Синтез и реакции азотсодержащих производных малеиновой кислоты и гетероциклических соединений на их основе тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

Рожков Сергей Сергеевич

СИНТЕЗ И РЕАКЦИИ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ ПРОИЗВОДНЫХ МАЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ И ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ НА ИХ ОСНОВЕ

02.00.03 - Органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

IА АПР 2014

Ярославль - 2014

005547579

Работа выполнена на кафедре «Аналитическая химия и контроль качества продукции» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ярославский . государственный технический университет»

Научный руководитель: кандидат химических наук

Овчинников Константин Львович

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Клюев Михаил Васильевич ФГБОУ ВПО

«Ивановский государственный университет»

доктор химических наук Смирнов Алексей Владимирович Институт проблем хемогеномики ФГБОУ ВПО «Ярославский педагогический университет им. К. Д. Ушинского»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова»

Защита диссертации состоится « 5 » июня 2014 г. в 12:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.308.01 при ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный технический университет» по адресу: 150023, г. Ярославль, Московский пр-т, д. 88, аудитория Г-219.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке при ФГБОУ ВПО «ЯГТУ» по адресу: 150023, г. Ярославль, Московский пр-т, д. 88 и на сайте http://www.ystu.ru.

Автореферат разослан « апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор химических наук

А.А. Ильин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Малеиновая кислота и её производные являются распространёнными реагентами в органическом синтезе ввиду их доступности, низкой стоимости и большого синтетического потенциала. Благодаря этому химия производных малеиновой кислоты активно развивается в настоящее время. Кроме того, азотсодержащие производные малеиновой кислоты и гетероциклические соединения на их основе, такие как замещённые малеини-миды, 5-иминофуран-2(5Я)-оны, 1,3,4-оксадиазолы и дигидрохиноксалин-2(1Д)-оны находят широкое практическое применение во многих областях науки и техники. Они используются при производстве лекарственных препаратов, гербицидов, инсектицидов, полимерных и композиционных материалов. Например, производство термостойких авиационных углепластиков на основе бис-ма-леинимидов. Ароматические производные 1,3,4-оксадиазола используются при создании флуоресцентных красок и электропроводящих слоёв органических светодиодов. Замещённые 5-иминофуран-2(5Я)-оны находят всё большее применение в органическом синтезе в качестве ацилирующих агентов, например, при получении таких поверхностно» активных веществ, как диамиды и амидо-эфиры малеиновой кислоты.

Совокупность представленных факторов делает разработку новых методов синтеза перечисленных соединений, а также получение новых представителей и исследование их реакционной способности актуальной задачей.

Настоящее исследование выполнено в соответствии с тематическим планом ЯГТУ, проводимым по заданию Федерального агентства по образованию РФ по теме: «Разработка инновационных методов получения полифункциональных соединений - биологически активных веществ, мономеров и высокомолекулярных соединений» на 2013 г. (№ 3.8513.2013), а также программой стратегического развития ФГБОУ ВПО ЯГТУ по теме «Материалы с новыми свойствами» 2012-2016 гг. (№ 0120 1275353).

Целью работы является исследование синтетических возможностей азотсодержащих производных малеиновой кислоты для разработки методов

получения и синтеза новых гетероциклических соединений.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать синтетические возможности амидов и имидов малеиновой кислоты для синтеза ариламидов (1,2,3,4-тетрагидро-2-оксохиноксалин-3-ил)уксусной кислоты.

2. Разработать удобный лабораторный способ синтеза А'-арилмалеиними-дов на основе реакции циклизации уУ-арилмалеинамидов.

3. Исследовать реакцию циклизации (2)-4-(А''-ароилгидразино)-4-оксо-2-бутеновых кислот с использованием дегидратирующих агентов.

4. Провести синтез новых гетероциклических соединений исходя из (%)-4-(/У'-ароилгидразино)-4-оксо-2-бутеновых кислот.

Научная новизна. Разработан новый метод синтеза ариламидов (1,2,3,4-тетрагидро-2-оксохиноксалин-3-ил)уксусной кислоты на основе Л'-арилмалеи-намидов, который позволяет исключить стадию синтеза УУ-арилмалеинимидов. Разработаны новые методы синтеза изомерно чистых (Е)- и (^-3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот. Впервые синтезированы соединения ряда (2^-3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловой кислоты, амидов и нитрилов (^-3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот. Получены новые производные 3,4-дигидрохиноксалин-2(1Я)-она взаимодействием С£)-3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот и ¿У'-ароил-5-гидразонофуран-2(5Я)-онов с о-фенилендиамином.

Практическая значимость работы. Обнаружено, что (Е)-3-(5-(п-тотт)-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловая кислота и нитрил ('£у)-3-(5-фенил-1,3,4-окса-диазол-2-ил)акриловой кислоты проявляют флуоресцентные свойства и могут быть использованы как оптические отбеливатели для белых пигментов. Выявлено, что этил(1,2,3,4-тетрагидро-2-оксохиноксалин-3-ил)ацетат может применяться как ингибитор полимеризации олигомерного полибутадиена в процессе его функционализации малеиновым ангидридом при производстве адгезионных присадок для дорожных битумов и компонента связующего состава для заводов абразивного инструмента. Проведён синтез ранее не описанных N'-[2-(1,2,3,4-

тетрагидро-2-оксохиноксалин-3-ил)ацетил]бензгидразидов и 3-[(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)метил]-3,4-дигидрохиноксалин-2(1#)-онов, которые могут найти применение в качестве билдинг-блоков при создании комбинаторных библиотек для биоскрининга. Предложен удобный лабораторный способ получения Л^арилмалеинимидов с преимущественно акцепторными заместителями в ароматическом кольце. Разработан метод получения ариламидов (1,2,3,4-тет-рагидро-2-оксохиноксалин-3-ил)уксусной кислоты, обеспечивающий более высокий выход продукта в сравнении с известным способом.

Положения, выносимые на защиту:

1. Синтез А'-арилмалеинимидов путём циклизации ТУ-арилмалеинамидов с использованием этилхлорформиата.

2. Метод синтеза ариламидов (1,2,3,4-тетрагидро-2-оксохиноксалин-3-ил)уксусной кислоты на основе /V- ар и л м ал е ин ам и до в.

3. Способы получения (Е)- и ^-изомеров 3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот и /У'-ароил-5-гидразонофуран-2(5#)-онов исходя из (2)- '-ароилгидразино)-4-оксо-2-бутеновых кислот.

4. Получение новых продуктов: (2^-3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акри-ловых кислот, амидов и нитрилов ^£)-3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акрило-вых кислот.

5. Синтез новых производных 3,4-дигидрохиноксалин-2(1//)-она путём взаимодействия (Е>3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот и А/'-ароил-5-гидразонофуран-2(5#)-онов с о-фенилендиамином.

Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались на Международной молодёжной научно-практической конференции «Альфред Нобель и достижения мировой науки и цивилизации за 110 лет» (Казань, 2011); IV Молодежной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии - 2011», посвященной 300-летию М.В. Ломоносова и Международному году химии (Москва, 2011); Всероссийской молодежной конференции «Актуальные проблемы органической химии» (Новосибирск, 2012); 65 Научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов высших учеб-

ных заведений с международным участием (Ярославль, 2012); III Всероссийской конференции по органической химии в рамках кластера конференций по органической химии «0ргхим-2013» (Санкт-Петербург, 2013); Международной научно-практической конференции «Общество, наука и инновации» (Уфа, 2013), Всероссийской конференции с международным участием «Современные достижения химии непредельных соединений: алканов, алкенов, аренов и гете-роаренов» (Санкт-Петербург, 2014).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи из списка журналов, рекомендованных ВАК, и 9 тезисов докладов конференций различных уровней, получен один патент РФ.

Личный вклад автора. Непосредственное участие во всех этапах работы. Постановка задач, планирование и личное выполнение экспериментальной работы, интерпретация аналитических данных, обобщение и обсуждение полученных результатов, формулирование выводов.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, химической и экспериментальной частей, заключения, списка используемых сокращений и списка использованной литературы. Работа изложена на 133 страницах, в том числе приложение на 2 страницах, содержит 10 таблиц, 16 рисунков. Список литературы включает 132 источника.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1 Литературный обзор

В первой главе диссертации представлен литературный обзор, в котором изложены известные пути синтеза Л'-замещённых мапеинимидов, Л'-замещённых 5-иминофуран-2(5//)-онов, Р-(1,3,4-оксадиазолил)акриловых кислот и их структурных аналогов, рассмотрены реакции с участием активированной двойной связи перечисленных соединений, а также основные направления их применения.

Глава 2 Химическая часть

2.1 Синтезы на основе моноамидов малеиновой кислоты

Синтез таких гетероциклических соединений, как ариламидов (1,2,3,4-тетрагидро-2-оксохиноксалин-3-ил)уксусной кислоты, может быть осуществлён путём взаимодействия ./У-арилмалеинимидов и о-фенилендиамина. В свою очередь, синтез имидов малеиновой кислоты является непростой синтетической задачей. В связи с этим нами была поставлена задача разработки удобного лабораторного способа получения этих соединений.

2.1.1 Синтез Л^-арилмалеинимидов

Пятичленные циклические имиды часто получают взаимодействием ангидридов вицинальных дикарбоновых кислот с аминами. Эта реакция протекает через образование соответствующих моноамидов, которые в большинстве случаев легко замыкаются в имидный цикл при нагревании. Исключением являются амиды малеиновой кислоты (малеинимиды), которые способны замыкаться в имидный цикл лишь с использованием дегидратирующих агентов, например, уксусного ангидрида.

Нами был предложен двухстадийный метод синтеза А^арилмалеиними-дов, включающий синтез моноамидов малеиновой кислоты 1 и их последующую циклизацию с использованием этилхлорформиата. Этот реагент часто применяется для активирования карбоксильной группы карбоновых кислот при синтезе амидов. В случае моноамидов малеиновой кислоты активация карбоксильной группы за счёт образования смешанного ангидрида 2 делает атаку амидного атома азота по карбонильному атому углерода «а» более эффективной, что способствует образованию целевых имидов 3 в мягких условиях (схема 1). В качестве акцептора выделяющегося в результате реакции хлороводоро-да использовался триэтиламин (ТЭА).

Синтез исходных моноамидов малеиновой кислоты 1а-м осуществляли ацилированием первичных ароматических аминов малеиновым ангидридом в растворе уксусной кислоты. Реакция протекала легко с выходами порядка 90 %.

Схема 1

Было обнаружено, что в результате реакции циклизации моноамидов ма-леиновой кислоты 1 с использованием этилхлорформиата получалась смесь двух изомеров: М-арилмалеинимида 3 и 5-(арилимино)фуран-2(5#)-она 4 (Л^-арил-изо-малеинимида). Для определения влияния заместителей в ароматическом кольце моноамидов малеиновой кислоты на соотношение продуктов циклизации была проведена серия экспериментов в одинаковых условиях для различных субстратов. Продукты анализировали методом ЯМР 'Н. Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Мольное соотношение изомеров в продуктах циклизации Л'-арилмалеинамидов (Т комн., 30 мин., ацетон, соотношение субстрат : ЕЮСОС1: ТЭА = 1 : 1.1 : 1.3, моль)

Субстрат Я Соотношение изомеров, % Субстрат Я Соотношение изомеров, %

МИ (3) шо-МИ (4) МИ (3) изо-МИ (4)

1а Н 12 88 1ж 3,4-СЬ 95 5

16 3,4-Ме2 7 93 1з 4-СООСНз 94 6

1в 4-Ме 21 79 1и 4-К02 98 2

1г 4-ОМе 6 94 1к 3,5-Ме2 8 92

1д 4-Вг 60 40 1л З-Ме 11 89

1е 4-С1 71 29 1м 2-Ме 14 86

Наблюдалась общая закономерность - с увеличением электроноакцептор-ных свойств заместителей возрастала доля Л^арилмалеинимида в образующейся смеси изомеров. Так, в случае электронодонорного метоксильного заместите-

ля основным продуктом был Л^арил-мзо-малеинимид 4г, мольная доля которого в выделенной смеси изомеров составляла 94 %. Близкий результат был получен при циклизации субстратов с двумя метальными заместителями 16, к. В случае дихлор-, метоксикарбонил- и нитрозамещённого субстратов основными продуктами реакции циклизации были Л^-арилмалеинимиды Зж — и.

Известно, что шо-малеинимиды способны изомеризоваться в более термодинамически устойчивые малеинимиды, например, под действием повышенной температуры. Действительно, варьирование времени реакции и температуры привело к изменению соотношения продуктов. В результате были подобраны индивидуальные условия синтеза А^-арилмалеинимидов с различными заместителями в ароматическом кольце. Условия синтеза и выходы продуктов представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Условия синтеза и выходы //-арилмалеинимидов (ацетон, соотношение субстрат : ЕЮСОС1: ТЭА = 1 : 1.1 : 1.3, моль)

Соединение R Время реакции, мин. Т,°С Выход, %

За Н 180 56 68

Зв 4-Ме 180 56 79

Зд 4-Вг 60 56 74

Зе 4-С1 60 56 75

Зж 3,4-СЬ 30 23 72

Зз 4-СООМе 30 23 69

Зи 4-N02 30 23 86

В случае Л^-арилмалеинамидов 16, г, к — м проведение циклизации при повышенной температуре приводило к увеличению доли Д^-арилмалеинимида в смеси изомеров, однако в результате длительного кипячения были выделены исходные моноамиды малеиновой кислоты. В чистом виде были получены УУ-арил-мзо-малеинимиды 46, г, к при проведении реакции циклизации при комнатной температуре с последующей перекристаллизацией из изопропилового спирта.

Для подтверждения структуры синтезированных соединений использовались ЯМР 'Н, ИК-спектроскопия и масс-спектрометрия электронного удара .

2.1.2 Синтез производных 3,4-дигидрохиноксалин-2( \Н)-о\т

Синтезированные iV-арилмалеинимиды были использованы нами в реакции с о-фенилендиамином для синтеза ариламидов (1,2,3,4-тетрагидро-2-оксо-хиноксалин-3-ил)уксусной кислоты 5а — г (схема 2). Реакцию проводили по известной методике при кипячении в смеси этилового спирта и воды. Выходы оказались ниже литературных и составили 53 — 60 %. С другой стороны, из литературы известно, что замещённые 3,4-дигидрохиноксалин-2(1Я)-оны и их серосодержащие аналоги могут быть получены с использованием а,Р-ненасыщен-ных карбоновых кислот. В связи с этим нами был опробован способ синтеза ариламидов (1,2,3,4-тетрагидро-2-оксохиноксалин-3-ил)уксусной кислоты, основанный на взаимодействии о-фенилендиамина с моноамидами малеиновой кислоты 1, прекурсорами в синтезе ./V-арилмалеинимидов.

aNH2

V^USST^W ^ -»Г Ч ^

° 3 2 ч. е' s 1 4 1

R: H (a), CHj (б), OCH, (в), С1 (г), NOz (д)

Схема 2

В результате подбора растворителя и варьирования времени реакции было обнаружено, что реакция о-фенилендиамина с моноамидами малеиновой кислоты 1 легко протекает при кипячении в изопропиловом спирте в течение одного часа с добавлением небольшого количества ДМФА для улучшения растворимости (схема 2). Выходы составили 55 - 73 %. Использование TV-арилмалеинами-дов 1 для получения ариламидов (1,2,3,4-тетрагидро-2-оксохиноксалин-3-ил)уксусной кислоты 5а — д вместо iV-арилмалеинимидов 3 является более рациональным, поскольку позволяет сократить синтез на одну стадию.

Исследованная методика синтеза ариламидов (1,2,3,4-тетрагидро-2-оксо-хиноксалин-3-ил)уксусной кислоты 5а—д была опробована с использованием в

качестве субстрата моноэтилового эфира малеиновой кислоты 6. В результате был синтезирован этил(1,2,3,4-тетрагидро-2-оксохиноксалин-3-ил)ацетат 7 с выходом 34 % (схема 3). Синтез этого соединения также был осуществлён с близкими выходами с использованием в качестве растворителя этилового спирта или воды.

6 7

Схема 3

2.2 Синтез и реакции соединений на основе (^-4-(2-ароилгидразино)-4-оксо-2-бутеновых кислот

Синтез (29-4-(2-ароилгидразино)-4-оксо-2-бутеновых кислот осуществляли путём ацилирования гидразидов ароматических карбоновых кислот 8 малеи-новым ангидридом (схема 4), по аналогии с синтезом моноамидов малеиновой кислоты. Реакция легко проходила в уксусной кислоте при комнатной температуре с высоким выходом продуктов 9 с выходами 92 - 97 %.

8а - д " О 9а - д Н Н

Я: Н (а), СН, (б), ОСН, (в), С1 (г), Ш2 (д)

Схема 4

2.2.1 Синтез 3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот Путём циклизации (7)-4-(2-ароилгидразино)-4-оксо-2-бутеновых кислот 9 с использованием в качестве дегидратирующего агента хлорокиси фосфора, часто используемой в синтезе 1,3,4-оксадиазолов, были синтезированы 3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловые кислоты. Синтезы проводили при комнатной температуре в ДМФА.

С использованием ЯМР 'Н спектрометрии было обнаружено, что в результате циклизации (2)-4-(2-ароилгидразино)-4-оксо-2-бутеновых кислот 9 об-

разовывались как (Е)-, так и (%)-3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акр иловые кислоты 10 и 11 соответственно (схема 5). Во всех случаях мажорным был термодинамически более устойчивый Е- изомер 10. Разделить изомеры удалось благодаря их различной растворимости в воде. В большинстве случаев при смешении реакционной смеси с водой и льдом продукт (^-конфигурации мгновенно выпадал в виде осадка, который сразу отфильтровывали. Фильтрат выдерживали в течение 12 часов при комнатной температуре и отфильтровывали выпавший в виде осадка (2)-изомер.

В результате серии экспериментов для каждого субстрата были подобраны наиболее подходящие временные режимы проведения реакции (таблица 3).

Для субстратов 9а — в были определены условия циклизации, позволяющие получать только продукты (¿^-конфигурации в чистом виде. Следует отметить, что для осуществления циклизации исходных соединений с донорными заместителями 96, в потребовалось больше времени по сравнению с субстратом без заместителей 9а.

Циклизация хлорзамещённой 9г и нитрозамещённой 9д (2)-4-(2-ароил-гидразино)-4-оксо-2-бутеновой кислоты была осложнена протеканием побочных реакций, что не позволило получить в чистом виде (Е,)-3-(5-арил-1,3,4-ок-садиазол-2-ил)акриловые кислоты. Несмотря на это, (2^-изомеры 11г и Ид были выделены из фильтратов, оставшихся после фильтрования продуктов циклизации соответствующих (2^-4-(2-ароилгидразино)-4-оксо-2-бутеновых кислот.

.СООН

Схема 5

Таблица 3 - Состав продуктов циклизации <%)-4-(2-ароилгидразино)-4-оксо-2-бутеновых кислот 9 (Т комн. ДМФА, соотношение субстрат : РОС1з= 1 : 1.2, моль)

Субстрат Я Время реакции, мин. Выход (^-изомера 10, % Выход -изомера 11, % Примечание

9а Н 20 52 14 -

60 64 0 -

20 Смесь с 96 8 Низкая конверсия

96 Ме 60 54 10 -

90 61 0 -

20 Смесь с 9в 7 Низкая конверсия

9в ОМе 60 44 16 -

120 56 0 -

9г С1 20 Смесь с 9г 9 Низкая конверсия

60 Не выделен 14 Смесь продуктов

9д N02 20 Не выделен 8 Смесь продуктов

Идентификация изомеров 3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот проводилась методами ИК, ЯМР 'Н и ЯМР 'Н ЫОЕБУ спектроскопии. Строение соединения 10а также было подтверждено данными ЯМР |3С спектроскопии и масс-спектрометрии высокого разрешения (тип ионизации -электроспрей).

На рисунках 1 и 2 изображены фрагменты ЯМР 'Н спектров (Е)- и (%)-3-(5-фенил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот (10а и 11а). Основное отличие спектров изомеров заключалось в различном расположении сигналов протонов двойной связи и в различии констант спин-спинового взаимодействия этих протонов. В спектре (Е)-изомера указанные сигналы были значительно сдвинуты в более слабую область магнитного поля и имели большую константу спин-спинового взаимодействия (У= 16 Гц), чем у ^-изомера (7=12 Гц).

Рисунок 1 - Фрагмент ЯМР 'Н спектра кислоты 10а

4

ал 7Л 7.8 7.4 71 7.0 ¿8 в.в

Рисунок 2 - Фрагмент ЯМР 'Н спектра кислоты 11а

2.2.2 Функционализация (^-3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот

Для исследования селективности реакций по карбоксильной группе и активированной двойной связи (£)-3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акр иловых кислот, а также устойчивости гетероцикла нами была проведена серия реакций по функционализации этих соединений.

Синтез этиловых эфиров ^-3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот 12а, б из соответствующих субстратов 10а, б проводили в среде этилового спирта с добавлением хлористого тионила (схема 6). Первичные амиды (Е)-3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот 13а,б получали за два этапа. Сначала к раствору исходной кислоты в 1,4-диоксане добавляли хлори-

стый тионил и триэтиламин, далее к реакционной смеси приливали концентрированный водный раствор аммиака (25 % масс.) и выдерживали в течение одного часа. На основе первичных амидов были синтезированы соответствующие нитрилы 14а,б. Реакцию проводили с использованием хлорокиси фосфора в растворе ДМФА при комнатной температуре в течение одного часа. Методика синтеза первичных амидов была удачно использована при получении ароматических амидов (Е/)-2-(5-фенил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловой кислоты 15а-д.

Синтез 3-[(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)-метил]-3,4-дигидрохиноксалин-2(1Д)-онов 16а,б был осуществлён за счёт использования Л'.ТУ-карбонилдиими-дазола (КДИ) в реакции ^-2-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот 10а,б с о-фенилендиамином (схема 6).

соон

-ОСТ

I) Б0С12, т. ^СОЫН2 1,4-диоксан

2)ЫН: (25 % масс.)

РОС13, ДМФА

13а 55 %, 136 57 %

з \==/ Ы'

СООН

1)МН2ЫН2'Н20, N1К а, Т комн.

N 17а 72 %, 176 80%

2) НС1

Т комн.

1)КДИ, 1,4-диоксан

-ОС

ЕЮН, 50С12, Д

«ОХ1

14а 83%, 146 74 %

Я: Н (а), Ме (б)

Я': Н (а), 4-СН3(б), 4-0СН3(в), 4-]М02(г), 3-С1 (д)

Схема 6

Гидрирование С£)-3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот 10а,б проводили с помощью гидразин-гидрата на катализаторе никель Ренея (>ЛЛа) в водном растворе при комнатной температуре в течение полутора часов (схема 6).

Для идентификации синтезированных соединений использовались мето-

ды ИК, ЯМР 'Н спектроскопии. Строение соединения 16а также подтверждено методами ЯМР 13С спектроскопии, масс-спекгрометрии высокого разрешения (тип ионизации - электроспрей) и элементным анализом.

2.2.3 Синтез Л^-ароил-5-гидразонофуран-2(5//)-онов Нами был разработан селективный метод синтеза Ы'- ароил-5-гидразоно-фуран-2(5Н)-онов 18, который основан на циклизации (^)-4-(2-ароилгидразино)-4-оксо-2-бутеновых кислот 9 в ДМФА с использованием хло-рокиси фосфора при температуре 0 - 10 °С (схема 7). Превращение протекало в течение 20 - 60 минут. Информация о выходах №- ароил-5-гидразонофуран-2(5//)-онов 18а -д представлена в таблице 4. он

=\ .о

ГК

9а-д

¡: ДМФА, РОС13, 0- 10 С0,20-60 мин.

и: ДМФА, ЕЮСОС1, Т комн., 30 мин.

18а-д Схема 7

Таблица 4 - Выходы Аг'-ароил-5-гидразонофуран-2(5//)-онов 18 (0 - 10 °С, 30 мин., ДМФА, соотношение субстрат : РОС13 = 1 : 1.2, моль или Т комн., 30 мин., ДМФА, соотношение субстрат : ЕЮСОС1: ТЭА = 1 : 1.1 : 1.3, моль)

Соединение Я Выход при использовании реагента, %

РОСЪ ЕЮСОС1

18а Н 58 54

186 Ме 81 71

18в ОМе 82 70

18г С1 76 67

18д N0, 90 81

Условия синтеза различных Л^'-ароил-5-гидразонофуран-2(5//)-онов отличались лишь длительностью проведения реакции. Например, синтез А'-бензо-ил-5-гидразонофуран-2(5//)-она 18а осуществляли в течение 20 минут при строгом соблюдении температурного режима. Увеличение температуры или длительности реакции приводило к образованию примеси (2^-3-(5-фенил-1,3,4-ок-садиазол-2-ил)акриловой кислоты 11а. Синтез продуктов 186,в и 18д проводили

в течение 30 минут, 18г - 60 минут.

Циклизация (2М-(2-ароилгидразино)-4-оксо-2-бутеновых кислот 9 также была опробована нами с применением этилхлорформиата. Было обнаружено, что данный подход приводит к селективному получению /V'- ароил-5-гидразоно-фуран-2(5//)-онов 18. Реакцию осуществляли в ацетоне при комнатной температуре в течение 30 минут (схема 7). Информация о выходах продуктов 18а - д представлена в таблице 4. Значительным преимуществом методики синтеза Аг'-ароил-5-гидразонофуран-2(5Я)-онов 18 с использованием этилхлорформиата оказалась её универсальность. Все продукты были получены в одних условиях. Идентификация соединений проводилась методами ИК и ЯМР 'Н спектроскопии.

2.2.4 Перегруппировка Аг-ароил-5-гидразонофуран-2(5//)-онов

Из литературы известен пример перегруппировки 7У'-ацетил-5-гидразоно-фуран-2(5#)-она в (Е)-3-(5-метил-1,3,4-оксадиазол-2ил)акриловую кислоту при кипячении в уксусной кислоте. В связи с этим нами была проведена серия экспериментов, в которых Аг'-ароил-5-гидразонофуран-2(5Л)-оны 18 были подвергнуты термической обработке в растворённом состоянии. Было установлено, что нагревание Аг'-ароил-5-гидразонофуран-2(5//)-онов в толуоле приводит к селективному образованию (2^-3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот 10, в уксусной кислоте - к получению (¿^-изомеров этих кислот И (схема 8). Информация о выходах изомеров представлена в таблице 5.

Схема 8

Данный метод позволил получать (2/)-3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)ак-риловые кислоты 11 с высоким выходом, что не удавалось путём прямой цикли-

10а-д

11а-д

зации (7)-4-(2-ароилгидразино)-4-оксо-2-бутеновых кислот 9. Кроме того, данный подход позволил получить нитро- и хлорзамещённую (£)-3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловые кислоты 10в, д.

Таблица 5 - Выходы продуктов перегруппировки ТУ'-ароил-З-гидразоно-фуран-2(5//)-онов 18 в толуоле (90 мин., кипячение) или уксусной кислоте (4 ч., кипячение)

Выход, %

Субстрат Я (^-изомеры (^-изомеры

10 (толуол) 11 (уксусная кислота)

18а Н 64 55

186 Ме 73 67

18в ОМе 75 59

18г С1 82 65

18д N02 76 64

2.2.5 Взаимодействие А"-ароил-5-гидразонофуран-2(5Я)-онов с о-фенилендиамином

/|/'-Ароил-5-гидразонофуран-2(5//)-оны, были опробованы нами в синтезе производных 3,4-дигидрохиноксалин-2(/Я)-она. Было обнаружено, что взаимодействие Аг'-ароил-5-гидразонофуран-2(5//)-онов 18 с о-фенилендиамином происходит при кипячении в изопропиловом спирте в течение двух часов с образованием Лг'-[2-(1,2,3,4-тетрагидро-2-оксохиноксалин-3-ил)ацетил]бензгидра-зидов 19 с выходами 57 - 64 % (схема 9).

/=\ о

гн=сг°

18 а-д

Я

(X:

1-РЮН, кипячение

^ О

,п О

19а - д н

Я: Н (а), СН3 (б), ОМе (в), С1 (г), И02 (д)

Н №

о=<

у/

н н

20

Схема 9

Вероятно, данная реакция протекала через образование промежуточного продукта ацилирования одной из аминогрупп о- фенилендиамина ЛР-ароил-5-гидразонофуран-2(5#) -оном 20, который легко замыкался с получением 3,4-дигидрохиноксалин-2(/Я)-онового цикла.

2.3 Дегидрирование производных 3,4-дигидрохиноксалин-2(1Я)-она с применением хлоранила

Для дегидрирования этил(1,2,3,4-тетрагидро-2-оксохиноксалин-3-ил)аце-тата 7 и 3-[(5-фенил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)-метил]-3,4-дигидрохиноксалин-2(1/У)-она 16а нами был использован хлоранил, применяемый для дегидрирования подобных структур.

Реакцию дегидрирования этил(1,2,3,4-тетрагидро-2-оксохиноксалин-3-ил)ацетата 7 проводили в кипящем толуоле в течение двух часов при мольном соотношении субстрат : хлоранил =1 : 1.1 (схема 10).

Схема 10

В результате реакции была получена смесь изомеров: этил(1,2-дигидро-2-оксохиноксалин-3-ил)ацетат 21а (30 % по данным ЯМР 'Н) и этил(2-оксо-1,2,3,4-тетрагидрохиноксалин-3-илиден)ацетат 216 (70 %). В результате перекристаллизации полученной смеси в 1-бутаноле был выделен индивидуальный изомер 216.

При дегидрировании 3-[(5-фенил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)-метил]-3,4-ди-гидрохиноксалцн-2(1Я)-она 16а с использованием хлоранила в тех же условиях из реакционной смеси был выделен один продукт - 3-[(5-фенил-1,3,4-оксадиа-зол-2-ил)метил]хиноксалин-2(1#)-он 22 (схема 11).

Схема 11

2.4 Возможные направления практического применения соединений

2.4.1 Флуоресцентные свойства 3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)-акриловых кислот и их производных

3-(5-Арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловые кислоты и их производные имеют в своей структуре систему сопряжённых я-электронов, способствующую эффективному внутримолекулярному переносу заряда, и потенциально могут проявлять флуоресценцию.

Наличие флуоресцентных свойств у кислот 10 и их производных было обнаружено по фиолетовому свечению растворов этих веществ в ДМФА, помещённых под ультрафиолетовую лампу с X = 365 нм, то есть имело место Стоксовское смещение. Для спрессованных в виде «таблеток» образцов (Е>3-(5-(и-толил)-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловой кислоты 106 и нитрила ^-3-(5-фенил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловой кислоты 14а были определены коэффициенты отражения на спектрофотометрах Бресогс1-М40 и «Пульсар». В результате было обнаружено, что в ближней ультрафиолетовой области спектра коэффициент отражения испытуемых образцов, определённый на приборе «Бресогс! М40», сильно возрастал относительно эталона - до 2.5 для соединения 14а и до 1.8 для 106. Это свидетельствовало о наличии флуоресценции у образцов, причём максимальная флуоресценция наблюдалась при облучении образцов светом с длиной волны 380 нм. Таким образом, кислота 106 и нитрил 14а имеют потенциальное направление применения в качестве оптических отбеливателей для белых пигментов, например,для диоксида титана.

2.4.2 Ингибирование термоокислительной полимеризации полибутадиена

Производные 3,4-дигидрохиноксалин-2(1//)-она представляют собой вторичные амины и потенциально могут использоваться в качестве ингибиторов негативной реакции термоокислительной полимеризации при модификации олигомерного бутадиенового каучука малеиновым ангидридом в процессе производства адгезионных присадок для дорожных битумов и компонента связующего состава для заводов абразивного инструмента.

В качестве ингибитора полимеризации олигомерного полибутадиена в лаборатории предприятия производителя адгезионных присадок для дорожных битумов (ООО « Предприятие Дорос») был испытан этил( 1,2,3,4-тетрагидро-2-оксохиноксалин-3-ил)ацетат 7. Для сравнения использовался антиоксидант Диа-фен ФП, применяемый на предприятии.

Полученные данные свидетельствуют о высокой эффективности этил(1,2,3,4-тетрагидро-2-оксохиноксалин-3-ил)ацетата в качестве ингибитора термоокислительной полимеризации олигомерного полибутадиена в процессе его малеинизации. Это соединение обеспечивает достижение требуемых показателей качества продукта и может быть использовано взамен Диафена ФП.

Глава 3 Экспериментальная часть

В третьей главе указаны характеристики исходных соединений, описаны методики проведения синтетических и аналитических экспериментов, приведены результаты анализов синтезированных соединений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В результате исследования реакции циклизации Л^-арилмалеинамидов с использованием этилхлорформиата разработан удобный лабораторный способ получения А'-арилмалеинимидов, имеющих преимущественно электроноакцеп-торные заместители в ароматическом кольце. Показано влияние условий и строения субстрата на протекание конкурирующей реакции образования А^арил-изо-малеинимидов.

2. Разработан метод синтеза ариламидов (1,2,3,4-тетрагидро-2-оксохинок-салин-3-ил)уксусной кислоты взаимодействием ]У-арилмалеинамидов и о-фенилендиамина, не требующий стадии получения УУ-арилмалеинимидов. Осуществлён синтез этил(1,2,3,4-тетрагидро-2-оксохиноксалин-3-ил)ацетата реакцией моноэтилового эфира малеиновой кислоты и о-фенилендиамина.

3. На основе реакции циклизации (2/)-4-(Лг'-ароилгидразино)-4-оксо-2-бу-теновых кислот разработан новый способ получения изомерно чистых (Е)- и (2Г)-3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот с использованием хлоро-киси фосфора при комнатной температуре в ДМФА, а также метод синтеза Лг'-ароил-5-гидразонофуран-2(5Я)-онов с применением хлорокиси фосфора в ДМФА при температуре 0 - 10 °С или этилхлорформиата в ацетоне при комнатной температуре.

4. В результате изучения перегруппировки 7\Л-ароил-5-гидразонофуран-2(5Я)-онов установлено, что нагревание указанных соединений в толуоле приводит к селективному образованию (2)- 3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акрило-вых кислот, в уксусной кислоте - к получению (^-изомеров этих кислот.

5. Осуществлён синтез ряда новых соединений различных классов: ^-3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот, амидов и нитрилов С£)-3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот, 3-[(5-арил-1,3,4-оксадиа-зол-2-ил)-метил]-3,4-дигидрохиноксалин-2(1Я)-онов, УУ'-[2-(1,2,3,4-тетрагидро-2-оксохиноксалин-3-ил)ацетил]бензгидразидов.

6. Установлено, что (£)-3-(5-(л-толил)-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловая кислота и нитрил ('Д)-3-(5-фенил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловой кислоты проявляют флуоресцентные свойства с максимальной флуоресценцией при облучении светом в области ближнего ультрафиолета, а этил( 1,2,3,4-тетрагидро-2-ок-сохиноксалин-3-ил)ацетат может быть использован в качестве эффективного ингибитора полимеризации олигомерного полибутадиена при производстве адгезионных присадок для дорожных битумов и компонента связующего состава для заводов абразивного инструмента.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Рожков, С.С. Производные малеиновой кислоты в синтезе 3-замещённых 3,4-дигидрохиноксалин-2(1Н)-онов / С.С. Рожков, K.JI. Овчинников, A.B. Колобов//Изв. РАН, Сер. хим. -2014. ~№ 1.-С. 137-140.

2. Рожков, С.С. Синтез jV-арилмалеинимидов с использованием этилхлор-формиата / С.С. Рожков, К.Л. Овчинников, A.B. Колобов // Изв. вузов. Сер. Химия и хим. технология. - 2013. - Т. 56, вып. 8,- С. 15-17.

3. Рожков, С.С. Синтез ариламидов и эфиров (1,2,3,4-тетрагидро-2-оксо-хиноксалил-3)-уксусной кислоты на основе производных малеиновой кислоты / С.С. Рожков, К.Л. Овчинников // Известия вузов. Сер. Химия и хим. технология. -2013.-Т. 56, вып. 11.-С. 29-31.

4. Патент РФ № 2448086 5-[(iV'-бифенил-4-карбонил)-гидразино]-5-оксо-пентановая кислота / С.С. Рожков, К.Л. Овчинников, A.B. Колобов, Г.И. Кострыкина, патентообладатель ФГБОУ ВПО ЯГТУ, дата приоритета 23.12.2010 г.

5. Рожков, С.С. Проблема изомеризации /V-арилмалеинимидов при их синтезе / С.С. Рожков, К.Л. Овчинников // Материалы молодёжной научно-практической конференции «Альфред Нобель и достижения мировой науки и цивилизации за ИОлет», Казань.-2011. - С. 82-83.

6. Рожков, С.С. Особенности синтеза N-арилмалеинимидов / С.С. Рожков, К.Л. Овчинников // Материалы IV Молодежной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии - 2011», поев. 300-летию М.В. Ломоносова и Международному году химии, Москва. - 2011. - С. 25.

7. Рожков, С.С. Синтез 2-(3-оксо-1,2,3,4-тетрагидрохиноксалин-2-ил)-N- фенилацетамидов из 4-оксо-4-(фениламино)бут-2-еновых кислот / С.С. Рожков, К.Л. Овчинников // Материалы Всероссийской молодежной научной конференции «Актуальные проблемы органической химии», Новосибирск. — 2012. — С. 98.

8. Рожков, С.С. Реакции с участием активированной двойной связи N- арилмалеинимидов и N- арилмалеинамидов / С.С. Рожков, К.Л. Овчинников //

Материалы 65 научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием, Ярославль. -2012.-С. 48.

9. Рожков, С.С. Синтез 3-((5-фенил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)-метил)-3,4-ди-гидрохиноксалин-2(1//)-она / С.С. Рожков, К.Л. Овчинников // Материалы III Всероссийской конференции по органической химии в рамках кластера конференций по органической химии «0ргхим-2013», СПб. — 2013. — С. 241.

10. Рожков, С.С. Дегидрирование этил(1,2,3,4-тетрагидро-2-оксохинокса-лил-3)ацеггата и 3-((5-фенил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)-метил)-3,4-дигидрохинокса-лин-2(1Н)-она с применением хлоранила / С.С. Рожков, K.JI. Овчинников // Сборник статей международной научно-практической конференции «Общество, наука и инновации», Ч. 2, Уфа: РИЦБашГУ,-2013.-С. 209-211.

11. Рожков, С.С. Синтез 3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот / С.С. Рожков, K.JI. Овчинников // Материалы Всероссийской конференции с международным участем «Соврменные достижения химии непредельных соединений: алканов, алкенов, аренов и гетероаренов», СПб. - 2014. - С. 155.

12. Артемьев, P.C. Синтез малеинимидов с использованием хлорангидри-дов карбоновых кислот / P.C. Артемьев, С.С. Рожков, K.JI. Овчинников // Материалы 64 научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием, Ярославль. — 2011, С. 48.

13. Кузнецов, A.B. Оценка эффективности новых ингибиторов полимеризации при производстве малеинизированного полибутадиена / A.B. Кузнецов, С.С. Рожков, К.Л. Овчинников // Материалы 66 Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международн. Участием, Ч. 2, Ярославль. - 2013. - С. 381.

Подписано в печать 8.04.2014 г. Печ. л. 1. Заказ 327. Тираж 100. Отпечатано в типографии Ярославского государственного технического университета г. Ярославль, ул. Советская, 14 а, тел. 30-56-63.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ярославский государственный технический университет»

О 4 2 О Н 5 9310 На правах рукописи

Рожков Сергей Сергеевич

СИНТЕЗ И РЕАКЦИИ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ ПРОИЗВОДНЫХ МАЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ И ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность: 02.00.03 - Органическая химия

диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель кандидат химических наук Овчинников К. Л.

Ярославль - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР...................................................................................9

1.1 Реакции внутримолекулярной дегидратации моноамидов и моногидразидов малеиновой кислоты и их аналогов..........................................9

1.1.1 Синтез А'-замещённых малеинимидов...................................................10

1.1.2 Синтез А^-замещённых 5-иминофуран-2(5//)-онов................................14

1.1.3 Кинетический и термодинамический контроль реакции внутримолекулярной дегидратации моноамидов малеиновой кислоты......18

1.1.4 Внутримолекулярная дегидратация моногидразидов малеиновой кислоты и их структурных аналогов...............................................................26

1.1.4.1 Синтез тУ-аминомалеинимидов, А^-амино-шо-малеинимидов и 1,2-дигидропиридазин-З,6-дионов...............................................................27

1.1.4.2 Синтез производных 1,3,4-оксадиазола..........................................29

1.2 Реакции нуклеофильного присоединения к А^-замещённым малеинимидам и 5-иминофуран-2(5//)-онам.................................................................................33

1.2.1 Взаимодействие А^-замещённых малеинимидов с нуклеофильными агентами..............................................................................................................34

1.2.2 Взаимодействие А'-замещённых 5-иминофуран-2(5//)-онов с нуклеофильными агентами...............................................................................37

1.3 Применение А'-замещённых малеинимидов, 5-иминофуран-2(5#)-онов, производных 1,3,4-оксадиазола и 3,4-дигидрохиноксалин-2(1//)-она.............40

1.3.1 Полимерные и люминесцентные материалы.........................................40

1.3.2 Биологически активные соединения......................................................44

2 ХИМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ....................................................................................47

2.1 Синтезы на основе моноамидов малеиновой кислоты................................47

2.1.1 Синтез А'-арилмалеинимидов..................................................................47

2.1.2 Синтез производных 3,4-дигидрохиноксалин-2(1//)-она.....................55

2.2 Синтез и реакции соединений на основе (2?-4-(2-ароилгидразино)-4-оксо-2-бутеновых кислот...............................................................................................59

2.2.1 Синтез 3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот................59

2.2.2 Синтез производных (Е)-3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот..................................................................................................................67

2.2.3 Взаимодействие (Е)-3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот с о-фенилендиамином...........................................................................69

2.2.4 Гидрирование двойной связи 3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот........................................................................................71

2.2.5 Синтез Л^-ароил-5-гидразонофуран-2(5//)-онов с применением хлорокиси фосфора...........................................................................................72

2.2.6 Синтез А^-ароил-5-гидразонофуран-2(5//)-онов с применением этилхлорформиата.............................................................................................75

2.2.7 Перегруппировка 7У-ароил-5-гидразонофуран-2(5//)-онов..................76

2.2.8 Взаимодействие ЛР-ароил-5-гидразонофуран-2(5//)-онов с ароматическими аминами................................................................................78

2.3 Дегидрирование производных 3,4-дигидрохиноксалин-2(1Я)-она с применением хлоранила.......................................................................................80

2.4 Возможные направления практического применения соединений............82

2.4.1 Флуоресцентные свойства 3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот и их производных.................................................................................82

2.4.2 Ингибирование термоокислительной полимеризации полибутадиена...................................................................................................................86

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ...................................................................88

3.1 Исходные соединения....................................................................................88

3.2 Применяемые методы анализа.......................................................................88

3.3 Методики синтеза соединений.......................................................................89

3.3.1 Общая методика синтеза моноамидов малеиновой кислоты...............89

3.3.2 Методика синтеза ТУ-арилмалеинимидов...............................................91

3.3.3 Методика синтеза АГ-арил-изомалеинимидов.......................................93

3.3.4 Получение ариламидов (1,2,3,4-тетрагидро-2-оксохиноксалин-3-ил)уксусной кислоты.........................................................................................94

3.3.5 Методика синтеза этил( 1,2,3,4-тетрагидро-2-оксохиноксалин-3-ил)ацетата........................................................................................................96

3.3.6 Общая методика синтеза (2)-4-(2-ароилгидразино)-4-оксо-2-бутеновых кислот..............................................................................................97

3.3.7 Получение 3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот.........98

3.3.8 Методики синтеза производных 3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот.......................................................................................100

3.3.9 Методика синтеза 3-[(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)-метил]-3,4-дигидрохиноксалин-2(1//)-онов.....................................................................104

3.3.10 Методика синтеза 3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)пропановых кислот 115.........................................................................................................105

3.3.11 Получение А^-ароил-5-гидразонофуран-2(5//)-онов.........................106

3.3.12 Получение 3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот путём перегруппировки 7У-ароил-5-гидразонофуран-2(5#)-онов.........................107

3.3.13 Методика синтеза фениламида (%)-4-(2-бензоилгидразино)-4-оксо-2-бутеновой кислоты 117...................................................................................108

3.3.14 Методика синтеза Л^-[2-(1,2,3,4-тетрагидро-2-оксохиноксалин-3-ил)ацетил]бензгидразидов 118.......................................................................109

3.3.15 Методика дегидрирования производных 3,4-дигидрохиноксалин-2(Ш)-она..........................................................................................................110

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................112

Основные публикации автора по теме работы..................................................114

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ..........................................................116

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................117

Приложение А......................................................................................................132

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Малеиновая кислота и её производные являются распространёнными реагентами в органическом синтезе ввиду их доступности, низкой стоимости и большого синтетического потенциала. Благодаря этому химия производных малеиновой кислоты активно развивается в настоящее время. Кроме того, азотсодержащие производные малеиновой кислоты и гетероциклические соединения на их основе, такие как замещённые малеинимиды, 5-иминофуран-2(5//)-оны, 1,3,4-оксадиазолы и дигидрохинок-салин-2(1//)-оны находят широкое практическое применение во многих областях науки и техники. Они используются при производстве лекарственных препаратов, гербицидов, инсектицидов, полимерных и композиционных материалов. Например, производство термостойких авиационных углепластиков на основе бис-малеинимидов. Ароматические производные 1,3,4-оксадиазола используются при создании флуоресцентных красок и электропроводящих слоев органических светодиодов. Замещённые 5-иминофуран-2(5#)-оны находят всё большее применение в органическом синтезе в качестве ацилирую-щих агентов, например при получении таких поверхностно-активных веществ, как диамиды и амидоэфиры малеиновой кислоты.

Совокупность представленных факторов делает разработку новых методов синтеза перечисленных соединений, а также получение новых представителей и исследование их реакционной способности актуальной задачей.

Настоящее исследование выполнено в соответствии с тематическим планом ЯГТУ, проводимым по заданию Федерального агентства по образованию РФ по теме: «Разработка инновационных методов получения полифункциональных соединений - биологически активных веществ, мономеров и высокомолекулярных соединений» на 2013 г (№ 3.8513.2013), а также программой стратегического развития ФГБОУ ВПО ЯГТУ по теме «Материалы с новыми свойствами» 2012-2016 гг. (№ 0120 1275353).

Целью работы является исследование синтетических возможностей азотсодержащих производных малеиновой кислоты для разработки методов получения и синтеза новых гетероциклических соединений.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать синтетические возможности амидов и имидов малеиновой кислоты для синтеза ариламидов (1,2,3,4-тетрагидро-2-оксохиноксалин-3-ил)уксусной кислоты.

2. Разработать удобный лабораторный способ синтеза А^-арилмалеини-мидов на основе реакции циклизации А^-арилмалеинамидов.

3. Исследовать реакцию циклизации (%)-4-(А^'-ароилгидразино)-4-оксо-2-бутеновых кислот с использованием дегидратирующих агентов.

4. Провести синтез новых гетероциклических соединений исходя из -ароилгидразино)-4-оксо-2-бутеновых кислот.

Научная новизна. Разработан новый метод синтеза ариламидов (1,2,3,4-тетрагидро-2-оксохиноксалин-3-ил)уксусной кислоты на основе А^- арилмалеинамидов, который позволяет исключить стадию синтеза А^-арил-малеинимидов. Разработаны новые методы синтеза изомерно чистых (Е)- и (%)-3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот. Впервые синтезированы соединения ряда (%)-3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловой кислоты, амидов и нитрилов (Е)-3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот. Получены новые производные 3,4-дигидрохиноксалин-2(1//)-она взаимодействием (^)-3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот и А^-ароил-5-гидразонофуран-2(5Я)-онов с о- фенилендиамином.

Практическая значимость работы. Обнаружено, что (Е^-3-(5-(л-то-лил)-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловая кислота и нитрил СД)-3-(5-фенил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловой кислоты проявляют флуоресцентные свойства и могут быть использованы как оптические отбеливатели для белых пигментов. Выявлено, что этил(1,2,3,4-тетрагидро-2-оксохиноксалин-3-ил)ацетат может применяться как ингибитор полимеризации олигомерного полибутадиена в процессе его функционализации малеиновым ангидридом при производстве

адгезионных присадок для дорожных битумов и компонента связующего состава для заводов абразивного инструмента. Проведён синтез ранее не описанных уУ'-[2-( 1,2,3,4-тетрагидро-2-оксохиноксалин-3-ил)ацетил]бензгидрази-дов и 3-[(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)метил]-3,4-дигидрохиноксалин-2(1//)-онов, которые могут найти применение в качестве билдинг-блоков при создании комбинаторных библиотек для биоскрининга. Предложен удобный лабораторный способ получения 7У-арилмалеинимидов с преимущественно акцепторными заместителями в ароматическом кольце. Разработан метод получения ариламидов (1,2,3,4-тетрагидро-2-оксохиноксалин-3-ил)уксусной кислоты, обеспечивающий более высокий выход продукта в сравнении с известным способом.

Положения, выносимые на защиту:

1. Синтез ТУ- арилмалеинимидов путём циклизации ТУ-арилмалеинами-дов с использованием этилхлорформиата.

2. Метод синтеза ариламидов (1,2,3,4-тетрагидро-2-оксохиноксалин-3-ил)уксусной кислоты на основе ТУ-арилмалеинамидов.

3. Способы получения (Е)- и (2)-изомеров 3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот и 7У'-ароил-5-гидразонофуран-2(5//)-онов исходя из (2)- 4-(ТУ'-ароилгидразино)-4-оксо-2-бутеновых кислот.

4. Получение новых продуктов: (%)-3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)ак-риловых кислот, амидов и нитрилов (Е)-Ъ-{5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)ак-риловых кислот.

5. Синтез новых производных 3,4-дигидрохиноксалин-2(1//)-она путём взаимодействия (Е)-3-(5-арил-1,3,4-оксадиазол-2-ил)акриловых кислот и ТУ-ароил-5-гидразонофуран-2(5//)-онов с о-фенилендиамином.

Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались на Международной молодёжной научно-практической конференции «Альфред Нобель и достижения мировой науки и цивилизации за 110 лет» (Казань, 2011); IV Молодежной научно-технической конференции «Наукоем-

/ кие химические технологии - 2011», посвящённой 300-летию М.В. Ломоно-

!

"¡1

сова и Международному году химии (Москва, 2011); Всероссийской молодежной конференции «Актуальные проблемы органической химии» (Новосибирск, 2012); 65 Научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием (Ярославль, 2012); III Всероссийской конференции по органической химии в рамках кластера конференций по органической химии «0ргхим-2013» (Санкт-Петербург, 2013); Международной научно-практической конференции «Общество, наука и инновации» (Уфа, 2013), Всероссийской конференции с международным участием «Современные достижения химии непредельных соединений: алканов, алкенов, аренов и гетероаренов» (Санкт-Петербург, 2014).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи из списка журналов, рекомендованных ВАК, и 9 тезисов докладов конференций различных уровней, получен один патент РФ.

Личный вклад автора. Непосредственное участие во всех этапах работы. Постановка задач, планирование и личное выполнение экспериментальной работы, интерпретация аналитических данных, обобщение и обсуждение полученных результатов, формулирование выводов.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, химической и экспериментальной частей, заключения, списка используемых сокращений и списка использованной литературы. Работа изложена на 133 страницах, в том числе приложение на 2 страницах, содержит 10 таблиц, 16 рисунков. Список литературы включает 132 источника.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

В данной части работы изложены известные пути синтеза азотсодержащих соединений, которые получают на основе производных малеиновой кислоты, их реакции с участием активированной двойной связи, а также основные направления их применения. К этим соединениям относятся //-замещённые малеинимиды, И-замещённые 5-иминофуран-2(5Я)-оны, часто называемые в литературе шо-малеинимидами, и (3-( 1,3,4-оксадиазолил)акриловые кислоты. Кроме того, в обзоре рассмотрены примеры получения и характерных реакций некоторых структурных аналогов вышеперечисленных соединений, что позволяет в большей степени раскрыть представляемую тематику.

1.1 Реакции внутримолекулярной дегидратации моноамидов и моногидразидов малеиновой кислоты и их аналогов

Наиболее распространённым методом получения тУ-замещённых малеи-нимидов и мзо-малеинимидов является внутримолекулярная дегидратация моноамидов малеиновой кислоты. В зависимости от условий, в результате реакции может образоваться индивидуальный продукт - малеинимид или шо-малеинимид, либо их смесь. Основными факторами, определяющими направление реакции являются структура исходного моноамида, применяемый дегидратирующий агент и температура реакции. Внутримолекулярная дегидратация замещённых моногидразидов малеиновой кислоты может протекать с образованием соответствующих УУ-аминомалеинимидов, А^-амино-шо-малеинимидов, 1,2-дигидропиридазин-3,6-дионов и, в случае А^-ацилмо-ногидразидов малеиновой кислоты, замещённых 1,3,4-оксадиазолов. Направление реакции, так же как и в случае моноамидов малеиновой кислоты, зависит, главным образом, от структуры исходного гидразида, типа дегидратирующего агента и температуры реакции.

1.1.1 Синтез /У-замещённых малеинимидов

Малеинимиды представляют собой пятичленные ненасыщенные циклические соединения, которые можно описать как производные пиррол-2,5-дио-на. Их насыщенные пятичленные аналоги, чаще всего получают путём конденсации ангидридов вицинальных дикарбоновых кислот с аминами при повышенной температуре [1]. Например, взаимодействием янтарного ангидрида с алифатическими или ароматическими аминами, с выделением или без выделения промежуточного моноамида 1, получают имиды янтарной кислоты 2 [2 - 4] (схема 1.1). Использование янтарной кислоты в таких синтезах вместо соответствующего ангидрида является менее эффективным и требует больших энергетических затрат, например микроволнового излучения [5].

м™*- ^ /? Ч\ Д гЛ „ Цр -_ -- Пк-А

О о

Я: Агу1, А1ку1 1 2

Схема 1.1

Для большинства насыщенных моноамидов вицинальных дикарбоновых кислот, таких, как янтарная, замыкание в имидный цикл происходит достаточно легко, например, при кипячении в инертном растворителе или просто при нагревании. При этом суммарный выход продукта по обеим стадиям доходит до 80 % [6]. Добавление в реакционную смесь гексаметилдисилазана в сочетании с кислотами Льюиса или проведение реакции в среде ионной жидкости позволяет увеличить суммарный выход целевых имидов до 90-95 % [7, 8]. Использование микроволнового излучения позволяет уменьшить время проведения подобных реакций с нескольких часов до нескольких минут, однако при этом наблюдается снижение выхода продукта по сравнению с классическим методом до 60 % [6].

Имиды малеиновой кислоты (малеинимиды) 4 обычно получают по схеме аналогичной схеме получения имидов янтарной кислоты (схема 1.2). Реакцию чаще всего проводят с вы