по метал-лоорг. химии. Нижний Новгород, 1995. С. 69.

3. Красникова Е.М., Невструев А.Н., Боев В.И. Синтез 1-замещенных производных тетразола и их использование в реакциях а-ферроценил-алкилирования // Тез. докл. 9-ой межвузовской науч. конф. Липецк: ЛГПИ, 1995. С. 81-83.

4. Красникова Е.М., Боев В.И. Синтез металлсодержащих производных тетразола как соединений с потенциально полезными свойствами // Сб. Вопросы естествознания. Липецк: ЛГПИ, 1996. С. 54.

5. Красникова Е.М., Боев A.M., Пилько Е.И., Боев В.И., Москаленко А.И. Синтез металлосодержащих производных тетразола как соединений с

потенциально полезными свойствами. Сб. материалов конф. «Изобретательское и инновационное творчество в решении проблем развития Липецкой области». Липецк, 1996. С. 68.

6. Боев В.И., Боев A.M., Быканов A.C., Красникова Е.М. и др. Новые синтезы металлоорг. соединений // Тез. докл. 4-ой Региональной конф. Тамбов, 1996. С. 39.

7. Боев В.И., Боев A.M., Москаленко А.И., Красникова Е.М. и др. Новые достижения в синтезе и исследовании металлоорганических соединений // Сб. Вопросы естествознания. Вып. 5. Липецк: ЛГПИ, 1997. С. 80.

8. Красникова Е.М., Боев В.И. Меркурирование 1 -замещенных тетразола трифторацегатом ртути // Сб. Вопросы естествознания. Вып. 5. Липецк: ЛГПИ, 1997. С. 90.

9. Красникова Е.М., Москаленко А.И., Быканов A.C., Боев В.И. Новые реакции в ряду 1-замещенных тетразола с электрофильными реагентами // Тез. докл. 1-ой Регионал. науч. конф. по орг. химии. Липецк: ЛГПИ, 1997. С. 82.

10. Красникова Е.М., Копаева H.A., Боев В.И. а-Ферроценилалкилирова~ ние 1,5-дизамещенных тетразола // Сб. Вопросы естествознания. Липецк: ЛГПИ, 1998. С. 161.

11. Красникова Е.М., Денисов С.П., Боев В.И. Сульфирование 1-фенилтет-разола // Сб. Вопросы естествознания. Вып. 6. Липецк: ЛГПИ, 1998. С. 162.

Часть результатов диссертационных исследований была доложена на 6-ой Всероссийской конф. по металлоорг. химии, Нижний Новгород, 1995; 4-ой Региональной конф. по химии и химтехнологии, Тамбов, 1996 и 1-ой Региональной научн. конф. по орг. химии, Липецк, 1997, а также на ежегодных научных конференциях (1994-1999 гг.) по итогам работы преподавателей и сотрудников Липецкого государственного педагогического института.

Глава

I

Новые методы синтеза и свойства тетразолов

(Литературный обзор)

Развитие химии тетразолов происходит весьма интенсивно. С каждым годом растет число публикаций, посвященных изучению тетразолов. Большая их часть систематизирована в обзорах [1,3,4,15] и диссертациях [5,6]. Ниже приводятся и обсуждаются новейшие данные по методам получения и свойствам тетразолов и тетразолиевых солей, преимущественно те, которые непосредственно связаны с проведенными исследованиями.

Известно достаточно много методов получения тетразолов. Впервые получение самого тетразола и его производных было описано более ста лет тому назад [15]. Затем были разработаны различные методы синтеза тетразола: взаимодействие азотистоводородной кислоты с синильной в спиртовом растворе, диазотирование 5-аминотетразола с последующим восстановлением диазосоединения, а также окислительная деградация moho- и дизамещенных тетразолов [16,17].

Можно предположить, что взаимодействие азидоводородной и синильной кислот при образовании тетразольного цикла происходит как 1,3-диполярное циклоприсоединение.

1.1. Методы получения тетразолов

+

■N,

N—N

III +

N: / ¡N: - \

Н

>

н

н

При окислении моно- и дизамещенных тетразолов в качестве промежуточного соединения, как правило, образуется 5-тетразолилкарбоновая

*

кислота, которая в кислой среде при слабом нагревании легко декарбокси-

лируется, превращаясь в тетразол.

Указанная кислота может также образовываться и в результате щелочного гидролиза этилового эфира 5-тетразол ил карбоновой кислоты [18] или при кислотном гидролизе 5-трихлорметилтетразола [4]. Последний при электрохимическом восстановлении также может быть превращен в тетразол, правда, с невысоким выходом [19].

Весьма перспективным и доступным методом получения тетразола, вероятно, можно считать взаимодействие ортоформиата с азидом натрия в ледяной уксусной кислоте [8]. Реакция, очевидно, протекает через стадию образования гидрохлорида иминоэфира с последующим его превращением под действием азида натрия в тетразол с выходом 94%.

СН3СООН (С2Н50)3СН + Ш4С1 —-—¡г-*

v 2 5 лз м 0 _ 100ос

НС=КН-НС1 ОС2Н5

ИаЫз НС—МН

НОС2Н5> ^ \

N

1.1.1. Синтез 1-замещенных тетразолов

До недавнего времени методы получения 1-замещенных тетразолов были разработаны недостаточно. Однако в середине 80-х годов был предложен перспективный метод синтеза 1-замещенных тетразолов на основе реакции первичных аминов с этилортоформиатом и азидом натрия в ледяной уксусной кислоте [9-11]. Данный метод можно считать универсальным, поскольку для получения тетразолов могут быть использованы как алифатические, так и ароматические амины различного строения.

Для выяснения закономерностей протекания процесса гетероцикли-зации и его препаративных возможностей было изучено [6] влияние различных параметров (температуры, продолжительности взаимодействия, природы и основности аминов, соотношения реагентов и порядка их введения) на ход процесса и выход целевых соединений.

СН3СООН НС—N—11 Я-Щг + НС((Ж)з + КаМ3 ---ц \

N. .К

В результате установлено, что взаимодействие начинается уже при комнатной температуре, однако наиболее удобным является проведение реакции в температурном интервале 60-95°С при мольном соотношении амин : ортоэфир : №N3 : СН3СООН = 1:3:1,1:8. Выделение азотистоводо-родной кислоты в газовую фазу в этих условиях незначительно. На протекание процесса и выход конечного продукта значительно влияет порядок введения компонентов: оптимальным является добавление уксусной кислоты к суспензии амина и азида натрия в ортомуравьином эфире, что предотвращает комкование реакционной массы, затрудняющее перемешивание и взаимодействие компонентов, а также потерю азидирующего агента в виде азотистоводородной кислоты. Наиболее удобным с точки зрения доступности исходных реагентов и выделения конечных продуктов является использование свободных аминов или их гидрохлоридов, однако реакция хорошо идет и с другими солями: нитратами, сульфатами, оксалата-ми. Уменьшение содержания уксусной кислоты в реакционной смеси ведет, как правило, к уменьшению выхода конечных продуктов, а при соотношении амин : СН3СООН меньше 1:3 реакция не идет вообще. По-видимому, последняя, с одной стороны, играет роль общекислотного катализатора, а, с другой, - расходуется при образовании азотистоводородной кислоты из азида натрия и этилацетата из выделяющегося в реакции этанола.

Изучение механизма реакции гетероциклизации было подробно проведено на примере анилина и моноэтаноламина [11]. Установлено, что в обоих случаях на первой стадии реакции промежуточно образуются соответствующие дизамещенные амидины, выделенные из реакционной смеси

в виде ацетатов. Они выпадают в осадок в момент добавления уксусной кислоты к смеси эгилортоформиата, азида натрия и амина. При синтезе других тетразолов процесс протекает, по-видимому, аналогично. Поскольку известно [20], что при взаимодействии алифатических ортоэфиров с аминами в отсутствии воды могут получаться продукты двух типов: ами-дины и иминоэфиры, причем в условиях кислотного катализа возможно их взаимопревращение, а также, исходя из результатов, полученных при изучении поведения амидинов различного строения в реакции с азидом натрия [10], предложены два наиболее вероятных механизма гетероциклиза-ции, реализующиеся в зависимости от природы исходного амина [6]:

jf HC(OEt)3

R-NH2 + HC(OEt)3 HC

.NR

\

NHR

NHR

HC—NR \

N3

HC=NR

I

N3

HC\ 4OEt

N3~

OEt

HC—NR \

N3

HC—N-R N

>0

В случае, когда R = Ar азид-ион взаимодействует, по-видимому, как с амидином, так и с иминоэфиром, если же R = Alk, то взаимодействие протекает только с соответствующим иминоэфиром. Данное предположение подтверждает тот факт, что только арилзамещенные амидины взаимодействуют с NaN3 в кислой среде, давая соответствующие тетразолы [10].

Результаты по изучению процесса гетероциклизации замещенных анилинов, полученные с помощью ЯМР *Н спектроскопии [11], показывают, что менее основные амины, при прочих равных условиях, реагируют

труднее. В этом случае выход целевого продукта можно по