Ароматическое нуклеофильное замещение в синтезе кислород- и серосодержащих гетероциклических фталонитрилов

Абрамова, Марина Борисовна

Ароматическое нуклеофильное замещение в синтезе кислород- и серосодержащих гетероциклических фталонитрилов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

Абрамова, Марина Борисовна АВТОР

кандидата 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 кислород- и серосодержащих гетероциклических фталонитрилов»

Автореферат диссертации на тему "Ароматическое нуклеофильное замещение в синтезе кислород- и серосодержащих гетероциклических фталонитрилов"

На правах рукописи

еА^-

АБРАМОВА Марина Борисовна

АРОМАТИЧЕСКОЕ НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ В СИНТЕЗЕ КИСЛОРОД- И СЕРОСОДЕРЖАЩИХ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ ФТАЛОНИТРИЛОВ

02.00.03 - Органическая химия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Ярославль 2003

Работа выполнена на кафедре органической химии Ярославского государственного технического университета.

Научный руководитель:

доктор химических наук, профессор ЯГТУ Владимир Владимирович Плахтинский

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор ЯрГУ Александр Дмитриевич Котов кандидат химических наук, доцент ЯГМА Михаил Михайлович Кузнецов

Ведущая организация:

Институт элементоорганических соединений РАН им. А.Н. Несмеянова

Защита состоится^ ^ мая 2003 года в 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

апреля 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор химических наук, профессор

В.А. Подгорнова

Актуальность проблемы. В настоящее время одним из основных направлений исследований в области органической химии является разработка новых и совершенствование известных методов синтеза ароматических и гетероциклических соединений. Реакция ароматического нуклеофильного замещения (^лАг-реакция) занимает особое место в органической химии благодаря тому, что с её помощью можно относительно легко провести модифика-• цию ароматических соединений путем введения в них новых О- и

¿"-содержащих функциональных групп и гетероциклических фрагментов. Ис-1 пользование для этих целей 4-нитрофталонитрила (НФН) и 4-бром-5-

нитрофталонитрила (БНФН) в качестве исходных реакционноспособных субстратов позволяет, с одной стороны, синтезировать широкий круг ароматических и гетероциклических соединений, связанных или конденсированных с фталонитрильным фрагментом, а с другой стороны, данные объекты интересны для исследования закономерностей протекания бд'Аг-реакции. Синтезированные таким способом фталонитрилы представляют особый интерес, т.к. полученные на их основе гексазоцикланы обладают интенсивной флуоресценцией, фталоцианины и металлокомплексы на их основе - жидкокристаллическими свойствами, а диангидриды фталевых кислот являются перспективными мономерами для полиэфиримидов.

Данная диссертационная работа выполнена в соответствии с научно-( технической программой «Научные исследования высшей школы по приори-

\ тетным направлениям науки и техники». Подпрограмма: 203. Химия и химические продукты, per. № НИР:02.01.008; комплексной НТП Минвуза РСФСР

«Реактив» № гос. регистрации 0183.0007970, 0184.0035922, 0185.0002669; комплексной программой научных исследований РАН «Новые принципы и методы создания и направленного синтеза веществ с заданными свойствами» при финансовой поддержке РФФИ (грант 02-03-32366).

рос. НАЦИОНАЛЬНАЯ I БИБЛИОТЕКА j С.Петер6ург д ,,, j

09 KX)J L\

Целями работы являлись:

1. Исследование SjvAr-реакции взаимодействия НФН с замещёнными фенолами в присутствии карбоната калия.

2. Исследование реакции замещения атома брома и нитрогруппы в нитро-ароматических субстратах моно- и бифункциональными О-, 5-нуклео-фильными реагентами.

3. Разработка на основе БНФН методов синтеза ряда 5-, 6-, 7- и 8-членных О- и 5-содержащих гетероциклических соединений, конденсированных с фталонитрильным фрагментом.

Научная новизна и практическая значимость работы. Исследована реакция активированного ароматического нуклеофильного замещения нитрогруппы в НФН, а также атома брома и нитрогруппы в БНФН различными по своей природе моно- и бифункциональными О- и 5-нуклеофильными реагентами, протекавшая в ДМФА в присутствии К2С03.

Представлена схема взаимодействия активированных нитроаромати-ческих субстратов с фенолами, протекавшего на поверхности К2СОз.

Изучена реакционная способность замещённых фенолов в присутствии К2СО3 и на основании этого для каждого из рассмотренных случаев определена лимитирующая стадия S^Ar-реакции, что позволило подобрать лучшие условия проведения процесса. В результате этого предложены высокоэффективные методы синтеза моно- и дизамещённых фталонитрильных систем, связанных с различными гетероциклическими заместителями - производными карборана, бензотиазола, бензимидазола, хиноксалина и др.

На основе 5^Аг-реакций, протекавших между БНФН и бифункциональными О- и 5-нуклеофилами, предложены методы конструирования и впервые разработаны высокоэффективные методы синтеза фталонитрильных систем, конденсированных с 5-, 6-, 7- и 8-членными гетероциклическими фрагментами разных классов - производными бензофурана, диоксина, феноксатиина, тиантрена, диоксепина, диоксоцина. Большинство синтезированных соеди-

нений получены с высокими выходами, свидетельствующими о высокой реакционной способности БНФН и термодинамической устойчивости образовавшихся гетероциклических систем.

В ходе исследований синтезировано и идентифицировано с помощью физико-химических методов анализа более 50 соединений, 36 из которых ранее не были описаны в литературе. Для большинства из них разработаны и запатентованы методы синтеза, обеспечивающие высокие выходы и степень чистоты.

Проведённые с рядом специализированных организаций (ИНЭОС РАН, ИСПМ РАН, ВИАМ, ИГХТУ) совместные исследования и испытания синтезированных соединений позволили определить круг производных, наиболее перспективных с точки зрения их практического использования в микроэлектронике, оптической технике, полимерной химии, фармакологии и т.д.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на XIII Международной научно-технической конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии», «Реактив-2000», Тула; I Всероссийской конференции по химии гетероциклов памяти А. Н. Коста, Суздаль, 2000; Международной конференции «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; VII Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии - 2001», Ярославль; IV Симпозиуме по химии Si-, Р-, S, «Петербургские вегречи - 2002»; 6lh European Technical Symposium on Polyimides & High Performance Functional Polymers, Universite Mont-pellir II, S.T.L. France, 2002; Всероссийской конференции с международным участием «Современные проблемы химии высокомолекулярных соединений», Улан-Удэ, 2002; VIII Международной конференции по химии и физи-кохимии олигомеров «0лигомеры-2002», Черноголовка; 25th Macromolecular

Symposium «Polycondensation 2002», Hamburg; Международной научно-технической конференции «Полимерные композиционные материалы и покрытия Polymer - 2002», Ярославль и др.

Публикации. По теме работы опубликовано 6 статей в российских и зарубежных журналах, более 20 тсзисов докладов на международных, всесоюзных и всероссийских симпозиумах, конференциях и совещаниях, получено 8 патентов РФ.

Вклад автора. Состоял в непосредственном участии во всех этапах работы - в планировании и проведении кинетических исследований, синтезов,

интерпретации и обсуждении полученных результатов.

Положения, выносимые на защиту.

1. Закономерности протекания 5ЛАг-реакции высокоактивированных нит-росубстратов: 4-НФН и БНФН с моно- и бифункциональными О-, 5-нук-леофильными реагентами в гетерофазных условиях.

2. Влияние строения нуклеофильного реагента на его реакционную способность в ^уАг-реакциях, протекавших в присутствии карбоната калия.

3. Методы синтеза на основе 4-НФН ароматических и гетероциклических соединений, связанных с фталонитрильным фрагментом.

4. Методы синтеза 5-, 6-, 7- и 8-членных О- и ^-содержащих гетероциклических систем на основе БНФН.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, химической и экспериментальной частей, выводов, списка использованной литературы. Работа изложена на 108 страницах, включает 9 таблиц, 9 рисунков. Список литературы включает 147 источников. Документы, подтверждающие практическую ценность разработок, приведены в приложении.

В литературном обзоре рассмотрены некоторые аспекты реакции активированного ароматического нуклеофильного замещения, наиболее характерные методы синтеза гетероциклических систем на основе S.yAr-реакции, проводится анализ предшествующих работ по синтезу фталонитрильных

производных и по их практическому применению. В химической части изложены основные результаты и выводы работы. Экспериментальная часть содержит описание проведения кинетических исследований, методик синтеза, очистки и анализа исходных веществ, промежуточных и целевых продуктов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Схема превращений, протекающих на поверхности карбоната калия

Известно, что ЗдДг-реакция активированных нитро- или галогензаме-щённых субстратов с О-нуклеофилами в присутствии депротонирующих агентов протекает на поверхности раздела фаз, а образование нуклеофила происходит in situ*. Методом 39К, 13С-ЯМР было доказано** образование на поверхности К2СОз 6-членного хелатоподобного О-нуклеофильного комплекса 1, который, взаимодействуя с Ar-N02, образует бициклический о-комплекс 2:

. t. 0iNr*k V

О-К НО-Аг _ ^ ^

о=< <4 + ^ :

^о-к с

I <Р

14 = 4-СЫ, 2,3-(СЫ)2, 3,4-(СМ)2 1 ОН 2 ОН

Подобная хелатная координация атома кислорода реакционного центра по энтропийным соображениям значительно выгоднее, чем координация этого центра с двумя отдельными молекулами. Происходящее далее на поверхности карбоната взаимодействие депротонированного комплекса 1 с нитросуб-стратом приводит к образованию пятичленного цикла, что способствует дополнительной стабилизации о-комплекса 2.

* Канинский П.С., Плахтинский В.В., 1992.

** Халфина И.А., Власов В.М., 2002.

В связи с этим схему превращений, протекающих на поверхности К2С03, можно представить следующим образом:

Аг-ОН + К2С03 - ' [Аг-0К2С020Н] (1)

Л.1

[Аг-0К2С02Н] + Аг'-Ы02 ■ Аг-О-Аг' + КЫ02 + КНС03 (2)

где Аг и Аг' - ароматические радикалы.

На поверхности карбоната калия происходит хемосорбция фенола Аг-ОН, сопровождающаяся его депротонизацией и приводящая к образованию на поверхности К2С03 реакционноспособного 0-нуклеофильного комплекса вида [Аг-0К2С020Н]. Затем этот нуклеофильный реагент взаимодействует с атомом углерода в нитросубстрате Аг'-Ы02, связанным с нитрогруп-пой( и происходит образование а-комплекса 2. При отщеплении нуклеофуга о-комплекс распадается, а образовавшийся продукт реакции Аг-О-Аг' десор-бируется с поверхности раздела фаз в раствор.

В соотвегствии с предложенной схемой кинетическое уравнение данной реакции имеет следующий вид:

с/ [Аг'М02] _ ^ ^ [АЮН] [К2С03] [Аг'МОг]

с/т 2 /е., + ^[А^Ог]

При к2 [Аг'МОг] » к.\ это уравнение принимает вид:

с/

--= кзф [АЮН] [К2СОэ] (4)

бх

а при кг [Аг'МОг] « кл б[кх'Н02\

--- кэф [АЮН] [Аг'Ы02] (5)

с/т

Влияние строения 0-нуклеофильного реагента на скорость 5дЛг-реакции НФН с фенолами

Исследование проводили в ДМФА в присутствии К2С03 по схеме:

:xr * j> ^ zm>

4-НФН 3(a-i) 4(a-i)

R„ = a 3,4-(CH3)2; b 4-CH3; с H; d 4-CI; e 4-Bn f 3-COCH3; g 4-C02CH3; h 4-COPh; i 3,4-(CN)2.

Для данной гетерофазной реакции в качестве субстрата, содержавшего активированную нитрогруппу, был выбран НФН. Для реагентов, генерировавшихся in situ на поверхности К2СОз, были использованы замещённые фенолы, содержащие донорные и акцепторные заместители, у которых ки-

Рис. ¡.Изменение во времени величины обрат- слохносхь изменялась в срав-ных концентраций 4-НФН в реакции с фенолами.

/ [4-НФН]0 = [Аг-ОН]0 = [К2СО3]0 = 0.03 моль/л нительно широком интервале: ДМФА, 363 К /

lgk+3

'50 200

Время, с

э-сосн.

4-ССЮСНэ О

Рис. 2. Корреляция скоростей реакции с рКа фенолов. / Условия рис. 1. /

от рАГйДМСо = 14.3 (За) до Р^адмсо = 9.8 (31). Была получена линейная зависимость обратных концентраций от времени, что соответствовало второму порядку реакции (рис. 1). Установлено, что для слабокислых фенолов 3а...3е

.-. (прямая 1 рис. 2) эффективные

рКа константы скорости реакции коррелировались с рКа фенолов антибатно. Это свидетель-

ствовало о лимитировании процесса депротонизацией (к2 [Аг'ЫОг] » к.ь стадия 1). В области значений рКа ~ 13 (точка К„=Вг «принадлежит обеим корреляционным прямым) наблюдался излом зависимости \%к- рКа, что однозначно свидетельствовало о смене лимитирующей стадии. В этой точке скорости депротонизации и реакции замещения в равной степени определяли скорость процесса. Усиление акцепторных свойств заместителей в фенолах 3е...31 (рКа < 13) приводило к снижению скорости процесса за счет уменьшения основности комплекса [АгОК^СОгОН] и, следовательно, снижения его реакционной способности. Электроноакцепторные заместители в реагенте дестабилизировали образовавшийся о-комплекс, т.е. их влияние наиболее сильно проявлялось на стадии образования связи С-О. Поэтому в данном случае процесс лимитировался не депротонизацией фенола (стадия 1), а собственно реакцией замещения нитрогруппы (к2 [Аг'ЫОг] « к.ь стадия 2).

На рис. 2 данная корреляционная зависимость представлена в виде двух прямолинейных участков. Эффективные константы скорости коррелирова-лись с рКа фенолов, и для каждого участка данной зависимости получены соответствующие корреляционные уравнения, имеющие следующий вид:

для фенолов З(а-е) к = (9.55 ± 1.47) - (0.768 ¿0.110) рКа

г 0.'972, s0.ll (8% 2), N5 для фенолов 3 (еч) \%к = (-9.81 ± 1.13) + (0.714 ± 0.101) рКа г 0.974, 5 0.10 (8% 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 5\Аг-реакция.

Влияние строения субстрата

Сходные по строению ароматические нитрилы: 4-нитробензонитрил (4-НБН) 5а, 4-бром-З-нитробензонитрил (БНБН) 5Ь, 4-бромфталонитрил (4-БФН) 5с, 4-нитрофталонитрил (НФН) 5(1 и 4-бром-5-нитрофталонитрил (БНФН) 5е были выбраны в качестве модельных соединений для выяснения влияния строения субстрата на их реакционную способность в реакции с 2-бифенилолом 3] - монофункциональным структуроподобным аналогом 2,2'-бифенилдиола. Реакцию, протекавшую в ДМФА в присутствии К2С03, проводили по схеме:

a R, = Н, R2 = N02, R3 = Н ; d R, = CN, R2 = N02, R3 = H ; b R, = H, R2 = Br, R3 = N02; e R, = CN, R2 = Br, R3 = N02 с R, = CN, R2 = Br, R3 = H ;

Реакционная способность указанных субстратов 5 (а-е) оценивалась по

эффективным константам скорости реакции второго порядка. Показано, что с ростом электроноакцепторных свойств заместителей и с увеличением их числа в молекуле субстрата скорость 5д>Аг-реакции О-нуклеофильным реагентом увеличивалась, что явилось подтверждением имеющихся литературных данных для подобных систем.

Замещение нитрогруппы в НБН 5а, активированной одной дианогруп-пой, в выбранных условиях протекало медленно. Введение в рассматриваемую молекулу еще одной цианогруппы привело к тому, что в этих же условиях в НФН 5d нитрогруппа легко замещалась указанным Онуклеофильным реагентом. Однако атом брома в 4-бромфталонитриле 5с в условиях данной реакции замещался крайне медленно. В реакционной смеси при этом были зарегистрированы продукты побочных реакций. Такое различие в скоростях

5 (а-е)

6 (а-е)

реакций нитро- и галогензамёщенных субстратов связано с электроотрицательностью уходящей группы гАг ЫОг(2,32) > Вг(-0,04).

Влияние строения субстрата на скорость реакции замещения нитрогруппы или атома галогена 2-бифенилолом

/ ДМФА, 333 К, [Х-Аг] о = [РЬ-ОН] 0 = [К2С03] 0 = 0.03 моль/л /

Субстрат Х-Аг ¿г 5а та. 5Ь 5с мсД^ мсАч5ЛВг 5е

к-102 л/мольсек 0.17* 0.02* 16.4 ±0.2 0.10 ±0.02 12.4 ±0.1 81.4 ±0.3**

* температура реакции 373 К

** температура реакции 273 К.

Ещё более ярко рассматриваемые эффекты проявились в БНФН 5е, главной особенностью которого является наличие в одной молекуле двух нуклеофугов, имеющих различную подвижность: атома брома и нитрогруппы. Энергичное замещение атома брома О-нуклеофилом в этом субстрате происходило при 273 К. Это объясняется тем, что углеродный атом бензольного кольца, связанный с атомом брома, сильно активирован двумя циано-группами и, особенно, находящейся в орто-попоженш к нему нитрогруп-пой. Подобное, но менее сильное влияние активирующие СЫ-группы оказывали и на атом углерода, связанный с нитрогруппой в полученном 4-нитро-5-(2-фенилфенокси)фталонитриле бе. По этой причине при 120 °С нам удалось провести замещение указанного нуклеофуга О- и 5-нуклеофилами и получить с выходом 76...83 %. соответствующие производные симметричного и несимметричного строения, например:

Взаимодействие 4-НФН и БНФН с О-и 5-нуклеофилами

При проведении Л\Лг-реакции с указанными субстратами в качестве реагентов, генерировавших на поверхности К1СО3 in situ О- и 5-нуклеофилы, использованы ароматические и гетероциклические соединения, содержащие ОН- или ЗЯ-группы, некоторые из которых представлены на схеме:

¿X

хх

кгсо,

R-XH a-o

no,

9(a-m)

(53 93%)

10(a-f,h-j,!-o)

(65 95%)

где X = O, R ^^lí^j-R'

R' = a 2-COOH, b 4-COOH, с 4-COPh, d 4-COCOPh,

X = S, R =

Благодаря высокой активности выбранных субстратов нам удалось провести реакцию с соединениями, которые обычно не используются для этих целей: S- и (^-реакционные центры в этих реагентах сильно дезактивировались акцепторным гетероциклическим фрагментом.

Полученные результаты позволили разработать высокоэффективные методы синтеза на основе НФН и БНФН различных гетерил- и арилоксизаме-щённых moho-, ди- и трифталонитрилов. Примеры синтеза двух из них представлены на схеме:

во.н

N0 НО-/Ч

СнП ЭОзН но^

ск

ЫС

N0,

НО^р-ОН

он 3 кгсо3

CN СМ

(76%)

Наряду с ароматическими и гетероциклическими 5-нуклеофилами, активно реагировавшими с БНФН, в 5дАг-реакциях можно использовать тио-мочевину. Данный 5-нуклеофильный реагент в присутствии основания активно взаимодействовал с БНФН, что приводило к образованию имидотио-лового эфира, перегруппировывавшегося в условиях реакции в тиофенол. Образовавшийся 4-меркапто-5-нитрофталонитрил в присутствии триэтила-мина реагировал со следующей молекулой БНФН с образованием соответствующего диарилсульфида 13:

БНФН

М02 вг

нг^мн2

ТЭА

n0 -с —n0,

ТЭА

БНФН

тэа

\\ //

-N0,

N0 n0

N02

n0 13 (92%>

Необходимо отметить, что при проведении данной реакции в ДМФА выделить образовавшийся 5,5'-динитро-4,4'-тиодифталонитрил 13 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 13, приводившее к образованию тиантрена. Решить эту задачу удалось, заменив ДМФА на 2-пропанол, в котором в течение 1 ч при кипении с выходом 92 % образовывался целевой продукт монозамещения атома брома 13. 5,5'-Ди-нитро-4,4'-тиодифталонитрил практически не растворим в 2-пропаноле и поэтому после образования он выпадал из реакционной смеси.

Синтез 5-, 6-, 7- и 8-членных гетероциклических соединений, содержащих атомы О и 5

Сравнительно высокую активность 5,5'-динитро-4,4'-тиодифталонитрила 13 в 5д,Аг-реакциях мы использовали для получения 2,3,7,8-тиантрентетра-карбонитрила 14 и 2,3,7,8-феноксатиинтетракарбонитрила 15. Для синтеза тиантрена эквимолярные количества тиомочевины и субстрата 13 нагревались в ДМФА в присутствии триэтиламина:

"ГШ™

(81%)

В присутствии основания одна из нитрогрупп субстрата реагировала с 5'-нуклеофилом по указанной выше схеме, в результате чего происходило образование соответствующего промежуточного меркаптопроизводного. Этот нуклеофильный реагент в присутствии ТЭА замещал нитрогруппу, завершая внутримолекулярную циклизацию, приводящую к получению производного тиантрена 14. Синтез 2,3,7,8-тиантрентетракарбонитрила можно проводить без выделения промежуточного тиодифталонитрила 13, нагревая БНФН с тиомочевиной при избытке основания.

Другим примером циклизации тиодифталонитрила 13, но протекавшей уже при 140 °С в ДМФА в присутствии К2СОз и КМСЬ, явилось образование 2,3,7,8-феноксатиинтетракарбонитрила 15. В этом случае при участии нитрит-иона вначале происходило замещение одной из нитрогрупп с образованием промежуточного феноксида с очень низкой активностью. Этот вывод следует из результатов проведённых нами исследований взаимодействия 4-гидроксифталонитрила 31 с 4-НФН, согласно которым реагент 31 проявлял минимальную активность среди всех замещённых фенолов. В нашем случае образовавшийся О-нуклеофил содержал ещё более акцепторный (нитрофта-лонитрильный) фрагмент, что, по-видимому, исключало протекание рассматриваемой реакции.

Однако 2,3,7,8-феноксатиинтетракарбонитрил нами был получен и идентифицирован. Поэтому мы считаем, что данная реакция становится возможной только в случае протекания анионотропной перегруппировки Смайл-са. В результате этого происходило образование более реакционноспособно-го 5-нуклеофильного комплекса, вступавшего в реакцию внутримолекулярного замещения второй нитрогруппы и завершавшего формирование фенок-сатиинового цикла.

Тиантреновый 16а и феноксатииновый 16Ь циклы были получены при реакции БНФН с 2,3-хиноксалиндитиолом и З-меркапто-2-хиноксалинолом:

хж

N0,

Вг

0£

Ы^НХ'

нх

2 кгсо.

N0 N0

хххо

а-с

16а 95% 16ь 83% 16с 44%

где а X = Э; X' = Э ЬХ = Б; X'= 0 сХ = 0; Х' = 0

Неожиданным оказалось то, что в данной реакции в качестве исходного О-нуклеофильного бифункционального реагента можно использовать низкоактивный 2,3-хиноксалиндиол с, 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 16 с на второй стадии внутримолекулярного замещения нитрогруппы. Взаимодействие БНФН с другими бифункциональными О-нуклеофилами - пирокатехином и его замещёнными аналогами, содержащими ОН-группы в орто-положении, приводило к получению соответствующих производных дибен-зодиоксина 17(а-(1). При этом реакция протекала в более мягких условиях.

ГУ

N0, но

где

а-с!

2 к2с03

N0 N

за:

ш2

-0'1 1"сн, С) Т (79%)

0^0

а (94%) Ь (95%) С (86%)

Новый 7-членный кислородсодержащий гетероциклический дикарбо-нитрил ряда диоксепина 18 был получен при взаимодействии БНФН с 4,5-дигидрокси-2,7-нафталиндисульфоновой кислотой.

,SO,H

S03H

1 4КгС0; 2. H*

S03H

18 (64%) S03H

В этом примере два О-реакционных центра бифункционального нук-леофильного реагента находились яе/ш-положении молекулы нафталина, содержавшей, кроме того, две сульфогруппы, которые в присутствии карбоната калия образовывали нерастворимую в ДМФА дикалиевую соль. Для успешного проведения этой реакции был использован бинарный растворитель ДМФА-Н20, содержащий 75% ДМФА, и поэтому процесс протекал в гомо-фазных условиях. Обработка реакционной смеси по окончании реакции минеральной кислотой привела к выделению целевой 9,10-дицианонафто-[1,8-6с][1,5]бензолдиоксепин-2,5-дисульфокислоты 18.

При взаимодействии БНФН с 2,2'-бифенилдиолом, протекавшем в ДМФА в присутствии К2С031 впервые с 79 %-ным выходом был получен трибензо[£,е,£][1,4]диоксоцин-7,8-дикарбонитрил 19:

Данная гетерофазная реакция начиналась с образования in situ бифункционального нуклеофила, который, как показали проведённые исследования, уже при комнатной температуре активно вступал в реакцию с субстратом. В результате замещения атома брома на первой стадии происходило образование промежуточного продукта - соответствующего диарилоксида. Последующее внутримолекулярное замещение нитрогруппы в образовавшемся соединении завершало формирование оксоцинового цикла. Интересен следую-

щий факт: вторая стадия рассматриваемой реакции - замещение нитрогруп-пы в диарилоксиде активно протекала уже при 90 °С, в то время как для получения симметричного продукта дизамещения 8 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 1,1 '-ди-/?-нафтолом привела к образованию бензо[6]динафто[2,1-е: 1,2-^][1,4]-диоксоцин-2,3-дикарбонитрила 20 с выходом 75 %.

Получившийся в мягких условиях с 92 %-ным выходом 4-(2-наф-тилокси)-5-нитрофталонитрил 10] содержал нитрогруппу, которая была восстановлена до аминогруппы химическим способом. При диазотировании 4-амино-5-(2-нафтилокси)фталонитрила 21 в концентрированной уксусной кислоте происходила реакция внутримолекулярной циклизации поПшорру, приводившая с 67 %-ным выходом к образованию целевого бензо[/>]нафто [ 1,2-сГ|фуран-9,10-дикарбонитрила:

1. Исследована реакция активированного ароматического нуклеофильного замещения нитрогруппы и/или атома брома О- и 5-нуклеофилами, протекавшая в ДМФА в присутствии К2С03. Представлена схема взаимодействия на поверхности К2СОз активированных нитроароматических субстратов с фенолами.

10]

21 (64%)

22 (67%)

ВЫВОДЫ

2. Исследована реакционная способность фенолов при замещении нитро-группы 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.

3. Исследована реакция замещения атома брома в БНФН монофункциональными ароматическими и гетероциклическими О- и 5-нуклеофилами, протекавшая в присутствии К2С03. Показано, что благодаря высокой активности БНФН в указанной реакции могут принимать участие малоактивные нуклеофильные реагенты, содержащие акцепторные гетероциклические фрагменты.

4. Исследованы последовательно протекающие реакции замещения атома брома и нитрогруппы в БНФН бифункциональными алифатическими, ароматическими и гетероциклическими 5- и О-нуклеофильными реагентами, приводящие к образованию различных 6-, 7- и 8-членных гетероциклических систем.

5. На основе 4-НФН, а также БНФН и его производных разработаны методы получения широкого ряда 5-, 6-, 7- и 8-членных О- и ^-содержащих гетероциклических соединений, связанных или конденсированных с фталонитрильным фрагментом - производными карборана, бензотиазо-ла, бензимидазола, триазола, хиноксалина, бензофурана, диоксина, фе-ноксатиина, тиантрена, диоксепина, диоксоцина и др. При этом достигаются высокие показатели конверсии, селективности и выхода целевых продуктов, свидетельствующие о высокой реакционной способности исходных субстратов и высокой термодинамической устойчивости образовавшихся гетероциклических систем. Совместные исследования, проведённые с рядом специализированных организаций, позволили определить круг фталонитрильных производных, наиболее перспективных с

точки зрения их практического использования в микроэлектронике, оптической технике, в полимерной химии и ряде других областей.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Красовская Г.Г., Плахтинский В.В., Абрамова М.Б., Миронов Г.С. Синтез диаренов на основе активированных нитро- или галогенароматичес-ких соединений и сульфида натрия //Изв. вузов. Химия и хим. технология. - 1989. - вып. 4. - С. 24-28.

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

3. Абрамов И.Г., Смирнов A.B., Ивановский C.A., Абрамова М.Б., Плахтинский В.В. Синтез гетероциклических систем на основе 4-бром-5-нитрофталонитрила // Химия гетероцикл. соед. - 2000. - № 9. -С. 1219-1223.

4. 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-nitrophthalonitrile // Mendeleev Commun. - 2001. - № 2. - C. 80-81.

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

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

7. 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. // Бюлл. изобр. 2001. №11.

8. Пат. 2165418 РФ (2001). 2,3,7,8-Тиантрентетракарбонитрил / Ивановский С.А., Абрамов И.Г., Смирнов A.B., Абрамова М.Б., Плахтин-ский В.В., Шамшин C.B., Белышева М.С. // Бюлл. изобр. 2001. №11.

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

10. Абрамов И.Г., Смирнов A.B., Абрамова М.Б., Бегунов P.C., Калан-дадзе Л.С., Смирнова О.В., Плахтинский В.В., Гетероциклические ди-карбонитрилы на основе 4-бром-5-нитрофталонитрила // Изв. вузов. Химия и хим. технология.- 2001. - Т. 44, вып. 6. - С. 134-139

11. 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. // Бюлл. изобр. 2002. № 17.

12. 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. // Бюлл. изобр. 2002. № 20.

13. 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. // Бюлл. изобр. 2002. № 20.

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

Лицензия ПД 00661. Печ.л. 1. Заказ 785. Тираж 100. Отпечатано в типографии Ярославского государственного технического университета г. Ярославль, ул. Советская, 14 а, тел. 30-56-63.

• 6516

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата химических наук, Абрамова, Марина Борисовна

ВЕДЕНИЕ.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Активированное нуклеофильное замещение в ароматическом ряду.

1.1.1. Механизм протекания S^Ar реакций.

1.1.2. Влияние природы уходящей группы.

1.1.3. Влияние строения нуклеофила на протекание ЗдАг-реакций.

1.1.4. Влияние природы растворителя.

1.1.5. 5лАг-реакции, протекающие на межфазной поверхности.

1.1.6. Синтезы на основе 4-нитрофталонитрила.

1.1.7. Синтезы на основе 4-бром-5-нитрофталонитрила.

1.2. ^дАг-реакции в синтезе гетероциклических систем.27 N

1.2.1. Внутримолекулярное замещение нитрогруппы карбоксилат-анионом

1.2.2. Внутримолекулярное замещение нитрогруппы О-, S- и jV-нуклеофилами.

1.2.3. Перегруппировка Смайлса.

1.3. Практическое использование фталонитрилов.

1.3.1. Мономеры для термостойких полиэфиримидов

1.3.2. Полупродукты для оптической техники.

1.3.3. Исходные соединения для фталоцианинов.

2. ХИМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

2.1. Исследование реакции активированного нуклеофильного замещения нитрогруппы и атома брома в галогеннитроароматических субстратах О- и 5-нуклеофилами.

2.1.1 Влияние строения субстрата.

2.1.2 Влияние строения О-нуклеофильного реагента на скорость реакции замещения.

2.1.2.1. Взаимодействие 4-НФН с фенолами.

2.1.2.2. Взаимодействие 4-НФН и БНФН с О-нуклеофильными реагентами.52 2.1.3. Реакции с 5-нуклеофилами.

2.2. Строение и чистота синтезированных продуктов.

2.3. Использование 5дАг-реакций для синтеза гетероциклических соединений на основе БНФН и его производных.

2.3.1. Синтез шестичленных О-, N- и S- гетероциклических соединений.

2.3.2. Синтез семичленных О-, 5-содержащих гетероциклических соединений.

2.3.3. Синтез восьмичленных 0-содержащих гетероциклических соединений.

2.3.4. Синтез пятичленных Осодержащих гетероциклических соединений на основе производных БНФН.

2.4. Строение и чистота синтезированных продуктов.

2.5. Практическое применение синтезированных соединений.

2.5.1. Полупродукты для оптической техники.

2.5.2. Фталоцианины и металлокомплексы на их основе.

2.5.3. Мономеры для полимерных материалов.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

3.1. Исходные вещества.

3.2. Кинетические исследования.

3.3. Методики анализов.

3.3.1. Полярография.

3.3.2. Потенциометрическое титрование.

3.3.3. Хроматография.

3.3.4 Спектроскопия.

3.4. Методики синтеза реактивов и полупродуктов.

3.5 Идентификация синтезированных соединений.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертация по химии, на тему "Ароматическое нуклеофильное замещение в синтезе кислород- и серосодержащих гетероциклических фталонитрилов"

Актуальность проблемы. В настоящее время одним из основных направлений исследований в области органической химии является разработка новых и совершенствование уже известных методов синтеза ароматических и гетероциклических соединений.

Ароматические и гетероциклические соединения имеют важное прикладное значение. Они применяются в синтезе красителей, пигментов, фармакологических препаратов, компонентов резинотехнических изделий и синтетических смол, химикатов для кино- и фотоматериалов, различного рода промежуточных продуктов и т.д. [1-3]. Другая потребность в полифункциональных ароматических соединениях связана с бурным развитием полимерной химии, требующим качественного разнообразия, реальных и рентабельных технологий получения исходных мономеров [4-6].

Одним из направлений синтеза практически значимых веществ и материалов является модификация ароматических соединений путем введения в них новых О-, S- содержащих функциональных групп и гетероциклических фрагментов. С точки зрения легкости проведения такой модификации особое место занимает реакция ароматического нуклеофильного замещения (ЗдАг-реакция).

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, для повышения мощности солнечных батарей, 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. Благодаря уникальности своего строения и проявляемыми в связи с этим необычными физико-химическими свойствами эти соединения являются объектами интенсивных исследований. 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 получения указанных фталонитрильных систем наиболее перспективно использование 4-нитрофталонитрила (НФН) и 4-бром-5-нитрофталонитрила (БНФН) в качестве исходных субстратов.

Данные объекты интересны и для исследования закономерностей ^дАг-реакции, т.к. обладают высокой подвижностью нуклеофугов. Характерной особенностью БНФН является различная подвижность атома брома и нитрогруппы, позволяющая проводить их последовательное замещение различными нуклеофилами.

Данная работа выполнена в соответствии с научно-технической программой «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники». Подпрограмма: 203. Химия и химические продукты. Регистрационный номер проекта/НИР:02.01.008; комплексной программой научных исследований РАН «Новые принципы и методы создания и направленного синтеза веществ с заданными свойствами» при финансовой поддержке РФФИ (грант 02-03-32366). Целями работы являлись:

1. Исследование 5,уАг-реакции взаимодействия НФН с замещёнными фенолами в присутствии карбоната калия.

2. Исследование реакции замещения атома брома и нитрогруппы в нитроароматических субстратах моно- и бифункциональными О-, .S-нуклеофильными реагентами.

3. Разработка на основе БНФН методов синтеза ряда 5-, 6-, 7- и 8-членных О- и ^-содержащих гетероциклических соединений, конденсированных с фталонитрильным фрагментом.

Представлена схема взаимодействия активированных нитроаромати-ческих субстратов с фенолами, протекавшего на поверхности К2СО3.

Изучена реакционная способность замещённых фенолов в присутствии К2С03 и на основании этого для каждого из рассмотренных случаев определена лимитирующая стадия 5л/Аг-реакции, что позволило подобрать лучшие условия проведения процесса. В результате этого предложены высокоэффективные методы синтеза моно- и дизамещённых фталонитрильных систем, связанных с различными гетероциклическими заместителями - производными карборана, бензотиазола, бензимидазола, хиноксалина и др.

На основе З^Аг-реакций, протекавших между БНФН и бифункциональными О- и б'-нуклеофилами, предложены методы конструирования и впервые разработаны высокоэффективные методы синтеза фталонитрильных систем, конденсированных с 5-, 6-, 7- и 8-членными гетероциклическими фрагментами разных классов - производными бензофурана, диоксина, феноксатиина, тиантрена, диоксепина, диоксоцина. Большинство синтезированных соединений получены с высокими выходами, свидетельствующими о высокой реакционной способности БНФН и термодинамической устойчивости образовавшихся гетероциклических систем.

6 European Technical Sumposium on Polyimides & High Performance Functional Polymers, Universite Montpellir II, S.T.L. 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», th

Черноголовка; 25 Macromolecular Symposium «Polycondensation 2002», Hamburg; Международной научно-технической конференции «Полимерные композиционные материалы и покрытия» «Polymer 2002», Ярославль; и др.

Публикации. По теме работы опубликовано 6 статей в российских и зарубежных журналах, получено 8 патентов РФ, опубликовано более 20 тезисов докладов на международных, всесоюзных и всероссийских симпозиумах, конференциях и совещаниях.

Вклад автора. Состоял в непосредственном участии во всех этапах исследований — в планировании и проведении кинетических исследований синтезов, интерпретации и обсуждении полученных результатов. Положения, выносимые на защиту.

1. Закономерности протекания ЗдАг-реакции высокоактивированных нитросубстратов: 4-НФН и БНФН с моно- и бифункциональными О-, З'-нуклеофильными реагентами в гетерофазных условиях.

2. Влияние строения нуклеофильного реагента на его реакционную способность в З'дАг-реакциях, протекавших в присутствии карбоната калия.

4. Методы синтеза 5-, 6-, 7- и 8-членных О- и З'-содержащих гетероциклических систем на основе БНФН.

Заключение диссертации по теме "Органическая химия"

ВЫВОДЫ

Исследована реакция активированного ароматического нуклеофильного замещения нитрогруппы и/или атома брома О- и 5"-нуклеофилами, протекавшая в ДМФА в присутствии К2СОз. Представлена схема взаимодействия на поверхности К2СО3 активированных нитроароматических субстратов с фенолами.

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.

Исследована реакция замещения атома брома в БНФН монофункциональными ароматическими и гетероциклическими О- и 5-нуклеофилами, протекавшая в присутствии К2СО3. Показано, что благодаря высокой активности БНФН в указанной реакции могут принимать участие малоактивные нуклеофильные реагенты, содержащие акцепторные гетероциклические фрагменты.

Исследованы последовательно протекающие реакции замещения атома брома и нитрогруппы в БНФН бифункциональными алифатическими, ароматическими и гетероциклическими S- и О-нуклеофильными реагентами, приводящие к образованию различных 6-, 7- и 8-членных гетероциклических систем.

На основе 4-НФН, а также БНФН и его производных, разработаны методы получения широкого ряда 5-, 6-, 7- и 8-членных О- и 5-содержащих гетероциклических соединений, связанных или конденсированных с фталонитрильным фрагментом - производными карборана, бензотиазола, бензимидазола, триазола, хиноксалина, бензофурана, диоксина, феноксатиина, тиантрена, диоксепина, диоксоцина и др. При этом достигаются высокие показатели конверсии, селективности и выхода целевых продуктов, свидетельствующие о высокой реакционной способности исходных субстратов и высокой термодинамической устойчивости образовавшихся гетероциклических систем. Совместные исследования, проведённые с рядом специализированных организаций, позволили определить круг фталонитрильных производных, наиболее перспективных с точки зрения их практического использования в микроэлектронике, оптической технике, в полимерной химии и ряде других областей.

Список источников диссертации и автореферата по химии, кандидата химических наук, Абрамова, Марина Борисовна, Ярославль

1. Легасов В. А., Дюмаев К.М., Третьяков Ф.Д. и др. ЖВХО им. Менделеева Д.И. 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. Aromat. And Heteroaromat. Chem. London: Oxford University Press, 1976, 4, 277.

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

6. Коршак В.В., Русанов А.Л., Казакова Г.В., Забельников Н.С. ВМС. 1988, ЗОА, (9), 1795.

7. Bunnet J.F., Zahler R.E. Chem. Revs. 1951, 49 273.

8. Miller J. Aromatic Nucleophilic Substitution. Amsterdam:Elsevier, 1968, 238 p.

9. Persson J., Matsson O. J. Org. Chem. 1998, 63, 9348.

10. Buncel E., Crampton M., Strauss M. Electron-deficient aromatic- and heteroaromatic base interaction. Amsterdam: Elsevier, 1984, 295 p.

11. Terrier F. Nucleophilic Aromatic Displasement: the Influence of the Nitro Group. N.Y.: VSH Publishers, 1991,460 p.

12. Wolf J. J., Zietsch A., Oeser Т., Bolocan I. J. Org. Chem. 1998, 63, 5164.

13. Fufe C., Damji S., Koll A. J. Am. Chem. Soc. 1979, <951.

14. Гаммет Л. Основы физической органической химии. Пер. с англ. под ред. Эфроса Л.С. М.: Мир, 1972, 354 е.

15. Fendler J., Fendler Е., Burne W. J. Org. Chem. 1968, 33, 977.

16. Birch A., Hinde A., Radom L. J. Am. Chem. Soc. 1980, 21, 6430.

17. Lam K., MillerJ., Moran P. J. Chem. Soc. Perkin Trans. 2,1977, 457.18.