Синтез полиазотистых соединений, включающих фуразановый и 1, 2, 4, 5-тетразиновый циклы тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ
|
Палысаева, Надежда Владимировна
АВТОР
|
||||
|
кандидата химических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2012
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
02.00.03
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ им. Н.Д. ЗЕЛИНСКОГО РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК (ИОХ РАН)
На правах рукописи
ПАЛЫСАЕВА Надежда Владимировна
СИНТЕЗ ПОЛИАЗОТИСТЫХ СОЕДИНЕНИИ, ВКЛЮЧАЮЩИХ ФУРАЗАНОВЫЙ И 1,2,4,5-ТЕТРАЗИНОВЫЙ ЦИКЛЫ
Л
02.00.03 - Органическая химия
005043501
1 7 МАЙ 2012
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук
Москва-2012
005043501
Работа выполнена в лаборатории азотсодержащих соединений Института органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН
Научный руководитель
Официальные оппоненты:
Ведущая организация
доктор химических наук, Шереметев Алексей Борисович
доктор химических наук, проф. Дорохов Владимир Алексеевич (ИОХ РАН)
доктор химических наук, проф. Шастин Алексей Владимирович (ИПХФ РАН)
Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева
Защита диссертации состоится 29 мая 2.012 г. в 10,- часов на заседании Диссертационного совета Д 002.222.01 при Институте органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН по адресу: 119991 Москва, Ленинский проспект, 47. ^
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОХ РАН Автореферат разослан 26 апреля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета доктор химических наук
Д 002.222.01 ИОХ РАН Людмила Александровна Родиновская
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Важнейшими взаимосвязанными задачами современной органической химии является прогнозирование свойств соединений с заданной структурой и синтез целевых соединений с заданным комплексом свойств. Решение этих задач невозможно без знания того, как отдельные фрагменты молекулы влияют друг на друга, к чему приводят эти взаимодействия. В области энергоемких соединений, традиционно создаваемых введением нитро-, нитрокси-, нитрамино- и азидогрупп в различные алифатические, ароматические и гетероциклические молекулы, работы по выявлению зависимостей структура-свойство ведутся уже давно. В противоположность традиционным энергоемким материалам, соединения с высоким содержанием азота, энергетика которых обусловлена их высокими энтальпиями образования, исследованы значительно меньше. В то же время, потребность в полиазотистых соединениях, как более экологически приемлемых (т. к. большую часть продуктов их сгорания составляет безвредный азот), крайне высока. Поэтому поиск новых энергоемких соединений с высоким содержанием азота сохраняет высокую актуальность.
Ранее на основе ж-тетразина (1,2,4,5-тетразина) было создано несколько энергоемких полиазотистых соединений, например, такие как 3,3'-азо-бг/с(6-амино-л-тетразин) (Тнр(дга) 252°С, с! 1.76 г/см3, ДН° +862 КДж/моль) и 3,6-ди(1#-5-тетразол-5-иламино)-5-тетразин (Тщ>(дта) 270°С, 6 1.78 г/см3, ДН° +883 КДж/моль). Однако они не содержат кислорода. Более того, попытки введения к тетразиновому циклу обогащенных кислородом групп, в частности, нитрогрупп, привели к дестабилизации молекул.
С другой стороны, фуразановый цикл, как «строительный блок» для синтеза, содержит кислород и хорошо сочетается с различными функциональными группами, включая нитрогруппу, что позволило синтезировать ряд энергоемких производных фуразана, характеризующихся хорошим кислородным балансом, высокой термической стабильностью и плотностью. Однако для нитрофуразанов свойственны невысокие температуры плавления, что не желательно для решения некоторых задач. Объединение в одной молекуле я-тетразинового и фуразанового циклов могло бы привести к структурам с высоким содержанием азота, которые одновременно содержат активный кислород и характеризуются хорошим сочетанием энергетических характеристик и термической стабильности.
Известны лишь единичные подходы, позволяющие объединить в одной молекуле два электроно-дефицитных полиазотистых гетероцикла. Однако, на момент начала нашего исследования соединения, включающие как ¿•-тетразиновый, так и фуразановый циклы, известны не были.
Целью настоящей работы является конструирование полиазотистых соединений, включающих как я-тетразиновый, так и фуразановый циклы. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
■ Разработка методов синтеза соединений, содержащих л-тетразиновый и фуразановый циклы, связанные -МН-, -Ш-МН-, -N=¡4-, -Ы(0)=Ы-, -С(0)-Ш-НН- мостиковыми группами;
« получение аннелированых производных тетразина, включающих фуразановый цикл в качестве заместителя;
■ исследование окисления азотсодержащих групп и фрагментов в соединениях, включающих 5-тетразиновый и фуразановый циклы для получения их Ы-оксидов, нитро- и азо- производных;
» изучение физико-химических и специальных свойств полученных соединений, для выявления закономерностей структура-свойство.
Научная новизна. Впервые систематически исследованы реакции, позволяющие сконструировать молекулы, содержащие в своем составе как фуразановый, так и 5-тетразиновый циклы.
Впервые разработаны общие методы получения дигетариламинов из 3-(3,5-диметилпиразолил)тетразинов (или азоло[4,3-6]-5-тетразинов) и слабоосновных гетариламинов. Эффективного нуклеофильного замещения диметилпиразольного фрагмента удалось добиться в присутствии карбонатов щелочных металлов в безводных полярных растворителях. Обнаружено, что в качестве нуклеофилов могут быть использованы 3-амино-4-11-фуразаны, содержащие как электронодонорные, так и акцепторные заместители. Более того, показано, что найденные условия пригодны для вовлечения в реакцию и других слабоосновных аминов, таких, например, как аминоимидазолы, аминотриазолы, аминотетразолы, аминотетразины.
Впервые осуществлена реакция С-И кросс-сочетания между полиазотистыми электронодефицитными гетероциклическими компонентами, такими как З-амино-^-тетразины и 3-йод-4-Я-фуразаны. Найдено, что она протекает в присутствии солей меди. Метод пригоден для реактантов, содержащих как электронодонорные так и акцепторные заместители.
Впервые в результате термического азолоаннелирования ацильных производных гидразинотетразина получены [1,2,4]триазоло[4,3-6]-5-тетразины, включающие в качестве заместителя при триазольном цикле электроноакцепторный фуразанильный или полифторалкильный фрагмент.
Изучено окисление производных 3-[(3-аминофуразан-4-ил)амино]тетразинов. Получен ряд нитро-, азо-, азокси-производных, а также Ы-оксидов.
Показано, что соединения, где фуразановый и тетразиновый циклы связаны зо- или азоксимостиками, нестабильны. Напротив, соединения с NH-мостом между тими циклами химически и термически устойчивы.
1рактическая значимость. Разработаны эффективные препаративные методики интеза 3-(3-11-фуразаниламино)тетразинов (C-N-кросс сочетание, нуклеофильное амещение и др.), а также других 3-(гетариламино)-тетразинов, представляющих ютенциальный интерес в качестве энергоемких материалов.
Ряд соединений был наработан и передан в смежные организации (ИХФ РАН, ЮНХ РАН, ИНЭОС РАН, РХТУ им. Д.И.Менделеева) для определения физико-омических и специальных свойств.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на: Международной ;онференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной химии» Астрахань, Россия, 2008); Всероссийской конференции «Химия нитросоединений и юдственных кислородсодержащих систем» (Москва, Россия, 2009); Международной конференции "Химия гетероциклических соединений" (Москва, Россия, 2010); Всероссийской конференции «Энергетические конденсированные системы» (Черноголовка, Россия, 2010); II Международной конференции "Новые направления в химии гетероциклических соединений" (Железноводск, Россия, 2011), "International Congress on Organic Chemistry dedicated to the 150-th anniversary of the Butlerov's Theory of Chemical Structure of Organic Compounds", (Kazan, Russia, 2011).
Публикации. По материалам исследования опубликовано 3 статьи и 6 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, обсуждения результатов, экспериментальной част и, выводов и списка литературы из 194 наименований. Работа изложена на 171 страницах.
Отдельные части работы выполнены при поддержке программы отделения РАН ОХНМ-04 и Госконтракта №02.740.11.0258 с Федеральным агентством по науке и инновациям (2009-2012).
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. Разработка методов синтеза соединений, включающих фуразановый и я-тетразиновый циклы
В настоящей работе изучены подходы для построения молекул, включающих два и более азотистых гетероцикла, таких как фуразан и Б-тетразин. С целью выявления закономерностей структура-свойство синтезирован ряд аналогов, где .у-тетразиновый и фуразановый циклы связанны различными азотсодержащими мостиковыми группами.
*1-(\ /Ь
ы-ы
нМ°
о
нм-^
-NH
1.1. Попытки получения производных Аг-фуразанил-Л"-(«-тетразинил)-диазена
Мы начали исследование с попытки получения несимметричных соединений, где тетразиновый и фуразановый фрагменты были бы связаны группой из двух атомов азота. В качестве исходного соединения был взят легко доступный 3,6-бис(3,5-диметилпиразол- 1-ил)-з-тетразин 1а. На схеме представлено два подхода для формирования гидразо-мостика между тетразиновым и фуразановый циклами.
Ме
й \ N
Л
Ме
N
т
1 Г
о МеСМ ы^И Н2М'МН НМ-^ 50-60°С
н --
О' 2
1а
I МгН,НгО * I
( МеСЫ Ме
/П.
N
С! N. НОИ
г
4
V ф 0
г- Ме-<М.М
..Л
н н
" <
о
3(7%) Ме
101
ЕЮН 20-50°С
Г
нм. ном
а У
6 Ы-о'
/ГЛ.
Н'
У
N и и №
Так, исследована возможность замещения диметилпиразольного фрагмента в тетразине 1а гидразинофуразаном 2. В результате нагревания исходных реактантов в /-РЮН или МеСЫ, однако, наблюдается образование сложной смеси продуктов (по ТСХ), из которой удалось выделить нужный продукт 3 лишь с 7% выходом. В другом подходе при реакции гидразинотетразина 4 с хлороксимом 5 промежуточно образующийся гидазидооксима 6, перегруппировывался в /У, N '-дизамещенный гидразин 3. Однако и в этом случае, образование продукта 3 наблюдали лишь в следовых количествах. Тем не менее, небольшое количество соединения 3, необходимое для последующих исследований, удалось наработать.
Исследование действия окислителей (Н20з, Н204, Сг03, Н202, КМп04, Вг2, ЫВБ, СЬ) на гидразин 3 в разных условиях приводит к деструкции этого соединения; образование Л'-фуразанил-Л^-(л'-тетразинил)-диазена 7 зафиксировать не удалось.
1.2. Окислительная конденсация. Синтез Л'-фуразанил-/У,-(5-тетразинил)-диазен-Л"-оксидов
Для синтеза несимметричных азоксисоединений (диазен-Л'-оксидов) было синтезировано гидроксиламинопроизводного тетразина 8 и изучена его окислительная конденсация с З-амино-4-нитрофуразаном 9. При обработке смеси этих соединений дибромизоциануратом (ОВ1), промежуточно образующееся нитрозосоединение 10 и нитрен, генерируемый из амина 9, рекомбинируются, давая желаемое азокси-соединение 11; пиразольный цикл при этом бромируется.
М._/М=ЧЫХ1 МН2ОН, МеОН У~ 'м-^ " у-ннон .7 „Д 20°С, 20т1П У Н-Ы
Ме 8 (63%)
N
м-(ч уно н-ы
Ме 10
Н,И N0,
•ы
мои э ОВ1, МеСМ
Ме
о2м
N 1
>Ч /ЬК' м
ы-м о Ме 11 (5%)
-О
Соединение 11, однако, оказалось нестойким и постепенно разлагается даже при -15°С. Хроматографическое выделение позволяет получить его с выходом лишь 5%. При комнатной температуре в ЯМР ампуле в растворе СИСЬ азосоединение 11 за сутки разлагается на 80%.
Таким образом, проведенные исследования позволяют заключить, что несимметричные соединения, где фуразановый и тетразиновый циклы связаны азо-и азокси-мостиками, обладают весьма низкой стабильностью. Поэтому дальнейшая работа была направлена на поиск устойчивых ансамблей из фуразановых и тетразиновых циклов.
1.3. Изучение взаимодействия в-тетразинов с гидразидами фуразанкарбоновых кислот
Фуразановый цикл, как заместитель, характеризуется одим одним из наиболее сильных электроноакцепторный эффектов. Естественно, нуклеофильность включающих его молекул понижена. Тем не менее, тетразин 1а реагирует с гидразидами фуразанкарбоновых кислот 12.
Реакция тетразина 1а с гидразидом 12а была выбрана нами в качестве модельной для изучения основных закономерностей процесса. Влияния типа растворителя на результат реакции представлено в таблице 1. Мы обнаружили, что замещение одного пиразолильного фрагмента с образованием соединения 13а наблюдается во всех изученных растворителях; при этом меняется тип побочных продуктов 14. Как видно из таблицы 1, в зависимости от типа растворителя для завершения реакции требуется от 2 до 55 часов. Наиболее быстро нуклеофильное замещение проходит в среде спиртов. Однако, при этом спирты сами выступают в роли конкурирующих нуклеофилов, что приводит к образованию смеси целевого продукта 13а с соответствующими алкокситетразинами 14а-с, которые легко отделяются.
X Ме
X Ме
X Ме
N
ны—{ я1
+ н2м УтС
о
Ме
14а-д (5-20%)
1а, Ь
1а, X = Н 1Ь, Х = Вг
12а, Я = СН3 12Ь, Я = N«2 12с, [Ч = ^
13а-е (75-80%)
13а, X = Н, I* = СН3 13Ь, X = Н, й =
13с, X =н,я=
13(1, X = Вг, и = сн3 13е, X = Вг, К = N42
14а, X = Н, Я2 = ОМе, 14Ь, X = Н. Я2 = ОЕ1, 14с, X = Н, Я2 = ОРг*, 14с), X = Н. 1Ч2 = ММе2 14в, X = Н, Г!2 = ОН, 141, X = Вг, 1*2 = 061 14д, X = Вг, Я2 =
Таблица I. Влияние растворителей на реакцию соединения 1а с 12а.
№ Растворитель Температура реакции, °С Время реакции, ч Выход 13а, % Другие продукты (%)
1 МеОН 64 2 40 14а (29)
2 ЕЮН 78 2 47 14 Ь (20)
3 'РЮН 82 3 80 14с (5)
4 ДМФА 90 4 78 14>1 (10)
5 Бензол 80 5 76
6 Диоксан 85 6 60
7 Глим 80 18 86
8 дмсо 80 23 62
9 [Епнт][ВР4] 80 24 86
10 ТГФ 66 26 75
11 МеЫ02 80 36 58
12 нссь 61 54 28 1а (43) + 12а (30)
13 н2о 80 55 6 1а (67) +12а (61) + 14е (7)
14 МеСЫ 82 55 88
Следует отметить, что ни в одном из указанных в таблице 1 растворителей, даже при использовании трехкратного избытка гидразида 12а и увеличении продолжительности нагревания, не было зафиксировано замещение второго диметилпиразольного фрагмента при тетразиновом цикле.
Известно, что введение в 4-положение пиразольного фрагмента атома брома облегчает замещение этого фрагмента при действии нуклеофилов. Действительно, в этаноле и изопропиловом спирте реакция 3,6-бг<с(4-бром-3,5-диметилпиразол-1-ил)-^-тетразина 1Ь с гидразидом 12а идет быстрее, однако возрастает доля побочного продукта (сравни таблицы 1 и 2).
Общий ввд молекулы 13а
Таблица 2. Влияние растворителя на реакцию соединения 1Ь с 12а.
№ Растворитель Температура реакции,°С Время реакции, ч Выход 13с1, % Побочный продукт (%)
1 МеСЫ 80 55 7 1Ь (78)
2 ЕЮН 80 0,66 40 141(30)
3 '"РЮН 80 2 63 148(10)
4 СНС13 65 54 5 14Ь (62)
5 глим 80 18 33 14Ь (41)
6 ДМСО 80 2,5 75
Однако, введение в молекулу атома брома снижает растворимость соединения 1Ь в ряде растворителей. Вероятно, именно этот факт сильно замедляет реакцию замещения в таких растворителях, как МеСМ, глим и хлороформ (таблица 2, пп. 1, 4 и 5). Лишь в диметилсульфоксиде переход от соединения 1а к 1Ь сопровождается значительным ускорением реакции (-10 раз) и увеличением выхода продукта монозамещения (таблица 2, пп. 6); продукт дизамещения и в этом случае не был зафиксирован.
Реакция имеет общий характер и протекает согласно схеме (см. выше) при кипячении в 'РЮН и с гидразидами других фуразанкарбоновых кислот, давая ожидаемые продукты 13а-е с высокими выходами.
1.4. Синтез [1,2,4]триазоло[43-й1-5-тетразинов, включающих фуразановый
цикл
Триазолотетразиновая система, как правило, формируется путем аннелирования 1,2,4-триазольного цикла к Б-тетразиновому. Для выхода к фуразансодержащим триазолотетразинам был выбран подход, основанный на циклизации гидразидов 13а-е. Величины индукционных констант Тафта а* 4-Я-фуразанильных групп, как заместителей, попадают в интервал 2.55-2.88 (при Я = N112 и Я = Ы02 соответственно). Наиболее близким к фуразанильному фрагменту по этому показателю является такой заместитель, как СР3-группа (а* = 2.6). Поэтому мы первоначально попытались найти условия, при которых доступный Л''-[6-(3,5-
диметилпиразол-1-ил)-^-тетразин-3-ил]-4-К-трифторметил-3-карбогидразид 15 мог
бы быть циклизован в соответствующий трифторметилтриазолотетразин 16. После проведенного исследования мы обнаружили, что соединение 15 эффективно дегидратируется при кратковременном нагревании в полифосфорной кислоте, и желаемый бицикл 16 образуется с 80% выходом.
В аналогичных условиях дегидратация гидразидного фрагмента соединения 13а приводит к образованию триазоло[4,3-/>]-з-тетразина 17а с 62% выходом. Следует указать, что циклизация возможна лишь при температуре выше 150°С; при более низких температурах аннелирование триазольного цикла не происходит.
16(80%)
Введение в пиразольный никл атома брома, вероятно, снижает термическую устойчивость соединений, и дегидратация соединения 13(1 в полифосфорной кислоте дает продукт 17Ь с выходом всего 30%; при этом наблюдается некоторое осмоление. При 150°С в полифосфорной кислоте соединение 13Ь, включающее аминогруппу, полностью расходуется за 15 мин. Через 5 мин после начала реакции по данным ТСХ в реакционной смеси фиксируется продукт и исходное соединение. Однако дальнейшее нагревание приводит к убыванию как исходного, так и целевого продукта. Соединение 17с удается выделить с выходом не более 2%.
N. ^Ме М.^У-Ме
м-о
ны м-м Т
13а, X = Н, И = СН3 "
13Ь, X = Н, К = МН2 С^Г-Ч, "а. X = Н, Я = СН3 (62%)
13с, X =Н,К= Й 17Ь, X = Вг, Я = СН3 (30%)
13с!, Х = Вг, Я = ЫГ ° 17с. X» Н,й = N«2 (24)
Термолиз соединения 13с в полифосфорной кислоте завершается полным осмолением реакционной массы, что, вероятно, обусловлено присутствием в составе молекулы пиррольного цикла, нестабильного в таких условиях.
Таким образом, в результате проведенного исследования разработан способ синтеза [1,2,4]триазоло[4,3-6]-$-тетразинов, позволяющий вводить электроноакцепторные фрагменты, такие как фуразанильный или трифторметильный, в азольную часть этого бицикла.
1.5. Разработка методов синтеза соединении, в которых фуразановый и 5-тетразнновый циклы связаны МН-мостиком
Присутствие МН группы в соединениях различных классов, как правило, обеспечивает возможность образования внутри- и межмолекулярных водородных связей. Это благоприятствует формированию хорошо структурированных кристаллических решеток при упаковке молекул в кристаллы, что проявляется в повышении их плотности. Более того, наличие водородных связей благоприятствует повышению термической устойчивости и снижению чувствительности к механическим воздействиям. Поэтому разработке методов синтеза соединений, где фуразановый и тетразиновый циклы были бы связаны ЫН-мостиком, мы уделили особое внимание.
1.5.1. Металл-катализируемое C-N-кросс-сочетание З-амино-в-тетразинов с 3-йодо-4-К-фуразанами
В последние годы исследования реакции C-N-кросс-сочетания быстро развиваются, проникая в различные области органического синтеза. Однако нами не найдено примеров применения этой методологии для конструирования энергоемких соединений.
Мы впервые обнаружили, что C-N-кросс-сочетание может быть использовано для синтеза соединений, где фуразановый и тетразиновой циклы связаны NH-мостиком. На примере реакции аминотетразина 19, легко получаемого при обработке соединения 1а аммиаком, и З-йод-4-метилфуразана 20а, синтезируемого диазотированием из соответствующего аминофуразана, были изучены условия для получения вторичного амина 21а (Табл. 3). Было исследовано влияние типа металлсодержащего реагента (Cat = Pd(OAc)2, Cu(OAc)2, Cul и др.), основания (В = карбонаты щелочных металлов), лиганда (L = N- и О-центрированные лиганды), растворителя (ДМФА, толуол, глим) и температуры на протекание реакции.
Как видно из таблицы 3, максимальный выход
амина 21а достигает 47% при реакции йодфуразана 20а с .
аминотетразином 19 в присутствии системы V/
Си(ОАс)2/К2С03/2-ацетилциклогексанон (лиганд) в смеси „/^ глима с толуолом при 60°С. Мы исследовали возможность использования этой реакции и для других Общий вид молекулы 21с йодофуразанов 20b-h.
Оказалось, что, используя оптимальные условия, метод позволяет получить вторичные амины 21b-f практически независимо от стерических и электронных эффектов заместителей R.
В случае З-йодо-4-амино-фуразана 20Ь была получена сложная смесь продуктов, из которой, однако, вторичный амин 21Ь может быть выделен с помощью хроматографии.
R = Me (а) 47%, МН2 (Ь) 12%. Nj (с) 58%, NOj (d) 49%, ОМе (е) 54%, Ph (f) 61%, I (g) 0%.
Таблица 3 Оптимизация условий для реакции между аминотетразином 19 и 3-йодо-
№ Медь - содержащее соединение Лиганд Растворитель Основание Т,°С Время, ч Выход 21а, %
1 Си(ОАс)г Ь1 толуол К2С03 60 13 10
2 Си(ОАс)2 толуол К2СОз 60 11 17
3 Си(ОАс)з О толуол К2СОз 60 11 14
4 Си(ОАс)г Ь4 толуол К2СОз 60 18 10
5 Си(ОАс)г толуол К2СОз 60 9 16
6 СиС1 1* толуол К2СОз 60 15 8
7 СиВг ъ1 толуол К2С03 60 11 13
8 Си1 толуол К2СОз 60 9 18
9 Си(ОТ0з 1* толуол К.2СОз 60 8 23
10 Си1 1} ДМФА С52СОЗ 20 24 0
11 Си1 \} глим К2СОз 20 18 12
12 Си1 ь6 глим К2СОз 50 5 35
13 Си(ОАс)2 толуол К2СОз 50 9 27
14 Си(ОАс)2 V глим К2СОз 50 4 31
15 Си(СШ)г ь6 глим К2СОз 50 3.5 26
16 Си(ОАс)2 ь6 толуол/ОМЕ (4/1) К2СОз 50 4 42
17 Си(ОАс)2 : V толуол/глим (5/1) к2со3 50 : 4 47
18 Си(ОАс)г ь6 толуол/глим '(6/1) К2СОз 50 5 38
ГУ
= (СН2МНМе)2; Ь2 = (СН,КМе2)2; Ь5 =
мг О— СЮ Л1-
В то время как 4,4'-дийодоазофуразан 20Ь при взаимодействии с двумя молями амина 1а дает дизамещенный продукт 23а с 46% выходом, попытки выделить индивидуальные продукты из реакции 3,4-дийодофуразана 20g с амином 1а не увенчались успехом.
9 \
N
и I
"у"
N4,
I
О 0-"
20Ь
о о
Си(ОАс)г, (^У""' К2С03. Миеле/ОМЕ 50°С, 4И
Ме М»
» и иыу
23а (46%)
Реакция оказалась применима и к [!,2,4]триазоло[4,3-Ь]-5-тетразин-3-амину синтезируемом}' из 3-(3,5-диметилпиразол-1-ил)-6-[1,2,4]триазоло[4,3-Ь]-5-
тетразина 25 и аммиака. В найденных условиях различные йодофуразаны 20а-Г взаимодействуют с амином 24, образуя ожидаемые продукты 26а-Г с хорошими выходами. Структуры соединений 26Ь, 26с, 26с1 также подтверждены с помощью РСА.
I я Си(ОАс)2, Н-М н к
'Ьмн* ♦ V"! К2СОз, ЫиепеГОМЕ ¿ М-М
М "О' 50°С, 4И ^ N. N -► 26а-1 О'
24 20аЛ
Я = Ме (а) 53%, К1Н2 (Ь) 19%, N3 (с) 57%, Ы02 (с!) 43%, ОМе (е) 55%, РЬ (1) 54%.
26Ь 26с 26<1
Общий вид молекул
Таким образом, впервые показана возможность С-К кросс-сочетания различных фуразанил йодидов с 5-тетразинил аминами при катализе солями меди. Это первый пример, при котором электроно-дефицитный азотсодержащий гетероциклический йодид может быть связан с электроно-дефицитным азотсодержащим гетероциклическим амином. Для осуществления С-К кросс-сочетания в качестве катализатора эффективен Си(ОАс)2, а в качестве лиганда - 2-ацетилциклогексанон. Найденные условия позволяют вводить в реакцию йодофуразаны с разными функциональными группами, включая такие, как нитро-, азидо- и азо-групы. Вероятно, эта методология может быть применена и к другим электронодефицитным азотистым гетероциклам.
1.5.2. Реакции нуклеофильного замещения днметилпиразолильного фрагмента при у-тетразинах слабоосновными аминами в присутствие оснований
В предыдущем разделе был описан разработанный нами метод получения вторичных аминов 21а-Г и 26я-Тпри кросс-сочетании З-амино-в-тетразинов 19 и 24 с 3-йодо-4-11-фуразанами 20а-Г Однако более привлекательной представляется идея получения дигетариламинов 21 и 26 прямым взаимодействием аминофуразанов 22а-€ с тетразином 1а или 25.
Нуклеофильное замещение диметилпиразольного фрагмента в соединение 1а легко протекает при действии сильных нуклеофилов. Для введения в реакцию слабо нуклеофильных аминоазолов требуются жесткие условия. Замещение такими нуклеофилами, требует использование снльных оснований (NaH, /-BuOK, и др.) или длительного нагревания при высоких температурах в безводных условиях. Жесткие условия, однако, ограничивают круг нуклеофилов, препятствуя, например, использованию шгтро- и азидо- аминоазолов. 3,4-Диаминофуразан 22Ь не реагирует с соединением 1а в разных растворителях при нагревании (до 180°С). Однако мы показали, анион, полученный при обработке 3,4-диаминофуразана 22Ь или 3-амино-4-метилфуразана 22а гидридом натрия* в диметоксиэтане (DME), способен заместить'оба пиразольных фрагмента в соединение 1а.
V" V"
Г Л Й Г""* V
1 О J N Г О
иы-^ы' Me N uu^ и'
NaH, DME н N R 1 H2N R NaH, DME "7
N^N <?3SD"C, yj N" N W 23-50°C
N 22c, R = N3 N N>-Me 22a, R = Me N NH
0- Y 22d. R = ЫОг yj 22b, R = MH2 Q' ^
27c, R = N, 27a, R .-= Me (85%)
27d,R = NOj 27b,R = NHj(76%)
Однако, попытки ввести в этих условиях в реакцию З-амино-4-нитро- и 3-амино-4-азидофуразаны 22с,d приводят к их разложению (за счет окислительно-восстановительных процессов).
С целью поиска более мягких условий, позволяющих провести реакцию между аминофуразанами 22 и тетразином 1а мы исследовали их взаимодействие в присутствие различных оснований и обнаружили, что депротонировать аминогруппу при фуразановом цикле действительно возможно более слабыми основаниями.
На примере взаимодействия тетразина 1а с диаминофуразаном 22Ь было изучено влияние типа основания на скорость реакции (см. таблицу 4). Наиболее эффективно реакции протекают в присутствии K2COj и Cs2C03. Продукт 21 b образуется с выходом около 90%. При использовании CS2CO3 реакция протекает с максимальной скоростью.
* В процессе проведения нашего исследования было опубликовано сообщение (Chavez D., Parrish D. J. Heterocycl. Chem., 2009, 46, 88) о реакции между соединениями la и 22b (единственный пример) в ДМФА в присутствии NaH. Однако мы показали, что в ДМ ФА образуется более 70% 3-(диметиламино)тетразинов.
Me
Ме^м N=N Ц
Г N4 /bN 2 S N-N N-V
Me . 1a
H2N R
w
N._ N О
22a-j
MeCN, 80°C
Me
N.-N
N N.N
n-4 /bNH R
. N"N w
Me N, N
21a-] (85-97%) О
, w ■— MH, N.-N NHj
- (в).' W (h)/ W (i). OM. NqN NN W
R = Me(a), NH2 (Ь), N3 (с), NOz (d), OMe(e), Ph (f),
Таблица 4. Влияние основания на скорость реакции между соединениями 1а и 22Ь в
№ Основание Время реакции, ч Выход 21b, % Другие продуты
1 Et3N 5 10 90% (1а+22Ь)
2 пиридин 6 0 100% (1а+22Ь)
3 Li2C03 6 0 100% (1а+22Ь)
4 Na2C03 6 0 100% (1а+22Ь)
5 Na2C03 10H2O 3.5 40 60% (14е)
6 Na3P04 7.5 70 30% (14е)
7 NaF 6 0 100%(1а+22Ь)
8 к2со3 1 85
9 k3po4 3 76
10 KF И 84
11 Cs2C03 0.3 80
12 CsF 1.5 78
Найденные условия оказались применимы для широкого круга аминофуразанов 22a-j. Так, в присутствии К2С03 в реакцию с 1а вступают даже 3-амино-4-азидо-фуразан 22с и З-амино-4-нитрофуразан 22d, давая ожидаемые продукты 26с и 26d с высокими выходами. При взаимодействии соединения 1а с диаминами 22h-i в зависимости от условий могут быть получены либо продукты моно-замещения (21h и 21i, соответственно), либо дизамещения (23а и 23Ь, соответственно).
Me
ft
Me-^w-N <0!л „ ___ Ma ы N—N (О) N=N
1 Гч V- hJ
f If * N NN^ MeCN.80-C.1h W W W W N-N Y
н'н "ti 0 N -- Me Ni > N. >
T 22h,n=0 ° 0
„-"yM. 22i, n=1 23a, n=0 (90%)
\\ 4 23b, n=1 (92%)
Me ia
Следует отметить, что аналогичный прием позволяет быстро и с высокими выходами синтезировать карбогидразиды 13а-е. Так, реакция 1а с гидразидом 12а в среде кипящего ацетонитрила в присутствии К2СОз завершается за 20 мин, давая целевой продукт 13а с 89% выходом (в отсутствие основания на ее завершение требуется 55 ч!). Реакция применима также и к амидам фуразанкарбоновых кислот.
В найденных условиях всегда наблюдали замещение лишь одного пиразольного фрагмента в соединении 1а. В попытке получить продукты дизамещения 27Ь и 27d, смесь тетразина 1а с избытком аминофуразана 22Ь или 22d и К2СО3 или Cs2CC>3 нагревали в высоко кипящих растворителях (ДМСО и диглим). Но даже при продолжительном нагревании второй диметилпиразольный фрагмент не замещается. Вероятно, мостиковый N-H фрагмент продукта монозамещения 21 b в используемых условиях депротонируется. Образование анионного центра сильно снижает подвижность оставшейся диметилпиразольной группы.
В попытке заместить оставшийся диметилпиразольный фрагмент в молекуле 21Ь, его ввели в реакцию с сильным нуклеофилом - гидразин гидратом. При этом сначала образуется соль 28. При нагревании соли 28 с избытком гидразина протекают две конкурирующие реакции. В одной (преобладающей), наблюдается замещение пиразольного фрагмента и образование целевого продукт 29. Параллельно протекает замещение ранее введенного аминофуразанилыюго фрагмента; пиразольный же фрагмент сохраняется в образующемся продукте 4.
Me Ме Ма
Me"VN N2H4H20 N2H4HzO
Т MeCN, 20°С Т MeCN, 80°С M^N I
rí 15min M^M 30min Ñ'Ñ M^N
N^N -,¡1 ig -_ Y NH2 * N Ñ
Y ~Н2 Y NH» HN 1 Y
""^A N2H4.HN 1 V^N HN
U N X7J N-0 N"2
21bN~° 28 29(64%) 4(11%)
Таким образом, показано, что слабоосновные амины легко вступают во взаимодействие с s-тетразином 1а в присутствии карбонатов щелочных металлов. Эти условия позволяют заместить только один диметилпиразолильный фрагмент в исходном s-тетразине 1а.
1.5.3. Нуклеофильное замещение диметилпиразольного фрагмента в триазоло[4,3-й]-5-тетразинах слабоосновными аминами.
Азолоаннелированые производные s-тетразина перспективны для создания на их основе энергоемких соединений. Разработка эффективных методов синтеза
15
дигетариламинов, включаюших триазоло[4,3-6]-з-тетразиновый фрагмент, безусловно, является актуальной задачей. Однако известно, что при действии сильноосновных или сильнокислотных реагентов эта бициклическая система разрушается. Мы обнаружили, что те же самые условия, что использовались для замещения диметилпиразольного фрагмента в моноциклических тетразинах, пригодны и для получения вторичных аминов из триазоло[4,3-6]-5-тетразинов 16,17 и 25.
Ме
H2N R1
WN к2со3
О' CH3CN, 80°С 22а-т
N=U N и N~N
Мё
R 16,17а, 25
Ч ме
R = Н (25), CF3 (16), n^N (17а).
О
R1 = СН3 (а), NHj (b), N3 (с), N02 (d), OMe(e), Ph (f),
-t
N.-N NH, N.-N NH,
(9). ' .П. (h), ' « (i).
F(i),
-Q (Ю. -0-<Г>0Не(1), -Ot"1)- (")'
Ме ^ N S^^N
N=N
/)~NVH R1
nW
N=N
N=< /bNvH R1
AU™ NW
\ M N
CF, О 3 30b-d
N=N
/bN" R1
„br °
N II
31b-d
Реакция с аминофуразанами 22a-m хорошо протекает в присутствии К2С03 или Cs2C03. Нами показано, что на замещение диметилпиразольного фрагмента, связанного с бициклическим .?-тетразипом 16, 17а или 25, необходимо в ~2 раза больше времени, чем на реакцию тетразина 1а с теми же аминофуразанами. При увеличении электроноакцепторных свойств заместителя R1 в аминофуразанах 22а-ш, скорость реакции возрастает. Независимо от заместителей при триазольном и фуразановом циклах, продукты замещения образуются с хорошими выходами.
Обе аминогруппы диаминофуразанов 22h-i участвуют в реакции с [1,2,4]триазоло[4,3-Ь]-5-тетразинами 17а и 25, давая соединения 32а-Ь или ЗЗа-Ь включающие два NH-фрагмента.
Ме
Уу-/ Сз2С03, СН3СН
N. 80°С, 2 - 4Ь
(0!п
22Ь, п=0
221, П=1
85-98%
3 ,
32Ь, п=1, К = Н; ЗЗЬ, п=1, Я ~ »"'
Я = Н (25),
,6<17а>-
Следует отметить, что взаимодействие триазоло[4,3-Ь]-.?-тетразина 17а, содержащего электроноакцепторный фуразанильный заместитель при триазольном цикле, с аминофуразанами 22Ь и 221 проходит за 2 часа, в то время как на завершение реакции триазоло[4,3-Ь]-5-тетразина 25 с этими же аминами требуется 4 часа.
Диамин 34, где одна аминогруппа расположена при фуразановом цикле, а вторая находится при атоме азота цикла 1,2,4-триазола реагирует более нуклеофильной ^аминогруппой. Структура соединения 35 подтверждена рентгено-структурным анализом.
Как видно из представленного выше примера, найденные условия могут быть применимы для введения к тетразиновому циклу не только фуразаниламинного фрагмента. Действительно, мы показали, что соединение 1а легко реагирует ацетонитриле или ДМСО в присутствии К2С03 или Сз2С03 при 80°С с различными слабоосновными гетариламинами, давая соответствующие вторичные амины Зба-Г На прохождение реакции требуется от 1 до 4 ч, а продукты образуются с хорошими выходами (65-90%). Отметим, например, что ранее на синтез соединения 36(1 требовалось более 18 ч нагревания при 120°С! Таким образом, разработанный нами метод эффективен и открывает новые возможности для синтеза разнообразных вторичных тетразиниламинов.
Общий вид молекулы 35
Ме.
Ме
Г 'N4 /)—мн
Ы=Ы Л,« 4.Л 2
;ч ,>-N4 МО, ^ 36с (70%), М- >~ЧН
Ме 4 \ Ме / Ме НМ,
36Ь (67%) N1' Ме м V 36с((70%) м
N р М-(ч ' ,)—N
^ Ме 1а ——_ ^ N-N
МзеСа,85%, I "V
ОгМ ме м н м Ме 36е<77%) Г
Г N-4 \>-м' Т 2
Ме 36» (87%) Ме
Для того, чтобы показать общность метода, были рассмотрены также реакции замещения диметилпиразол&ного фрагмента при триазоло[4,3-й]-з-тетразине 25 различными слабоосновными гетроциклическими аминами, включающими акцепторные заместители. Мы обнаружили, что вторичные амины 37а-е образуются также эффективно, как и при использовании соединения 1а.
МгН
м=< /Ь^н ЫОг
¿м-м М-у „ и=< />-N4
37Ь (33%) ЗГс(30%)
^ И ^
,1 NN Ы-, / 25 \ / ГГ V
37а (81%) у м=/ 378(80%)^
Очевидно, что ассортимент гетариламинов в реакциях нуклеофильного замещения диметилпиразольного фрагмента с тетразиновом цикле может быть расширен. Предложенная методология проста в осуществлении, а образующиеся продукты, являясь полиазотистыми соединениями, представляют потенциальный интерес для дальнейших исследований.
1.5.4. Разработка метода синтеза аминов, включающих тетразоло[1,5-й|-^ тетразиновый фрагмент
Азидная группа при ^-тетразиновом цикле способна к азидо-тетразольной таутомерии, циклизуясь в соответствующие производные тетразоло[1,5-6]-5-тетразина. В нашей работе для получения производных тетразоло[1,5-6]-з-тетразина
в качестве исходного соединения был выбран 3,6-диазидо-5-тетразин 38. Мы показали, что аммиак легко замещает одну азидную группу в диазиде 38 при комнатной температуре в хлористом метилене с образованием смеси З-азидо-6-амино-э-тетразина 39 и таутомерного тетразола 40.
N=N
< /Ь"»
N-N
38
NH3 CH2CI2 22°C, 0,5h
N-H
N-N
39
ЕЮН/Н2О
80°C, 0,5h
N=N
N=< /bNH2 N-N
N
N
40 (76%)
При нагревании этой смеси в водном этаноле азидная группа полностью переходит в таутомерную тетразольную форму с образованием целевого соединения 40.
Мы обнаружили, что взаимодействие диазида 38 с аминофуразанами 22с и 22d в присутствии К2С03 в среде ацетонитрила, т.е. в условиях, аналогичных тем, что успешно применялись для замещения диметилпиразольного фрагмента при гетразиновом цикле, приводит к замене одной азидной группы на аминофуразанильный фрагмент. При этом остающаяся азидная группа в процессе реакции переходит в таутомерную тетразольную форму. Тетразолотетразины 42а и 42Ь образуются в виде единственного изомера с хорошим выходом.
n3
i^-f II
V
Nj 38
H2N R
w
N. ,N О
22c, R = N3, 22d, R = NOj.
K2C03, MeCN 50-60°C, 1h
N^N
V R
HN^ A N-o
41a, R = N3 41b, R = N02
N-N
n; x
N N
i ti NyN
HN
Л N N-o' 42a, R = N3, (56%) 42b, R = N02, (70%)
Общий вид молекулы 42b
Таким образом, в результате проведенных исследований, разработано несколько простых и эффективных методов синтеза Л'-(фУразанил)-тетразиниламинов, позволяющих получать соединения с различным сочетанием заместителей.
1.6. Получение солей, включающих 5-тетразиновый и фуразановый циклы
В рамках нашего исследования по разработке методов синтеза соединений, включающих фуразановый и ^-тетразиновый циклы, были получены ионные соединения на основе интересующих нас гетероциклов, два из которых представлены на схеме. В качестве катиона был использован 3,6-дигидразино-.г-
njh4
;гл г*
©
n2h4
N^N
H I
N^N
Г4
n02
тетразин, хорошо зарекомендовавший себя при конструировании большой серии энергоемких солей. Нитропроизводные фуразана, такие как 4-(3-нитрофуразан-4-ил)-3,5-динитропиразол и З-гидрокси-4-нитрофуразан, служили источником анионной части солей. Полученные соли имеют высокие температуры плавления и хорошую термическую и химическую стабильность. Перспективность использования этих соединений исследуется.
и
W V
0 0 no2
W
О
2. Изучение химических свойств фуразаниламинотетразинов
С целью повышения кислородного баланса синтезированных (фуразаниламино)-тетразинов, они были введены в реакции окисления и нитрования.
2.1. Окисление аминогруппы аминофуразанильный фрагмент
в соединениях, содержащих
Окисление аминофуразанов служит удобным методом получения нитро-, азо-и азоксифуразанов. Так, обработка амина 21Ь дибромизоциануратом приводит к селективному образованию азопроизводного 43.
Напротив, реакция амина 21Ь с окислителем на основе перекиси водорода проходит не селективно. Получается смесь нитро- 21 d и азоксифуразана 23Ь и тетразин-Ы-оксидов 44, которые могут быть разделены с помощью хроматографии.
Me.
obi. ch2ci2 2h, 20°С .
Br Me
N=N H 21b " T
Me-
A\
M
X
W H'
N. -N N, « O o
43 (80%)
Me er
n4
Me
n-^n
V
NH
N N=N H
>4
N-N ЫН 21d ■ u
N02
Me
43%
в в (?)„ (?)»
®N N=N® H
Ж N
N-N©
Me
N
O'
N
N
Me
=N
4>
Vn-n
И X
N. J.V "
' n-^n-n
N-O
Cn
' U'N. N-® O
23b 5%
я, m=k*=o, p =* 1
b, m - O, k - p -1
c, m => k « p «I
N-N H
*< У«.
U-Ы
2бь
1N8E
С
, MeCN 2°C, 2h
N-N4
,NH,
^ J
N 1. N
HN ,N=N. NH
H Mbr
32a (80%)
и ди-А',Л''-оксидами
N-
Более однозначно
проходит окисление амина 26Ь. Окислительные смеси на основе перекиси водорода дают всего два продукта - нитро- 26d и азоксифуразан 32Ь. Образование оксидов гетероцикла при этом не наблюдается.
Окисление симметричного диамина 27Ь смесью на основе Н202 дает смесь
нитропроизводного 45 с моно-олигомера 47.
Нитросоединение 45 выделили с выходом 34% с помощью хроматографии. Наиболее эффективный метод получения ди-Л'.^'-оксида 46Ь заключается в окислении нитросоединений 45 и 46а в условиях аналогичных тем, что использовались для окисления соединения 27Ь.
32Ь (12%)
46а-Ь и нерастворимого
А/
м
«Л
.о
N
Nh-M Н V4 У* N0,
О, "Л „.О в
. N=N Н Na2W04 / Q н>4 N=4®
^Л H2so4 / N4 >-m. n
■ Ь/--H----" H Vy
N. V, 25 С \ (0)p' N, j,
27b
в
45a, (m = 1,p = 0) О 46b, (msp51)
H (0)m
ч N=N n (uim v
"Л /"V N—N-f
N' « 47 VN
Несмотря на то, что окислительные методы модификации ЛЦЗ-аминофуразан-4-ил)-тегразиниламинов, как правило, не селективны, они расширяют возможности конструирования соединений с хорошим кислородным балансом.
2.2 Нитрование аминогруппы в соединениях содержащих аминофуразанильный фрагмент
Нитрование ряда Л'-(аминофуразанил)-тетразиниламинов проводили азотной кислотой или ее смесями с 98% Н2504, АсгО или трифторуксусным ангидридом при температурах от -5 до 25°С. Большинство образующихся нитраминофуразанов не стойки. Наиболее интересным из полученных соединений оказался динитрамин 48, аммонийная соль которого может храниться без разложения продолжительное время.
.„о ...о
Ч м ИМО, N -м
„ „Л-? Н 0-5°С. 0.5И пи N=N1 Н
Н Ь/ " УтГ 2
27Ь V" « Н^«,
3. Спектральные исследования уУ-(фуразанил)-тетразиниламинов
Строение полученных соединений доказано с помощью элементного анализа, ИК, ЯМР 'Н, 13С, 14К и 19Р спектроскопии и масс-спектрометрии. Выявлены взаимосвязи изменения спектральных характеристик от свойств заместителей. Для ряда соединений был осуществлен рентгено-структурный анализ.
4. Кислотные свойства Аг-(фуразанил)-тетразиниламинов
Вторичные амины, где оба заместителя являются электроно-акцепторными фрагментами, проявляют кислотные свойства. В ходе работы были определены константы кислотности ряда соединений, где фуразановый и тетразиновой циклы связаны Ш-мостиком с помощью 'потенциометрического титирования или 2спектрофотометрии. Показано, что кислотность зависит от типа заместителя как при фуразановом, так и при триазольном циклах и повышается при переходе от элетронодонорных заместителей к акцепторным. Наименее кислым из них является амин 26а, а наиболее кислым 26(1, кислотность которого приближается к кислотности АсОН (рКа = 4.75).
м=м н н
^ рКа = 6.67±0.021 рКа = 4.85±0.
26а Vм СР3
(________.05
Л'
30с
н
/ \ ы' м=ы н
26с
К/*3 , Им рКа = 4.вЗ±0.02\
V" РКа = 5.72±0.02 М 4.8±0.0512
2б£| О'
5. Термохимические свойства
Для ряда соединений измерены теплоты образования (например, для 26с AH°f = 238.2 ккал/моль, для 26d AH°f = 165.5 ккал/моль, для 32а AH°f = 481. ккал/моль, для 42b AH°f = 238.9 ккал/моль) и температуры начала разложения ДТА (например, для 26с îhp = 165°С, 26d Ihp = 183°С, 32а W = 230°С, 42b W = 148°С). Из представленных данных видно, что при переходе от триазолотетразина 26d к тетразолотетразину 42Ь теплота образования возрастает практически в два раза.
Для ряда полученных соединений, представляющих потенциальный интерес в качестве высокоэнергетических материалов, были рассчитаны детонационные свойства'по программе SHOK и DETONATION (S&D), а также характеристики горения в программе REAL.
По совокупности полученных данных можно заключить, что (фуразаниламино)тетразиновый фрагмент является перспективной основой для получения высокоэндотермичных полназотистых соединений - энергоемких материалов различного назначения.
ВЫВОДЫ
1. В результате систематического изучения синтезированы полиазотистые соединения, содержащие ¿-тетразиновый и фуразановый циклы связанные гидразо-, азокси-, карбогидразино- и NH-мостики. Показано, что производные с NH мостиком между циклами - наиболее стабильные и интересные представители этой группы соединений.
2. Разработанные методы синтеза несимметричных дигетариламинов основываются на двух реакциях - (/) катализируемое солями меди C-N-кросс-сочетание s-тетразиниламинов или их аннелированных производных с З-иодо-4-R-фуразанами и (//) нуклеофильном замещении пиразольного фрагмента в 3-(3,5-диметилпиразол-1-ил)тетразинах 3-амино-4-К-фуразанами (или другими аминогетероциклами). Оба метода применимы для получения соед!шений с разнообразными функциональными группами, включая такие эксплозофорные группы, как нитро-, азидо-, азо- и азоксигруппы.
3. Разработаны методы конструирования [1,2,4]триазоло[4,3-А]-5-тетразшгов из ацильных производных гидразино-5-тетразина.
4. Впервые показано, что при замещении одной азидогруппы в 3,6-диазидотетразине аминофуразанильным фрагментом, оставшаяся азидогруппа переходит в таутомерную тетразольную форму, образуя соответствующие производные тетразоло[ 1,5-&]-з-тетразина.
5. Исследованы реакции окисления и нитрования, позволяющие вводить
кислородсодержащие функциональные группы в ТУ-фуразанил-^-тетразиниламины.
6. В ряду полученных соединений выявлены вещества представляющие
интерес в качестве потенциальных компонентов энергоемких составов.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
1. А.В. Sheremetev, N.V. Palysaeva and M.I. Struchkova, The first synthesis of 3-nitro-4-[(j-tetrazin-3-yi)atnino]furazans // Mendeleev Commun., 2010, T. 20, C. 350-352.
2. А.Б. Шереметев, H.B. Палысаева, К.Ю. Супоницкий, М.И. Стручкова, Синтез [1,2,4]триазоло[4,3-6]-5-тетразинов, включающих фуразановый цикл // Изв. АН, сер. хим, 2012, 61, (I), 119-128.
3. А.В. Sheremetev, N.V. Palysaeva and M.I. Struchkova, K.Y. Suponitsky and M.Y. Antipin. Copper-Catalyzed C-N Coupling Reactions in High Nitrogen Compound Synthesis. Reaction of Iodofurazans with s-Tetrazinylamines // Eur. J. Org. Chern., 2012, P. 2266-2272.
4. А.Б. Шереметев, H.B. Палысаева, Синтез 3-(Я-гидразино)-1,2,4,5-тетразинов // Тез. докл. Междунар. конф. «Фундаментальные и прикладные проблеммы современной химии», Астрахань, 2008, с. 80.
5. Н.В. Палысаева, А.Б. Шереметев. Синтез Л-фуразанил-Лл-(1,2,4,5-тетразинил) -Лиазен-А^-оксидов // Тез. докл. Всеросс. конф. «Химия нитросоединений и родственных кислородсодержащих систем», Москва. 2009, С. 129.
6. Н.В. Палысаева, А.Б. Шереметев, Е.П. Кумпан, К.Ю. Супоницкий, Синтез триазолотетразинов, включающих фуразановый цикл // Тез. докл. Междунар. конф. "Химия гетероциклических соединений ", Москва, 2010, С-156.
7. Н.В.Палысаева, А.Б.Шереметев, К.Ю. Супоницкий Синтез энергоемких нитро-, азидо-, азо- и азокси- соединений, включающих тетразиновый и фуразановый циклы // Тез. докл. Всеросс. Конф. «Энергетические конденсированные системы», Черноголовка - Москва, 2010. С. 175-176.
8. Н.В Палысаева. Изучение нуклеофильного замещения в s-тетразинах. Реакции со слабыми N-нуклеофилами // Тгз. докл. Второй Междунар. науч. конф. ;;Новые направления в химии гетероциклических соединений» Железноводск, 2011, С-85.
9. А.В. Sheremetev, N.V. Palysaeva, Development of flexible strategies towards dihetaryiamine constructions. Synthesis of compounds when furazan and s-tetrazine rings bridged through the NH-spacer // International Congress on Organic Chemistry dedicated to the 150-th anniversary of the Butlerov's Theory of Chemical Structure of Organic Compounds, Kazan, Russia, 2011, p. 458.
Подписано в печать 25.04.2012 г. Печать трафаретная
Условных печатных листов формат 60*90/16 - 1,5 Заказ № 10060 Тираж: 120 экз.
Типография «Бипрпт» тел.: 8 (495) 626-42-43 119334, Москва, Ленинский пр-т. Д.37А www.sunprint.ru
61 12-2/427
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕВДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ им. Н.Д. ЗЕЛИНСКОГО РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК (ИОХ РАН)
ПАЛЫСАЕВА Надежда Владимировна
СИНТЕЗ ПОЛИАЗОТИСТЫХ СОЕДИНЕНИЙ, ВКЛЮЧАЮЩИХ ФУРАЗАНОВЫЙ И 1,2,4,5-ТЕТРАЗИНОВЫЙ ЦИКЛЫ
Специальность 02.00.03 - органическая химия
Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук
Научный руководитель: доктор химических наук
А. Б. Шереметев
Москва 2012
Содержание
Введение.......................................................................................................................................5
1. Синтез и реакционная способность ¿-тетразинов, включающих гетероциклические заместители (Литературный обзор)...........................................................................................8
1.1. Синтез гетарилтетразинов...............................................................................................9
1.1.1. Способы получения 3,6-(гетарил)-л-тетразинов, путем формирования тетразинового цикла...........................................................................................................9
1.1.1.1. Тетразины с пятичленными гетероциклическими заместителями.............11
1.1.1.1.1. Пирролилзамещенные ¿-тетразины.........................................................11
1.1.1.1.2. Фурилзамещенные ¿-тетразины...............................................................12
1.1.1.1.3. Синтез пиразолилзамещенного ¿-тетразина из триаминогуанидина и ацетилацетона............................................................................................................13
1.1.1.1.4. Тетразолилзамещенный ¿-тетразин.........................................................14
1.1.1.2. Тетразины с шестичленными гетероциклическими заместителями...........15
1.1.1.2.1. Пиридинил-5-тетразины...........................................................................15
1.1.1.2.2. Пиразинил- и пиримидинилзамещенные ¿-тетразины..........................17
1.1.1.2.3. Полигетероциклы, включающие ¿-тетразиновые и триазиновые фрагменты..................................................................................................................18
1.1.2. Синтез гетарилтетразинов путем модификации заместителей в 3- и 6-положениях ¿-тетразина...................................................................................................19
1.1.2.1. Циклизация гидразиновых производных тетразина.....................................19
1.1.2.2. Циклизация гуанидиновых производных ¿-тетразина.................................20
1.1.2.3. Модификации 3,6-бис(2#-тетразол-5-ил)-£-тетразина.................................21
1.1.2.4. Галогенирование диметилпиразолильного фрагмента в э-тетразине ........22
1.1.2.5. Нуклеофильное замещение при ¿-тетразиновом цикле................................23
1.1.2.5.1. Атом хлора в качестве уходящей группы...............................................23
1.1.2.5.2. Нуклеофильное замещение диметилпиразольного фрагмента.............26
1.1.2.5.2.1. Реакции с М/-гетероциклами...........................................................26
1.1.2.5.2.2. Реакции с гетероциклическими аминами........................................27
1.1.2.6. Палладий-катализируемое аминирование 3,6-диметилсульфанил-.у-тетразина........................................................................................................................29
1.1.2.7. Синтез производных в-тетразина, в которых два этих цикла связаны мостиковыми группами................................................................................................30
1.1.2.8. Получение аннелированных производных тетразина..................................32
1.1.2.8.1. Триазо л о [4,3 -Ь] -¿-тетразины....................................................................32
1.1.2.8.1.1. Получение триазоло[4,3-Ь]-л'-тетразинов из производных ¿-тетразина................................................................................................................32
1.1.2.8.1.2. Получение триазоло[4,3-Ь]-,у-тетразинов из производных 1,2,4-триазола..................................................................................................................37
1.1.2.8.2. Тетразоло[ 1,5-Ь] -в-тетразины...................................................................38
1.1.2.8.3.1. Получение тетразоло[1,5-Ь]-¿-тетразинов, в результате замещения галогена при тетразиновом цикле под действием азида натрия.......................39
1.1.2.8.2.2. Получение тетразоло[1,5-Ь]-¿-тетразинов диазотированием гидразино-в-тетразинов азотистой кислотой......................................................40
1.2. Химические свойства гетарилтетразинов....................................................................41
1.2.1. Нуклеофильное замещение....................................................................................41
1.2.1.1. Реакции замещения гетероциклического заместителя при ¿-тетразиновом цикле #-нуклеофилами.................................................................................................41
1.2.1.2. Реакции с О-нуклеофилами.............................................................................46
1.2.1.3 Реакции с 5-нуклеофилами...............................................................................48
1.2.1.4. Реакции с С-нуклеофилами.............................................................................49
1.2.2. Азафильное присоединение...................................................................................50
1.2.3. Кросс-сочетание......................................................................................................51
1.2.4. Реакции [4+2] циклоприсоединения.....................................................................51
1.2.5. Реакции расширения тетразинового цикла в триазолотетразинах.....................57
1.2.5 Окисление тетразинового цикла до .Диоксидов.....................................................59
1.2.6 Образование солей...................................................................................................60
1.2.7. Физико-химические характеристики....................................................................62
2. Разработка методов синтеза соединений, включающих фуразановый и Б-тетразиновый циклы (Обсуждение результатов)............................................................................................65
2.1. Попытки получения производных Л^-фуразанил-Лг'-(5,-тетразинил)-диазена...........67
2.2. Окислительная конденсация. Синтез Лг-фуразанил-А^'-(л-тетразинил)-диазен-,¥'-оксидов..................................................................................................................................70
2.3. Изучение взаимодействия 5-тетразинов с гидразидами фуразанкарбоновых кислот .................................................................................................................................................71
2.4. Синтез [ 1,2,4]триазоло[4,3 -Ь]-у-тетразинов, включающих фуразановый цикл ......75
2.5. Разработка методов синтеза соединений, в которых фуразановый и £-тетразиновый циклы связаны Ж/-мостиком...............................................................................................77
2.5.1. Металл-катализируемое С-А^-кросс-сочетание З-амино-я-тетразинов с 3-йодо-4-11-фуразанами.................................................................................................................77
2.5.2. Реакции нуклеофильного замещения диметилпиразолильного фрагмента при э-тетразинах слабоосновными аминами в присутствие оснований ............................83
2.5.3. Нуклеофильное замещение диметилпиразольного фрагмента в триазоло -[4,3-Ь]-£-тетразинах слабоосновными аминами.............................................................91
2.5.4. Нуклеофильное замещение диметилпиразольного фрагмента слабоосновными гетариламинами.................................................................................................................94
2.5.5. Разработка методов синтеза аминов, включающих тетразоло[1,5-Ь]-л-тетразиновый фрагмент....................................................................................................97
2.6. Получение солей включающих ,у-тетразиновый и фуразановый циклы .................99
2.7. Изучение химических свойств фуразаниламинотетразинов ..................................100
2.7.1. Окисление аминогруппы в соединениях, содержащих аминофуразанильный фрагмент...........................................................................................................................100
2.7.2. Нитрование аминогруппы в соединениях содержащих аминофуразанильный фрагмент...........................................................................................................................104
3. Спектральные исследования..............................................................................................106
3.1. ИК-спектроскопия........................................................................................................106
3.2. Масс-спектрометрия......................................... ............................................................107
3.3. ЯМР-спектроскопия;....................................................................................................109
3.4. Рентгено-структурное исследование..........................................................................132
4. Кислотные свойства А^-(фуразанил)-тетразиниламинов.................................................134
5. Физико-химические и детонационные характеристики отдельных производных (фуразан-4-иламино)-5-тетразина..........................................................................................136
6. Дифференциальный-термический анализ (ДТА) некоторых синтезированных (фуразаниламино)-£-тетразинов.............................................................................................139
7. Экспериментальная часть...................................................................................................141
Выводы.....................................................................................................................................153
Список литературы.................................................................................................................154
Приложение.............................................................................................................................170
Введение
Важнейшими взаимосвязанными задачами современной органической химии является прогнозирование свойств соединений с заданной структурой и синтез целевых соединений с заданным комплексом свойств. Решение этих задач невозможно без знания того, как отдельные фрагменты молекулы влияют друг на друга, к чему приводят эти взаимодействия. В области энергоемких соединений, традиционно создаваемых введением нитро-, нитрокси-, нитрамино- и азидогрупп в различные алифатические, ароматические и гетероциклические молекулы, работы по выявлению зависимостей структура-свойство ведутся уже давно. В противоположность традиционным энергоемким материалам, соединения с высоким содержанием азота, энергетика которых обусловлена их высокими энтальпиями образования, исследованы значительно меньше. В то же время, потребность в полиазотистых соединениях, как более экологически приемлемых (т. к. большую часть продуктов их сгорания составляет безвредный азот), крайне высока. Поэтому поиск новых энергоемких соединений с высоким содержанием азота сохраняет высокую актуальность.
Ранее на основе .у-тетразина (1,2,4,5-тетразина) было создано несколько энергоемких полиазотистых соединений, например, такие как 3,3'-азо-бис(6-амино-£-тетразин) (ТНр(дта> 252°С, <1 1.76 г/см3, ДН^ +862 КДж/моль) и 3,6-ди( 1 Я-5-тетразол-5-иламино)-5-тетразин (Тнр(дта) 270°С, <1 1.78 г/см , Д^ +883 КДж/моль). Однако они не содержат кислорода. Более того, попытки введения к тетразиновому циклу обогащенных кислородом групп, в частности, нитрогрупп, привели к дестабилизации молекул.
С другой стороны, фуразановый цикл, как «строительный блок» для синтеза, содержит кислород и хорошо сочетается с различными функциональными группами, включая нитрогруппу, что позволило синтезировать ряд энергоемких производных фуразана, характеризующихся хорошим кислородным балансом, высокой термической стабильностью и плотностью. Однако для нитрофуразанов свойственны невысокие температуры плавления, что не желательно для решения некоторых задач. Объединение в одной молекуле ¿-тетразинового и фуразанового циклов могло бы привести к структурам с высоким содержанием азота, которые одновременно содержали бы активный кислород и обладали бы хорошим сочетанием энергетических характеристик и теплофизических данных.
Известны лишь единичные подходы, позволяющие объединить в одной молекуле два электронодефицитных полиазотистых гетероцикла. Однако, на момент начала
нашего исследования соединения, включающие как ¿-тетразиновый, так и фуразановый циклы, известны не были.
Целью настоящей работы является конструирование полиазотистых соединений, включающих как ¿-тетразиновый, так и фуразановый циклы. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
■ Разработка методов синтеза соединений, содержащих ¿-тетразиновый и фуразановый циклы, связанные -ЫН-, -ИН-МН-, -Ы=М-, -К(0)=Т\Г-, -С(0)-]МН-№1-мостиковыми группами;
■ получение аннелированых производных тетразина, включающих фуразановый цикл в качестве заместителя;
■ исследование окисления азотсодержащих групп и фрагментов в соединениях, включающих 5-тетразиновый и фуразановый циклы для получения их И-оксидов, нитро- и азо- производных;
■ изучение физико-химических и специальных свойств полученных соединений, для выявления закономерностей структура-свойство.
Научная новизна. Впервые систематически исследованы реакции, позволяющие сконструировать молекулы, содержащие в своем составе как фуразановый, так и тетразиновый циклы.
Впервые разработаны общие методы получения дигетариламинов из 3-(3,5-диметилпиразолил)тетразинов (или азоло[4,3-й]-5-тетразинов) и слабоосновных гетари л аминов. Эффективного нуклеофильного замещения диметилпиразольного фрагмента удалось добиться в присутствии карбонатов щелочных металлов в безводных полярных растворителях. Обнаружено, что в качестве нуклеофилов могут быть использованы 3-амино-4-11-фуразаны, содержащие как электронодонорные, так и акцепторные заместители. Более того, показано, что найденные условия пригодны для вовлечения в реакцию и других слабоосновных аминов, таких, например, как аминоимидазолы, аминотриазолы, аминотетразолы, аминотетразины.
Впервые осуществлена реакция С-К кросс-сочетания между полиазотистыми электронодефицитными гетероциклическими компонентами, такими как 3-амино-.у-тетразины и З-иод-4-К-фуразаны. Найдено, что она протекает в присутствии солей меди. Метод пригоден для реактантов, содержащих как электронодонорные, так и акцепторные заместители.
Впервые в результате термического азолоаннелирования ацильных производных
гидразинотетразина получены [1,2,4]триазоло[4,3-6]-.?-тетразины, включающие в
6
качестве заместителя при триазольном цикле электроноакцепторный фуразанильный или полифторалкильный фрагмент.
Изучено окисление производных 3-[(3-аминофуразан-4-ил)амино]тетразинов. Получен ряд нитро-, азо-, азокси-производных, а также N-оксидов.
Показано, что соединения, где фуразановый и тетразиновый циклы связаны азо-или азоксимостиками, нестабильны. Напротив, соединения с NH-мостом между этими циклами химически и термически устойчивы.
Практическая значимость. Разработаны эффективные препаративные методики синтеза 3-(3-11-фуразанидамино)тетразинов (C-N-кросс сочетание, нуклеофильное замещение и др.), а также других 3-(гетариламино)-тетразинов, представляющих потенциальный интерес в качестве энергоемких материалов.
Ряд соединений был наработан и передан в смежные организации (ИХФ РАН, ИОНХ РАН, ИНЭОС РАН, РХТУ им. Д.И.Менделеева) для определения физико-химических и специальных свойств.
Апробация работы и публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи. Результаты работы докладывались на: Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной химии» (Астрахань, Россия, 2008); Всероссийской конференции «Химия нитросоединений и родственных кислородсодержащих систем» (Москва, Россия, 2009); Международной конференции "Химия гетероциклических соединений" (Москва, Россия, 2010); Всероссийской конференции «Энергетические конденсированные системы» (Черноголовка, Россия, 2010); II Международной конференции "Новые направления в химии гетероциклических соединений" (Железноводск, Россия, 2011), "International Congress on Organic Chemistry dedicated to the 150-th anniversary of the Butlerov's Theory of Chemical Structure of Organic Compounds", (Kazan, Russia, 2011).
Отдельные части работы выполнены при поддержке программы отделения РАН ОХНМ-04 и Госконтракта №02.740.11.0258 с Федеральным агентством по науке и инновациям (2009-2012).
1. Синтез и реакционная способность s-тетразинов, включающих гетероциклические заместители (Литературный обзор)
Тетразины - шестичленные гетероциклические соединения с четырьмя атомами азота в цикле. В зависимости от расположения атомов азота в цикле (вицинальное, симметричное и асимметричное), возможно существование трех изомерных структур, которые изображены на схеме 1.1. В «Chemical Abstracts» производные 1,2,4,5-тетразина называют симм - тетразинами (s-тетразинами).
1
N.
N
4
N2 N3
N ^N
п i
3
1
2
vS.»
. V<
Схема 1.1
1,2,3,4- или виц - тетразин
1,2,4,5 - или 1,2,3,5 - или симм - тетразин асимм - тетразин
5
Производные я-тетразина находят широкое применение в органическом синтезе, а некоторые представители этого класса представляют интерес в качестве энергоемких материалов. В противоположность традиционным энергоемким материалам, энергия, аккумулированная в полиазотистых соединениях, обусловлена наличием в них большого количества И-Ы и С-И связей. Имея высокие положительные энтальпии образования, эти соединения при взрыве или горении высвобождают эту энергию, а в качестве продуктов разложения дают преимущественно азот. Для сжигания имеющегося в этих соединениях небольшого количества углерода и водорода требуется лишь незначительный процент внешнего окислителя. Большое содержание азота привлекательно также с экологической точки зрения.
За последние два десятилетия химия 5-тетразина развивалась довольно интенсивно. Работы последних лет в основном посвящены синтезу новых типов полициклических систем, содержащих я-тетразиновое кольцо, использованию производных 5-тетразина в синтезе, а также спектральным исследованиям, более тщательному изучению молекулярной структуры производных. л-Тетразинам посвящен ряд обзоров [1-Ю], обобщающих те или иные аспекты их химии, свойств, применения, или же охватывающие определенные временные периоды.
В настоящем обзоре собрана информация о синтезе и свойствах производных 5-тетразина, имеющих в качестве заместителей гетероциклические фрагменты.
1.1. Синтез гетарилтетразинов
1.1.1. Способы получения 3-(гетарил)-8-тетразинов, путем формирования тетразинового цикла
Известные на данный момент методы формирование ^-тетразинового цикла, можно схема
