Экспериментальное и теоретическое исследование 1,5-динитро-3-азабицикло[3.3.1]нон-6-енов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.03, кандидат химических наук Мелёхина, Надежда Кузьминична

• Мелёхина, Надежда Кузьминична
• кандидат химических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат химических наук Мелёхина, Надежда Кузьминична

ВВЕДЕНИЕ.•.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. Строение и свойства азабициклононанов.

1.1. Установление структуры и конформаций соединений физико-химическими методами.

1.1.1. Инфракрасная спектроскопия.

1.1.2. Спектроскопия ЯМР.

1.1.3. Масс-спектрометрия.

1.2. Реакционная способность 3-азабицикло[3.3.1 ]нонанов.

1.2.1. Реакции по атому азота.

1.2.2. Реакции с участием карбонильных групп.

1.2.3. Реакции гидроксильных групп.

1.2.4. Реакции внутримолекулярной циклизации.

1.2.5. Другие реакции бициклических соединений.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

2. Установление строения и свойств нитропроизводных 3-аза-бицикло[З.ЗЛ]нонанов физико-химическими методами.

2.1. Оценка устойчивости конформаций замещенных 1,5-динитро-З-азабицикло[3.3.1]нон-6-енов методами квантовой химии.

2.2. Особенности спектров ЯМР синтезированных соединений.

2.3. Диссоциативный распад нитропроизводных 3-азабицикло[3.3.1]нон-6-енов под действием электронного удара.

2.4. Исследование стабильности 3-азабицикло[3.3.1]нонанов термогравиметрическим методом.

3. Алкилирование 6(7)-замещенных 3-метил-1,5-динитро-3-азабицикло[З.ЗЛ]нон-6-енов.

3.1. Синтез 6(7)-К-3,3-Диметил-1,5-динитро-3-азониабицикло[3.3.1]нон-6-ен иодидов.

3.2- Установление структуры продуктов алкилирования методами молекулярной спектроскопии и РСА

3.3. Диссоциативный распад 6(7)-11-3,3-ДИметил-1, 5-динитро-З-азаниабицикло[3.3.1]нон-6-ен иодидов под действием электронного удара.

3.4. Термодеструкция продуктов алкилирования.

4. Галогенирование 3-замещенных 1,5-динитро-3-азабицикло[3.3.1]нон-6-енов.

4.1. Синтез и строение продуктов бромирования.

4.2. Влияние условий на протекание реакции бромирования.

4.3. Бромирование 6(7)-замещенных 3-азабицикло[3.3.1]нон-6-енов.

4.4. Хлорирование 3-К-1,5-динитро-3-азабицикло[3.3.1]нон-6-енов.

5. Гидролиз 3-К-7-метокси-1,5-динитро-3-азабицикло[3.3.1]нон-6енов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

6.1. Синтез исходных соединений и подготовка растворителей.

6.1.1. Синтез и очистка исходных нитросоединений.

6.1.2. Подготовка реагентов и растворителей.

6.2. Синтез нитропроизводных 3-азабицикло[3.3.1]нон-6-енов.

6.3. Синтез 6(7)-К-2,3-Диметил-1,5-динитро-3-азониабицикло[3.3.1]нон-6-ен иодидов.

6.4. Синтез 3-К-6-галоген-1,5-динитро-3-азониатрицикло[3.3.1.03'7]нонан галогенидов и тригалогенидов.

6.5. Синтез 3-К-1,5-динитро-3-азабицикло[3.3.1]нонан-7-онов.

6.6. Методы физико-химических исследований.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное и теоретическое исследование 1,5-динитро-3-азабицикло[3.3.1]нон-6-енов»

Актуальность проблемы. Бициклические соединения привлекают к себе внимание химиков вследствие наличия у веществ такого типа уникальных физических и химических свойств, что делает их интересными моделями для изучения теоретических проблем конформационного анализа, механизмов и стереохимии реакций, передачи электронных эффектов и т.д. Особый интерес вызывают производные азабицикло[3.3.1]нонана, которые помимо большой теоретической значимости имеют широкое синтетическое применение, в частности, для получения адамантановых структур. Введение в структуру молекулы бициклического соединения таких гетероатомов, как >Т, Б, О, приводит к расширению возможности их применения для практических целей, например, в качестве физиологически активных веществ. Наиболее интересной для данного ряда азотистых гетероциклов является их ярко выраженная антиаритмическая активность. Кроме медицинского назначения 3-азабицикло[3.3.1]нонаны представляют практический интерес в качестве комплексообразователей с солями металлов, антиоксидантов, ускорителей вулканизации резины и др. Многогранность применения производных 3-азабицикло[3.3.1]нонана стимулирует исследования их физических и химических свойств, а также разработку новых, эффективных, с точки зрения технологии и селективности, методов синтеза указанных азотистых гетероциклов.

Целью работы является:

• установление структуры динитропроизводных 3-азабицикло[3.3.1]-нонана методами молекулярной спектроскопии, рентгеноструктурного анализа и квантовой химии;

• изучение свойств бициклических соединений физико-химическими методами;

• разработка методов функционализации 3-азабициклононанов на примере реакций алкилирования, галогенирования и гидролиза.

Научная новизна и практическая ценность работы. Методами молекулярной спектроскопии (ИК, !Н и 13С ЯМР), рентгеноструктурного анализа изучено строение динитропроизводных 3-азабицикло[3.3.11нонанов в растворе и кристаллическом состоянии. Установлены основные закономерности распада исследуемых соединений под действием электронного удара. Методами ДТА и ТГ изучены особенности их термодеструкции. Методом полярографии определена зависимость восстановительных потенциалов азабици-клононанов от их строения.

Впервые показано, что при галогенировании 1,5-динитро-З-аза-бицикло[3.3.1]нон-6-енов молекулярным бромом и хлором вместо ожидаемых продуктов присоединения по двойной связи образуются 6-Х-3-К-1,5-динитро-3-азониатрицикло[3.3.1.0 ' ]нонан галогениды (Х=С1, Вг). Установлено, что Ы-алкилирование 6(7)-К-1,5-динитро-3-азабицикло[3.3.1]-нон-6-енов метилиодидом сопровождается образованием четвертичных солей, выход которых зависит от природы заместителя Я в положении 6 или 7 субстрата. Показано, что при действии концентрированной НС1 происходит гидролиз виниловых эфиров 3-К-7-метокси-1,5-динитро-3-азабицикло[3.3.1]-нон-6-енов с образованием соответствующих 3-азабицикло[3.3.1]нон-7-онов.

В ходе исследований синтезировано 84 ранее не описанных в литературе органических соединений.

Положения, выносимые на защиту:

• молекулярная структура 1,5-динитро-3-азабицикло[3.3.1]нон-6-енов;

• физико-химические свойства исследуемых соединений;

• методы функционализации ненасыщенных нитропроизводных 3-азабициклононанна.

Заключение диссертации по теме «Органическая химия», Мелёхина, Надежда Кузьминична

ВЫВОДЫ

1. Впервые проведено комплексное изучение молекулярной структуры, конформационного строения и свойств широкого ряда 1,5-динитро-З-азабицикло[3.3.1]нонанов методами ИК, 1D и 2D ЯМР !Н и 13С спектроскопии высокого разрешения и рентгеноструктурного анализа. Показано, что в производных 3-азабицикло[3.3.1]нон-7-ен-6-она циклогексеновый фрагмент имеет конформацию софа, азотсодержащий цикл - кресло с экваториальным положением заместителя при гетероатоме, как в твердом состоянии, так и в растворе. Насыщенные производные имеют конформацию двойное кресло.

2. Методом масс-спектрометрии электронного удара показано, что в зависимости от природы и положения заместителей в молекулах исследуемых 3-азабициклононанов начальная фрагментация реализуется по трем основным направлениям: элиминирование нитрогрупп, расщепление или отрыв заместителей в циклогексеновом или пиперидиновом циклах. В некоторых сериях указанные процессы конкурируют.

3. Методом ДТА и ТГ анализа произведена оценка термической устойчивости моно- и дикарбоксипроизводных азабициклононана и их незамещенных в циклогексеновом фрагменте аналогов. Все незамещенные динитросоединения являются низкоплавкими веществами, что на кривой ДТА фиксируется четко выраженным автоэффектом в области температур ниже 110° С. Для большинства карбоксипроизводных эндоэффект, соответствующий плавлению этих веществ, лежит в области температур от 120 до 200° С.

4. Предложен препаративный метод синтеза 6(7)-К-3,3-диметил-1,5-динитро-3-азониабицикло[3.3.1]нон-6-ен иодидов, основанный на реакции алкилирования производных 3-азабициклононанов метилиодидом. Установлено, что наличие электроноакцепторных групп в положении 6 или 7 субстрата снижает, а введение электронодонорных заместителей повышает выход четвертичных солей.

5. Обнаружено, что при взаимодействии 3-замещенных 1,5-динитро-З-азабицикло[3.3.1]нон-6-енов с молекулярным хлором и бромом происходит самопроизвольная внутримолекулярная 3,7-циклизация дигалогенпроизводных с образованием 6-галоген-3-метил-1,5-динитро-3-азониатрицикло[3.3.1.03'7]нонан галогенидов.

6. Установлено, что кислотный гидролиз виниловых эфиров - 7-метокси-3-К-1,5-динитро-3-азабицикло[3.3.1]нон-6-енов позволяет вводить в положение 7 азабициклононанов реакционноспособную карбонильную функцию. Спектральными методами показано отсутствие трансаннулярного 3,7-взаимо действия в синтезированных аминокетонах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Мелёхина, Надежда Кузьминична, 2003 год

1. Азербаев И.Н., Омаров Т.Т., Алмуканова К.А., Байсалбаева С.А. // ЖОрХ. 1976. Т. 12. Вып. 6. С. 1207-1209.

2. Bohlman F. // Chem. Ber. 1958. Vol. 91. №10. P. 2157-2167.

3. Bohlman F. // Chem. Ber. 1959. Vol 92. №8. P. 1798-1808.

4. Hamlow H.P., Okuda S., Nakagawa N. // Tetrahedron Lett. 1964. №37. P. 2553-2559.

5. Masamune Т., Takasugi M. // Chem. Commun. 1967. №13. P. 625-627.

6. Агашкин С. В., Артгукин B.J1., Соколов Д.В., Запаров В.Т., Клуднева К.И., Литвинеко И.С. // Изв. АН Каз. ССР. Сер. хим. 1969. № 5. С. 4648.

7. Fernandez J.E., Fowler J.S., Gilaros S.J. // J. Org. Chem. 1965.Vol. 30. № 8. P. 2787-2791.

8. Baliah V., Jeyaraman R. // Indian J. Chem. 1978. Vol. 16 B. №12. P. 1127-1128.

9. House H.O.; Wickham P.P., Muller H.C. // J. Am. Chem. Soc. 1962. Vol. 84. № 16. P. 3139-3147.

10. Wiewiorowski M., Skolik, J. // Bull. Akad. Pol. Sci., Ser. Sci. Shim 1962. № 10. P. 1-5.

11. Азербаев И. H., Омаров Т.Т., Алмуканова К.А. // Изв. АН Каз. ССР. Сер. хим. 1975. № 25. С. 56-58.

12. Азербаев И.Н., Омаров Т.Т. // ЖОрХ. 1976. Т. 12. Вып. 11. С. 2475.

13. Омаров Т.Т., Чераватова Н.К. // Изв. АН Каз. ССР. Сер. хим. 1978. №28. С. 41-44.

14. Baliah V., Jeyaraman R. // Indian J. Chem. 1977. Vol. 15 B. № 9. P. 852853.

15. Baliah V., Jeyaraman R. // Indian J. Chem. 1977. Vol. 15 B. №9. P. 832834.

16. Smissman E.E., Ruenitz P.C. // J. Org. Chem. 1976. Vol. 41. № 9. P. 1593-1597.

17. La Londe R.T., Wong C.F., Das K.S. // J. Am. Chem. Soc. 1973. Vol. 95. № 19. P. 6342-6349.

18. Wall R.T. //Tetrahedron. 1970.Vol. 26. № 9. P. 2107-2117.

19. Ganapathy K., Gropalakrishnan V., Jeyaraman R. // Indian J. Chem. 1979. Vol. 17 B. №4. P. 417-419.

20. Baliah V., Jeyaraman R. // Indian J. Chem. 1977. Vol. 15 B. №9. P. 791795.

21. Ruenits P.S. //J. Org. Chem. 1978. Vol. 43. № 14. P. 2910-2913.

22. Lambert J.B. // Acc. Chem. Res. 1971. Vol. 4. №3. P. 87-94.

23. Chen C.Y., Le Ferve R.J. // J. Chem. Soc. B. 1966. № 6. P. 539-544.

24. Wilson N.K., Stothers J.B. // Top. Stereochem. 1974. Vol. 8. P. 1-4.

25. Wiseman J.R, Krablenhoft H.O. // J. Org. Chem. 1975. Vol. 40. № 22. P. 3222-3224.

26. Dalling D.K., Grant D.M. // J. Am. Chem. Soc. 1972. Vol. 94. № 15. P. 5318-5322.

27. Dalling D.K., Grant D.M., Paul E.G. // J. Am. Chem. Soc. 1973. Vol. 95. № 11. P. 3718-3724.

28. Crutzner J.B., Jautelat M., Dence J.B., Smith R.A., Roberts J.D. // J. Am. Chem. Soc. 1970. Vol. 92. № 24. P. 7107-7120.

29. Roberts J.D., Weigert F.J., Kroschwitz J.I., Reich H.J. // J. Am. Chem. Soc. 1970. Vol. 92. № 5. p. 1338-1347.

30. Dalling D.K., Grant D.M. // J. Am. Chem. Soc. 1967. Vol. 89. № 25. P. 6612-6622.

31. Pehk T., Lippmaa E. // Org. Magn. Reson. 1971. Vol. 3. №6. P. 679-687.

32. Lippmaa E., Pehk T., Paasivirta J., Belikova N., Plate A. // Org. Magn. Reson. 1970. Vol. 2. №6. P. 581-604.

33. Pehk T., Lippmaa E., Sevostjanova V.V., Krayuschkin M.M., Tarasova A.I. // Org. Magn. Reson. 1971. Vol. 3. №6. P. 783-790.

34. Eliel EX., Bailey W.F., Koop, Willer R.L., Grant D.M., Bertrand R., Christensen K.A., Dalling D.K., Duch M.W., Wekert E., Schell F.M., Cochran D.W. // J. Am. Chem. Soc. 1975. Vol. 97. № 2. P. 322-330.

35. McKenna J., McKenna J.M. // J. Chem. Soc. B. 1969. № 6. P. 644-646.

36. Scheiber P., Nador K. // Acta chim. Acad. Sei. Hung. 1975. Vol. 84. № 1. P. 193-196.

37. Johnson R.A. // J. Org. Chem. 1968. Vol. 33. № 9. P. 3627-3632.

38. Allinger N.L., Carpenter J.D., Karkowski F.M. // J. Am. Chem. Soc. 1965. Vol. 87. №6. P. 1232-1236.

39. Аверина H.B., Семиошкин A.A., Борисова Г.С., Зефиров Н.С. // ЖОрХ. 1997. Т. 33. Вып. 4. С. 550-556.

40. Ruenitz P.C., Smissam Е.Е. // J. Org. Chem. 1977. Vol. 42. № 6. P. 937941.

41. Bohlmann F., Schumann D., Schulz H. // Tatrahedron Lett. 1965. №3. 173177.

42. Jennings W. B. // Chem. Rev. 1975. Vol. 75. №2. P. 307-311.

43. Chakrobaty M.R., Ellis R.L. Roberts J.L. // J. Org. Chem. 1970. Vol. 35. №2. P. 541-542.

44. Bok Th.R., Spekamp W.N. // Tetrahedron. 1977. Vol. 33. № 7. P. 787-791.

45. Haller R., Unholzer H. // Arch. Pharm. 1971 Vol. 304. №11. P. 866-871.

46. Haller R., Unholzer H. // Arch. Pharm. 1972. Vol. 305. №11. P. 855-863.

47. Baiiah V., Mangalam Gr. // Indian J. Chem. 1978. Vol. 16 B. №3. P. 237238.

48. Baiiah V., Usha R. // Indian J. Chem. 1977. Vol. 15 B. №8. P. 684-689.

49. Baiiah V., Chellathurai T. // Indian J. Chem. 1971. Vol. 9 B. №5. P. 424426.

50. Baiiah V., Bhavani N. // Indian J. Chem. 1978. Vol. 16 B. №9. P. 776-778.

51. Baiiah V., Mangalam G. // Indian J. Chem. 1978. Vol. 16 B. №3. P. 213215.

52. Haller R., Unholzer H. // Arch. Pharm. 1971. Vol. 304. №9. P. 654-659.

53. Hawthorne D.Gr., Johns S.R., Willing R.J. // Aust. J. Chem. 1976. Vol. 29. № 6. P. 315-319.

54. Bok Th.R., Spekamp W.N. // Tetrahedron. 1979. Vol. 35. № 2. P. 267-272.

55. Zefirov N.S., Palyulin V.A. // Top. Stereochem. 1991. Vol. 20. P. 171-176.

56. Gdaniec M., Pham M, Polonski T. // J. Org. Chem. 1997. Vol. 62. № 16. P. 5619-5622.

57. Milewska M.J., Polonski T. // Magn. Reson. Chem. 1994. Vol. 32. P. 631635.

58. Власова Т.Ф., Никицкая E.C., Шейнкер Ю.Н. // Докл. АН ССР. 1969. Т. 188. С. 1049.

59. Bryant W.M., Burlingeame.A.L., House Н.О., Pitt C.Gr., Tefertiller B.A. // J. Org. Chem. 1966. Vol. 31. № 10. P. 3120-3127.

60. Longevialle P., Alazard J. P., Lusinchi X. // J. Org. Mass. Spectom. 1974. Vol. 9. №5. P. 480-484.

61. Britten A.Z., О'Sullivan // J. Org. Mass. Spectrom. 1974. Vol. 8. №2. P. 109-112.

62. MacLeod J.K. Wells R.J. // J. Am. Chem. Soc. 1975. Vol. 2. № 8. P. 23872391.

63. Green M.M., Bafus D., Franclin J. // J. Org. Mass. Spectrom. 1975. Vol. 10. №8. P. 679-681.

64. Green M.M., Cook R.J., Schwale J.M., Roy R.B. // J. Am. Chem. Soc. 1970. Vol. 92. № 10. P. 3076-3083.

65. Cable J., Macleod J.K., Vegar M.R., Wells R. // J. Org. Mass Spectom. 1973. Vol. 7. №10. P. 1137-1152.

66. Avila S.M. // Sc. Thesis. American college. Madurai. 1980. P. 55.

67. Dekkers A.W.J, Nibbring N.M.M., Speckamp W.N. // Tetrahedron. 1972. Vol. 28. №6. P. 1829-1838.

68. Ruenitz P. C., Smissman E. E., Wright D. S. // J. Heterocycl. Chem. 1977. Vol. 14. №3. P. 423-427.69.