Фосфорилированные производные несимметричного диметилгидразина тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.08 ВАК РФ

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

РЯПИСОВА Лариса Викторовна

ФОСФОРИЛИРОВАННЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ НЕСИММЕТРИЧНОГО ДИМЕТИЛГИДРАЗИНА (СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ)

02.00.08 — химия элементоорганических соединений

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научные руководители: доктор химических наук, профессор С. В.Фридланд кандидат химических наук, доцент Л.Б.Кашеварова

Казань- 1998

— 2 — ВВЕДЕНИЕ

Свободный гидразин и его соли с различными органическими и неорганическими кислотами обладают незначительной пестицидной активностью и не используются в сельском хозяйстве, Практическое значение имеет лишь двойная соль сернокислой меди с дигидразинсульфатом, которая предложена для борьбы с мучнистой росой и черной пятнистостью роз.

Более сильную пестицидную активность проявляют замещенные гидразины, из которых более активны соединения ароматического ряда.

Высокой фунгицидной активностью обладают замещенные гидразоны альдегидов, кетонов и хинонов. Гидразонхиноноксимы более эффективно, чем гидразоны хинонов, подавляют ростфитопатогенных грибов Phoma, Pytium, Rhizoctonia и т. п., поражающих всходы сахарной свеклы, хлопчатника, кукурузы и других культур.

Открытие антитуберкулезного действия у ряда тиосемикарбазонов различных альдегидов привело к интенсивному изучению бактерицидных, фун-гицидных и бактериостатических свойств этой группы соединений [1].

Фосфорорганические соединения также обладают биологической активностью, Стремительное развитие химии органических соединений фосфора было обусловлено ориентацией иследований на получение производных, обладающих токсическим действием, среди которых инсектициды играли первостепенную роль.

В последние годы в сельском хозяйстве органические соединения фосфора применяются не только в качестве инсектицидов, но и как фунгициды, дефолианты и гербициды,

Наиболее серьезные исследования относятся к действию фосфорорга-нических соединений на человека и высших животных. В основе действий этих соединений лежит способность инактивировать холинэстеразы, Значение этих исследований заключается в выявлении специфического действия органических фосфатов на определенную эстеразу, т. е. в возможности

получения препаратов, обладающих избирательной токсичностью. Наряду с применением в качестве лекарств, обладающих миотическим действием, подобные препараты используются для лечения атонии кишечника, некоторых заболеваний центральной нервной системы, а также успешно применяются в акушерской практике.

Органические соединения фосфора применяются также в качестве пластификаторов, придавая композициям из смол большую эластичность при низких температурах и огнестойкость; используются в производстве некоторых сортов органических стекол специального назначения, отличающихся хорошей прозрачностью, термостойкостью, огнестойкостью, химической инертностью; служат присадками к бензинам и маслам; используются в качестве катионитов и анионитов; применяются в качестве поверхностно-активных веществ в текстильной промышленности [2].

Исходя из вышеизложенного, можно было ожидать получения биологически активных веществ в реакциях фосфорилирования Ы,1М-ди мети л гидразина и его производных.

Актуальность темы

Активные исследования химии фосфороорганических соединений обусловлены возможностью решения проблем как теоретической химии, так и практического использования фосфорсодержащих соединений в народном хозяйстве.

Актуальность настоящей работы определяется разработкой новых биологически активных препаратов на основе несимметричного диметилгид-разина.

В связи с сокращением стратегических вооружений возникла необходимость утилизации невостребованных количеств ракетного топлива, в котором в качестве горючего использовался 1,1-диметилгидразин, являющийся высокотоксичным соединением, Поэтому уничтожение несимметричного диметилгидразина простым сжиганием приведет к дополнительным проблемам, связанным с загрязнением окружающей среды. Наиболее целесо-

образным и актуальным является разработка методов утилизации 1,1-ди-метилгидразина, При этом решается и проблема охраны окружающей среды.

Актуальным в настоящее время является и разработка экоаналитичес-кого контроля остаточного содержания в объектах окружающей среды ингибиторов холинзстеразы. Одним из аспектов данной работы является синтез тест-объектов для отработки биосенсоров с улучшенными аналитическими характеристиками.

Работа проводилась в соответствии с программой «Конверсия и высокие технологии Г 03.41.1997-2000 г. г.».

Целью работы является поиск путей переработки несимметричного диметилгидразина и исследование возможности синтеза фосфорилиро-ванных производных на его основе, обладающих биологической активностью.

Научная новизна.

Впервые проведено исследование возможности фосфорилирования 1,1-диметилгидразина в реакции Кабачника-Филдса, а его производных — гид-разонов арилальдегидов, изатина и гидропиридина — в реакции Пудовика.

Изучены не исследованные ранее взаимодействия НДМГ с тиомочеви-ной, 0,0-диметил — 2,2,2 — трихлор-1-гидроксиэтилфосфонатом (хлорофос), ^З^-дихлордиэтиловым эфиром винилфосфоновой кислоты (винифос), продуктами конденсации по реакции Абрамова.

При использовании несимметричного диметилгидразина в реакции Кабачника-Филдса показано образование солеобразных продуктов и выявлена причина этого направления.

Исследована реакция Пудовика с соединениями, содержащими связи (гидразонами нитробензальдегидов и изатина), С=С, сопряженную с С=Ы (гидразон о-нитрокоричного альдегида), активированную С=С (впервые синтезированное на основе НДМГ производное гидропиридина по реакции Ганча), С=8 (продукт взаимодействия тиомочевины с 1,1-диметил-

— 5 —

гидразином). Показано, что вопреки ожидаемому присоединению диалкил-фосфитов по кратным связям идет образование соединений солеобразной структуры.

Для реакции НДМГ с тиомочевиной, ранее не изученной,показана неоднозначность протекания процесса.

Впервые проведенные исследования несимметричного диметилгидра-зина в реакции с Х-гидроксипроизводными фосфоновых кислот показали образование /-гидразинофосфонатов.

Показано, что процесс взаимодействия 1,1-диметилгидразина с хлорофосом протекает с разрывом фосфор-углеродной связи.

В реакции диметилгидразина с винифосом, не исследованной ранее, имеет место образование циклического азотсодержащего продукта.

Практическая значимость

N,14 — диметилгидразониевые соли диалкилфосфитов и диалкилдити-офосфатов послужили тест-объектами при отработке методов анализа для обнаружения в окружающей среде ингибиторов бутирилхолинэстеразы, на базе которых созданы биосенсоры с улучшенными аналитическими характеристиками.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы доложены на отчетных конференциях Казанского государственного технологического университета (Казань, 1995-1997 гг.), XI Международной конференции по химии фосфороорганических соединений (Казань, 1996) и на научной конференции, посвященной 65-летию инженерного химико-технологического факультета (Казань, 1995).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 статьи в центральной печати и тезисы 4 конференций.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа изложена на 111 страницах машинописного текста, содержит 5 таблиц, 9 рисунков, 120 литературных источников.

— 6 —

Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы. Во введении обоснована актуальность работы, ее новизна, практическая значимость, сформулирована цель исследования. Первая глава посвящена обзору литературы по химическим свойствам предельных гидразинов и методов получения аминофосфонатов. Во второй главе приведено обсуждение полученных результатов. 4-я глава посвящена методикам синтеза.

Работа выполнялась в период 1992-1998 гг. на кафедре инженерной экологии Казанского государственного технологического университета.

Автор считает приятной обязанностью выразить благодарность профессору Б. И, Бузыкину за ценные советы, высказанные при обсуждении разделов по реакции конденсации Ганча и с тиомочевиной, доценту кафедры прикладной экологии Казанского государственного университета Евтюгину Г, А. за исследование биологической активности .

— 7 —

ГЛАВА 1. Литературный обзор

1.1. Химические свойства предельных гидразинов.

Гидразины — весьма реакционно способные соединения, легко вступающие во взаимодействие со множеством реагентов различной природы, Многообразие их химических превращений вызывается, в частности, тем обстоятельством, что оба атома азота гидразинной функции доступны для атаки реагентов. Благодаря этой особенности, гидразины ведут себя подобно бифункциональным соединениям и при том — с одинаковыми или разными функциями в зависимости от типа замещения. Каждый из двух образующих гидразинную группировку азотсодержащих фрагментов может реагировать раздельно или совместно, последовательно или синхронно [3]. Продукты первичных реакций часто сохраняют способность к взаимодействию с теми же реагентами по тому же или по другому атому азота.

Многие свойства замещенных гидразинов зависят от характера заместителя. Так энергия диссоциации связи Ы-Ы для гидразинов с различными заместителями по Бауеру [4] колеблется в широких пределах: для незамещенного гидразина равна 60 ккал/моль [5], для Ы.Ы—диметилгадразина — 38-44 ккал/моль [6].

По химическим свойствам диалкилгидразины близки к незамещенному гидразину, Влияние заместителя сказывается на основности замещенных гидразинов. Проявление основных свойств гидразином и его алкильными производными связано с тем, что атомы азота в этих соединениях обладают неподеленной парой электронов, способной к образованию координационных связей [7]. К одному или двум атомам азота молекулы гидразина

могут присоединяться водородные атомы, образуя, соответственно, катионы

+ +2

Ы2Н5 и Ы2Н6 . Величина рКа ПрИ 25°С после присоединения гидразином

первого протона равна 8.1, второго — 0.88 [8].

Последовательное замещение атомов водорода метильными и этиль-ными группами приводит к уменьшению основности. Этилзамещенные гид-

разина являются более основными по сравнению с соответствующими метил гидразинами.

Общеизвестно, что гидразин и его органические производные, являясь основаниями, способны давать с минеральными кислотами соли двух типов: кислые М2Н4* 2НА и нейтральные М2Н4» НА. Нейтральные соли гидразина устойчивы в водных растворах, кислые — легко гидролизуются до нейтральных солей [3].

Соли, образующиеся при взаимодействии карбоновых кислот с гидразином, при нагревании превращаются в соответствующие гидразиды и дигидразиды, циклизующиеся при температуре 200-300°С в оксодиазолы [9]:

ЯСООН-^ИСООН • МН21ЧН2 —»> ПС(0)ЫНМН2 —

-ВС(0)ЫН1ЧНС(0)В —^ N — N

II II

Я—С с—и \ /

о

Различные свойства алкильных производных гидразина проявляются в окислительно-восстановительной способности этих веществ. Гидразин и алкилгидразины склонны к реакциям восстановления.

Впервые восстановление нитросоединений в амины гидразином осуществлено еще Курциусом. Позднее достаточно подробно эта реакция изучена на примере различных соединений. Обычно восстановление нитросоединений гидразингидратом протекает очень медленно. Для полного восстановления ароматических нитросоединений реакция проводилась в запаянной трубке [10] или высококипящем растворителе [11]:

2Аг(Ч02+ЗЫН2ЫН2 —^ 2АгЫН2+4Н204-ЗМ2

Метилнитрофуроксан восстанавливается гидразином до метиламинофу-разана [12]:

ЫН К1Н

СИХ—СЫ09

3II II 2 3|| II 2

N N. О

N N \ / О

С помощью гидразина может осуществляться восстановление азобензола в гидразобензол [13].

С рядом галогензамещенных углеводородов гидразин взаимодействует с заменой галогена на водород. При этом выделяется азот. Например, подобному дегалогенированию подвергается хлорнитрометан [10].

В литературе, посвященной методам гидрогенизации ненасыщенных кислот, содержатся данные о способности гидразина восстанавливать оле-фины в присутствии кислорода [14]: ЯНС=СНЯ+^Н^Н2+3/202~

ЯН2С—СНгЯ+2^+ЗНгО

Все гидразины — сильные восстановители, но их окисление носит весьма разнообразный характер и находит столь же различное применение в зависимости от условий осуществления процесса, природы, числа и расположения заместителей, и, конечно, используемых окислителей.

Гидразин и его органические производные легко окисляются различными окислителями (кислород воздуха, перекись водорода, перманганат калия и т. п.).

Благодаря первичной аминной функции 1,1 — дизамещенные гидразины способны к некоторым реакциям, которые не могут быть осуществимы у изомерных 1,2—дизамещенных гидразинов. Окисление 1,1—дизамещенных гидразинов может привести к двум продуктам и, вероятно, протекает через промежуточный Ы—нитрен:

я Гя

\ [О] \ ••

М- -МН2 Ы- -ы —

/ / • •

Я' Я'

И.

В

>1—Ы=М—N I

Я—Я'

я

Я'

— 10—

Сочетание двух частиц нитрена или, что более вероятно, реакция нитре-на с непрореагировавшим гидразином (по типу а) дает тетразены I. Наблюдалось также разложение нитрена с образованием азота и углеводорода (по типу б). Продукты окисления зависят от природы заместителей И и И', однако обычно окисление дает тетразен I. В некоторых случаях окисление

1.1-дизамещенных гидразинов приводит непосредственно к выделению азота и образованию углеводородов. Этот последний путь, называемый «аномальным окислением», требует, чтобы замещающие группы могли стабилизировать промежуточные фрагменты, образующие новую углерод-углеродную связь.

Если в 1,1-дизамещенном гидразине присутствуют метильные, этиль-ные, циклогексильные или подобные алкильные группы, то неспособность этих групп стабилизировать промежуточные углеродные фрагменты подавляет разрыв связей углерод-азот. В этих случаях даже в гетерогенной среде образование азота не выгодно энергетически, и вместо этого получается тетразен.

Наличие незамещенной аминной функции в 1,1-дизамещенных гидразинах обуславливает и ряд других реакций, которые нельзя представить с

1.2-дизамещенными. Например, 1,1-дизамещенные гидразины дают с карбонильными соединениями гидразоны, а азотистая кислота дезаминирует 1,1-дизамещенные гидразины, образуя азот и вторичные амины [15].

При нагревании в инертных растворителях 1,1-дизамещенные гидразины через тетразены превращаются в тетразамещенные гидразины [16]:

2Я2М1МН2-^NN = NN132-И^ЫЫ^

-н2о "Ыг

Полное сжигание гидразина и его простейших метилзамещенных до азота, двуокиси углерода и воды использовалось в некоторых моделях жидкостных ракетных двигателей для создания реактивной тяги. В качестве окислителей использовались азотная кислота, двуокись азота и жидкий кис-

лород. Атмосферный кислород медленно окисляет гидразины уже при низких температурах:

RNH—NH2-Í RH + N2+H20 Окисление НДМГ кислородом воздуха было предметом подробных исследований в связи с проблемой хранения запасов ракетного топлива [17]. Основными продуктами окисления в данном случае оказались диметил-гидразон формальдегида, вода и азот согласно общей приблизительной схеме:

3(CH3)2N-NH2+202-з* 2(CH3)2NN=CH2+N2+4H20

В небольших количествах образуются также диметилнитрозамин, диме-тиламин, аммиак, диазометан, закись азота и формальдегид. Реакция ускоряется на свету и катализируется металлами и их солями.

Гидрирование алкилгидразинов осуществляется лишь в жестких условиях в присутствии никеля Ренея, при этом происходит гидрогенолиз N—N связи с образованием аминов [18]:

(C6HsCH2)2NNH2-^(C6H5CH2)2NH+NH3 Эта реакция гидрирования на примере моно-и диалкилгидразинов изучена столь подробно, что может служить методом синтеза первичных и вторичных аминов.

Одной из специфических реакций гидразинов является их взаимодействие с карбонильными соединениями.

Все moho-, ди- и тризамещенные гидразины, то есть гидразины, содержащие группы NNH2 и NNH вступают в реакцию с альдегидами и кетона-ми, образуя соответствующие гидразоны [10]:

R' R'

/ /

RNHNH?+0=C -RNHN=C +Н?0

\ \

R" R"

Иногда реакция алкилгидразинов с карбонильными соединениями протекает необычно. Например, метилгидразин может в присутствии избытка

бензальдегида превращаться в трибензальметилгидразин [19]:

ЗС6Н5СНО —-!-СН3ЫЫ=СНС6Н5

С6Н5СН

СН3ЫМ=СНС6Н5

Имеются сведения о реакции гидразина со спиртами, протекающими с образованием гидразосоединений [20]:

1МН2ЫН2

2(Ы02)2С(СН3)СН0Н (Ы02)2С(СНз)СН2ЫНЫНСН2С(СН3)(М02)2

О взаимодействии замещенных гидразинов со спиртами однозначных суждений нет.

Гольдиным с сотрудниками [21, 22] описана реакция Ы,Ы-диалкилгидразинов с иминоэфирами монокарбоновых кислот. Основными продуктами реакции являются Ы2,Ы4-тетраалкилгидразидины, образующиеся по реакции:

ЫН N1=) "