Синтез гетероциклических орто-дикарбонитрилов, содержащих бензотиазольный, бензимидазольный и бензоксазольный фрагменты тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.03, кандидат химических наук Воронько, Мария Николаевна

• Воронько, Мария Николаевна
• кандидат химических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат химических наук Воронько, Мария Николаевна

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1 Механизм реакции активированного нуклеофильного ароматического замещения.

1.2 Движущая сила 5дАг реакций.

1.3 Влияние природы уходящей группы.

1.4 Влияние природы нуклеофила.

1.5 Роль среды в 5дАг-реакциях.

1.6 Нуклеофильное ароматическое замещение в синтезе гетероциклических систем.

1.6.1. Синтез пятичленных гетероциклических соединений.

1.7 Синтез бензимидазолов, бензоксазолов и их производных.

1.7.1 Синтез бензимидазолов и бензоксазолов.

1.7.2 Общие методы синтеза бензимидазолов и бензоксазолов.

1.7.3 Другие методы синтеза бензимидазолов и бензоксазолов.

1.7.4 Общие методы получения 2-меркапто и 2-оксо бензимидазолонов и бензоксазолонов.

1.7.5 Другие методы синтеза 2-меркаптобензоксо-, имидазолов и

2- бензоксо-, имидазолонов.

1.7.6 Возможные области применения бензимидазолов и бензоксазолов.

1.7.6.1 Другие области применения бензимидазолов.

1.7.6.2 Бензимидазолы, обладающие биологической активностью.

1.7.7 Выводы из литературного обзора.

2. ХИМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

2.1 Исследование реакции активированного ароматического замещения нитрогруппы и атома брома в 4-бром-5-нитрофталонитриле с 2-меркапто-1//-1,3-бензимидазол-5,6-дикарбонитрилом.

2.1.1 Синтез мостиковых систем с фталонитрильными фрагментами.

2.1.2 Влияние воды на реакцию БНФН с

1Н-1,3-бензимидазол-2-тиолом.

2.2 Синтез соединений реакцией нуклеофильного замещения атома брома и нитрогруппы в 4-бром-5-нитрофталонитриле.

2.2.1 Методы синтеза 4,5-диамино- и 4-гидрокси-5-амино

5,6-дикарбофталонитрилов.

2.2.1.1 Получение 4-гидрокси-5-нитро-фталонитрила.

2.2.1.2 Синтез гетерил - 4,5-диамино- и 4 — амино-5-гидрокси-фталонитрилов.

2.2.2 Синтез бензимидазолов и бензоксазолов на основе 5,6-дикарбонитрилов и их производных.

2.2.2.1 Синтез 1//-1,3-бензимидазол- и бензоксазол-5,6-дикарбонитрилов с алкильными и арильными заместителями при С-2.

2.2.2.2 Синтез бензимидазолонов и бензоксазолонов на основе

5,6-дикарбонитрилов.

2.2.2.3 Синтез 2-карбоксипроизводных на основе бензимидазо и бензоксазол-5,6-дикарбонитрилов.

2.2.2.4 Взаимодействие полученных бензоксазолонов и бензимидазолонов с 2-хлор-5-(4-метилфенил)-1,3,4-оксадиазолом.

2.2.2.5 Синтез бензо[4,5]имидазо[1,2-а]пиридин-7,8-дикарбонитрила.

2.2.2.6 Синтез дикарбоновых кислот на основе полученных бензимидазолов и бензоксазолов и их производных.

2.3 Строение и чистота синтезированных соединений.

2.4 Практическое применение объектов исследования.

2.4.1. Полупродукты для светочувствительных материалов.

2.4.2. Фталоцианины и металлокомплексы на их основе.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

3.1 Исходные вещества.

3.2 Методики синтеза реактивов и полупродуктов.

3.3 Кинетические исследования.

3.4 Методики анализа.

3.5 Идентификация синтезированных соединений.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез гетероциклических орто-дикарбонитрилов, содержащих бензотиазольный, бензимидазольный и бензоксазольный фрагменты»

Актуальность работы. Развитие тонкого органического синтеза относится к важнейшим направлениям приоритетных исследований в химии и химической технологии. Основное внимание уделяется созданию новых веществ и материалов, применение которых способно существенно сказаться на развитии ряда отраслей науки и техники. В настоящее время большой интерес вызывают конденсированные ароматические и гетероциклические системы, на основе которых возможно создание эффективных и относительно простых в производстве люминесцирующих материалов. К ним относятся орто-дикабонитрилы, конденсированные с различными гетероциклическими фрагментами. Использование реакции активированного ароматического нук-леофильного замещения атома брома и нитрогруппы в 4-бром-5-нитрофталонитриле (БНФН) моно- и бифункциональными S-, N-нуклеофилами, а также функционализация синтезированных 4,5-диамино-, 4-гидрокси-5-амино- и 4-амино-5-(А^-алкиламино)фталонитрилов открывают широкие возможности для получения гетероциклических орто-дикарбонитрилов и создания на их основе высокоэффективных флуорофоров и хромофоров, полимеров, лекарственных препаратов, а также материалов, обладающих жидкокристаллическими и нелинейно-оптическими свойствами.

Данная работа является продолжением научных исследований, проводимых в Ярославском государственном техническом университете в рамках заданий федерального агентства по образованию: «Исследование основных закономерностей и механизма направленного синтеза и функционализации сложных азот-, кислород и серосодержащих органических соединений» на 2001-2005 гг. (№ госрегистрации НИР: 01.2.00102406); и «Теоретические и экспериментальные исследования закономерностей кинетики и механизма синтеза полифункциональных органических соединений многоцелевого назначения» на 2006-2007гг. (№ госрегистрации НИР: 0120.0 604209).

Цель работы:

1. Исследование Б^Аг-реакции взаимодействия БНФН с бифункциональными Д ^-нуклеофилами в присутствии карбоната калия.

2. Разработка методов синтеза ортяо-дикарбонитрилов, содержащих различные тиазольные и бензотиазольные фрагменты.

3. Разработка на основе БНФН методов синтеза орто-дикарбонитрилов, содержащих бензимидазольные и бензоксазольные фрагменты с заместителями различной природы при С-2 атоме и их последующая функционализа-ция.

Научная новизна и практическая значимость работы:

Впервые изучена реакция активированного ароматического нуклео-фильного замещения атома брома и нитрогруппы в БНФН бифункциональными Д ^-содержащими гетероциклическими нуклеофилами. Определена их относительная реакционная способность и представлена схема взаимодействия, протекавшего на поверхности К2СОз. На основе полученных результатов разработан высокоэффективный метод синтеза орто-дикарбонитрилов, содержащих тиазольный и бензотиазольный фрагменты.

Впервые изучена реакция взаимодействия БНФН с нитрит-ионом, приводящая к образованию 4-гидрокси-5-нитрофталонитрила, а также реакция восстановления последнего до 4-амино-5-гидроксифталонитрила. В результате этого предложены высокоэффективные методы синтеза указанных продуктов.

На основе полупродуктов, полученных из БНФН, разработаны способы синтеза новых гетероциклических ортяо-дикарбонитрилов, содержащих бен-зимидазольный и бензоксазольный фрагменты, с заместителями различной природы при С-2 атоме. Показана возможность дальнейшей функционализа-ции полученных соединений.

Впервые разработаны способы получения бензо[4,5]имидазо[1,2-<я]пиридин-7,8-дикарбонитрила.

В ходе исследований синтезировано и идентифицировано более 70 соединений, ранее не описанных в литературе.

Проведённые с рядом специализированных организаций (ИНЭОС РАН, ИСПМ РАН, 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 III Международной конференции «Химия и биологическая активность синтетических и природных соединений, г. Черноголовка (июнь, 2006 г); межрегиональной конференции по органической химии, г. Санкт-Петербург (июль, 2006 г); городском конкурсе научных работ «Ярославль на пороге тысячелетия», г. Ярославль (октябрь, 2006 г); конференции «Крестовские чтения», г. Иваново (ноябрь, 2006); Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Молодые исследователи - регионам», г. Вологда (апрель, 2007 г.); XXIII Международной Чугаевской конференции по координационной химии (сентябрь, 2007 г); III Международной научно-технической конференции «Полимерные композиционные материалы и покрытия «Polymer 2008», Ярославль (май, 2008 г).

Публикации. По теме работы опубликовано 5 статьей в Российских журналах и 6 тезисов докладов на международных и Всероссийских конференциях, получен патент РФ.

Вклад автора состоит в определении целей, теоретическом обосновании, планировании и проведении экспериментов, синтезов исходных и целевых продуктов, обсуждении, интерпретации полученных результатов.

Положения, выносимые на защиту:

Представления о закономерностях протекания 8дАг-реакции с участием активированного субстрата - БНФН с бифункциональными N. нуклеофилами, приводящей к образованию тиазолсодержащих систем.

Методы синтеза оряю-дикарбонитрилов, содержащих тиазольный фрагмент, а также бензимидазольный и бензоксазольный циклы с заместителями различной природы при С-2 атоме.

Методы синтеза бензо[4,5]имидазо[1,2-я]пиридин-7,8-дикарбонитрила с использованием в качестве исходного реагента БНФН.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, химической и экспериментальной частей, выводов, списка использованной литературы. Работа изложена на 145 страницах, включает 15 таблиц, 12 рисунков. Список литературы включает 170 источников. Документы, подтверждающие практическую ценность разработок, приведены в приложении.

Заключение диссертации по теме «Органическая химия», Воронько, Мария Николаевна

ВЫВОДЫ

1. Исследована реакция активированного ароматического нуклеофильного замещения атома брома и нитрогруппы в БНФН N и ^-бифункциональными гетероциклическими нуклеофилами, протекавшая в 100 % - ном и 75 % - ном водном ДМФА в присутствии К2СО3 и приводящая к образованию орттю-дикарбонитрилов, содержащих тиазольный и бензотиазольный фрагменты. Показано, что благодаря высокой активности БНФН, в указанной реакции могут принимать участие малоактивные нуклеофильные реагенты, содержащие электроноакцепторные гетероциклические фрагменты. Установлено, что в субстрате в первую очередь происходит замещение атома брома. Представлена схема взаимодействия субстрата с 2-меркапто-1//-1,3-бензимидазолом, которое протекало на поверхности К2СОз.

2. Предложены шесть способов получения гетероциклических орто-ди-карбонитрилов с заместителями различной природы при С-2 атоме, установлены их границы применимости и возможности дальнейшей функ-ционализации:

- синтез на основе БНФН ортяо-дикарбонитрилов, конденсированных с тиазольными и бензотиазольными системами;

-синтез на основе 4-амино-5-гидрокси-5,6-фталонитрилов соответствующих амидов и последующая их циклизация в присутствии дегидратирующего агента;

-взаимодействие амино- и гидроксинитрофенил-орттю-дикарбонитрилов с орто-эфирами в присутствии иара-толуолсульфокислоты;

-взаимодействие 4-амино-5-(тетрагидро-2-фураниламино)фталонитрила и 1-(4-хлорфенил)-3-диметиламино-2-пропен-1-оном в уксусной кислоте;

-синтез бензимидазолонов и бензоксазолонов реакций амино- и гидроксинитрофенил-оргао-дикарбонитрилов с КДИ;

-взаимодействие указанных субстратов с янтарным ангидридом в уксусной кислоте, приводящее к образованию производных пропионовых кислот.

3. Установлено, что для гидроксипроизводных при С-2 атоме замещенных 4-амино- и 4-гидрокси-5-амино-оргао-дикарбонитрилов наблюдается таутомерное равновесие между гидроксо- и кетогруппами. Анализ 'Н-'НЫОЕБУ спектра соединения - 1-бензил-2-оксо-2,3-дигидро-1//-бензимидазол-5,6-ди-карбонитрила показал, что кето-форма полученных бензимидазолонов и бензоксазолонов доминирует в растворах.

4. На основе БНФН разработаны два способа получения бензо-[4,5]имидазо[1,2-а]пиридин-7,8-дикарбонитрила. Показаны ограничения каждого метода и предложены наилучшие условия, приводящие к получению продукта с максимальным выходом.

5. 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, о чем свидетельствуют акты испытаний.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Воронько, Мария Николаевна, 2009 год

1. Легасов, В.А. Теория ароматического нуклеофильного замещения / Легасов В.А., Дюмаев К.М., Третьяков Ф.Д. и др. // Жури. Всесоюз. хим. о-ва им. Д.И.Менделеева. - 1988. - №4. - С. 469.

2. Siling, S. Recent Advances in Polymer Chemical Physics / S. Siling, E. Lozinscaya, Ju. Borisevich // Contribution of Russian Academy of Sciences, N.Y.: Gordon and Breach Science Publisher. 1998, Vol. 9 P. 239.

3. Силинг С. А. Макрогетероциклические полимеры на основе тетранитрилов ароматических тетракарбоновых кислот т ароматических диаминов: дис. . докт. хим. наук. М., 1984.-406с, ДСП.

4. Bunnet, J. Aromatic Nucleophilic Substitution Reactions / J. Bunnet, R. Zahler // Chem. Revs. 1951. - Vol. 49, P. 273-412

5. Miller, J. Aromatic Nucleophilic Substitution / J. Miller // Amsterdam:Elsevier. 1968. -P.238.

6. Barlin, G. Nucleophilic Substitution /G. Barlin // Aromat. And Heteroaromat. Chem. 1976. - Vol.4. - P. 277.

7. Ross, S. Aromatic Nucleophilic Substitution / S. Ross // Prog. Phys. Org. Chem. 1963. - Vol l.-P. 31.

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

9. Terrier, F. Nucleophilic aromatic displasement: the influence of the nitro grou / F. Terrier // N.Y.: VSH Publishers. 1991. - P. 460.

10. Dewar, M. The electronic theory of organic chemistry / M. Dewar // London: Oxford University Press. 1949. - P. 389.

11. Birch A., Hinde A., Radom L. // J. Am. Chem. Soc. 1980. - Vol. 21. - P. 6430.

12. Olah G., Ascensio G., Mayr H. // J. Am. Chem. Soc. 1978. - Vol. 14. -P. 4347.13,14,15