Ароматическое нуклеофильное замещение в синтезе кислород- и серосодержащих гетероциклических фталонитрилов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.03, кандидат химических наук Абрамова, Марина Борисовна

• Абрамова, Марина Борисовна
• кандидат химических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат химических наук Абрамова, Марина Борисовна

ВЕДЕНИЕ.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Активированное нуклеофильное замещение в ароматическом ряду.

1.1.1. Механизм протекания S^Ar реакций.

1.1.2. Влияние природы уходящей группы.

1.1.3. Влияние строения нуклеофила на протекание ЗдАг-реакций.

1.1.4. Влияние природы растворителя.

1.1.5. 5лАг-реакции, протекающие на межфазной поверхности.

1.1.6. Синтезы на основе 4-нитрофталонитрила.

1.1.7. Синтезы на основе 4-бром-5-нитрофталонитрила.

1.2. ^дАг-реакции в синтезе гетероциклических систем.27 N

1.2.1. Внутримолекулярное замещение нитрогруппы карбоксилат-анионом

1.2.2. Внутримолекулярное замещение нитрогруппы О-, S- и jV-нуклеофилами.

1.2.3. Перегруппировка Смайлса.

1.3. Практическое использование фталонитрилов.

1.3.1. Мономеры для термостойких полиэфиримидов

1.3.2. Полупродукты для оптической техники.

1.3.3. Исходные соединения для фталоцианинов.

2. ХИМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

2.1. Исследование реакции активированного нуклеофильного замещения нитрогруппы и атома брома в галогеннитроароматических субстратах О- и 5-нуклеофилами.

2.1.1 Влияние строения субстрата.

2.1.2 Влияние строения О-нуклеофильного реагента на скорость реакции замещения.

2.1.2.1. Взаимодействие 4-НФН с фенолами.

2.1.2.2. Взаимодействие 4-НФН и БНФН с О-нуклеофильными реагентами.52 2.1.3. Реакции с 5-нуклеофилами.

2.2. Строение и чистота синтезированных продуктов.

2.3. Использование 5дАг-реакций для синтеза гетероциклических соединений на основе БНФН и его производных.

2.3.1. Синтез шестичленных О-, N- и S- гетероциклических соединений.

2.3.2. Синтез семичленных О-, 5-содержащих гетероциклических соединений.

2.3.3. Синтез восьмичленных 0-содержащих гетероциклических соединений.

2.3.4. Синтез пятичленных Осодержащих гетероциклических соединений на основе производных БНФН.

2.4. Строение и чистота синтезированных продуктов.

2.5. Практическое применение синтезированных соединений.

2.5.1. Полупродукты для оптической техники.

2.5.2. Фталоцианины и металлокомплексы на их основе.

2.5.3. Мономеры для полимерных материалов.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

3.1. Исходные вещества.

3.2. Кинетические исследования.

3.3. Методики анализов.

3.3.1. Полярография.

3.3.2. Потенциометрическое титрование.

3.3.3. Хроматография.

3.3.4 Спектроскопия.

3.4. Методики синтеза реактивов и полупродуктов.

3.5 Идентификация синтезированных соединений.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Ароматическое нуклеофильное замещение в синтезе кислород- и серосодержащих гетероциклических фталонитрилов»

Актуальность проблемы. В настоящее время одним из основных направлений исследований в области органической химии является разработка новых и совершенствование уже известных методов синтеза ароматических и гетероциклических соединений.

Ароматические и гетероциклические соединения имеют важное прикладное значение. Они применяются в синтезе красителей, пигментов, фармакологических препаратов, компонентов резинотехнических изделий и синтетических смол, химикатов для кино- и фотоматериалов, различного рода промежуточных продуктов и т.д. [1-3]. Другая потребность в полифункциональных ароматических соединениях связана с бурным развитием полимерной химии, требующим качественного разнообразия, реальных и рентабельных технологий получения исходных мономеров [4-6].

Одним из направлений синтеза практически значимых веществ и материалов является модификация ароматических соединений путем введения в них новых О-, S- содержащих функциональных групп и гетероциклических фрагментов. С точки зрения легкости проведения такой модификации особое место занимает реакция ароматического нуклеофильного замещения (ЗдАг-реакция).

Особый интерес представляют ароматические и гетероциклические соединения, содержащие фталонитрильные фрагменты, т.к. полученные на их основе материалы обладают флуоресцирующими свойствами. Данные материалы перспективны для применения в качестве активных сред жидких и твердых лазеров, сцинтилляторов, особенно для индикации жесткого излучения; для трансформации коротковолнового излучения в длинноволновое при передаче информации по волоконно-оптическим линиям связи, для повышения мощности солнечных батарей, для защиты ценных бумаг, для создания эффективных и относительно простых в производстве люминесцентных приборов.

Другим направлением, где активно используются фталонитрилы, является синтез фталоцианинов и металлокомплексов на их основе. Благодаря уникальности своего строения и проявляемыми в связи с этим необычными физико-химическими свойствами эти соединения являются объектами интенсивных исследований. Фталоцианины, аналогичные по своей структуре природным порфиринам, используются в качестве активных матриц для нейтронозахватной и фотодинамической терапии рака, сенсибилизаторов, катализаторов, химических сенсоров, жидких кристаллов, плёнок Ленгмюра-Блоджетта, материалов для фотогальваники, пигментов, красителей и т.д.

Для получения указанных фталонитрильных систем наиболее перспективно использование 4-нитрофталонитрила (НФН) и 4-бром-5-нитрофталонитрила (БНФН) в качестве исходных субстратов.

Данные объекты интересны и для исследования закономерностей ^дАг-реакции, т.к. обладают высокой подвижностью нуклеофугов. Характерной особенностью БНФН является различная подвижность атома брома и нитрогруппы, позволяющая проводить их последовательное замещение различными нуклеофилами.

Данная работа выполнена в соответствии с научно-технической программой «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники». Подпрограмма: 203. Химия и химические продукты. Регистрационный номер проекта/НИР:02.01.008; комплексной программой научных исследований РАН «Новые принципы и методы создания и направленного синтеза веществ с заданными свойствами» при финансовой поддержке РФФИ (грант 02-03-32366). Целями работы являлись:

1. Исследование 5,уАг-реакции взаимодействия НФН с замещёнными фенолами в присутствии карбоната калия.

2. Исследование реакции замещения атома брома и нитрогруппы в нитроароматических субстратах моно- и бифункциональными О-, .S-нуклеофильными реагентами.

3. Разработка на основе БНФН методов синтеза ряда 5-, 6-, 7- и 8-членных О- и ^-содержащих гетероциклических соединений, конденсированных с фталонитрильным фрагментом.

Научная новизна и практическая значимость работы. Исследована реакция активированного ароматического нуклеофильного замещения нитрогруппы в НФН, а также атома брома и нитрогруппы в БНФН различными по своей природе моно- и бифункциональными О- и 5-нуклеофильными реагентами, протекавшая в ДМФА в присутствии К2СОз.

Представлена схема взаимодействия активированных нитроаромати-ческих субстратов с фенолами, протекавшего на поверхности К2СО3.

Изучена реакционная способность замещённых фенолов в присутствии К2С03 и на основании этого для каждого из рассмотренных случаев определена лимитирующая стадия 5л/Аг-реакции, что позволило подобрать лучшие условия проведения процесса. В результате этого предложены высокоэффективные методы синтеза моно- и дизамещённых фталонитрильных систем, связанных с различными гетероциклическими заместителями - производными карборана, бензотиазола, бензимидазола, хиноксалина и др.

На основе З^Аг-реакций, протекавших между БНФН и бифункциональными О- и б'-нуклеофилами, предложены методы конструирования и впервые разработаны высокоэффективные методы синтеза фталонитрильных систем, конденсированных с 5-, 6-, 7- и 8-членными гетероциклическими фрагментами разных классов - производными бензофурана, диоксина, феноксатиина, тиантрена, диоксепина, диоксоцина. Большинство синтезированных соединений получены с высокими выходами, свидетельствующими о высокой реакционной способности БНФН и термодинамической устойчивости образовавшихся гетероциклических систем.

В ходе исследований синтезировано и идентифицировано с помощью физико-химических методов анализа более 50 соединений, 36 из которых ранее не были описаны в литературе. Для большинства из них разработаны и запатентованы методы синтеза, обеспечивающие высокие выходы и степень чистоты.

Проведённые с рядом специализированных организаций (ИНЭОС РАН, ИСПМ РАН, ВИАМ, ИГХТУ) совместные исследования и испытания синтезированных соединений позволили определить круг производных, наиболее перспективных с точки зрения их практического использования в микроэлектронике, оптической технике, полимерной химии, фармакологии и т.д.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на XIII Международной научно-технической конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии», "Реактив-2000", Тула; I Всероссийской конференции по химии гетероциклов памяти А. II. Коста, Суздаль, 2000; Международной конференции «Drug Discovery" Japan, Tokio, 2000; III Всероссийском симпозиуме по органической химии «Стратегия и тактика органического синтеза», Ярославль, 2001; I Международной конференции «Химия и биологическая активность азотистых гетероциклов и алкалоидов», Москва 2001; VII Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии - 2001», Ярославль; IV Симпозиуме по химии Si-, Р-, S, «Петербургские встречи - 2002»; iL

6 European Technical Sumposium on Polyimides & High Performance Functional Polymers, Universite Montpellir II, S.T.L. France, 2002; Всероссийской конференции с международным участием «Современные проблемы химии высокомолекулярных соединений», Улан-Удэ, 2002; VIII Международной конференции по химии и физикохимии олигомеров «0лигомеры-2002», th

Черноголовка; 25 Macromolecular Symposium «Polycondensation 2002», Hamburg; Международной научно-технической конференции «Полимерные композиционные материалы и покрытия» «Polymer 2002», Ярославль; и др.

Публикации. По теме работы опубликовано 6 статей в российских и зарубежных журналах, получено 8 патентов РФ, опубликовано более 20 тезисов докладов на международных, всесоюзных и всероссийских симпозиумах, конференциях и совещаниях.

Вклад автора. Состоял в непосредственном участии во всех этапах исследований — в планировании и проведении кинетических исследований синтезов, интерпретации и обсуждении полученных результатов. Положения, выносимые на защиту.

1. Закономерности протекания ЗдАг-реакции высокоактивированных нитросубстратов: 4-НФН и БНФН с моно- и бифункциональными О-, З'-нуклеофильными реагентами в гетерофазных условиях.

2. Влияние строения нуклеофильного реагента на его реакционную способность в З'дАг-реакциях, протекавших в присутствии карбоната калия.

3. Методы синтеза на основе 4-НФН ароматических и гетероциклических соединений, связанных с фталонитрильным фрагментом.

4. Методы синтеза 5-, 6-, 7- и 8-членных О- и З'-содержащих гетероциклических систем на основе БНФН.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, химической и экспериментальной частей, выводов, списка использованной литературы. Работа изложена на 108 страницах, включает 9 таблиц, 9 рисунков. Список литературы включает 147 источников. Документы, подтверждающие практическую ценность разработок, приведены в приложении.

Заключение диссертации по теме «Органическая химия», Абрамова, Марина Борисовна

ВЫВОДЫ

Исследована реакция активированного ароматического нуклеофильного замещения нитрогруппы и/или атома брома О- и 5"-нуклеофилами, протекавшая в ДМФА в присутствии К2СОз. Представлена схема взаимодействия на поверхности К2СО3 активированных нитроароматических субстратов с фенолами.

Исследована реакционная способность фенолов при замещении нитрогруппы в 4-нитрофталонитриле в присутствии карбоната калия в ДМФА. Показано, что в ДМФА для фенолов с различной кислотностью существуют две реакционные серии, в первой из которых для слабокислых фенолов скорость процесса определяется стадией депротонизации, а во второй - для сильнокислых - собственно реакцией замещения.

Исследована реакция замещения атома брома в БНФН монофункциональными ароматическими и гетероциклическими О- и 5-нуклеофилами, протекавшая в присутствии К2СО3. Показано, что благодаря высокой активности БНФН в указанной реакции могут принимать участие малоактивные нуклеофильные реагенты, содержащие акцепторные гетероциклические фрагменты.

Исследованы последовательно протекающие реакции замещения атома брома и нитрогруппы в БНФН бифункциональными алифатическими, ароматическими и гетероциклическими S- и О-нуклеофильными реагентами, приводящие к образованию различных 6-, 7- и 8-членных гетероциклических систем.

На основе 4-НФН, а также БНФН и его производных, разработаны методы получения широкого ряда 5-, 6-, 7- и 8-членных О- и 5-содержащих гетероциклических соединений, связанных или конденсированных с фталонитрильным фрагментом - производными карборана, бензотиазола, бензимидазола, триазола, хиноксалина, бензофурана, диоксина, феноксатиина, тиантрена, диоксепина, диоксоцина и др. При этом достигаются высокие показатели конверсии, селективности и выхода целевых продуктов, свидетельствующие о высокой реакционной способности исходных субстратов и высокой термодинамической устойчивости образовавшихся гетероциклических систем. Совместные исследования, проведённые с рядом специализированных организаций, позволили определить круг фталонитрильных производных, наиболее перспективных с точки зрения их практического использования в микроэлектронике, оптической технике, в полимерной химии и ряде других областей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Абрамова, Марина Борисовна, 2003 год

1. Легасов В. А., Дюмаев К.М., Третьяков Ф.Д. и др. ЖВХО им. Менделеева Д.И. 1988, 33, (4), 469.

2. Лисицын В.Н. Химия и технология промежуточных продуктов. М.: Химия, 1987,368 с.

3. Горелик М.В., Эфрос Л.С., Основы химии и технологии ароматических соединений. М.: Химия, 1992, 640 с.

4. Barlin G. Aromat. And Heteroaromat. Chem. London: Oxford University Press, 1976, 4, 277.

5. Шейн C.M. ЖВХО им. Менделеева Д.И. 1976, (3), 256.

6. Коршак В.В., Русанов А.Л., Казакова Г.В., Забельников Н.С. ВМС. 1988, ЗОА, (9), 1795.

7. Bunnet J.F., Zahler R.E. Chem. Revs. 1951, 49 273.

8. Miller J. Aromatic Nucleophilic Substitution. Amsterdam:Elsevier, 1968, 238 p.

9. Persson J., Matsson O. J. Org. Chem. 1998, 63, 9348.

10. Buncel E., Crampton M., Strauss M. Electron-deficient aromatic- and heteroaromatic base interaction. Amsterdam: Elsevier, 1984, 295 p.

11. Terrier F. Nucleophilic Aromatic Displasement: the Influence of the Nitro Group. N.Y.: VSH Publishers, 1991,460 p.

12. Wolf J. J., Zietsch A., Oeser Т., Bolocan I. J. Org. Chem. 1998, 63, 5164.

13. Fufe C., Damji S., Koll A. J. Am. Chem. Soc. 1979, <951.

14. Гаммет Л. Основы физической органической химии. Пер. с англ. под ред. Эфроса Л.С. М.: Мир, 1972, 354 е.

15. Fendler J., Fendler Е., Burne W. J. Org. Chem. 1968, 33, 977.

16. Birch A., Hinde A., Radom L. J. Am. Chem. Soc. 1980, 21, 6430.

17. Lam K., MillerJ., Moran P. J. Chem. Soc. Perkin Trans. 2,1977, 457.18.