Синтез и фунгицидная активность 2-замещенных 7-алкил-3-арилгексагидро-2Н-индазолов и 8-алкил-4-арилгексагидро-2(1Н)-хиназолинтионов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Гар Михаил Михайлович

Синтез и фунгицидная активность 2-замещенных 7-алкил-3-арилгексагидро-2#-индазолов и 8-алкил-4-арилгексагидро-2(7//)-хиназолинтионов

02.00.03-0рганическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

21 НОЯ 2013

Москва — 2013 год

005538577

Работа выполнена в Российском химико-технологическом университете имени Д.И.Менделеева на кафедре химии и технологии органического синтеза.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: кандидат химических наук

Попков Сергей Владимирович Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, зав. кафедрой химии и технологии органического синтеза

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор химических наук, профессор,

Вацадзе Сергей Зурабович Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, профессор кафедры органической химии

кандидат химических наук, Старосотников Алексей Михайлович Институт органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН, старший научный сотрудник лаборатории ароматических азотсодержащих соединений №18

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Всероссийский научно-исследовательский

институт химических средств защиты растений

Защита диссертации состоится 6 декабря 2013 г. в часов на заседании Диссертационного совета Д 212.204.04 по присуждению ученой степени кандидата химических наук в Российском химико-технологическом университете имени Д.И. Менделеева по адресу: 125047, Москва, А-47, Миусская пл., д. 9.

С диссертацией можно ознакомится в Научно-информационном центре РХТУ имени Д.И. Менделеева.

Автореферат разослан 6 ноября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.204.04, д.х.н.

Бухаркина Т.В.

Общая характеристика работы.

Актуальность. Современное производство сельскохозяйственной продукции невозможно без применения химических средств защиты растений. Поскольку фитопатогенные грибы вызывают большие потери урожая и при выращивании, и при хранении, а применяемые препараты со временем теряют эффективность за счет возникновения резистентных к ним штаммов микроорганизмов, разработка новых фунгицидов неизменно актуальна. Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ (гос. задание №358092011).

Наиболее распространенными современными фунгицидами являются ингибиторы биосинтеза эргостерина в ряду 1-замещенных 1,2,4-триазолов и имидазолов - в частности, триадимефон I (выбранный нами в качестве эталона при испытаниях) и тритиконазол II - системные препараты широкого спектра действия. Триазолилметилциклогексанол III, синтезированный на кафедре ХТОС РХТУ им. Д. И. Менделеева, также проявил высокую фунгитоксичность. В двух последних структурах гетероцикл и циклоалкановый фрагмент соединены метиленовой группой.

Рис.1. Известные ингибиторы биосинтеза эргостерина.

Цель работы состояла в синтезе, изучении фунгицидных свойств и установлении связи структура-активность новых соединений в ряду 7-алкил- и 7,7-диалкил-3,За,4,5,6,7-гексагидро-2#-индазолов IV, 8-алкил- и 8,8-диалкил-3,4,5,6,7,8-гексагидро-2(///)-хиназолинтионов V, содержащих аннелированные гетероциклический (пиразолиновый или пиримидинтионовый) и алкилциклогексановый фрагменты.

Новизна. Разработаны региоселективные методы синтеза Ъ,Ъа-цис- и 3,За-/яранс-7,7-диалкил-3-арил-2-(тио)карбамоил-3,За,4,5,6,7-гексагидро-2#-индазо-лов. Впервые синтезированы широкие ряды указанных соединений и 8-алкил-4-арил-3,4,5,6,7,8- и 3,4,5,6.7,10-гексагидро-2(///)-хиназолинтионов. Показано, что основным результатом взаимодействия 2-арилиден-6,6-диметилциклогексанонов с фенил-гидразином при кипячении в метаноле являются соответствующие 2-фенилгекса-гидроиндазолы, а в более жестких условиях в присутствии оснований (в кипящем пиридине) - 1-фенилтетрагидроиндазолы, структура которых впервые строго доказана методом РСА. В результате испытаний, проведенных на 6 грибах-

фитопатогенах, среди 3,3а-цис- и 3,За-т/?онс-7,7-диалкил-3-арил-2-(тио)карбамоил-3,За,4,5,6,7-гексагидро-2Я-индазолов и 8-алкил-4-арил-3,4,5,6,7,8- и 3,4,5,6.7,10-гексагидро-2(/Л)-хиназолинтионов впервые обнаружены вещества, обладающие высокой фунгицидной активностью. Подробно исследована связь структура — активность; выявлена зависимость активности не только от природы заместителей, но и от стереохимического строения соединений.

HN NH

... т

VI S

Рис.2. Типы соединений, синтезированных в настоящей работе.

Практическая ценность исследования состоит в осуществлении региоселективного синтеза широких рядов фунгитоксичных 3,3а-г/нс- и 3,3а-транс-7,7-диалкил-3-арил-2-(тио)карбамоил-3,За,4,5,6,7-гексагидро-2//-индазолов и

8-алкил-4-арил-3,4,5,6,7,8- и 3,4,5,б.7,10-гексагидро-2(/Д)-хиназолинтионов IV-VI, многие из которых превосходят по фунгицидной активности эталон триадимефон и могут быть рекомендованы для дальнейших испытаний in vivo. Кроме того, предложен эффективный метод определения 3,За-г/ыс-транс-конфигурации 3-арил-3,За,4,5,6,7-гексагидро-2//-индазолов, основанный на комплексном рассмотрении сигналов ряда характеристичных протонов в одномерных спектрах 'Н ЯМР.

Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в 2 статьях в реферируемых журналах, в одном патенте РФ, в сборнике научных трудов Успехи в химии и хим. технологии (Москва, РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2007) и были представлены на следующих конференциях и симпозиумах: III Молодежная конференция ИОХ РАН (Москва, 2009), XI Международная научно-техническая конференция «Перспективы развития химии и практического применения алициклических соединений» (Волгоград, 2008), XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011).

Структура работы. Диссертационная работа изложена на стр. печатного текста и включает в себя введение, обзор литературы, обсуждение результатов, экспериментальную часть, выводы и приложение, содержит рисунков и

таблиц. Библиография включает наименований.

Основное содержание работы.

1. Синтез и фунгицидные свойства 7-алкил- и 7,7-дналкил-2-(тио)карбамоил-3-арил-3,За,4,5,6,7-гексагидро-2Н-индазолов и их аналогов

1.1. Реакция циклоконденсации 2-метил и 2,2-диметнл-б-арилиденциклогексанонов и их аналогов с тиосемикарбазидами

Циклоконденсацией 2-метил- и 2,2-диметил-6-арилиденциклогексанонов с тиосемикарбазидами в условиях кислотного катализа нами осуществлен региоселективный синтез представленного ниже ряда новых 7-метил- и 7,7-диметил-3,За-г/«с-2-тиокарбамоил-3-арил-3,За,4,5,6,7-гексагидроиндазолов и их М-метил- и Ы-арилтиокарбамоилпроизводных. Соединения 10-19 получены в виде устойчивых на воздухе бесцветных кристаллов.

Схема 1.

где: Х„=Н (a), 4-F (б), 4-С1 (в), 4-Вг (г), 4-ОСН3 (е), 4-CF3 (ж), 3,4-С12 (и), 2-СН3 (к), 2-С1 (л), 2-Вг (м); 1а,в,г и 10а,в,г - Ri=CH3, R2=R3=R4=R5=H; 2а-в,ж,н,л,м и 11 а-п,лс,п,л,м -Ri=R2=CH3, R3=R4=R5=H; Зв и 12в - RiR2=(CH2)4, R3=R4=R5=H; 4в и 14в -R1=R2=R3=R4=R5=H; 5в и 15в - RiR2 = (СбН4С1-4)СН=, R3=R4=R5=H; 4в и 16в - R,=R2=CH3, R3=Ri=H, R5=CH3; In и 17в - Ri=CH3, R2=R3=R4=H, R5=C6H5; 2п,г,л,м и 18в,г,л,м -Ri=R2=CH3, R3=R4=H, R5=C6H5; 6в и 19b - R,R2R3R4 = (=CH-CH=CH-CH=), R5=H.

Хотя кетоны 1-4 более стерически затруднены, чем изучавшиеся ранее в подобных реакциях 2-арилиденциклогексаноны и 2,6-бмсарилиденциклогексаноны, их взаимодействие с тиосемикарбазидами 7-9 (R5 = Н, СН3, С6Н5) протекало достаточно активно. С максимальным выходом получены N-замещенные производные (R5^H). В остальных случаях колебания выхода связаны с природой заместителей Х„ в ароматическом ядре и потерями на стадии выделения. Продукты 10в (Х„ = 4-С1) и Не,к (с электронодонорными заместителями Х„ = 4-ОСН3, 2-СН3) получены с выходом 53-56%, тогда как для Юг, 11б,ж,и,м (Xn = 4-F, 2-Br, 4-Br, 4-CF3, 3,4-С12) отмечалось снижение выхода до 13-28%. Соединения 10-19 охарактеризованы методами элементного анализа, ИК, хромато-масс-, 'Н и 13С ЯМР спектроскопии. 3,3йгЦис-конфигурация установлена по данным 'Н ЯМР спектров разработанным нами методом (см. 1.4), а для вещества 11в подтверждена также с помощью NOESY.

Циклоконденсацией с семикарбазидом в условиях кислотного катализа удалось получить только продукт, не замещенный по положению 7, - 2-карбамоил-3-(4-хлорфенил)гексагидроиндазол 14в,. При попытке синтеза аналогичного 7,7-диметил-производного получен лишь соответствующий семикарбазон.

Использование основного катализа в реакциях циклоконденсации 2,2-ди-метил-6-арилиденциклогексанонов с тиосемикарбазидом позволило осуществить региоселективный синтез новых 3,За-транс-7,7-диметил-2-тнокарбамоил-3-арил-3,3а,4,5,6,7-гексагидроиндазолов 20в,з,н, строение которых подтверждено данными спектров 'Н ЯМР, а для соединений 20в,з - также и методом ЫОЕЭУ.

Схема 2.

Невысокий выход продуктов связан как с осмолением, так и с протеканием побочной реакции ретроальдольной конденсации исходных кетонов, приводящей к тиосемикарбазонам замещенных бензальдегидов. Особенно интенсивно в этих условиях происходил распад 2-арилидентетралонов 6в,ж,з.

Схема 3.

1.2. Двухстадийный синтез транс-1 -метил- и 7,7-диметил-2-(тио)карбамоил-3-арил-3,За,4,5,6,7-гексагидро-2Д-индазолов.

Гексагидроиндазолы 23-24, полученные циклоконденсацией 2-метил- и 2,2-ди-метил-6-арилиденциклогексанонов с гидразином, вводили во взаимодействие с изоцианатами, изотиоцианатами и с изоциановой кислотой in situ. В результате осуществлен региоселективный синтез ряда новых 3,За-/н/занс-7,7-диметил-2-тиокарбамоилгексагидроиндазолов 25-29, а также 7-метил- и 7,7-диметил-2-карбамоилгексагидроиндазолов 30-34.

Реакции кетонов 1-2 с гидразином протекают легко и с высоким выходом, давая относительно стабильные (в отличие от описанных в литературе аналогов без 7-метильных групп) Э,За-»^янс-гексагидроиндазолы 23-24 со свободной NH-группой.

Их взаимодействие с арилизоцианатами протекает без нагревания и катализатора, а с метил-, аллил- и арилизотиоцианатами - в присутствии триэтиламина. Кроме того, при их обработке цианатом калия в уксусной кислоте (HNCO in situ) получены ранее недоступные 3,За-/яранс-2-карбамоилгексагидроиндазолы 34в,г, не замещенные по азоту карбамоильной группы. Строение синтезированных соединений доказано элементным анализом и данными спектров 'Н ЯМР.

Схема 4.

R1

CI

n2H4> с,н,он

R1

R2 II

N-NH

23,24 (65-75%)

R3-NCY

, эф;р' r1R2' ii

(при Y=S - N

эфир, NEt3)

C(Y) NHR3

CI

25-29 (Y=S)

47-78% 30-33 (Y=0) 31-67%

где: R1=R2CH,, Y=S: R3=CH3 (25), R3=CH2CH=CH2 (26), R3=C6H5 (27), Ю=4-С1СбН4 (28), R3=4-CF3CsH4 (29); R1=H. R2=CH,. Y=Q: R3=4-C1C6H4 (30), R3=4-CF3C6H4 (31); R1=R2=CHV Y=Q: Ю=4-С1СбН4 (32), R3=4-CF3C6H4 (33)

| | | || KNCO

R-

C2H5OH

R II N

-NH 24 65-75%

CH,COOH

47-78%

С01\1Н2

где: R=H, Х=4-С1 (24в', 34в'); R=CH3, Х=4-С1 (24в, 34в); R=CH3, Х=4-Вг (24г, 34г)

1.3.Взаимодействие 2-арилиден-6,б-диметилциклогексаионов с фенилгидразином

В результате циклоконденсациии 2,2-диметил-6-(4-хлорбензилиден)-циклогексанона 2в с фенилгидразином при кипячении в чистом метаноле (или в присутствии каталитических количеств пиридина) получен 3,За-транс-2-фепил-3-(4-хлорфенил)-7,7-диметил-3,За,4,5,6,7-гексагидроиндазол 35в.

Схема 5.

37в; 69%

где: X = 4-С1 (в), 4-Вг (г)

От побочного продукта - 1-фенил-3-(4-хлорфенил)-4,5,6,7-тетрагидроиндазола 36в вещество 35в было отделено дробной кристаллизацией.

Взаимодействие 2,2-диметил-6-арилиден-циклогексанонов 2в,г с фенилгидразином в более жестких условиях (кипячение исходного кетона в пиридине с 2-6 кратным избытком фенилгидразина) сопровождались значительным осмолением реакционной массы, но тем не менее привело к преимущественному образованию 1-фенил-3-арил-7,7-диметилтетрагидроиндазолов 36в,г, структура которых впервые строго доказана методом РСА, поскольку для надежной идентификации изомеров Збв и 37в недостаточно незначительных отличий спектров *Н и 13С ЯМР. Факт 1-фенил-замещения свидетельствует о том, что продукты Збв,г образуются в результате параллельной реакции, а не за счет окисления 2-фенилгексагидроиндазолов 35в,г, как это можно было предполагать в случае получения изомерного 2-фенилтетра-гидроиндазола. По-видимому, в присутствии избытка основания реализуется альтернативный порядок присоединения фенилгидразина к системе сопряженных связей арилиденциклогексанонов, приводящий к образованию легко окисляющегося до структуры 36 интермедиата 361 (схема 5, путь 2). 2-Фенилтетрагидроиндазол 37в был синтезирован нами независимым путем - через оксиран 38в. Следует отметить, что вещества Збв и 37в значительно отличаются по температурам плавления.

Рис.3. Общий вид молекул Збв и Збг в представлении атомов тепловыми эллипсоидами атомных смещений с 50%-ной вероятностью (по данным РСА).

1.4. Определение 3,За-цнс-транс-конфигурации 3-арил-2-(тио)карбамоилгексагидроиндазолов методом 'Н ЯМР спектроскопии.

Пространственное строение соединения может заметно влиять на его биологическую активность, поэтому важна точная идентификация 3,3а-цис- и транс-гексагидроиндазолов. Поскольку асимметрические атомы углерода (3 и За) могут иметь как Я-, так и ^-конфигурацию, имеются 2 пары диастереомеров - ЗЛ,ЗаЛ -3/?,3а5 и 35,За/? - З^ЗаЗ1. В составе каждой пары один диастереомер имеет цис-, а другой- транс-расположение 3- и За-протонов. На рис.4 для упрощения представлена одна из таких диастереомерных пар. Во всех случаях под г/мс-гексагидроиндазолами мы понимаем совокупность диастереомеров с гуис-расположением 3- и За-протонов

(аналогично и для транс-изомеров). Более тонкие особенности стереостроения цис- и транс-гексагидроиндазолов не могут быть выявлены 'Н ЯМР спектроскопией.

Рис.4. Структура 3,Ъ&-цис- и транс- замещенного гексагидроиндазола.

Для определения цис- или транс-строения гексагидроиндазолов наиболее надежны методы РСА и ЫОЕЗУ, но их трудоемкость вызывает поиски простых критериев, основанных на данных одномерных спектров 'Н ЯМР.

К началу нашего исследования было уже установлено, что по величине константы спин-спинового взаимодействия У(3Н, 3аН) нельзя судить о структуре гексагидроиндазолов, как это пытались делать авторы ранних работ, а следует ориентироваться на характеристичные сигналы трех протонов - 3Н, 3аН и 4Нах.

Сигнал протона 3Н представляет собой дублет в области -4.5-6.0 м.д. с Д3Н, 3аН) = 3-12 Гц, а протона 3аН - мультиплет при ~3-3.5 м.д. В зависимости от природы заместителя Х„ в ароматическом ядре величины 5(3Н) и 5(3аН) колеблются внутри шгтервала шириной -1.0 м.д., а при фиксированном Х„ сигналы 3Н и 3аН в цис-изомерах смещены в слабое поле на 0.4-0.8 м.д. по сравнению с аналогичными сигналами в транс-изомерах. Мультиплет протона 4Нах характеристичен только для г/г/с-изомеров, проявляясь в сильном поле обособленно от других сигналов (-0.2-1.0 м.д.). В транс-изомерах он оказывается среди мультиплетов прочих алифатических протонов (-1.5-2.0 м.д.).

Из имеющихся литературных данных, а также на основе собственных результатов нами были отобраны 26 соединений, строение которых установлено достоверно (в основном,методы ИОЕБУ или РСА). Заместителями при атоме были группы -СОИНг, -С8ЫН2, -СОСН3, -С6Н5. В выборку при этом вошли как чистые цис-, так и чистые транс-изомеры. Обобщение данных 'Н ЯМР спектров этих соединений позволило определить области значений 8(3Н) и 5(3аН), характерные именно для цис-и именно для транс-изомеров, а также изучить степень возможного перекрывания данных областей. Результаты проведенного исследования представлены в табл.1. Из этих данных следует, что комплексное рассмотрение значений 8(3Н, 3аН, 4Нах) позволяет с большой достоверностью установить конфигурацию гексагидроиндазола.

Таблица 1. Хим. сдвиги протонов 3Н, аН и Нах цис- и транс- гексагидроиндазолов.

Изомер 8('Н), м.д. (д) 5(3аН), м.д. (м) 3(4Нак), м.д. (м)

3,3а-транс- 4.41-5.57 2.77-3.25 1.45-2.20

3,3а-цис- 5.41-6.03 3.23-3.88 0.62-1.05

Эти данные были применены нами ко всем синтезированным соединениям рассматриваемого ряда, и в 38 случаях из 40 три параметра одновременно соответствовали табличным интервалам для цис- (или транс-) изомера. Правильная оценка возможна даже при попадании одного из сигналов 3Н или 3аН в «зону перекрывания»: тракс-строение соединений 20ж,з при 5 (3Н) 5.53-5.57.м.д., установленное по значениям 8 (3аН) и 5 (4Нах), подтвердилось для 20з методом ЫОЕЗУ.

Предложенный метод пригоден и для идентификации изомеров 7-л<онометилгексагидроиндазолов, хотя спектры ЯМР 'Н этих соединений содержат двойной набор почти всех сигналов из-за их существования в виде смеси конформеров с аксиальным и экваториальным расположением 7-метильной группы.

2. Синтез 8-алкил- и 8,8-диалкилзамещенных 4-арил-3,4,5,6,7,8-гексагидро-2(7Д)-хиназолинтионов.

Во второй части работы нами исследовалась циклоконденсация 2-алкил- и 2,2-диалкил-6-арилиденциклогексанонов с такими азотсодержащими 1,3-бинуклео-филами как тиомочевина и роданид аммония. Не описанные в литературе 8,8-диалкилгексагидрохиназолинтионы 39-42 получали на основе 2,2-диалкил-6-арилиденциклогексанонов двумя известными методами - либо кипячением в этаноле с тиомочевиной в присутствии этилата натрия (метод А, схема 6), либо кипячением в смеси бензол-циклогексанол (10:1) с роданидом аммония (метод Б). Схема 6.

Н2ЫС(3)МН2, С2Н5ОМа

«11 Р^-х

*3Ч м"

Н2 О 2-4, в

Метод А С2Н5ОН, »о

NH4SCN

Метод Б

г^руО"

43-84% (А)

С6Н6, циклоСМ.,ОН, Р 39-42

т

39-48% (Б)

где: Хп = Н(а), 4-С1 (в), 4-Вг (г), 4-СН3 (д), 4-ОСН3 (е), 2-Вг (м), 2-СР3 (н);

4в и 39в - Я1=Я2=Ю=К4=Н ; 2а,в-е,з,м,н и 40а,в-е,з,м,н - Я1=Я2=СН3, ЯЗ=К4=Н;

Зв и 41в - 111112= (СН2)4, ЯЗ=Я4=Н; 6в и 42в - Я1112ЮК4 = (=СН-СН=СН-СН=)

Большинство соединений 39-42 получено методом А с выходом 43-84%. С хорошим выходом образуются также спироциклический (41в, 65%) и тетралоновый (42в, 79%) аналоги. Хиназолинтионы 39в и 40в,г синтезированы также способом Б с

выходом 39-48%. Этот способ заметного увеличения выхода не дает, но требует значительно больших затрат времени (на 3-12 ч), чем метод А, и более трудоемок на стадии выделения. Поэтому метод А мы считаем более предпочтительным.

Хиназолинтионы 39-42, имеющие хиральный центр при атоме 4С, образуются в виде рацемической смеси, о чем свидетельствует отсутствие оптической активности (измерено поляриметрическим методом для соединений 40а,д,м). В спектрах 'Н ЯМР характерный для гетероциклов 39-42 сигнал протона при атоме 4С проявляется в виде синглета в области 4.7-5.4 м.д., а в соединениях 40а,г,н и 42в в виде дублета с 2.5 Гц за счет спин-спинового взаимодействия с протоном группы 3ЫН.

Нами также установлено, что 2-л<оноалкил-6-арилиденциклогексаноны 1а-г, 43в, в отличие от 2,2-диметилзамещенных аналогов 2-4, при взаимодействии с тиомочевиной (метод А) дают смеси изомерных по расположению двойной связи соединений 44,45 (3,4,5,6,7,8-гексагидрохиназолинтион, изомер X) и 46,47 (3,4,5,6,7,10-гексагидрохиназолинтион, изомер У) (схема 7).

Схема 7.

И

мн2

С2Н50№

1а-г, 43в С2Н5ОН.

1°С Метод А

(31

НО

0 Э

■Н,0

1 44,45

Э иэомерХ

NN. ,1МН

46,47

Б изомерУ

где: К'=СН31а-г,44а-г,46а-г; К,= СН2СН2СН(СНз)2 43в,45в,47в; Хп=Н(а), 4-Р(б), 4-С1(в), 4-Вг(г).

Состав смесей 44а-г+46а-г и 45в+47в и структура изомерных 8-л<оноалкил-гексагидрохиназолинтионов установлены по спектрам 'Н ЯМР (на основании как литературных данных, так и спектра полученного нами индивидуального вещества 46г), подтверждены данными хромато-масс спектров и элементного анализа. Содержание изомера X в выделенных смесях составило 44-85%. Разделить их на индивидуальные компоненты методом колоночной хроматографии не удалось, и только соединение 46г было выделено с помощью многократной дробной кристаллизации.

Схема 8.

XI XI

С1СН2СООН, (СН3С0)20 49 *- (84%)

Был также синтезирован ряд производных хиназолинтиона 40в (схема 8): метилированием по связи С=Б получен гидройодид 48, а алкилированием монохлоруксусной кислотой с последующей циклизацией - трициклический продукт 49. Конденсация последнего с 4-хлорбензальдегидом привела к соединению 50.

Активация сернистого нуклеофильного центра тиомочевины в условиях кислотного катализа приводит к тому, что при взаимодействии с 2-арилиденцикло-гексанонами образуются не гексагидрохиназолинтионы, а 1,4,5,6,7,8-гексагидро-(2Н)-3, 1 -бензотиазин-2-имины (в виде солей). Конденсацией 2,2-диметил-6-бензи-лиденциклогексанона с тиомочевиной в кислой среде мы получили гидрохлорид 8,8-диметил-4-фенил-1,4,5,6,7,8-гексагидро-2//-3,1-бензотиазин-2-имина 51, структура которого изомерна хиназолинтионовой 40в и подтверждена спектром 'Н ЯМР.

3. Исследование фунгицидной активности синтезированных соединений.

Все полученные соединения были испытаны нами на фунгицидную активность in vitro на шести грибах-фитопатогенах различных таксономических классов: Venturia inaequalis (V.i.) - возбудителе парши яблонь, Rhizoctonia solani (R.s.) - возбудителе ризоктониоза, Fusarium oxysporum (F.о.), Fusarium moniliforme (F.m.) — возбудителях фузариозов, Bipolaris sorokiniana (B.s.) — возбудителе корневых гнилей, Sclerotinia sclerotiorum (S.s.) - возбудителе белых гнилей. Изучали влияние препаратов в концентрации 30 мг/л на радиальный рост мицелия по известной методике ВНИИХСЗР при использовании в качестве эталона фунгицида триадимефона.

Испытанные соединения оказывали заметное влияние на рост всех видов исследованных грибов, за исключением Хя., при этом наиболее сильно ингибируя рост мицелия и R.s. (см. таблицу 2).

Установлено, что наиболее сильно на фунгитоксичность гексагидроиндазолов влияют заместители в положении 2. Максимальную активность проявили 2-тиокарбамоилпроизводные. Далее в порядке убывания активности: 2-С8ЫНСН3, 2-СОЫН2, 2-С6Н5, 2-С8МНС6Н5, 2-СОШС6Н5.(ср. соединения 20в, 16в, 34в, 18в, 35в, 33) 1- и 2-Фенилтетрагидроиндазолы Збв и 37в практически не фунгитоксичны.

Схема 9.

NH

3.1.Фунгицидные свойства 7-метил и 7,7-диметил- 2-(тио)карбамоил-3-арил-3,За,4,5,6,7-гексагидроиндазолов и их аналогов.

Таблица 2. Фунгицидная активность некоторых гексагидроиндазолов in vitro.

4C(Y)NHF3 4C(S)NH2 NC6Hs

10 в,r; 11b,Д,К; 12b; 13b; 14b; 20b,ж,з - os 19в, 21ж-от 35b - trans

28; 31; 33; 34в,г - trans

№ R1 R2 R3 Xn Y Ингибирование роста мицелия, %

V.i. R.s. Ko. F.m. B.s. S. s.

10в СН3 H H 4-C1 S 51 75 47 52 77 23

Юг СН3 H H 4-Br S 57 64 53 50 - 27

11в СНз СН3 H 4-C1 S 42 50 46 58 77 26

Не СН3 СНз H 4-ОСНз s 28 46 23 41 58 14

11м СНз СНз H 2-Br s 33 21 10 29 49 6

12в -(СН2)4 H 4-C1 s 45 50 30 56 59 17

13в H H H 4-C1 s - 28 25 60 43 12

14в H H H 4-C1 0 26 40 27 31 - 17

15в 4-С1С6Н4СН= H 4-C1 s 1 31 12 20 8 13

16в СН3 СНз CH3 4-C1 s 37 53 26 55 42 12

18в СНз СН3 с6н5 4-C1 s 15 0 26 48 54 13

19в H 4-C1 s 37 43 24 46 69 14

20в СНз СН3 H 4-C1 s 54 70 62 65 62 30

20н СНз СНз H 2-CF3 s 20 25 3 12 - 6

20з СНз СН3 H 2,4-Cl2 s 54 60 50 61 58 26

21ж H 4-CF3 s 45 44 27 49 64 17

28 СН3 СНз 4-ClC6H4 4-C1 s 18 13 6 11 2 1

31 СН3 H 4-CF3C6H4 4-CI 0 13 17 15 16 9

33 СНз СНз 4-CF3C6H4 4-C1 0 3 25 4 8 5

34в СНз СНз H 4-C1 0 20 50 35 25 24

34г СН3 СНз H 4-Br 0 22 67 53 43 21

35в СН3 СН3 - 4-C1 - 12 24 81 5 16 8

Триадимефон* 41 43 77 87 44 61

* 3,3-Диметил-1 -(1,2,4-триазол-1 -ил)-1 -(4-хлорфенокси)-бутанон-2

Существенное влияние оказывают и заместители в положении 7: в наибольшей степени повышению активности способствует введение в это положение одной или двух метальных групп (10в, 11в) и в несколько меньшей -

спироциклопентанового фрагмента (12в). Модифицированный таким образом циклогексановый фрагмент, возможно, более эффективно моделирует структуру природного субстрата (группу С14-СН3 ланостерина), за счет чего повышается селективность связывания молекулы фунгицида с ингибируемым ферментом. Среднюю активность сохраняет тетралоновое производное 19в. Отсутствие заместителя (13в) ведет к еще большему ее снижению, а введение объемного аршшденового заместителя (15в) - к потере фунгитоксичности.

В отношении заместителей ароматического ядра увеличению активности способствует введение в пара-положение электроноакцепторных заместителей (особенно 4-С1) (Ив). Предположительно, 4-галогенфенильный фрагмент моделирует гидроксилированное кольцо А ланостерина, повышая сродство молекулы фунгицида с ингибируемым ферментом. У производных с электронодонорными заместителями отмечено некоторое снижение активности (Не, 11к). Орото-замещение приводит к дальнейшему понижению фунгитоксичности (11к, 11м).

Кроме того, на фунгитоксичность гексагидроиндазолов влияет пространственное строение: в частности, транс-изомер 20в несколько превосходит по активности цис-изомер Ив в отношении четырех видов грибов из шести.

Таким образом, показано, что повышению фунгицидной активности гексагидроиндазолов в способствуют (в порядке значимости) следующие факторы: 1) тиокарбамоильная группа в положении 2; 2) одна или две метальных группы в положении 7; 3) электроноакцепторные (особенно 4-хлор) заместители в пара-положении ароматического ядра; 4) 3,За-/иранс-конфигурация молекулы.

Максимальная фунгитоксичность выявлена у 3,За-тлранс-7,7-диметил-2-тиокарбамоил-3-(4-хлорфенил)-3,За,4,5,6,7-гексагидро-2./7-индазола 20в. По активности в отношении трех фитопатогенов это соединение превосходит эталон триадимефон и может быть рекомендовано для дальнейших испытаний in vivo.

3.2. Фунгицидная активность 8-алкил- и 8,8-диалкилзамещенных 4-арил-3,4,5,6,7,8-гексагидро-2(.Ш)-хнназолинтионов.

Установлено, что тенденции связи структура — активность в ряду синтезированных нами гексагидрохиназолинтионов (см. табл. 3) во многом аналогичны описанным выше для гексагидроиндазолов.

В частности, повышению фунгитоксичности способствует введение метальных групп в положение 8. При этом смеси изомерных 8-л*окоалкил-4-арил-3,4,5,6,7,8- и 8-л<оноалкил-4-арил-3,4,5,6,7,10-гексагидро-2(7Я)-хиназолинтионов проявили

несколько большую активность, чем соответствующие 8,8-диметильные аналоги (ср. 40д, 44в/46в, Збв).

Таблица 3. Фунгицидная активность некоторых гексагидрохиназолинтионов in vitro.

Хп Xn

HN NH

| 39-41,44,45

HN..NH

т

S

№ R1 R2 Хп Ингибирование роста мицелия, %

V.i. R.s. F.o. F.m. B.s. S.s.

39в Н Н 4-С1 66 28 9 45 74 21

40а СН3 СН3 Н 55 26 39 53 66 21

40в СН3 СН3 4-С1 43 29 36 54 73 19

40д СН3 СН3 4-СНз 56 59 55 64 66 34

41в -(СН2)4- 4-С1 51 17 28 52 68 10

42в 4-С1 13 0 11 10 4 4

44а,46а1 СН3 н,- Н 35 25 64 77 79 27

446,46б2 СН3 н,- 4-F 71 62 69 81 70 27

44B,46Bj СН3 Н,- 4-CI 69 66 71 79 76 44

44г,46г4 СН3 н,- 4-Вг 58 49 56 71 80 37

46г СН3 - 4-Вг 66 59 63 74 89 35

45в,47в5 (СН2)2СН(СН3)2 н,- 4-С1 11 30 13 41 63 2

48 43 60 14 40 20 37

50 14 29 12 14 0 2

516 14 43 20 49 13 11

20в7 - 42 50 46 58 77 26

Триадимефон8 41 43 77 87 44 61

Состав смесей:' -42:58, 2 - 10:90,3 - 15:85, 4 - 70:30,3 - 66:34

6. Гидрохлорид 8,8-диметил-4-фенил-1,4,5,6,7,8-гексагидро-2#-3,1-бензотиазин-2-имина 51.

7. 3,За-7ранс-2-тиокарбамоил-3-(4-хлорфенил)-7,7-диметил-3,За,4,5,6,7-гексагидро-2#-индазол 20в.

8. 3,3-диметил-1 -(1,2,4-триазол-1 -ил)-1 -(4-хлорфенокси)-бутанон-2.

Активность смесей 446/466 и 44в/46в в отношении таких патогенов, как Ул., Л.5., Ко. и В..ч., становилась несколько выше при увеличении содержания изомеров 466 и 46в, что может свидетельствовать о несколько большей фунгитоксичности структур типа 46 (по сравнению с 44). По отношению к пяти видам грибов из шести

чистый изомер 46г был активнее смеси 44г/46г на 3-10%, но по одному виду - на 3% менее активен.

При удлинении углеводородной цепи 8-л<оноалкильного заместителя фунгитоксичность снижается (ср. 8-метил- 44в/46в с 8-изопентил-производными 45в/47в). Введение спироциклического фрагмента (41в) вместо 8,8-диметильного (40в) заметно снижает активность по отношению ко всем видам патогенов, кроме V.i.

В отличие от гексагидроиндазолов, введение в ароматическое ядро 8,8-диметилгексагидрохиназолинтионов 40 электронодонорного заместителя привело к некоторому повышению активности (ср. 40в и 40д).

Тетралоновое 42в, S-метильное 48, трициклическое 50, а также бензотиазиновое производное 51 практически нефунгитоксичны.

Соединения 39-42, 44/46 и 45/47 ингибируют рост всех указанных фитопатогенов, особенно мицелия V.i. и B.s. При этом максимальную активность, по трем видам патогенов из шести превосходящую эталон, проявили 8-л<онометил-4-(4-галогенфенил)хиназолинтионы (46г, смеси 446/466, 44в/46в и 44г/46г), а также 8,8-диметил-4-(4-метилфенил)-3,4,5,6,7,8-гексагидро-2(/Л)-хиназолинтион 40д.

В среднем наиболее активные гексагидрохиназолинтионы на 2-24% более активны, чем максимально фунгитоксичный в своем ряду гексагидроиндазол 20в.

Выводы

1. Показано, что циклоконденсация 2-алкил- и 2,2-диалкил-

6-арилиденциклогексанонов с тиосемикарбазидами в условиях кислотного катализа позволяет осуществить региоселективный синтез широкого ряда новых 3,3а-цис-

7-алкил- и 7,7-диалкил-3-арил-2-тиокарбамоил-3,За,4,5,6,7-гексагидро-2Я-индазолов.

2. Установлено, что применение основного катализа в реакциях циклоконденсации 2,2-диметил-6-арилиденциклогексанонов с тиосемикарбазидом позволяет региоселективно получить ряд труднодоступных 3,3а-транс-3-арил-7,7-диметил-2-тиокарбамоил-3,За,4,5,6,7-гексагидро-2//-индазолов, но ввиду протекания побочной реакции ретроальдольной конденсации исходных кетонов этот метод не вполне универсален.

3. Показано, что реакции 2-метил- и 2,2-диметил-6-арилиденциклогексанонов с гидразином протекают с высоким выходом и региоселективно, а взаимодействие образующихся 3,3а-транс- 7-метил- и 7,7-диметил-3-арилгексагидро-2Я-индазолов с арилизоцианатами, арилизотиоцианатами, либо с изоциановой кислотой in situ является препаративным и достаточно универсальным методом синтеза Ъ,3а-транс-7-метил- и 7,7-диметил-2-арил-2-(тио)карбамоил-3,За,4,5,6,7-гексагидро-2#-индазо-лов, как замещенных, так и не замещенных по азоту (тио)карбамоильной группы.

4. Установлено, что основным результатом взаимодействия 2-арилиден-6,6-диметилциклогексанонов с фенилгидразином при кипячении в метаноле являются соответствующие 2-фенилгексагидроиндазолы, а в более жестких условиях в присутствии оснований (в кипящем пиридине) - 1-фенилтетрагидроиндазольт, структура которых впервые строго доказана методом РСА.

5. Предложен эффективный метод определения 3,За-г/ис-трд»с-конфигурации гексагидроиндазолов по данным одномерных спектров 'Н ЯМР, основанный на комплексном рассмотрении характеристичных сигналов протонов 3Н, 3аН и 4Нах.

6. Разработан препаративный метод синтеза 8,8-<Эиалкил-4-арил-3,4,5,6,7,8-гексагидро-2(///)-хиназолинтионов циклоконденсацией 2,2-диалкш-

6-арилиденциклогексанонов с тиомочевиной в условиях основного катализа. Показано, что реакции тиомочевины с 2-л«о«оалкил-6-арилиденциклогексанонами протекают нерегиоселективно, давая смеси изомерных 8-л<оноалкил-4-арил-3,4,5,6,7,8- и 3,4,5,6.7,10-гексагидро-2(///)-хиназолинтионов.

7. В ходе испытаний, проведенных на 6 грибах-фитопатогенах, обнаружена высокая фунгитоксичность ряда 7-алкил-3-арил-2-тиокарбамоил-3,За,4,5,6,7-гекса-гидро-2//-индазолов, а также 8-алкил-4-арил-3,4,5,6,7,8- и 3,4,5,6.7,10-гексагидро-2(/Я)-гексагидрохиназолинтионов. Установлены закономерности связи структура -фунгицидная активность и выявлены наиболее перспективные соединения, превосходящие по активности эталон триадимефон: троис-7,7-диметил-2-тиокарбамоил-3-(4-галогенфенил)-3,За,4,5,6,7-гексагидро-2#-индазол; 8,8-диметил-4-(4-метилфенил)-3,4,5,6,7,8-гексагидро-2(7Д)-хиназолинтион и 8-метил-4-(4-бром-фенил)-3,4,5,6,7,10-гексагидро-2(7Я)-хиназолинтион.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Гар М.М., Архипова О.Н., Попков C.B. Синтез и фунгицидная активность

7-замещенных 2-тиокарбамоил-З-арилгексагидроиндазолов. // Агрохимия. 2009. №6. С. 40-45.

2. Гар М.М., Архипова О.Н., Попков C.B. Замещенные 2-тиокарбамоил-З-фенил-3,За,4,5,6,7-гексагидро-27/-индазолы, способ их получения, фунгицидная активность: пат. 2374233 Рос. Федерация, заявл. 19.05.2008, опубл 27.11.2009; Бюл. изобр. № 33. 13 с.

3. Гар М.М., Кривцова В.Г., Попков C.B. Синтез и фунгицидная активность 8-алкил-4-арил-3,4,5,6,7,8- и 3,4,5,6,7,10-гексагидро-2(У//)-хиназолинтионов и их аналогов. // Агрохимия. 2013. №4. С. 63-71.

4. Гар М.М., Архипова О.Н., Попков C.B. Синтез и фунгицидная активность замещенных 2-тиокарбамоил-3-фенил-3,За,4,5,6,7-гексагидро-2//-индазолов / Успехи в химии и хим.технологии: сб.науч.трудов. М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2007. Т.21. №12. С.80.

5. Гар М.М., Бережная В.Г., Попков C.B. Синтез и фунгицидная активность 8-алкил-4-арил-3,4,5,6,7,8-гексагидро-2(/Я)-хиназолинтионов. / III Молодежная конференция ИОХ РАН: сб. тезисов докладов. М.: ИОХ РАН, 2009. С.27-29.

6. Гар М.М., Архипова О.Н., Попков C.B. Стереоселективный синтез и изучение фунгицидной активности замещенных 2-тиокарбамоил-З-фенил-З,За,4,5,6,7-гекса-гидро-2//-индазолов. Перспективы развития химии и практического применения алициклических соединений: тез.докл. XI Международной научн.-техн. конф. / ВолгГТУ. Волгоград: 2008. С. 132.

7. Гар М.М., Еремеев A.B., Попков C.B. Направленный синтез стереоизомерных 2-тиокарбамоил-3-арил-3,За,4,5,6,7-гексагидро-2/7-индазолов, обладающих фунги-токсичностью. / XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. В 4 т. Т. 1 : тез.докл. Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ, 2011. С. 159.

Заказ № Объем 16 п.л. Тираж 100

КопиМакс, ЗАО "Копи Центр"

Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева

На правах рукописи

04201450494

Гар Михаил Михайлович

Синтез и фунгицидная активность 2-замещенных 7-алкил-З-арилгексагидро-2Н-индазолов и 8-алкил-4-арилгексагидро-2(//У)-хиназолинтионов

02.00.03-0рганическая химия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель Попков Сергей Владимирович, кандидат химических наук

I

Москва - 2013 год

СОДЕРЖАНИЕ

1 Введение 5

2 Литературный обзор 9

2.1 Синтез и химические свойства 2-тиокарбамоил-, 2-карбамоил- и 2-фенил- 9 3,За,4,5,6,7-27/-гексагидроиндазолов и их аналогов

2.1.1 Синтез 2-(тио)карбамоил-3,За,4,5,6,7-гексагидроиндазолов и их аналогов 9

2.1.1.1 Реакция циклоконденсации а,/?-непредельных циклоалканонов с 11 (тио)семикарбазидами

2.1.1.2 Синтез и гетероциклизация (тио)семикарбазонов арилиденциклоалканонов 16

2.1.1.3 Реакции 2-незамещенных гексагидроиндазолов с изоцианатами и 17 изотиоцианатами как альтернативный метод синтеза 2-(тио)карбамоил-3,За,4,5,6,7-гексагидроиндазолов и их аналогов

2.1.2 Взаимодействие 2-арилиденциклоалканонов и их аналогов с гидразином и 20 фенилгидразином

2.1.2.1 Реакции с гидразином 20

2.1.2.2 Реакции с фенилгидразином 22

2.1.3 Химические свойства 3,За,4,5,6,7-гексагидро-2//-индазолов и их аналогов 28

2.2 Биологическая активность 2-тиокарбамоил-, 2-карбамоил- и 2-фенил- 34 3,За,4,5,6,7-2//-гексагидроиндазолов и их аналогов

2.3 Синтез и свойства 4-арил-3,4,5,6,7,8-гексагидро-2(7//)-хиназолинтионов и 42 их аналогов

2.3.1 Синтез 4-арил-3,4,5,6,7,8-гексагидро-2(7//)-хиназолинтионов и их 42 аналогов реакцией 2-алкилиден- и 2-арилиденциклоалканонов с тиомочевиной или роданидом аммония

2.3.2 Синтез К-замещенных 3,4,5,6,7,8-гексагидро-2(7#)-хиназолинтионов 49 реакцией 2-алкилиден- и 2-арилиденциклоалканонов с ^замещенными тиомочевинами ЮЧНС(8)№12

2.3.3 Синтез 2-иминогексагидробензотиазинов на основе незамещенной и 51 замещенных тиомочевин в кислой среде

224 Взаимодействие а,Р-непредельных циклоалканонов с роданидом аммония ^^

в кислой среде

2.3.5 Механизм взаимодействия а,р-непредельных кетонов с тиомочевинами 56

2.3.6 Другие методы синтеза 4-арил-3,4,5,6,7,8-гексагидро- 61 2(7Я)-хиназолинтионов и их аналогов

2.3.7 Химические свойства 4-арил-3,4,5,6,7,8-гексагидро- 66 2(777)-хиназолинтионов и их аналогов

2.4 Биологическая активность замещенных 4-арил-3,4,5,6,7,8-гексагидро- 69

2(7//)-хиназолинтионов и их аналогов

3 Обсуждение результатов 72

3.1 Синтез 2-замещенных 7-алкил-3-арилгексагидро-2Я-индазолов 72

3.1.1 Циклоконденсация 7-алкил- и 7,7-диалкил-2-арилиденциклогексанонов и 72 их аналогов с тиосемикарбазидами в кислой среде

3.1.2 *НЯМР спектры г^о2-тиокарбамоил-3,3а,4,5,6,7-гексагидро- 76 2//-индазолов

3.1.3 Циклоконденсация 2-арилиден-7,7-диметилциклогексанонов и 80 2-арилидентетралонов с тиосемикарбазидом в присутствии основания

3.1.4 Синтез транс-7-метил- и 7,7-диметил-2-(тио)карбамоил-3-арил- 83 3,За,4,5,6,7-гексагидро-2#-индазолов двухстадийным методом

3.1.5 Экспресс-метод определения конфигурации гексагидроиндазолов методом 86

ЯМР спектроскопии

3.1.6 ИК спектры 2-(тио)карбамоил и 2-фенил-3-арил-3,За,4,5,6,7-гексагидро- 89 2Н- индазолов

3.1.7 Реакции 2-арилиден-6,6-диметилциклогексанонов с фенилгидразином 91

3.2 Синтез 8-алкил-4-арил-3,4,5,6,7,8-гексагидро-2(77/)-хиназолинтионов и их 96 аналогов

3.2.1 Синтез 8,8-диметил-4-арил-3,4,5,6,7,8-гексагидро-2(7//)-хиназолинтионов 97 и их аналогов

3.2.2. Синтез 8-лш«ометил-4-арил-3,4,5,6,7,8-гексагидро-2(777)-хиназолинтионов 98 и их аналогов

3.2.3 Синтез 8,8-диметил—2'-алкилтио-4-(4-хлорфенил)-3,4,5,6,7,8-гексагидро- 99 2(777)-хиназолинов и их производных

3.2.4 ИКи'НЯМР спектры 8-алкил-4-арил-3.4,5,6,7,8-гексагидро- 102 2(777)-хиназолинтионов и их аналогов

3.3 Исследование фунгицидной активности полученных соединений 104

4 Экспериментальная часть 110

4.1 Синтез 7-алкил-и 7,7-диалкил-3,За-г^с-3-арил-2-тиокарбамоил- 111 3,За,4,5,6,7-гексагидро-27/-индазолов и их аналогов в кислой среде

4.2 Синтез га/?анс-3-арил-7,7-диметил-2-тиокарбамоил- 120 3,За,4,5,6,7-гексагидро-2//-индазолов и их аналогов в присутствии основания

4.3 Синтез 7-метил- и 7,7-диметил- т/?дис-3-арил-3,3а,4,5,6,7-гексагидр0- 123 2//-индазолов и их аналога, не замещенного по положению 7

4.4 Синтез т/?анс-7,7-диметил-2-тиокарбамоил-3-(4-хлорфенил)- 124 3,За,4,5,6,7-гексагидро-2#-индазолов, замещенных по атому азота тиокарбамоильной группы

4.5 Синтез 7-метил- и 7,7-диметил- тр£шс-2-карбамоил-3-(4-хлорфенил)- 127 3,За,4,5,6,7-гексагидро-2//-индазолов, замещенных по атому азота карбамоильной группы

4.6 Синтез транс-3-арил-7,7-диметил-2-карбамоил-3,За,4,5,6,7-гексагидро- 128 27/-индазолов и их аналога, не замещенного по положению 7

4.7 Синтез 7,7-диметил-2-фенил-3-(4-хлорфенил)-3,За,4,5,6,7-гексагидро- 130 2Я-индазола (35в), а также 1-фенил- и 2-фенил- 7,7-диметил-3-(4-хлорфенил)-4,5,6,7-тетрагидроиндазолов (36в,г)

4.8 Реакции арилиденкетонов с тиомочевиной в присутствии основания. 134

4.9 Синтез 4-(4-хлорфенил)-3,4,5,6,7,8-гексагидро-2(777)-хиназолинтиона 136 (39в) и 4-арил-8,8-диметил-3,4,5,6,7,8-гексагидро-2(7/7)-хиназолинтионов (40в,г) циклоконденсацией соответствующих кетонов с роданидом

аммония

4.10 Синтез 8-лго«оалкил-4-арил-3,4,5,6,7,8-гексагидро-2(7/7)-хиназолинтионов 139 (44-45) и 8-тиояоалкил-4-арил-3,4,5,6,7,10-гексагидро-2(7Я)-хиназолин-

тионов (46-47).

4.11 Синтез и изомеризация гидрохлорида 8,8-диметил-4-фенил- 144 1,4,5,6,7,8-гексагидро-2Я-3,1-бензотиазин-2-имина (51)

4.12 Алкилирование 8,8-диметил-4-(4-хлорфенил)-3,4,5,6,7,8-гексагидро- 145 2(7/7)-хиназолинтиона (40в)

5 Выводы 147

6 Список использованной литературы 149 Приложение 164

1. Введение.

Настоящая работа посвящена поиску новых аналогов азольных фунгицидов в ряду замещенных гексагидроиндазолов и хиназолинтионов.

Актуальность. Разработка новых химических средств защиты растений, в частности фунгицидов, является актуальной совместной задачей органической химии и агробиологии. Быстрый рост населения Земли и связанная с этим нехватка продовольствия привели к развитию высокопроизводительной агроиндустрии с интегрированной системой защиты растений. Большие потери при выращивании и хранении урожая в значительной мере обусловлены фитопатогенными грибами, поэтому современное производство сельскохозяйственной продукции невозможно без применения фунгицидов. Со временем применяемые препараты становятся малоэффективными ввиду возникновения к ним резистентных штаммов микроорганизмов, и поиск новых фунгицидов остается неизменно актуальным.

Из различных классов системных фунгицидов широкое применение получили производные 1,2,4-(7//)-триазола и имидазола, обладающие широким спектром действия (в частности, в борьбе с болезнями зерновых культур), малыми нормами расхода и низкой токсичностью для растений, животных и человека [1].

Механизм действия азольных фунгицидов состоит в ингибировании биосинтеза эргостерина (важнейшего компонента клеточных мембран грибов) на стадии окислительного дезметилирования 14а-метильной группы ланостерина (фермент стерин-14а-деметилаза - СУР51) [1-3]. Молекулы азольных фунгицидов, конкурируя с естественным субстратом - ланостерином, способны образовывать комплексы с атомом железа в составе гема в активном сайте фермента, а липофильная часть молекулы фунгицида для повышения селективности связывания с апоферментом частично моделирует структуру ланостерина. Наиболее важно моделирование кольца «О» ланостерина с его разветвленной боковой цепью [4], для чего в молекулу фунгицида может быть включен метил- или диметилциклогексановый фрагмент. На сегодняшний день

исследования в области химии и биологической активности азольных производных активно продолжаются.

Среди препаратов, занимающих в настоящее время значительное место на рынке, следует отметить триадимефон I, выбранный нами в качестве эталона при проведении испытаний, и тритиконазол II, гомолог которого триазолилметилциклогексанол III, синтезированный на кафедре ХТОС РХТУ им. Д. И. Менделеева, также проявил высокую фунгицидную активность. В структуре этих веществ гетероцикл и замещенный углеводородный фрагмент соединены метиленовым мостиком (рисунок 1.1).

До настоящего времени практически неисследованными с точки зрения фунгитоксичности оставались структуры, в составе которых азотсодержащий гетероцикл аннелирован с циклоалкановым кольцом. Таким образом, предметом данного исследования стали такие соединения, как 3,За,4,5,6,7-гексагидро-2(УД)-индазолы IV и гексагидро-2(7//)-хиназолинтионы У-У1 (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2.

Мы полагаем, что фунгитоксичность гексагидроиндазолов IV и гексагидрохиназолинтионов V, VI может быть обусловлена, как и в случае азольных фунгицидов, ингибированием биосинтеза эргостерина на стадии окислительного удаления 14а-метильной группы ланостерина. При этом присутствие в составе молекул IV-VI атомов азота и серы может способствовать

С1

Рисунок 1.1.

координационному взаимодействию с атомом железа гема в активном сайте ингибируемого фермента, а наличие алкильных заместителей в циклогексановом фрагменте - селективному связыванию фунгицида с апоферментом за счет моделирования природного субстрата (фрагмента С17-СН3 молекулы ланостерина), что было обнаружено ранее в случае азолилметилциклогексанолов типа III [4].

7,7-Диметилгексагидроиндазолы и 8,8-диметилгексагидрохиназолинтионы не были ранее известны. Несколько 7-.монометил-гексагидроиндазолов IV были получены в качестве ингибиторов моноаминооксидазы с анксиолитической активностью [5 ], но их фунгитоксичность не исследовалась. Это же относится и к известным 7-незамещенным и 7-арилиденгексагидроиндазолам, в том числе обладающим анксиолитической [6,7], противовоспалительной [8] и антибактериальной [9-11] активностью.

В связи с этим цель работы состояла в разработке методов синтеза, исследовании фунгицидных свойств и установлении связи структура-активность новых соединений в ряду 7-алкил- и 7,7-диалкил-3,За,4,5,6,7-гексагидро-2(7//)-индазолов IV, 8-алкил- и 8,8-диалкил-гексагидро-2(7//)-хиназолинтионов V-VI, а также их аналогов, содержащих аннелированные гетероциклический (пиразолиновый или пиримидинтионовый) и алкилциклогексановый фрагменты.

Новизна. Разработаны региоселективные методы синтеза 3,3а-цис- и 3,За-тра«с-7,7-диалкил-3-арил-2-(тио)карбамоил-3,За,4,5,6,7-гексагидро-2Я-инда-золов IV. Впервые синтезированы и охарактеризованы современными физико-химическими методами широкие ряды указанных соединений и 8-алкил-4-арил-3,4,5,6,7,8- и 3,4,5,6,7,10-гексагидро-2(///)-хиназолинтионов V-VI. Показано, что основным результатом взаимодействия 2-арилиден-6,6-диметилциклогексанонов с фенилгидразином при кипячении в метаноле являются соответствующие 2-фенилгексагидроиндазолы, а в более жестких условиях в присутствии оснований (в кипящем пиридине) - 1-фенилтетрагидроиндазолы, структура которых впервые строго доказана методом РСА. В результате испытаний, проведенных на 6 грибах-фитопатогенах, среди 3,3а-цис- и 3,3а-транс-

7,7-диалкил-3-арил-2-(тио)карбамоил-3,За,4,5,6,7-гексагидро-2//-индазолов и 8-алкил-4-арил-3,4,5,6,7,8- и 3,4,5,6,7,10-гексагидро-2(7Я)-хиназолинтионов впервые обнаружены вещества, обладающие высокой фунгицидной активностью. Подробно исследована связь структура - активность; выявлена зависимость активности не только от природы заместителей, но и от стереохимического строения синтезированных соединений.

Практическая ценность исследования состоит в осуществлении региоселективного синтеза широких рядов фунгитоксичных 3,3 а-цис- и 3,За-/и/?анс-7,7-диалкил-3-арил-2-(тио)карбамоил-3,За,4,5,6,7-гексагидро-2//-инда-золов и 8-алкил-4-арил-3,4,5,6,7,8- и 3,4,5,6,7,10-гексагидро-2(7//)-хиназолин-тионов IV-VI, многие из которых превосходят по фунгицидной активности эталон триадимефон и могут быть рекомендованы для дальнейших испытаний in vivo. Кроме того, предложен эффективный метод определения 3,3 а -цис-транс-конфигурации 3-арил-3,За,4,5,6,7-гексагидро-2Я-индазолов, основанный на комплексном рассмотрении сигналов ряда характеристичных протонов в одномерных спектрах 'НЯМР.

Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в 2 статьях в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК [12,13], в одном патенте РФ [14], в сборнике научных трудов Успехи в химии и хим. технологии (Москва, РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2007) [15] и были представлены на следующих конференциях и симпозиумах: III Молодежная конференция ИОХ РАН (Москва, 2009) [16], XI Международная научно-техническая конференция «Перспективы развития химии и практического применения алициклических соединений» (Волгоград, 2008) [17], и XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011) [18]. Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ (гос. задание №358092011).

Структура работы. Диссертационная работа изложена на 165 стр. печатного текста и включает в себя введение, обзор литературы, обсуждение результатов, экспериментальную часть, выводы, список литературы и приложение, содержит 135 схемы, 54 рисунка и 26 таблицы. Библиография включает 132 наименования.

2. Литературный обзор

2.1. Синтез и химические свойства 2-тиокарбамоил-, 2-карбамоил- и 2-фенил-3,За,4,5,6,7-27/-гексагидроиндазолов и их аналогов.

2.1.1.Синтез 2-(тио)карбамоил-3,За,4,5,6,7-гексагидроиндазолов и их аналогов

2-(Тио)карбамоил-3,За,4,5,6,7-гексагидро-2//-индазолы представляют собой бициклические системы с аннелированными циклогексановым и пиразолиновым фрагментами. К их аналогам относятся соединения с иным размером алифатического цикла или содержащие в нем гетероатом, а также трициклические системы, полученные из 2-арилидентетралонов. В настоящем обзоре рассмотрены, главным образом, соединения следующего строения:

1.. , н

-N

5,Зач<1/с-изомер 2 чр> 3,3а-транс-изомер

Я = СБЫНз, СОЫН2, С6Н5; ЮД2 = Н, СН3; Хп = 4-С1, 4-Вг, 2-СН3 и др.

Рис. 2.1. Замещенные 3-арил-3,За,4,5,6,7-гексагидро-2//-индазолы

Ключевой стадией получения этих соединений является формирование пиразолинового цикла, а отличительная особенность структуры - наличие двух асимметрических атомов углерода (3 и За). Поскольку они могут иметь как Я-, так и ^-конфигурацию, имеются 2 пары диастереомеров - 3/?,ЗаЯ - 37?,3а5 и 35",ЗаЯ -35,3 В составе каждой пары один диастереомер имеет цис-, а другой- трансрасположение 3-й За-протонов. Под цис- (и транс-) гексагидроиндазолом мы понимаем во всех случаях оба соответствующих диастереомера, изображая для удобства один из них.

Химия пиразолинов активно изучается с конца XIX века по настоящее время. Наиболее простым и эффективным методом их синтеза является взаимодействие а,^-непредельных альдегидов и кетонов с гидразинами. Впервые

подобную реакцию - акролеина с фенилгидразином - осуществили Фишер и Кновенагель в 1887 г [19]. Схема 2.1.

EtOEt П

сн2=снсн=о + c6h5nhnh2 -- N^

24h N'

(21%)

с6н5

Начало изучения химии аннелированных пиразолинов - гексагидро-индазолов - относится к 1914 г, когда Кижнер и сотр. реакцией пулегона 1 с гидразином получили 3,3,6-триметил-3,За,4,5,6,7-гексагидро-2//-индазол 2 (схема 2.2) [20,21]. Аналогичный 3-арилгексагидроиндазол 4 на основе 2-бензилиден-циклогексанона 3 впервые получен Жакьером и сотр. лишь в 1967 г. [22].

Схема 2.2.

n2h4*h2o

С2Н5ОН, t°C, 1ч

М-мн о N-мн 60%

1 2 4

Методы синтеза и химические свойства аннелированных пиразолинов обсуждаются в ряде обзоров [23-27].

Основой современного синтеза гексагидроиндазолов служат, главным образом, относительно доступные 2-арилиденциклогексаноны, получаемые кротоновой конденсацией ароматических альдегидов с циклогексанонами. Эти кетоны вводят во взаимодействие как с гидразинами (собственно гидразином, .монозамещенными алкил- и арилгидразинами), так и с семикарбазидами и тиосемикарбазидом.

Основные методы синтеза 2-(тио)карбамоил-3,За,4,5,6,7-гексагидро-индазолов и их аналогов - циклоконденсация а, /^-непредельных кетонов (2-арилиденциклогексанонов и др.) либо напрямую с (тио)семикарбазидами, либо в две стадии: реакцией с гидразином и взаимодействием образующихся 2-незамещенных гексагидроиндазолов с различными изо(тио)цианатами (схема 2.3).

14'

^ = Н, СН3; Аг = С6Н5 и др.

О О

р.и

I н нгм.

У МН2

я

М-ы

Аг

Р

О Х=0,3 + |\12Н4*Н20 -~

Х=0,3 X

Аг

^"ЫСХ

X

Я1'

О

н

2.1.1.1. Реакция циклоконденсации «,//-непредельных циклоалканонов с

Впервые этот метод (на примере взаимодействия пулегона с семикарбазидом) в 1930 г. предложен Буссе [28]. Схема 2.4.

о

Реакция протекала без катализатора, соотношение кетон : гидрохлорид семикарбазида 1 : 1.4. Значительно позднее в подобные реакции ввели 2-арилиденциклоалканоны (см. далее).

Взаимодействие 2-арилиденциклоалканонов с (тио)семикарбазидами в

кислой среде

Взаимодействием 2-бензилиден- и 2,6-бмсбензилиден

циклогексанонов с (тио)семикарбазидом (2-кратный избыток) при кипячении в этаноле в присутствии соляной кислоты (ок. 12 ммоль на 1 ммоль кетона) Лоран и сотр. синтезировали гексагидроиндазолы 5,6 в виде г^мс-изомеров для Х=8 и смеси изомеров для Х=0 [29].

(тио)семикарбазидами

'з

У~ын

н

+ 2 Y NH2 -

C2H5OH, t°c

HCl

5a,б

где: 5a - X=S (92%, eis), 56 - X=0 (58%, eis; 18%, trans) Схема 2.6.

I H C2H5OH, t°

+ HN4 -~

Y NH2 HCl X

N-N

6a,б,в

ч

Y

NHR

где: 6a - X=S, R=H (39%, eis); 66 - X=0, R=H (51%, eis; 24%, trans); 6в - X=0, R=C6H5 (34%, eis; 42%, trans)

Таким же образом синтезированы и циклогомологи 7а,б и 8а,б с 7- и

8-членными алициклами (рисунок 2.2) [29].

где: 7а - X=S (51%, eis); 76 - Х=0 (27%, eis; 32%, trans);

Ynh2 V™2 8a ~ X=S (88