Синтез S- и N-гетероциклов на основе нуклеофильного замещения нитрогруппы в продуктах трансформации 2,4,6-тринитротолуола по метильной группе тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ имени Н. Д. ЗЕЛИНСКОГО

На правахрукописи

САПОЖНИКОВ Олег Юрьевич

СИНТЕЗ S- и ^ГЕТЕРОЦИКЛОВ НА ОСНОВЕ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ НИТРОГРУППЫ В ПРОДУКТАХ ТРАНСФОРМАЦИИ 2,4,6-ТРИНИТРОТОЛУОЛА ПО МЕТИЛЬНОЙ ГРУППЕ

02.00.03 - органическая химия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва - 2005

Работа выполнена в лаборатории ароматических азотсодержащих соединений Института органической химии им. Н. Д. Зелинского Российской академии наук

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор

Шевелев Святослав Аркадьевич

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Кобраков Константин Иванович кандидат химических наук, старший научный сотрудник Чураков Александр Михайлович

Ведущая организация: Санкт-Петербургский Государственный Технологический

Институт (Технологический университет)

Защита состоится 17 марта 2005 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

Ученый секретарь диссертационного совета ИОХ РАН доктор химических наук

В. А. Петросян

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Настоящая работа выполнена в рамках программы по химической демилитаризации наиболее массового взрывчатого вещества 2,4,6-тринитротолуола (тротила, ТНТ). Задачей программы является превращение ТНТ в многоцелевое доступное химическое сырье. Актуальность программы связана как с необходимостью утилизации устаревших (с истекшим сроком годности) боеприпасов, основным взрывчатым веществом которых является ТНТ, так и с более общей проблемой -создания нового дешевого промышленного источника разнообразных химических продуктов различного назначения (мономеров, различных вспомогательных веществ для полимерной химии, полупродуктов для красителей, биологически активных веществ для медицины и сельского хозяйства и т.п.), во многих случаях доступных лишь исходя из ТНТ как полифункционального ароматического соединения.

Решение этих задач возможно лишь при создании научных основ направленного синтеза ароматических и гетероциклических соединений различных типов на основе ТНТ, где одним из основных направлений исследований является модификация метальной группы ТНТ и последующие превращения полученных при этом 1-Х-2,4,6-тринитробензолов. Настоящая работа является составной частью такого рода систематических исследований, проводимых в лаборатории ароматических азотсодержащих соединений (№18) ИОХ РАН, причем таких, которые направлены на синтез гетероциклических систем.

Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ, проект №01-03-32261.

Цель работы. Целью работы является разработка способов получения S- и N гетероциклов с ранее неизвестным сочетанием функциональных заместителей, основанных на использовании в синтезе продуктов превращений ТНТ по метильной группе - 1-Х-2,4,6-тринитробензолов, где Х-группировки с двойными связями С=С, C=N, C=O, а также с Х=Н, изучение закономерностей замещения нитрогруппы в такого рода производных ТНТ под действием ряда S-, О-, и ^нуклеофилов и использование этих результатов для внутримолекулярных циклизаций.

Научная новизна и практическая ценность работы. В результате проведенного исследования на основе ТНТ созданы новые способы получения замещенных индолов, бензо[6]тиофенов, бензо[с1]изотиазолов и некоторых других бензаннелированных гетероциклов путем трансформации метильной группы ТНТ и нуклеофильного замещения орто-нитрогруппы. Кроме того, впервые проведено арилирование NH-азолов с помощью продукта окислительного деметилирования ТНТ - 1,3,5-тринитробензола.

Таким образом разработаны способы получения ранее неизвестных: • 2-арил-4-Х-6-нитробензо[b]тиофенов и их 3-хлорзамещенных;

• 4-Х-6-нитробензо[ё]изотиазолов;

• 2-арил-4-М-виц-триазолил-6-нитро-1И-индолови 1-алкил-4,6-динитроиндолов;

• хлоридов 2-арил-4,6-динитробензо[*/]изотиазолия;

• 1->1-азолил-3,5-динитробензолов, 1,3-бис-М-азолил-5-нитробензолов и 1,3,5-трис-М-бензотриазолилбензола

При этом впервые:

— осуществлено региоспецифическое нуклеофильное замещение 4-нитрогруппы в 3-2-4.6-динитробензо[6]тиофенах (2 = Н, С1) и 4,6-динитробензо[ё]изотиазоле;

— разработано последовательное нуклеофильное замещение всех трех нитрогрупп в 1,3,5-тринитробензоле под действием МИ-азолов;

— показано, что 2,4,6-тринитростирол способен присоединять нуклеофилы по двойной связи С=С;

— обнаружена способность 2-азидо-4,6-динитростильбенов вступать в реакцию диазопереноса с образованием 2-амино-4,6-динитростильбенов.

Публикации и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 5 статей, 4 статьи приняты к печати. Отдельные части работы были доложены на 1-й Всероссийской конференции по химии гетероциклов памяти А. Н. Коста (Суздаль, Россия, 2000), Третьем Всероссийском симпозиуме по органической химии «Стратегия и тактика органического синтеза» (Ярославль, Россия, 2001), Четвертом Всероссийском симпозиуме по органической химии «Органическая химия - упадок или возрождение?» (Москва - Углич, Россия, 2003), а также на Второй Международной конференции «Химия и биологическая активность кислород-и серусодержащих гетероциклов», 2003г.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на страницах состоит из

введения, трех глав, выводов и списка литературы. В первой главе рассмотрены литературные данные по нуклеофильному замещению нитрогруппы в 1-Х-2,4,6-тринитробензолах. Во второй главе обсуждаются полученные экспериментальные результаты. Третья глава содержит описание эксперимента.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1.Стратегия синтеза бензаннелированных гетероциклов

Стратегия синтеза бензаннелированных гетероциклических соединений в настоящей работе основана на трансформации метильной группы 2,4,6-тринитротолуола (ТНТ) в группировки, содержащие двойные связи С=С, C=N или СЮ, с последующим замещением орто-нитрогруппы. Полученные таким образом продукты являются исходными для внутримолекулярной циклизации (Схема 1).

Схема 1

2. Нуклеофильное замещение нитрогруппы в Я-2,4,6-тринитростилъбенах под действием S- и О-нуклеофилов

Известно, что ТНТ гладко конденсируется с ароматическими и гетероароматическими альдегидами, давая соответствующие £-2 Дб-тринитростильбены 4 (Схема 2).

Схема 2

Таким образом для синтеза синтонов 2 (Схема 1), где Z=CH, необходимо изучение закономерностей замещения нитрогруппы в £-2,4,6,-тринитросгильбенах 4 под действием нуклеофилов.

Нами найдено, что арентиолы в среде диполярных апротонных растворителей (^ метилпирролидон (N-MP), DMF, DMSO, ацетонитрил) в присутствии щелочей или щелочных карбонатов реагируют со стильбенами 4 уже при 20°С, при этом, независимо от характера заместителя в арильном фрагменте стильбенов 4, замещается только о-МЭг-группа и с хорошими выходами образуются соответствующие E-2-арилтио-4,б-динитростильбены 5a-f (Схема 3). Наилучшие результаты получены в среде N-MP в присутствии К2СО3. Доказательством о-замещения является наличие в спектрах ЯМР ]Н продуктов реакции двух разных сигналов динитрофенильного ядра, в случае p-замещения наблюдался бы один сигнал

двойной интенсивности. Продукт р-замещения не обнаружен в реакционной смеси (данные ЯМР *Н).

Схема 3

При использовании алкантиолов для замещения нитрогруппы в £-2,4,6-тринитростильбенах 1 в тех же условиях образуются оба возможных изомера, но с преобладанием о-изомера: во всех случаях соотношение орто/пара « 3/1 (Схема 4).

Схема 4

Фенолы в присутствии К2СО3 также замещают только о-нитрогруппу в £-2,4,6-тринитростильбенах 4, для протекания этой реакции необходимо увеличение температуры до 80°С (Схема 5). Оптимальным растворителем оказался ацетонитрил, хотя реакция проходит и в N-MP и DMF. Выход продуктов о-замещения 7 не превышает 40%, однако продукт замещения /?-Ж)2-группы не зафиксирован (данные ЯМР 'Н). Невысокие выходы £-2-арокси-4,6-динитростильбенов 7 связаны с побочным явлением - сильным смолообразованием в процессе реакции.

V

r

АГОН,К2СОЗ CH3CN,80°C

n02

no2

14-37%

la,c

RJR'-H(a); R=OCH3, R'CH3(b); R=OCH3, R'=Cl(c).

7

Одним из возможных объяснений преимущественного образования qpmo-изомера может являться то, что орто- и лара-нитрогруппы в #-2,4,6-тринитростильбенах 4, как и в других 1-Х-2,4,6-тринитробензолах, неравноценны. Действительно, как показывает квантово-химический расчет по полуэмпирическому методу AMI (Chem3D Ultra, 8.0), в стильбене 4а плоскости орто-нитрогрупп под стерическим влиянием р-фенилвинильного фрагмента повернуты на значительный угол вокруг оси C-N (2-NO2 на ~50°, 6-NO2 на -30°), в то время как/ъМОг-группа лежит в плоскости ароматического цикла; плоскость р-фенилвинильного фрагмента повернута по отношению к этому циклу на ~60°. Как известно, поворот о-ЖЬ-группы в l-X-2,4,6-тринитробензолах способствует ее нуклеофильному замещению, т.к. облегчается лимитирующая стадия нуклеофильного замещения (SNAT) - образование соответствующего иисо-а-комплекса. В тоже время пространственные затруднения, обусловленные структурой нуклеофила, могут изменить направление реакции: увеличивается доля пора-замещения. В нашем случае, при переходе от арентиолов и фенолов к алкантиолам увеличиваются пространственные требования нуклеофила, что и приводит к уменьшению селективности орто-замещения. Аналогичный эффект наблюдается и в случае ТНТ, хотя для ТНТ доля пара-замещения меньше, чем в случае стильбенов 4.

Изучена также возможность замещения второй нитрогрушш в стильбене 5а и сразу двух нитрогрупп в 2?-2,4,6-тринитростильбене 4а под действием тиофенола (1 или 2 эквивалента соответственно). Реакции проводились в тех же условиях, что и замещение первой нитрогруппы, однако в этом случае требуется проводить реакцию в инертной атмосфере и значительно более продолжительное время (Схема 6). Как показывают ЯМР 'Н спектры выделенных веществ, в обеих реакциях в качестве единственного продукта образуется соединение 8 - продукт орто-замещения нитрогрупп. Протоны в положениях 3 и 5 центрального фенильного кольца, указанные на схеме, равнозначны, поэтому в спектре наблюдается синглет двойной интегральной интенсивности. В случае лора-замещения в спектре наблюдались бы два сигнала от неравнозначных протонов в 3 и 5 положениях.

3. Синтез 2-арил-4-Х-б-нитробензо[Ь]тиофенов

Известно, что связь PhCH2-SAr легко разрывается под действием хлорирующих реагентов с образованием соответствующих арилсульфенилхлоридов и РпСНгС!. В случае такого рода превращений ср/ио-бензилтиопроизводных ба-d можно было ожидать, что образовавшиеся продукты с ортео-фрагментом -SC1 будут способны к внутримолекулярной циклизации за счет присоединения этого фрагмента к двойной связи.

С этой целью полученные нами сульфиды (6 + 6')a-d без разделения были введены в реакцию с сульфурилхлоридом в 1,2-дихлорэтане (DCE). Использование эквимолярных количеств SO2CI2 уже при комнатной температуре приводит к образованию ранее неизвестных 2-арил-4,6-динитробензо[6]тиофенов lla-d (Схема 7) с выходами 45-70%, считая на сульфид 6. Для установления строения этих соединений был использован ЯМР (метод NOE). Этот эксперимент показал наличие взаимодействия протонов Н-2 и Н-6 арильного заместителя с протоном в положении 3 бензотиофенового кольца. На примере сульфидов 6а,Ь показано, что при использовании двух эквивалентов SO2CI2 образуются 2-арил-4,6-динитро-3-хлорбензо[й]тиофены 12а,Ь (выходы 70-85%), что, как оказалось, происходит путем хлорирования первоначально образующихся бензотиофенов 11а,Ь, т.к. при взаимодействии 11а,Ь с одним эквивалентом SO2CI2 в тех же условиях образуются производные 12а,Ь (Схема 7).

Как можно полагать, первоначально образовавшийся ордао-сульфенилхлорид 9 in situ циклизуется с образованием 2-арил-2,3-дигидро-4,6-динитро-3-хлорбензо[6]тиофенов 10, которые в условиях реакции ароматизуются путем элиминирования НС1, давая бензотиофены 11 (Схема 7). Действительно, в случае сульфида 6с, нам удалось выделить из реакционной смеси соответствующий 2-(4-метоксифенил)-2,3-дигидро-4,6-динитро-3-хлорбензо[Ь]тиофен Юс, который при дальнейшем выдерживании в условиях реакции (SO2CI2, DCE, 20°С) отщепляет НС1, давая бензотиофен 11с.

71-86% 12а,Ь К = Щя), С1(Ь), ОМе(с), СР3((1)

С целью дальнейшей функционализации динитробензотиофенов 11 и 12 изучено их поведение в реакциях нуклеофильного замещения. При этом было обнаружено интересное явление: замещается только 4-NO2-rpynna, причем 6-NO2-группа в условиях реакции не затрагивается даже при избытке нуклеофила. Так, тиолы замещают 4-NO2-rpynny в 2-арил-4,6-динитробензо[6]тиофенах 11 в N-MP в присутствии эквимолярных количеств К2СО3 при 60°С (Схема 8), выходы продуктов замещения 13а-с составляют 60-90%. Для использования фенола в этой реакции необходимо повышение температуры до 120°С, в этих жестких условиях выход продукта замещения 4-NO2-группы уменьшается до 30%, замещение 6-NO2-гругаш не наблюдается.

Схема 8

К=Н, ¡Чи-вСНгР^а); К-Н, ^-вРЬ(Ь); Н-О,1Чи-8РВД; Н=С1, №1=ОРЬ(«1);

Важно отметить, что при взаимодействии нуклеофилов с 2-арил-4,6-динитро-3-хлорбензо[6]тиофенами 12а,Ь замещается только нитрогруппа в положении 4 бензотиофенового ядра, атом хлора при этом не затрагивается (Схема 9). Замещение под действием тиолов проходит в случае соединений 12 уже при 20°С, с образованием сульфидов 15а-с. Также при более низкой температуре, 90°С против 120°С в случае соединений 11, проходит замещение нитрогруппы под действием фенола. Замещение нитрогруппы в

бензотиофенах 12 под действием азида натрия с образованием азидов 14 проходит уже при 20°С (Схема 9).

Как видно, динитробензотиофены 11 и 12 ведут себя в реакциях с анионными нуклеофилами одинаково: региоспецифически замещается 4-NO2-rpynna, но 2-арил-4,6-динитро-3-хлорбензо[Ь]тиофены 12 значительно более активны в реакциях нуклеофильного замещения нитрогруппы, чем 2-арил-4,6-динитробензо[й]тиофены 11. Это явление можно объяснить электроноакцепторным эффектом атома хлора в случае соединений 12. Однако возможно и альтернативное объяснение. Как уже отмечалось выше, поворот нитрогруппы по отношению к ароматическому циклу в исходном нитросоединении под стерическим действием соседнего заместителя способствует нуклеофильному замещению этой нитрогруппы, т.к. облегчается образование илсоа-комплекса. Для 4,6-динитро-2-фенил-3-хлорбензо[6]тиофена 12а квантово-химический расчет по методу AMI (Chem3D Ultra, 8.0) показывает, что 4-NO2 повернута вокруг оси C-N на 58°. В случае же 4,6-динитро-2-фенилбензо[£]тиофена 11а, не имеющего заместителя в положении 3, угол поворота 4-ЖЬ составляет всего 13°. Такая большая разница в углах поворота 4-NCh в 12а и 11а может также определять большую подвижность 4-NCh в 12 по сравнению с 11.

Доказательством замещения нитрогруппы именно в положение 4 бензотиофенового ядра является наличие в ЯМР экспериментах NOE взаимодействия протонов СНг-группы в соединениях 13а и 15а с протоном в положении 5 бензотиофенового ядра (Схема 9, показано на примере соединения 15а). В случае, если замещение прошло бы по положению 6 бензотиофенового ядра, в экспериментах NOE наблюдалось бы взаимодействие не только с протоном в положении 5, но и с протоном в положении 7. Для соединений 13Ь и 15с, а также в случае замещения на фенол, наблюдается похожая картина: фиксируется только взаимодействие протона в положении 5 с орто-протонами фенильного цикла.

Схема 9

R=H,Nu=SCH2COOMe(b); Л X /—\ / R

R=CI,Nu=SPh(c);

R=Cl, Nu-OPh(d); 15а-с 73-89%

15d 15%

4. Взаимодействие нуклеофилов с 2,4,6-тринитростиролом. Синтез 1-алкил-4,6-динитроиндолов

2,4,6-Тринитростирол 18 может быть получен из ТНТ (Схема 10).

Схема 10

Нами найдено, что действие тиофенола на стирол 18 в условиях, характерных для замещения нитрогруппы в £-2,4,6-тринитростильбенах тиофенолом (N-MP, в присутствии К2СО3, 20°С) приводит к смеси веществ, в которой присутствуют как продукты замещения нитрогруппы в 2,4,6-тринитростироле 18, так и продукты присоединения тиофенола по двойной связи, а также продукты замещения нитрогруппы в них. Оказалось, что при использовании менее полярного растворителя (ЕЮН) и органического основания можно направить

реакцию в сторону присоединения тиофенола к винильному фрагменту - образуется только аддукт 19 (Схема 11).

Схема II

Найдены условия, при которых и другие нуклеофилы присоединяются по двойной связи 2,4,6-тринитростирола 18. Так, анилин при нагревании в спирте образует аддукт 20 (Схема 11). В случае алифатических вторичных аминов наилучшие результаты получены в среде бензола при эквимолярном соотношении реагентов (показано на примере морфолина - образуется аддукт 21). Имидазол при кипячении в спирте с 2,4,6-тринитростиролом 18 дает аддукт 22 (Схема 11). Следует отметить, что £-2,4,6-тринитростильбены не образуют продуктов присоединения к двойной связи ни с тиолами, ни с аминами, ни с NH-азолами в аналогичных

условиях. Таким образом, наличие при двойной связи р-арильного заместителя препятствует присоединению нуклеофилов к ней.

Первичные алифатические амины реагируют с 2,4,6-тринитростиролом 18 иным образом. Так, при взаимодействии эквимолярного количества бензиламина с 2,4,6-тринитростиролом в спирте единственным продуктом является соединение 23 - продукт присоединения бензиламина к двум молекулам 2,4,6-тринитростирола 18 (Схема 12). Применение большого избытка бензиламина привело к неожиданному результату -образованию 1-бензил-4,6-динитроиндола 26 (R=CH.2Ph(a), Схема 12). Использование фенетиламина (R=CH2CH2Ph(b))n метиламина (К=СНз(с)) приводит к аналогичному результату.

Схема 12

N А

ОгМ^А/ЫОг РЬСН21ЧН2

Следует отметить, что во всех случаях выходы индолов 26 невелики: 12-18%. Можно полагать, что этот процесс протекает в соответствии со схемой 12, по которой адцукт 24 претерпевает внутримолекулярное замещение нитрогруппы. Невысокий выход конечного индола обусловлен, вероятно, тем, что образовавшийся индолин 25 окисляется лишь присутствующими в смеси нитросоединениями, а не кислородом воздуха, т.к. проведение эксперимента в атмосфере инертного газа не меняет направление реакции и не влияет на выход индола 26.

5. Нуклеофильное замещение нитрогруппы в 1Ч-(2,4,6-тринитробензилиден)анилинах под действием S-нуклеофилов. Синтез хлоридов 2-арил-4,6-динитробензо[<1]изотиазолия

С учетом результатов, полученных при изучении циклизаций на основе 2,4,6-тринитростильбенов, значительный интерес для синтеза бензанелированных гетероциклов могли представить С-(2,4,6-тринитрофенил)-М-К-азометины, содержащие двойную связь C=N. Для этого следовало найти подходы к введению в орто-положение к азометиновому фрагменту заместителей, способных к циклоконденсации.

2,4,6-Тринитробензальдегид 28, который получается из ТНТ в две стадии (Схема 13), гладко конденсируется с ароматическими аминами, давая соответствующие N-(2,4,6-тринитробензилиден)анилины 29.

Схема 13

В ходе изучения нуклеофильного замещения нитрогрушш в N-(2,4,6-тринитробензилиден)анилинах 29 найдено, что при действии на них различных тиофенолов в присутствии эквимолярных количеств К2СО3 как депротонирующего реагента в среде N-MP или DMF уже при комнатной температуре с хорошими выходами замещается орто-нитрогруппа на фрагмент AгS (Схема 14), при этом замещения лара-нитрогруппы не наблюдается (данные ЯМР 'Н). Доказательством о-замещениея, как и в случае £-2,4,6-тринитростильбенов, является наличие в спектрах ЯМР ]Н продуктов реакции двух разных сигналов динитрофенильного ядра.

Г\шя 14

Я =Н, К'=С1 (я), К=С1,Ц-=Н (Ь), И=С1, И'СНз (с)

При действии на азометины 29 PhCHaSH (К2СО3, N-MP) уже при комнатной температуре замещается нитрогруппа на фрагмент РhСН2S, причем не только в орто, но и в пара-положении, но, все же, с преобладанием o/wno-замещения: соотношение орто/пара-изомерных сульфидов 31 и 31' 3:1 (данные ЯМР *Н) независимо от характера заместителя R в арильном фрагменте (схема 15).

no2

29a-d

R = H(a), Cl(b), OMe(c), CF3(d)

n02

SCH2Ph

j

(31+31')a-d, 54-86%, o/p = 3/1

Как и в случае Л-2,4,6-тринитростильбенов, для соединений 31 возможно ожидать, что после разрыва связи PhCH2-SAr и образования сульфенилхлорида произойдет его внутримолекулярное взаимодействие с двойной связью C=N. С этой целью полученные нами сульфиды (31 + 31')a-d без разделения были введены в реакцию с сульфурилхлоридом в DCE. Уже при комнатной температуре это приводит к образованию ранее неизвестных хлоридов 2-арил-4,6-динитробензо[с1]изотиазолия ЗЗа-d (Схема 16). Для установления строения этих соединений был использован метод NOE. Этот эксперимент показал наличие взаимодействия протонов Н-2 и Н-6 арильного заместителя с протоном в третьем положении бензотиофенового кольца. В масс-спектрах ESI наблюдаются пики соответствующие катиону 2-арил-4,6-динитробензо[с1]изотиазолия.

Как можно полагать, в первоначально образовавшемся орюо-сульфенилхлориде 32 происходит атака неподеленной пары электронов атома азота по атому серы, что приводит к нуклеофильному замещению хлорид-аниона с образованием солей 2-арил-4,6-динитробензо[(1]изотиазолия 33.

6. Синтез 4-Х-6-нитробензо[(1]изотиазолов на основе 2,4,6-тринитротолуола

Как было показано выше, нами был разработан синтетический прием, позволивший получать на основе ТНТ производные 4,6-динитробензо[Ь]тиофена и солей 4,6-

Схема 16

n02 31a-d

R - Н(а), Cl(b), ОМе(с), CF3(d)

n02

32a-d

динитробензо[<1]изотиазолия. Мы поставили перед собой задачу модифицировать этот прием синтеза бензаннелированных гетероциклов для случая формирования из метальной группы ТНТ двойной связи С=О.

При взаимодействии 2,4,6-тринитробензальдегида 28 с бензилмеркаптаном (в N-MP в присутствии КгСОз), схема 17, кроме продуктов замещения 34а и 34Ь (соотношение 34а/34Ь по данным ЯМР Н 5/2), нами также наблюдались продукты замещения двух нитрогрупп, что сильно затрудняет разделение. Пуаем кристаллизации был выделен альдегид 34а лишь с выходом 12%.

Схема 17

Другой возможностью синтеза альдегида 34а является предварительное замещение нитрогруппы в соединении 27 под действием PhCHaSH. Результатом этого является образование соединений 35а и 35Ь (соотношение 3/1). Гидролиз смеси этих соединений приводит к 34а и 34Ь (соотношение 3/1), схема 17; при этом в конечной смеси отсутствуют продукты замещения двух нитрогрупп и доля соединения 34а больше, чем в опыте с 2,4,6-тринитробензальдегидом. Путем кристаллизации был выделен альдегид 34а с выходом 40%. Таким образом получен необходимый продукт, включающий в себя двойную связь С=О и находящуюся в орто-положении группировку SCKbPh.

Взаимодействие 34а с SO2CI2 в дихлорэтане приводит к расщеплению связи S—СНгРЬ и образованию сульфенилхлорида 36 (Схема 18), который без дополнительной очистки вводили в реакцию с 20% раствором аммиака в метаноле. Единственным продуктом данной реакции является 4,6-динитробензо[(1]изотиазол 37 (Схема 18).

Нами изучено взаимодействие 4,6-динитробензо[с1]изотиазола 37 с анионными нуклеофилами. Так, при взаимодействии 37 с тиофенолом в N-MP в присутствии К2СО3 при 20°С образуется единственный продукт замещения нитрогруппы 38а (Схема 18). По данным

ЯМР (NOE-эксперимент, взаимодействия указаны на схеме 18) это продукт замещения 4-NO2. Взаимодействие 37 с фенолом так же приводит к продукту замещения 4-NO2 38Ь (данные ЯМР, NOE-эксперимент), но для этой реакции необходима более высокая температура - 90°С. Такой же результат наблюдается и при реакции 37 с азидом натрия при 20°С в DMF (Схема 18).

Схема 18

39 58%

7. Синтез на основе 2,4,6-тринитротолуола соединений, содержащих ^азолильный фрагмент

Мы поставили перед собой задачу получить на основе ТНТ ароматические и гетероциклические соединения, содержащие ^азолильный фрагмент. При этом следует учитывать большую практическую ценность замещенных NH-азолов (пиразолов, триазолов и др.) в качестве биологически активных веществ различного назначения, компонентов красителей и фотохромов, основы для создания новых энергетических веществ и т.п. Поэтому использование производных ТНТ для получения новых ароматических и гетероциклических структур, содержащих ^азолильные фрагменты, представляется актуальной и важной задачей.

Возможны различные подходы для решения этой задачи. Один из них заключается в нуклеофильном замещении нитрогруппы производного ТНТ под действием NH-азолов, учитывая хорошо известную удовлетворительную нуклеофильность ^азолат-анионов. 7.а. Замещение нитрогрупп в 1,3,5-тринитробензоле под действием NH-азолов

До нашей работы не проводились систематические исследования по замещению ароматической нитрогруппы под действием ^азолат-анионов, а замещение нитрогруппы, активированной лишь мета-заместителями вообще не было известно, тем более в производных ТНТ. Естественно, что возможность замещения нитрогруппы ^азолат-анионами следовало прежде всего изучить на наименее сложном продукте превращения ТНТ по метальной группе -1,3,5-тринитробензоле (ТНБ). Последний также является представителем 1-Х-2,4,6-тринитробензолов (Х=Н). ТНБ может быть легко получен из ТНТ путем двухстадийного окислительного деметилирования последнего.

До настоящего времени единственным известным результатом взаимодействия с ТНБ пятичленных ароматических азотистых гетероциклов с эндоциклическим NH-фрагментом таких, как пиррол, индол и имидазол являлось образование стабильных анионных а-комплексов. О продуктах замещения нитрогруппы не сообщалось.

В качестве первого NH-азола для изучения возможности замещения нитрогруппы в ТНБ, был выбран бензотриазол (ВТ). Нами обнаружено, что бензотриазол в среде диполярных апротонных растворителей (DMF, ^МР, DMSO, ацетонитрил) в присутствии щелочей или щелочных карбонатов при температуре 80°С замещает одну нитрогруппу в ТНБ. Так же может быть использована и калиевая соль бензотриазола (К-ВТ). Оптимальным является использование твердого К2СО3 в ^МР как с точки зрения выхода целевых продуктов, так и по удобству их выделения. Исследование ЯМР Н спектров полученных продуктов во всех случаях показало, что они являются смесью изомерных 1- и 2-(3,5-динитрофенил)бензотриазолов, которые образуются по следующей схеме (Схема 19):

Схема 19

По данным ЯМР ]Н спектров неочищенных продуктов соотношение изомеров 40 и 41 независимо от применяемого основания и растворителя составляет ~2/3.

Эти результаты существенно отличаются от наблюдавшихся ранее для арилирования бензотриазолов с помощью галогеннитробензолов, в том числе с использованием Рё- и Си-содержащих катализаторов, где соотношение изомеров было иным: преобладает изомер по первому положению бензотриазола.

Изомеры 40 и 41 были разделены с помощью колоночной хроматографии. Строение соединений 40 и 41 было установлено следующим образом: для соединения 41, на основании сигналов ЯМР 'Н в области 7-9 м.д., наличие двух мультиплетов с интегральной интенсивностью 2Н, соотвествует симметрично замещенному бензотриазолу; для соединения 40 при облучении протонов Н2' и Н6' наблюдается NOE взаимодействие с протоном Н7 (Схема 19). В масс-спектре соединения 40 присутствует характерный пик [М+-28], обусловленный потерей молекулы азота.

Далее, нами исследовалось нуклеофильное замещение нитрогруппы в ТНБ под действием 5-замещенных бензотриазолов (5-Х-БТ). Были выбраны 5-замещенные бензотриазолы, чтобы на соотношение образующихся изомеров не оказывали влияние стерические факторы.

X X

Х- С1(а), Вг(Ъ), СГ3(с), ОМс(й)

При проведении реакции использовались те же условия (нагревание в ^МП при температуре 80°С в присутствии эквимолярного количества КгСОз), как и в случае бензотриазола (Схема 20). Результаты приведены в Таблице 1.

Таблица 1

Взаимодействие 5-Х-ВТ с ТНБ в присутствии К2СО3 (1:1:1) в N-MP при 80°С*.

X Время реакции (ч.) Выход смеси изомеров (%) Соотношение изомеров (42+43)/44

С1 2,5 90 31/69

Вг 4,5 94 33/67

СРз 5 93 20/80

ОМе 8 83 30/70

* Одинаковая концентрация реактантов для всех экспериментов.

Как видно из Таблицы 1, при введении в молекулу бензотриазола заместителя возрастает доля изомера по второму положению бензотриазольного ядра, что наиболее заметно в случае трифторметильной групировки: соотношение изомеров 42с+43с/44с = 1/4 по сравнению с 2/3 в случае незамещенного бензотриазола.

Использование условий, оптимальных для реакции бензотриазола с ТНБ, в случае 1,2,3-триазола также привело к образованию двух изомеров (Схема 21), но с иным соотношением: на основе анализа ЯМР 'Н спектров смеси изомеров оказалось, что соотношение 45/46 составляет 1/9. Как было сказано ранее, для бензотриазола соотношение изомеров 40/41 составляет 2/3. Таким образом, переход от бензанелированного аналога к 1,2,3-триазолу приводит к резкому увеличению доли продукта 3,5-динитрофенилирования по положению 2 триазольного цикла. Изомер 46 выделен с выходом 71%.

На основе полученных данных по арилированию различных бензотриазолов и 1,2,3-триазола с помощью ТНБ можно предположить, что высокая доля М(2)-арилированных продуктов в этих реакциях является особенностью ТНБ как электрофила.

1,2,4-Триазол также замещает нитрогруппу в ТНБ. Хотя при арилировании 1,2,4-триазола, в принципе, возможно образование двух изомеров, при реакции с ТНБ образуется только один изомер (Схема 21).

Исходя из данных ЯМР 'И спектра, полученное соединение имеет структуру 47, т.е. 3,5-динитрофенелирование 1,2,4-триазола идет только по положению 1, что соответствует литературным данным по направлению арилирования 1,2,4-триазола.

Первым использованным нами МИ-азолом с двумя атомами азота был незамещенный пиразол (Схема 21). Если в случае бензотриазола, 1,2,3-триазола и 1,2,4-триазола время реакции (конверсия ТИБ) колеблется от 4 до 8 часов и выход продуктов замещения нитрогруппы не меньше 70%, то для пиразола в тех же условиях время реакции 30 часов, а выход соединения 48а при полной конверсии исходных 23%.

Схема 21

Г > °2М 45 О^ 46

Н /ЧЧ-МР, 80°С, К2С03

По нашему мнению, такая ситуация связана слишком высокой основностью М-аниона незамещенного пиразола (рК»(НзО) пиразола - 14,1) и тем самым склонностью образовывать стабильные а-Н-КОМПЛекСЫ. Для подтверждения этого предположения мы ввели в реакцию с ТИБ 4-бромпиразол, обладающий рКа^гО)1112,69, и близкий к нему по этому значению 4-хлорпиразол. В обоих случаях выход продуктов реакции (48Ь и с) превысил 70%, а время реакции было не более 4-х часов. 3,5-Диметилпиразол (рКл(Н20)=15,8) не вступает в реакцию с ТИБ в указанных выше условиях.

С другой стороны, все попытки заместить нитрогруппу в ТИБ под действием имидазола или различных бензимидазолов не увенчались успехом.

Как известно, для проведения замещения двух нитрогрупп в ТИБ под действием 0-нуклеофилов (фенолов, полифторированных спиртов) необходимо использование более жестких температурных условий, чем для замещения одной нитрогруппы. Такая же ситуация

для замещения нитрогрупп в ТНБ под действием тиолов. Эффект связан с меньшей электрофильностью продуктов замещения по сравнению с ТНБ.

Нами исследовано замещение нитрогруппы в соединении 41 под действием различных анионных О- и S-нуклеофилов, а так же 1,2,4-триазола (Схема 22). Оказалось, что замещение нитрогруппы в соединении 41 проходит при тех же условиях, что и замещение первой нитрогруппы в ТНБ: в случае MeONa - в кипящем метаноле, во всех остальных случаях YH+K2CO3 в N-MP, причем для тиолов при 20°С, в остальных случаях при 80°С.

Схема 22

У: а(ОМе), Ь(8СН2СООМе), сфРЬ), <1(ОСН2СЕ2СР2Н), 78-93%

При анализе литературных данных по замещению нитрогрупп в ТНБ под действием О- и S-нуклеофилов и сравнении их с полученными нами результатами по замещению нитрогруппы в 2-(3,5-динитрофенил)бензотриазоле 41 под действием тех же нуклеофилов, можно сделать вывод о сильном активирующем эффекте ^бензотриазолильного фрагмента в реакциях ароматического нуклеофильного замещения мета-нитрогруппы, близком по активирующему влиянию к нитрогруппе.

Аналогичным эффектом обладает М-1,2,4-триазолильный фрагмент. Действительно, 1-(3,5-динитрофенил)-1,2,4-триазол 47 гладко реагирует с 4-хлорфенолом, а также с метилатом натрия в метаноле в условиях, характерных для ТНБ (Схема 23), давая с высокими выходами продукты замещения нитрогруппы 50 и 51 соответственно.

Схема 23

количеством бензотриазола (Схема 24). Как можно было предположить, исходя из предыдущих

результатов, в этой реакции должна образовываться смесь продуктов по первому и второму положению бензотриазола.

Схема 24

Однако оказалось, что образуется только один продукт, который был выделен с выходом 92%. Рассмотрение ЯМР *Н спектров этого соединения выявило наличие четырех сигналов протонов, относящихся к 1-замещенному бензотриазолу, кроме того метод ЯМР Н - NOE показал наличие взаимодействия, идентичного полученному для 1-(3,5-

динитрофенил)бензотриазола. На основе этого мы сделали вывод о соответствии строения полученного соединения структуре 52. Как видно из полученных данных, при переходе от ТНБ к продукту 41 существенно меняется селективность процесса замещения нитрогруппы под действием бензотриазола.

Соединение 52 в стандартных условиях реагирует с 2,2,3,3-тгтрафторпропанолом с образованием продукта замещения последней нитрогруппы 53 (Схема 25).

Схема 25

При действии на соединение 52 бензотриазола также в стандартных условиях замещается последняя нитрогруппа на третий остаток бензотриазола (Схема 25). После проведения реакции, мы получили только один продукт. По данным ЯМР 'Н это соединение 54.

Таким образом, разработан препаративный способ получения ранее неизвестных структур, несущих в одном бензольном цикле ^азолильные фрагменты (один, два или три) в мета-положении друг к другу или к другим заместителям.

7.Ь. Получение 2,4-динитро-6-0Ч-виц-триазолил)стильбенов и 2-арил-6-нитро-Ш-индолов, содержащих 4-УУ-виц-триазолильный заместитель.

Для синтеза индолов, имеющих ^азолильный заместитель в бензольном фрагменте в принципе возможны два варианта. Первый вариант предусматривает замещение оршо-ЫСН в стильбенах 4 под действием NH-азолов, как в ТНБ, с образованием 2-(М-азолил)-4,6-динитростильбенов 55 (Схема 26,а), и, используя активирующий эффект ^азолильного заместителя, замещение в нем второй оршо^02 азидом натрия с последующим термолизом азида 57 с образованием целевого продукта 58.

Схема 26

NO2 5«

Однако, как оказалось, в стильбенах 4 не удается заместить нитрогруппу под действием различных NH-азопов (1,2,3- и 1,2,4-триазолов и бензотриазола): при температурах 2(М>0°С в среде диполярных апротонных растворителейфМР, N-MP, DMSO и др.) в присутствии неорганических оснований замещение не наблюдается, а при повышении температуры (£80° С) происходит лишь сильное осмоление.

Второй вариант (Схема 26,Ь) предусматривает использование в качестве исходных ранее известных Я-2-азвдо-4,6-динитростильбенов 56 (продуктов орто-азидирования £-2,4,6-тринитростильбенов 4); их введение в реакцию 1,3-диполярного циклоприсоединения с подходящими диполярофилами, например, с 1,3-дикарбонильными соединениями, с образованием соответствующих 2-(Ы-1,2,3-триазолил)-4,6-динитростильбенов 55 и далее, как в первом варианте.

Нами изучено взаимодействие азидов 56 с различными типами диполярофилов: виниловыми эфирами, 1,3-дикарбонильными соединениями, эфиром ацетилендикарбоновой кислоты. Оказалось что реакция происходит достаточно однозначно лишь в случае 1,3-дикарбонильных соединений. Так, при кипячении в этиловом спирте эквивалентных количеств

2>2-азидо-4,6-динитростильбенов 56а-с и ацетилацетона в присутствии триэтиламина с выходами 40-75% образуются £'-2,4-динитро-6-[1Я-(4-ацетил-5-метил)-1,2,3-триазолил-1]стильбены 55а-с (Схема 27).

Как мы отмечали выше, ^триазолильный фрагмент по активирующему эффекту в реакциях ароматического нуклеофильного замещения мета-ЫС~ подобен нитрогруппе. Действительно, замещение нитрогруппы в стильбенах 55а-с под действием ИаНз проходит в тех же мягких условиях, что и для стильбенов 4: в DMF при ~20°С, причем, как и в случае стильбенов 4, реакция протекает региоспецифически - замещается только qpmo-NCh с образованием £-2-азидо-4-нитро-6-[1Я-(4-ацетил-5-метил)-1,2,3-триазолил-1]стильбенов 57а-с, выходы 60-80% (Схема 27). Тот факт, что замещается именно орто-ЪЮг в стильбенах 55а-с доказан термолизом ор/яо-азидостильбенов 57а-с: при их нагревании в среде этиленгликоля при 160-180°С выделяется азот и с высокими выходами образуются целевые индолы - 2-арил-6-нитро-4-[1Я-(4-ацетил-5-метил)-1,2,3-триазолил-1]-1Я-индолы 58а-с (Схема 27). Таким образом, разработан способ получения ранее труднодоступного типа индолов, содержащих в положении 4 ^виц-триазолильный фрагмент.

Схема 27

Необходимо отметить, что взаимодействие opmo-азидостильбенов 56а-с с циклическим 1,3-дикарбонильным соединением - циклогексан-1,3-дионом протекает совсем иначе, чем в случае ацетилацетона. Здесь на месте азидогруппы образуется не ^виц-триазолильный фрагмент, а аминогруппа, т.е. происходит формальное востановление азидогруппы с образованием £-2-амино-4,6-динитростильбенов 59а-с (Схема 29).

Образование аминогруппы из азидогруппы при действии диполярофилов с активным метиленовым фрагментом хорошо известно и свидетельствует о том, что вместо 1,3-диполярного присоединения происходит диазоперенос: метиленовое соединение превращается

в диазопроизводное, а азидогруппа а аминогруппу. Тем самым разработан двухстадийный способ селективного превращения в £-2,4,6-тринитростильбенах орто-'ЫОг в аминогруппу.

Выводы

1. С целью развития научных основ направленного синтеза S- и N-гетероциклов на основе 2,4,6-тринитротолуола (ТНТ) выявлены основные закономерности замещения нитрогруппы под действием ряда анионных S-, О- и N-нуклеофилов в продуктах трансформации ТНТ по метальной группе - £-2,4,6-тринитростильбенах, N-(2,4,6-тринитробензилиден)анилинах, а также в 1,3,5-тринитробензоле.

2. Разработаны общие способы получения 2-арил-4,6-динитробензо[Ь]тиофенов и их 3-хлорзамещенных, 2-арил-4,6-динитробензо[(1]изотиазолий хлоридов, а также 4,6-динитробензо[с1]изотиазола, основанные на селективном замещении <?рто-нитрогруппы под действием бензилмеркаптана в £-2,4,6-тринитростильбенах и N-(2,4,6-тринитробензилиден)анилинах и последующих превращениях, включая хлоролиз с образованием орто-8С1-производных.

3. Показано, что общим свойством полученных замещенных 4,6-динитробензо[Ь]тиофенов и 4,6-динитробензо[£1]изотиазола является региоспецифическое замещение пери-нитрогруппы (4-NO2) под действием анионных нуклеофилов, что может служить методом синтеза ранее неизвестных 4-замещенных 2-арил-6-нитробензо[Ь]тиофенов, 2-арил-6-нитро-3-хлорбензо[Ь]тиофенов и 6-нитробензо[<1]изотиазолов.

4. Найдены условия, в которых 2,4,6-тринитростирол присоединяет нуклеофилы к двойной связи, причем в случае первичных аминов аддукты in situ претерпевают внутримолекулярное замещение opwo-нитрогруппы с последующей ароматизацией -образуются 1-алкил-4,6-динитроиндолы.

5. Впервые осуществлено замещение нитрогрупп в 1,3,5-тринитробензоле под действием NH-азолов (бензотриазолов, 1,2,3- и 1,2,4-триазолов и пиразолов). На основе этой реакции разработаны способы получения ранее неизвестных структур, несущих в одном бензольном цикле один, два или три N-азолильных фрагмента в мета-положении друг к другу или к нитрогруппе. При этом выявлен сильный активирующий эффект N-азолильного заместителя в реакциях нуклеофильного замещения мета-нитрогруппы.

6. Разработан способ получения 2-арил-6-нитро-1//-индолов, содержащих в положении 4 N-виц-триазолильный фрагмент. Способ основан на взаимодействии 2?-2-азидо-4,6-динитростильбенов с ацетилацетоном, последующим ортпо-азидировании образовавшегося циклоаддукта и термолизе соответствующего азида.

7. Разработан двухстадийный способ селективного превращения ор/яо-нитрогруппы Е-2,4,6-тринитростильбенов в аминогруппу, основанный на реакции диазопереноса продукта ор/яо-азидирования исходного стильбена.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Substitution for a nitro group in 1,3,5-trinitrobenzene under the action of NH-azoles. O.Yu. Sapozhnikov, M.D. Dutov, M.A. Korolev, V.V. Kachala, S.A. Shevelev, Mendeleev Coramun., 2001,232.

2. Consecutive substitution for three nitro groups in 1,3,5-trinitrobenzene under the action of benzotriazole and other nucleophiles. O.Yu. Sapozhnikov, M.D. Dutov, V.V. Kachala, S.A. Shevelev, Mendeleev Commua, 2002,231.

3. Исследование замещения нитрогрупп в 1,3,5-тринитробензоле под действием NH-азолов. О.Ю. Сапожников, М.Д. Дутов, М.А. Королев, В.В. Качала, В.И. Каденцев, С.А. Шевелев, Изв. АН. Сер. хим., 2004,561.

4. Synthesis of 2-aryl-4,6-dinitrobenzo[b]thiophenes from 2,4,6-trinitrotoluene. O.Yu. Sapozhnikov, V.V. Mezhnev, M.D. Dutov, V.V. Kachala, S.A. Shevelev, Mendeleev Commun., 2004,27.

5. Synthesis of 2-aryl-4,6-dinitrobenzo[d]isothiazolium chlorides from 2,4,6-trinitrotoluene. O.Yu. Sapozhnikov, V.V. Mezhnev, E.V. Smirnova, B.G. Kimel, M.D. Dutov, S.A. Shevelev, Mendeleev Commun., 2004,207.

6. Нуклеофильное замещение нитрогруппы в 5-2,4,6-тршштростильбенах под действием О- и S-нуклеофилов. Синтез 2-арил-4-Х-6-нитробензо[Ь]тиофенов. О.Ю. Сапожников, В.В. Межнев, М.Д. Дутов, В.В. Качала, Н.А. Попов, С.А. Шевелев, Изв. АН. Сер. хим., принято к печати.

7. Присоединение нуклеофилов к двойной связи 2,4,6-тринитростирола и некоторые превращения аддуктов. О.Ю. Сапожников, В.В. Межнев, М.Д. Дутов, С.А. Шевелев, Изв. АН. Сер. хим., принято к печати.

8. Synthesis of 4-X-6-nitrobenzo[d]isothiazoles from 2,4,6-trinitrotoluene. O.Yu. Sapozhnikov, E.V. Smirnova, M.D. Dutov, S.A. Shevelev, Mendeleev Commun., принято к печати.

9. Синтез на основе £-2,4,6-тринитростильбенов 2-арил-6-нитро-1Я-индолов, содержащих iV-виц-триазольный заместитель в бензольном фрагменте. О.Ю. Сапожников, В.В. Дячук, М.Д. Дутов, В.В. Качала, С.А. Шевелев, Изв. АН. Сер. хим., принято к печати.

10. Последовательное замещение нитрогрупп в 1,3,5-тринитробензоле под действием бензотриазола и некоторых других нуклеофилов. Сапожников О.Ю., Дутов М.Д., Королев

М.А. 1-я Всероссийская конференция по химии гетероциклов памяти А.Н. Коста, Суздаль, Россия, сентябрь 2000 г. Тезисы докладов, с. 344,

11. Замещение нитрогрупп в 1,3,5-гринигробензоле под действием NH-азолов. О.Ю. Сапожников, М.Д. Дутов, С.А. Шевелев. 3-й Всероссийский симпозиум по органической химии «Стратегия и тактика органического синтеза», Ярославль, Россия, март 2001 г. Тезисы докладов, с. 95.

12. Синтез хлоридов 2-арил-4,6-динигробензо[с1]изотиазолия на основе 2,4,6-тринитротолуола. О.Ю. Сапожников, М.Д. Дутов, 4-й Всероссийский симпозиум по органической химии «Органическая химия - упадок или возраждение?», Москва - Углич, Россия, июль 2003 г. Тезисы докладов, с. 134.

13. Синтез 2-арил-4,6-динитробензо[Ь]тиофенов на основе 2,4,6-тринитротолуола. О.Ю. Сапожников, М.Д. Дутов, С.А. Шевелев. 2-я Международная конференция «Химия и биологическая активность кислород- и серусодержащих гетероциклов», Москва, Россия, октябрь 2003 г. Труды, том 2, с. 185.

Принято к исполнению 09/02/2005 Исполнено 10/02/2005

Заказ № 594 Тираж: 120 экз.

0 0 0 «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 Москва, Балаклавский пр-т, 20-2-93 (095)747-64-70 (095)318-40-68 www.autoreferat.ru

OZ.OQ

(

Чмё ^ ^ »

1"/ lie

2 2 f/AP 23

Введение.

I. Литературный обзор: Взаимодействие 1-Х-2,4,6-тринитробензолов с нуклеофилами.

1.1. Введение.

1.2. Анионные сг-Н-комплексы 1-Х-2,4,6-тринитробензолов.

1.3. Замещение нитрогруппы в 1-Х-2,4,6-тринитробензолах.

1.3.1. Межмолекулярное замещение нитрогруппы в 1-Х-2,4,6-тринитробензолах.

1.3.2. Внутримолекулярное замещение нитрогруппы в l-X-2,4,6-тринитробензолах.

1.3.3. Реакции 1-галоген-2,4,6-тринитробензолов с бинуклеофилами.

II. Обсуждение результатов.

II. 1. Стратегия синтеза бензаннелированных гетероциклов.

II.2. Нуклеофильное замещение нитрогруппы в Е-2,4,6-тринитростильбенах под действием S- и О-нуклеофилов.

П.З. Синтез 2-арил-4-Х-6-нитробензо[Ь]тиофенов.

II.4. Присоединение нуклеофилов к двойной связи 2,4,6-тринитростирола и некоторые превращения аддуктов. Синтез 1-алкил-4,6-динитроиндолов .39 П.5.Нуклеофильное замещение нитрогруппы в N-(2,4,6-тринитробензилиден)анилинах под действием S-нуклеофилов. Синтез хлоридов 2-арил-4,6-динитробензо[с1]изотиазолия.

П.б.Синтез 4-Х-6-нитробензо[с1]изотиазолов на основе 2,4,6тринитротолуола.

II.7. Синтез на основе 2,4,6-тринитротолуола соединений, содержащих Nазолильный фрагмент.

II.7.1. Замещение нитрогрупп в 1,3,5-тринитробензоле под действием NH-азолов.

И.7.2. Получение 2,4-динитро-6-(ТЧ-виц-триазолил)стильбенов и 2-арил-6нитро-1//-индолов, содержащих 4-А^-виц-триазольный заместитель.

III. Экспериментальная часть.

Выводы.

Настоящая работа выполнена в рамках программы по химической демилитаризации наиболее массового взрывчатого вещества 2,4,6 -тринитротолуола (тротила, ТНТ). Задачей программы является превращение ТНТ в многоцелевое доступное химическое сырье. Актуальность программы связана как с необходимостью утилизации устаревших (с истекшим сроком годности) боеприпасов, основным взрывчатым веществом которых является ТНТ, так и с более общей проблемой - создания нового дешевого промышленного источника разнообразных химических продуктов различного назначения (мономеров, различных вспомогательных веществ для полимерной химии, полупродуктов для красителей, биологически активных веществ для медицины и сельского хозяйства и т.п.), во многих случаях доступных лишь исходя из ТНТ как полифункционального ароматического соединения.

Решение этих задач возможно лишь при создании научных основ направленного синтеза ароматических и гетероциклических соединений различных типов на основе ТНТ, где одним из основных направлений исследований является модификация метальной группы ТНТ и последующие превращения полученных при этом 1-Х-2,4,6-тринитробензолов. Настоящая работа является составной частью такого рода систематических исследований, проводимых в лаборатории ароматических азотсодержащих соединений (№18) ИОХ РАН, причем таких, которые направлены на синтез гетероциклических систем.

Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ №01-03-32261.

Целью работы является разработка способов получения S- и N-гетероциклов с ранее неизвестным сочетанием функциональных заместителей, основанных на использовании в синтезе продуктов превращений ТНТ по метальной группе - 1-Х-2,4,6-тринитробензолов, где Xгруппировки с двойными связями С=С, ON, С=0, а также с Х=Н, изучение закономерностей замещения нитрогруппы в такого рода производных ТНТ под действием ряда S-, О-, и N-нуклеофилов и использование этих результатов для внутримолекулярных циклизаций.

В результате проведенного исследования на основе ТНТ созданы новые способы получения замещенных индолов, бензо[6]тиофенов, бензо[<1]изотиазолов и некоторых других бензаннелированных гетероциклов путем трансформации метальной группы ТНТ и нуклеофильного замещения ор/яо-нитрогруппы. Кроме того, впервые проведено арилирование NH-азолов с помощью продукта окислительного деметилирования ТНТ - 1,3,5-тринитробензола.

Тем самым разработаны способы получения ранее неизвестных:

• 2-арил-4-Х-6-нитробензо[6]тиофенов и их 3-хлорзамещенных;

• 4-11-6-нитробензо[б//изотаазолов;

• 4-7У-виц-триазолил-2-арил-6-нитро-1#-индолов и 1-алкил-4,6-динитроиндолов;

• хлоридов 2-арил-4,6-динитробензо[й(]изотиазолия;

• 1-№азолил-3,5-динитробензолов, 1,3-бис-1Ч-азолил-5-нитробензолов и 1,3,5 -трис-1Ч-бензотриазолилбензола

При этом впервые: осуществлено региоспецифическое нуклеофильное замещение 4-нитрогруппы в 3-2-4,6-динитробензо[Ь]тиофенах (Z = Н, С1) и 4,6-динитробензо [J/изотиазолах; изучено последовательное нуклеофильное замещение всех трех нитрогрупп в 1,3,5-тринитробензоле под действием NH-азолов; показано, что 2,4,6-тринитростирол способен присоединять нуклеофилы по двойной связи С=С; обнаружена способность 2-азидо-4,6-динитростильбенов вступать в реакцию диазопереноса с образованием 2-амино-4,6-динитростильбенов.

Выводы

1. С целью развития научных основ направленного синтеза S- и N-гетероциклов на основе 2,4,6-тринитротолуола (ТНТ) выявлены основные закономерности замещения нитрогруппы под действием ряда S-, О- и N-нуклеофилов в продуктах трансформации ТНТ по метальной группе - Е-2,4,6-тринитростильбенах, N-(2,4,6-тринитробензилиден)анилинах, а также в 1,3,5-тринитробензоле.

2. Разработаны общие способы получения 2-арил-4,6-динитробензо[Ь]тиофенов и их 3-хлорзамещенных, 2-арил-4,6-динитробензо[с1]изотиазолий хлоридов, а также 4,6-динитробензо[<1]изотиазола, основанные на селективном замещении орто-нитрогруппы под действием бензилмеркаптана в Е-2,4,6-тринитростильбеннах и ^(2,4,6-тринитробензилиден)анилинах и последующих превращениях, включая хлоролиз с образованием орто-SCl-производных.

3. Показано, что общим свойством полученных замещенных 4,6-динитробензо[Ь]тиофенов и 4,6-динитробензо[ё]изотиазола является региоспецифическое замещение ие/?м-нитрогруппы (4-N02) под действием анионных нуклеофилов, что может служить методом синтеза ранее неизвестных 4-замещенных 2-арил-6-нитробензо[Ь]тиофенов, 2-арил-6-нитро-3-хлорбензо[Ь]тиофенов и 6-нитробензо [d] изотиазол ов.

4. Найдены условия, в которых 2,4,6-тринитростирол присоединяет нуклеофилы к двойной связи, причем в случае первичных аминов аддукты in situ претерпевают внутримолекулярное замещение орто-нитрогруппы с последующей ароматизацией - образуются 1-алкил-4,6-динитроиндолы.

5. Впервые осуществлено замещение нитрогрупп в 1,3,5-тринитробензоле под действием NH-азолов (бензотриазолов, 1,2,3- и 1,2,4-триазолов и пиразолов) и на этой основе разработаны способы получения ранее неизвестных структур, несущих в одном бензольном цикле один, два или три N-азолильных фрагмента в ме/ия-положении друг к другу или к нитрогруппе. При этом выявлен сильный активирующий эффект N-азолильного заместителя в реакциях нуклеофильного замещения мета-нитрогруппы.

6. Разработан способ получения 2-арил-6-нитро-1#-индолов, содержащих в положении 4 N-виц-триазольный фрагмент. Способ основан на взаимодействии Е-2-азидо-4,6-динитростильбенов с ацетилацетоном, последующим орто-азидировании образовавшегося циклоаддукта и термолизе соответствующего азида.

7. Разработан двухстадийный способ селективного превращения орто-нитрогруппы Е-2,4,6-тринитростильбенов в аминогруппу, основанный на реакции диазопереноса продукта ор/яо-азидирования исходного стильбена.

1. Е. Buncel, M.R. Crampton, M.J. Strauss, F. Terrier, Electron Deficient Aromatic and Heteroaromatic Base Interaction. The Chemistry of Anionic Sigma-Complexes, Elsevier, N.Y., 1984.

2. F. Terrier, Chem. Rev., 1982, 82, 77.

3. F. Terrier, Nucleophilic Aromatic Displacement. The Influence of the Nitro Group. VHC, N.Y., 1991.

4. Г. Фойер, Химия Humpo- и Нитрозогрупп. т. 1, глава 8., «Мир», Москва, 1972.

5. О. F. Bernasconi, J. Org. Chem., 1971, 36, 1671.

6. R. Destro, C.M. Gramaccioli, M. Simonetta, Acta. Cryst., 1968, B24, 1369.

7. R. Destro, T. Pilati, M. Simonetta, Acta. Cryst., 1979, B35, 733.

8. С .A. Fyfe, M.I. Foreman, R. Foster, Tetrahedron Lett., 1969, 1521.

9. A.R. Norris, L.H. Gan, Can. J. Chem., 1971, 49, 2490.

10. E. Buncel, J.G.K. Webb, J. Am. Chem. Soc., 1973,95, 8470.

11. I.E. Buncel, R.Y. Moir, A.R. Norris, A.P. Chatrousse, Can. J. Chem., 1981, 59, 2470.

12. E. Buncel, R.A. Manderville, J. Phys. Org. Chem., 1993, 6, 71.

13. E. Buncel, J.M. Dust, Can. J. Chem., 1988, 66,1712.

14. P. T. Izzo, J. Org. Chem., 1959, 24, 2026.

15. C.A. Lobry de Bruyn, Rec. Trav. Chim., 1890, 9, 190.

16. F. Effenberger, M. Koch, W. Streicher, Chem. Ber., 1991,124,163.

17. S.A Shevelev, M.D. Dutov, I.A. Vatsadze, O.V. Serushkina, A.L. Rusanov, A.M. Andrievskii, Mendeleev Commun., 1995, 157.

18. S.A Shevelev, M.D. Dutov, I.A. Vatsadze, M.A. Korolev, A.L. Rusanov, Mendeleev Commun., 1996, 155.

19. C.A. Шевелев, М.Д. Дутов, M.A. Королев, О.Ю. Сапожников, АЛ. Русанов, Изв. АН. Сер. хим., 1998, №8,1667.

20. S.A Shevelev, M.D. Dutov, M.A. Korolev, O.Yu. Sapozhnikov, A.L. Rusanov,

21. Mendeleev Commun., 1998, 69. 21.S.A Shevelev, I.A. Vatsadze, M.D. Dutov, Mendeleev Commun., 2002, 196.

22. B.H. Солкан, С.А. Шевелев, Изв. АН. Сер. хим., 1993, №11, 1892.

23. В.Н. Солкан, С.А. Шевелев, Изв. АН. Сер. хим., 1995, №4,624.

24. А.А. Табацкая, А.И. Вялков, С.В. Морозов, В.М. Власов, ЖОрХ, 1988, 34, 1726.

25. И.Л. Далингер, Т.И. Черкасова, С.С. Воробьев, А.В. Александров, Г.П. Попова, С.А. Шевелев, Изв. АН. Сер. хим., 2001, №12, 2292.

26. Т.К. Shkineva, I.L. Dalinger, S.I. Molotov, S.A.Shevelev, Tetrahedron Lett., 2000, 41, 4973.

27. S.G. Zlotin, P.G. Kislitsin, A.V. Samet, E.A. Serebryakov, L.D. Konyushkin, V.V. Semenov, A.C. Buchanan, A.A. Gakh, J. Org. Chem., 2000, 65, 8430.

28. P.A. Grieco, J.P.Mason, J. Chem. Eng. Data, 1967,12, 623.

29. V.V. Rozhkov, A.M. Kuvshinov, V.I. Gulevskaya, I.I. Chevrin, S.A. Shevelev, Synthesis, 1999,2065.

30. V.V. Rozhkov, A.M. Kuvshinov, S.A. Shevelev, Org. Prep. Proced. Int., 2000, 32,94.

31. A.M. Kuvshinov, V.I. Gulevskaya, V.V. Rozhkov, S.A. Shevelev, Synthesis, 2000, 1474.

32. M.A. Королев, М.Д. Дутов, С.А. Шевелев, Изв. АН. Сер. хим., 1999,1822. 33.S. Secareanu, Chem. Ber., 1931, 64, 837.

33. С.А. Шевелев, М.Д. Дутов, О.В. Серушкина, Изв. АН, Сер. хим., 1995. 2528.

34. S.A. Shevelev, M.D. Dutov, O.V. Serushkina, O.Yu. Sapozhnikov, 18th International Symposium on the Organic Chemistry of Sulfur., Abstracts. Italy. Florence. 1998. Paper P-91. P. 189.

35. F. Benedetti, D.R. Marshall, C.J.M. Stirling, J.L. Leng, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1982,918.

36. C.A. Шевелев, М.Д. Дутов, О.В. Серушкина, Изв. АН. Сер. хим., 1995,2528.

37. В. Серушкина, М.Д. Дутов, С.А. Шевелев, Изв. АН. Сер. хим., 2001,252.

38. В. Серушкина, М.Д. Дутов, В.Н. Солкан, С.А. Шевелев, Изв. АН. Сер. хим., 2001, 2297.

39. V.M. Vinogradov, I.L. Dalinger, A.M. Starosotnikov, S.A Shevelev, Mendeleev Commun., 2000,140.

40. V.I. Gulevskaya, A.M. Kuvshinov, S.A. Shevelev, Het. Commun., 2001, 7, 283.

41. L. Dalinger, T.I. Cherkasova, V.M. Khutoretskii, S.A Shevelev, Mendeleev Commun., 2000, 72.

42. H. Hoyer, M. Vogel, Chem. Век, 1962, 93, 766.

43. N.B. Chernysheva, A.V. Samet, V.N. Marshalkin, V.A. Polukeev, V.V. Semenov, Mendeleev Commun., 2001, 109.

44. B.B. Рожков, A.M. Кувшинов, С.А. Шевелев, Изв. АН. Сер. хим., 2000, 569.

45. А.М. Kuvshinov, V.V. Rozhkov, S.A. Shevelev, Synt. Commun., 2002, 32, 1465.

46. B.M. Виноградов, И.Л. Далингер, A.M. Старосотников, С.А.Шевелев, Изв. АН Сер. хим., 2001, 445.

47. M.S. Reich, Bull Soc. Chim. Fr., 1917, 21, 111.

48. G. Reddy, Chem. Ind., 1984, 144.

49. V.M. Vinogradov, A.M. Starosotnikov, S.A Shevelev, Mendeleev Commun, 2002,198.

50. A.M. Старосотников, В.В. Качала, А.А. Лобач, В.М. Виноградов, С.А.Шевелев, Изв. АН. Сер. хим., 2003, 1690.

51. V.V. Rozhkov, S.S. Vorob'ov, A.V. Lobatch, A.M. Kuvshinov, S.A. Shevelev, Synt. Commun., 2002, 32, 467.

52. P.N. Preston, G. Tennant, Chem. Rev., 1972, 72, 627.

53. W. Augstein, F. Krohnke, Justus Liebigs Ann. Chem., 1966, 697, 158.

54. F. Krohnke, D.B. Reuschling, Chem. Век, 1971,104, 2103.

55. D.B. Reuschling, F. Krohnke, Chem. Век, 1971,104,2110.

56. B.H. Князев, В.Н. Дрозд, Изв. СО АН СССР. Сер. Хим. Наук, 1987, 52.

57. Е. Buncel, M. Hamaguchi, A.R. Norris, J. Chem. Soc., Perkinl, 1980, 2205.

58. V.N. Knyazev, V.N. Drozd, V.M. Minov, Tetrahedron Lett., 1976,4825.

59. P. Pfeiffer, Ber., 1915, 48, 1777.

60. H. B. Nisbet, J. Chem. Soc., 1927, 2081.

61. J. S. Splitter, M. Calvin, J. Org. Chem., 1955, 20, 1086.

62. B.H. Солкан, С.А.Шевелев, 3-й Всерос. симп. по органической химии «Стратегия и тактика органического синтеза» (Ярославль, Россия, март 2001 г.), Тез. докл., Ярославль, 2001, 100.

63. В. Серушкина, М.Д. Дутов, О.Ю. Сапожников, Б.И. Уграк, С.А. Шевелев, ЖОрХ, 2002, 38,1819.

64. Е. Kuhle, Synthesis, 1970, 561.

65. A. Ruwet, М. Renson., Bull. Soc. Chim. Beiges, 1970, 593.

66. S.A. Shevelev, IX. Dalinger, T.I. Cherkasova, Tetrahedron Lett., 2001, 42, 8539.

67. E. E. Gilbert, J. Energetic Mater., 1984, 2, 215.

68. H. А. Барба, M. С. Неделко, ЖОрХ., 1983,19, 2220.

69. Z. Bonecki and T. Urbanski, Bull. Acad. Pol. Sci., Ser. sci. chim., 1961, 9,463. 71.S. Secureanu, Ber., 1931, 64, 837.

70. S. Secareanu, Bull. Soc. Chim. Fr., 1932, 51, 591.

71. R. Davis, T. Grinter, D. Leaver, J. Chem. Soc., Perkinl, 1990, 2881.

72. D.M. Fink, J.T. Strupczewski, Tetrahedron Lett., 1993, 6525.

73. S.G. Zlotin, P.G. Kislitsin, A.I. Podgursky, A.V. Samet, V.V. Semenov, J. Org.

74. Chem.,2000, 65, 8439. 16>Organic Synthesis, Coll. Vol.1. Ed. H. Gilman; J Wiley and Sons, Inc., N.Y., 1946, p. 541.

75. F. Terrier, F. Debleds, J. Halle, M. Simonnin, Tetrahedron Lett., 1982,4079.

76. M. Simonnin, F.Terrier, M. Pouet, J. Halle, Can. J. Chem., 1985, 866.

77. F. Terrier, F. Debleds, J. Halle, M. Simonnin, M. Pouet, Can. J. Chem., 1982, 1988.

78. J.F.K. Wilshire, Aust. J. Chem., 1966, 1935.

79. M. Kamel, M.I. АН, M.M. Kamel, Tetrahedron, 1967,2863.

80. I.P. Beletskaya, D.V. Davydov, M. Moreno-Manas, Tetrahedron Lett., 1998, 5621.

81. Suk-Ku Kang, Sang-Ho Lee, D. Lee, Synlett, 2000,1022.

82. P.A. Grieco, J.P. Mason; J. Chem. Eng. Data, 1967, 623.

83. R.F. Hudson, Chemical Reactivity and Reaction Paths, Ed. G. Klopman, Chaper 5, Wiley-Interscience Publ., N.Y., 1974.

84. C.A. Шевелев, М.Д. Дутов, И.В. Вацадзе, О.В. Серушкина, М.А. Королев, A.JT. Русанов, Изв. А.Н., Сер. хим., 1995, 393.

85. A. Padws, 1,3-Dipolar Cycloaddition Chemistry, Vol 1, J. Wiley and Sons, N.Y., 1984.

86. R. Huisgen, L. Moebius, G. Szeimies, Chem. Ber., 1965, 98, 1138.

87. L.V. Batog, V.Yu. Rozhkov, M.I. Struchkova, Mendeleev Commun., 2002,159.

88. R. Huisgen, R. Knorr, L. Moebius, G. Szeimies, Chem. Ber., 1965, 98,4014.

89. M. Regitz, G. Maas, Diazo Compounds. Properties and Synthesis, Academic Press, Orlando, 1986.

90. Э.Ю. Гудриниуце, B.B. Соколова, Изв. AH. JIam. ССР, Сер. хим., 1972, 81.

91. В.В. Соколова, Э.Ю. Гудриниуце, Химия гетероцикл. соединений, 1973, 256.

92. A.V. Samet, Е.Р. Zakharov, V.V. Semenov, А.С. Buchanan III, А.А. Gakh, Synth. Commun., 2001, 31, 1441.