Реакции цианамидов с аддуктами нитрилов и SO3 - 2,6-дизамещенными 1,4,3,5-оксатиадиазин-4,4-диоксидами тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

/i /• О.О о /^

vi * У zf - <* .. < "..... *

/

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

УТКИНА ЕЛЕНА НИКОЛАЕВНА

РЕАКЦИИ ЦИАНАМИДОВ С АДДУКТАМИ НИТРИЛОВ И S03 2,6-ДИЗАМЕЩЕННЫМИ 1,4,3,5-ОКСАТИАДИАЭИН-4,4-

ДИОКСИДАМИ

Специальность 02.00.03 - органическая химия

Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: доктор химических наук,

профессор Мичурин A.A.

Научный консультант: кандидат химических наук Шишулина A.B.

Дзержинск, 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

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

Литературный обзор "Реакции цианамидов с БОз и его связанными формами"....................................................6

1. Реакции БОз с цианогруппой нитрилов...................................9

2. Взаимодействие цианамидов с оксидом серы (VI)....................12

3. Взаимодействие цианамидов со связанными формами БОз..............16

3.1. Реакции с комплексами БОз*В...........................................16

3.2. Реакции с 1,3,2,4,5-диоксадитиазин-2,2,4,4-тетраоксидами.......17

4. 2,6-Дизамещенные 1,4,3,5-оксатиадиазин-4,4-диоксиды. Особенности строения и свойства........................................19

4.1. Получение 1,4,3,5-оксатиадиазин-4,4-диоксидов....................19

4.1.1. Способы, основанные на взаимодействии нитрилов и других цианосодержащих соединений с БОз...................................19

4.1.2. Получение 1,4,3,5-оксатиадиазин-4,4-диоксидов

из ЭД-замещенных амидов...............................................20

4.1.2.1. Взаимодействие карбоксисульфамоилхлоридов

и их солей с органическими цианидами.........................20

4.1.2.2. Реакция 1М-хлорбензамида с хлористым тйонйлом.............21

4.2. Особенности строения и химические свойства 2,6-диза-мещенных 1,4,3,5-оксатиадиазин-4,4-диоксидов...................22

4.2.1. Замещение фрагмента в цикле..............................23

4.2.2. Реакции, протекающие с разрывом связи С-0.....................24

4.2.2.1. Гидролиз.................................................................24

4.2.2.2. Аминолиз................................................................26

4.2.2.3. Реакции с соединениями типа ХС^К....;.........................26

Результаты и их обсуждение..................................................28

1. Направления реагирования цианамидов с 2,6-дизамещенными

1,4,3,5-оксатиадиазин-4,4-диоксидами....................................30

2. 1,4,3,5-Оксатиадиазин-4,4-диоксиды как продукты переими-

, нирования с участием цианамидов, Строение. Свойства............32

3. 2,4,6-Тризамещенные 1,2,3,5-оксатиадиазин-2-оксиды. Получение. Молекулярная структура. Свойства........................43

4. Многокомпонентные молекулярные комплексы.

Получение. Строение..........................................................63

5. Краткий анализ результатов.................................................78

Экспериментальная часть.......................................................81

1. Методы анализа........................... ......................................82

2. Исходные вещества и растворители................ .......................82

3. Дизамещенные 1,4,3,5-оксатиадиазин-4.4-диоксиды

как продукты переиминирования..........................................86

Получение............................................................ ....86

Гидролиз...................................................................89

А м и н о л и з...................................................................92

4. Амидосульфонилирование ароматических соединений..............93

5. Реакции 2, 6-дизамещенных 1,4,3,5-оксатиадиазин-4,4-диоксидов с непредельными углеводородами..........................94

6. 2,4,6-Тризамещенные 1,2,3,5-оксатиадиазин-2-оксиды..............95

Получение.................................................................95

А м и н о л и з..................................................................97

Гидролиз..................................................................99

7. Сольватные комплексы, включающие 2,4,6-трис(диалкил~ амино)-1,3,5-триазины, 2,б-бис(тригалогенметил)-1,4,3,5-оксатиадиазин-4,4-диоксиды и арены..................................101

Выводы......................................................................... ¡04

Литература......................................................................106

Актуальность проблемы. Большая практическая значимость сульфонил-азотсодержащих соединений (сульфониламидины, амиды, гуанидины, мочевины и др.) объясняется тем, что многие представители этих классов обладают высокой биологической активностью и применяются в качестве лекарственных препаратов, нового поколения пестицидов, эффективных заменителей сахара, а также в других сферах жизнеобеспечения человека. Поэтому разработка более экономичных методов синтеза как известных, так и новых классов сульфонила-зотсодержащих соединений является важной проблемой современной химической науки.

В решении этой проблемы используются нетрадиционные подходы организации синтеза, включающие связывание на ранних этапах относительно простых исходных веществ в лабильные структурные образования-блоки и включение их в процесс формирования более сложных молекул на последующих этапах синтеза.

В последние годы в качестве структурных блоков для получения сульфо-нилазотсодержащих соединений широко используются аддукты, комплексы, реакционные частицы и другие интермедиаты, легко образующиеся во взаимодействии БОз с цианогруппами нитрилов и других цианосодержащих: соединений.

В этом плане перспективными реагентами в реакциях с цианамидами являются гетероциклические аддукты нитрилов и БОз - 2,6-дизамегценные 1,4,3,5-оксатиадиазин-4,4-диоксиды.

Цель работы. Разработка новых путей синтеза сульфонилазотсодержа-щих циклических и ациклических соединений на основе взаимодействия циа-. намидов с 2,6-дизамещенными 1,4,3,5-оксатиадиазин-4,4-диоксидами.

Научная новизна и практическая ценность работы. Взаимодействием цианамидов с 2,6-дизамещенными 1,4,3,5-оксатиадиазин-4,4-диоксидами получен новый класс гетероциклических соединений - 2,4,6-тризамещенные 1,2,3,5-

оксатиадиазин-2-оксиды, строение которых доказано рентгеноструктурным анализом. Они легко реагируют с аминами и водой, приводя к образованию сульфонилсодержащих производных амидинов, 1,2.3,5-оксатиадиазин-2,2-диоксидов, 1,2,4,6-тиатриазин-1,1 -диоксидов.

Впервые взаимодействием 2,4,6-тризамегценных 1,2,3,5-оксатиадиазин-2-оксидов с цианамидами получены новые сольватные комплексы, включающие 2,4,6-трис(диалкиламино)-1,3,5-триазины, 2,6-бис(тригалогенметил)-1,4,3,5-окса-тиадиазин-4,4-диоксиды и арены (бензол, толуол, хлорбензол, бензонитрил) в соотношении 2:2:1, строение которых доказано рентгеноструктурным анализом.

Разработаны удобные методы синтеза ряда сульфонилазотсодержащих циклических (1,2,3,5-оксатиадиазин-2-оксиды, 1,2,4,6-тиатриазин-1,1-диоксиды, 1,4,3,5-оксатиадиазин-4,4-диоксиды, содержащие цианамидный фрагмент, 1,2,3,5-оксатиадиазин-2,2-диоксиды) и ациклических (ЪШ'-дизамещенные суль-фониламидины, производные Ы-амидосульфонилмочевины и Ы-амидиносуль-фонилмочевины) соединений.

Апробация работы и публикации. Материалы работы изложены в 4 публикациях. Основные части работы докладывались на 2-й Нижегородской сессии молодых ученых (Н.Новгород, 1997),3-й Нижегородской сессии молодых ученых (Н.Новгород, 1998), на Всероссийской конференции "Экологические проблемы биодеградации промышленных, строительных материалов и отходов производств" (Пенза, 1998).

Объем работы. Диссертация изложена на Ик страницах машинописного текста, состоит из введения, литературного обзора, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов и списка литературы (№ наименований). Работа включает /6 таблиц, ¿орисунков.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

РЕАКЦИИ ЦИАНАМИДОВ С 803 И ЕГО СВЯЗАННЫМИ ФОРМАМИ

• В настоящем обзоре систематизированы данные по реакциям цианамидов с БОз и с некоторыми его связанными формами: комплексами (В*80з) и аддук-тами нитрилов с БОз состава ЯОМБОз, 211СН*80з.

Поскольку БОз обладает высокой электрофильной реакционной способностью [1-3], то реакции его с органическими субстратами, в том числе и с циано-содержащими соединениями характеризуются низкой селективностью [4-14]. При этом наряду с цианогруппой в реакции с БОз вовлекаются и другие реакционные центры [15-20]. Поэтому использование координационно (комплексы) или ковалентно-связанных форм БОз с нитрилами (аддукты) позволяет не только проводить реакции с высокой степенью селективности, но и реализовать такие превращения, которые не характерны для непосредственного взаимодействия нитрилов и Б Оз.

Как цианогруппа, так и молекула БОз имеют два реакционных центра -элекгрофильный и нуклеофильный - -С з N [4, 5, 21] 02Б = О [2,3], поэтому одним из наиболее важных направлений их реагирования является циклопри-соединение, которое может протекать с образованием различных гетероциклических соединений [20, 22-35].

Впервые циклоприсоединение с участием цианогрупп бензонитрила и п-толу-нитрила с БОз было описано Эйтнером [24]. Эта реакция протекает с образованием 4,6-дизамещенных 1,2,3,5-оксатиадиазин-2,2-диоксидов (1), называемых «эйтнеровскими» гетероциклами.

О

2 ЯСЫ + S0

'з

н

Я/

К=с6н5, п-СНзСбН

Позднее Графом [26] в реакции хлорциана с Б03 было получено гетероциклическое соединение другого типа - 2,6-дихлор-1,4,3,5-оксатиадиазин-4,4-диоксид (2) ( «графовский» гетероцикл ).

Наряду с этим гетероциклическим соединением были также выделены ациклические соединения - хлорпиросульфонилизоцианаты С18020802К=С=0 и хлорсульфоншшзоцианаты С18С>2К=С=0. Последние представляют большой практический интерес как многоцелевые реагенты, широко используемые в органическом синтезе для получения различных сульфонилазотсодержащих ациклических и гетероциклических соединений [36-45].

Позднее Хьюсгеном [27] были предложены схемы протекания этих реакций, не подтвержденные данными кинетических и других исследований.

¿С£С|\!+503

2

сгс^ы + 503-- ш-- С N

О-БО,

I

ьо2о

\

сг

\

С = N

\

С = Ы

О

' \

0_

а

сгзолозо2ы сгзо1ы^с=о + 503

Эти работы дали толчок для проведения дальнейших систематических ис-

следований взаимодействия цианосодержащих соединений с Б03 [13, 22, 32-34, 46-54].

Как было показано [15-20], важным моментом при изучении химического поведения системы цианиды - БОз является обеспечение условий, при которых в реакции с 803 участвует только цианогруппа. В этом плане наиболее удобными цианосодержащими субстратами для исследования являются нитрилы, не имеющие активных по отношению к ЭОз групп.

В настоящем обзоре вначале проведен анализ данных по взаимодействию нитрилов с 803. Далее с учетом результатов анализа рассмотрено химическое поведение цианамидов с БОз и некоторыми его связанными формами.

1. Реакции 803 с цианогруппой нитрилов

Проведенные комплексные исследования взаимодействия нитрилов с БОз [18-20, 24, 25, 28-30, 32, 34, 47, 48] показали, что нитрилы легко реагируют с 80з с образованием различных гетероциклических продуктов: 4,6-дизаме-щенных 1,2,3,5-оксатиадиазин-2,2-диоксидов (1), 2,6-дизамещенных 1,4,3,5-оксатиадиазин-4,4-диоксидов (2), 6-замещенных 1,3,2,4,5-диоксадитиазин-2,2,4,4-тетраоксидов (3).

50,

К

N 11

С.

■м

■о

502

N ' ^Ы 11

:с

50,

11

N 11

С.

N

О \

ьо.

1 2 3

Образование той или иной структуры зависит от природы используемого нитрила и от соотношения нитршгБОз.

Показано [22, 29, 31-34, 49], что при взаимодействии 803 и широкого круга нитрилов, в том числе имеющих различные заместители, в мольном соотно-

шении 1:2 единственными продуктами являются 6-замещенные 1,3,2,4,5-диоксадитиазин-2,2,4,4-тетраоксиды (3), на основании чего был сделан вывод, что эта реакция является типичной для всех нитрилов [22, 55].

3

Эта реакция, как показано [56-59] является типичной и для соединений, имеющих несколько цианогрупп.

На примере взаимодействия трихлорацетонитрила с БОз исследован механизм превращения нитрила в тетраоксид [20, 48]. Кинетическими исследованиями и ИК-спектроскопией [47, 48] доказано, что во взаимодействии нитрилов с 80з участвуют комплексы состава 1:1 СС1зСК*80з, которые далее реагируют с новой молекулой БОз, превращаясь в тетраоксиды (3).

КСМ+ЬОз = ^ __

К!" чо

I I ->и2.

V0

5 п0 <Д

Молекулярные структуры трех тетраоксидов (3, К =СС13,СбН5, 4-К02СбН4) установлены методом РСА [33, 34].

Тетраоксиды легко реагируют с нуклеофильными реагентами (амиды, амины, арены, нитрилы и др.) [29, 31, 32, 34, 49, 59, 60]. Направление раскрытия цикла тетраоксидов (3) зависит прежде всего от природы заместителя Л. В реакциях с нуклеофильными реагентами возможен отрыв 80з из разных положений в гетероцикле.

я

с-^о (О

У/ к ^

м V ьо, 0^0 (2)

Направление (1) связано с отрывом БОз из положения (2,3), приводящим к генерированию К-сульфониламидата (4), а направление (2) - с отрывом БОз из положения (1,2) и образованием частицы типа (5). Первое направление получает развитие при наличии в тетраоксидах (3) сильноакцепторных заместителей, второе направление реализуется при наличии в тетраоксидах (3) заместителей К, проявляющих донорные или слабоакцепторные свойства [34, 55].

Установлено, что тетраоксиды, имеющие сильноакцепторные заместители (К^ССЬ, СВг3, СНС12, СН2С1СС12, 3,5-(Ж)2)2СбН3) реагируют с нитрилами с образованием 2,6-дизамещенных 1,4,3,5-оксатиадиазин-4,4-диоксидов (2) [20, 28, 29, 32, 34, 62]. Тетраоксиды же, имеющие донорные или слабоакцепторные заместители (Б^ОЙ, 4-С1СбН4, 3-С1СбН4, 4-Ш2СбН4, СН2=С-С^и др.) с соответствующими нитрилами образуют 4,6-дизамещенные 1,2,3,5-оксатиадиазин-2,2-диоксиды (1) [29, 32, 33].

Из анализа литературных данных [22, 32, 46, 49, 50, 56-58, 62] следует, что циклические аддукты (3) являются стержневой структурой во взаимодействии нитрилов с БОз.

-50,

N

1С

!

0

1

50,

(О

С

и

N +

Я'

Л? N. 0 '

4

V0 ~нч +

50,

я

50г [4+2]-

0

чс

БО,

яГ 2

N

/

-50,

С2)

Я1

I! N

5

О

[А+гу

ч.

С — N / \

N 50,

^ /

о./0 - 0

к1

1

Образование гетероциклических аддуктов (1) и (2) рассматривается как тест для определения направления реакции тетраоксидов (3) с нуклеофильными реагентами [55].

На основании данных по взаимодействию нитрилов с БОз разработаны удобные методы синтеза 2,6-дизамещенных 1,4,3,5-оксатиадиазин-4,4-диок-сидов (2):

1. непосредственным смешиванием нитрила и БОз в соотношении 2:1 при сильноакцепторном заместителе Л^Я2;

2. двухстадийным процессом, включающим образование из нитрила Я^СЫ и БОз 1,3,2,4,5-диоксадитиазин-2,2,4,4-тетраоксида (3) и обработку тет-раоксида (3) основанием (пиридин) в присутствии другого нитрила Я2СЫ при Л^Я2 (Я1 - сильноакцепторная группа). В этом случае реакция протекает с генерированием реакционных частиц - М-сульфонил-амидатов.

Г •(

я'см -А. Sr-.iv ^ ^

' ¡-п -Ру^О, о"'- 50, , с С ,

05 * 3 0 г Я^Чг'Ч1

3

2

2. Взаимодействие цианамидов с оксидом серы (VI)

Из литературных данных [50-54, 63-67] следует, что системы, включающие взаимодействие БОз и органических цианидов, содержащих п-донорные заместители, являются весьма перспективными в синтетическом отношении и по биологической активности получаемых продуктов. В этом плане более изученной является система цианамид - БОз [ 63-67 ]. Поскольку в цианамидах ЯгИ-группа способна реагировать с БОз по донорно-акцепторному механизму, за счет чего электронные

13

- с V N

свойства ее в цианамиде могут изменяться от донорных до сильноакцепторных + —

(для Е^-ЗОгО ), то данные системы являются более динамичными в плане развития конкурирующих реакций.

В работе [14] сообщается, что эквимолярные смеси диалкилцианамидов реагируют с БОз неселекгивно с образование смеси гетероциклических соединений (1) и (2), из которой в виде индивидуального соединения выделен только диоксид (2).

С = С = N

ы' Ы о'

^С -О Ч-г/

1 2

Об образовании соединений (1) и (2) авторы судили по данным ТСХ и ИК-спектров смеси. Структура соединения (1) представляется на основании реакции его с п-хлоранилином.

1 + се<>мнг-- ягыс = м-с-Ы5о£он

ЫН

а б

Результаты недавно проведенных исследований [55, 63-65] показывают, что реакция цианамидов с БОз протекает по нескольким направлениям. Взаимодействием цианамидов с БОз при варьировании условий реакции (температура, соотношение между реактантами, среда) получены различные по составу и строению продукты: 1,2,3,5-оксатиадиазин-2,2-диоксиды (1), изомерные им 1,4,3,5-оксатиадиазин-4,4-диоксиды (2), аддукты К2КСК*2803 (7) и 1,5,2,6,3,7-диоксадитаадиазо1щн-2,2,6,6-тетраоксиды (8).

HR,

u i

u

с

1

2

7

8

Степень развития этих конкурирующих превращений определяется многими факторами, в том числе изменением соотношения и порядка смешивания исходных веществ.

Показано, что при смешивании S03 с избытком цианамида в метиленхлориде или жидком S02 (-80°С) в большей степени образуются диоксиды (1). Иное направление во взаимодействии цианамидов с SO3 имеет место при изменении соотношения и порядка их смешивания. Так, при введении цианамидов в избыток SO3 в тех же условиях исходные компоненты связываются в аддукты состава R2NCN*2SC>3, вероятная структура которых представляется в виде гетероциклических бетаинов (7). Установлено [63], что аддукты (7) медленно и самопроизвольно превращаются в диоксиды (2). При обработке же эфиром аддукты (7) превращаются в 1,5,2.6,3,7-диоксадитиадиазоцин-2,2,6,6-тетраоксиды (8).- Соединения (8) являются димерами биполярных частиц - сульфонилуреида-тов + , генерируемых при действии эфира на аддукты (7).

На основании данных [14, 55, 63-66] представлена схема взаимодействия цианамидов с S03:

БО

/

^ к,

л с

/

\

ДО

о" 50^

/

о7

ПС 1

5

о

1 Л г

О

г. -

7

■ИХ

\

0

1

. с. О"

1

50,

л -

0 1 бо2 ]

с-0

■о

о

сК-г/

2. ч

Б02 -503 -с=.ы

50> / 2.

с^о

я2н

г

Предполагается, что на одной из ранних стадий реакции цианамидов с 80з происходит координирование БОз с атомом азота цианогруппы, имеющего по данным квантовохимических расчетов [68] и рентгеноструктурного анализа комплексов цианамидов со БЬС^ [69] наибольший избыток электронной плотности, с образованием цвитт