Структурные закономерности в рядах циклоалкано(b)пиридонов и продуктов их гетероциклизаций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, кандидат химических наук Альбов, Дмитрий Васильевич

• Альбов, Дмитрий Васильевич
• кандидат химических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат химических наук Альбов, Дмитрий Васильевич

Введение. Постановка задачи

1. Литературный обзор

1.1. Синтез Н-11иридонов-2 с аннелированным циклоалкановым фрагментом

1.2. Замещение карбонильного кислорода на атом галогена

1.3. Дальнейшие направления гетероциклического дизайна

1.4. Кристаллохимический анализ

1.4.1. Образование водородных связей в пиридонах-

1.4.2. Особенности кристаллических упаковок молекул производных пиридона-

1.4.3. Искажение валентных углов в плоском конденсированном бицикле и его ближайшем окружении в зависимости от размера аннелированного насыщенного цикла

1.5. Методы рснтгеноструктурного анализа (РСА): от монокристаллов к порошкам

2. Экспериментальная часть

2.1. Методики синтеза исследованных соединений

2.2. Проведение дифрактометрического эксперимента. Основные кристаллографические данные исследованных соединений

3. Обсуждение результатов

3.1. Синтез и строение циклоалканопиридонов-

3.2. Синтез и строение 4-метил-2-хлор-5,6,7,8-тетрагидрохинолина

3.3. Синтез и строение метоксипиридинов и 1,4-Диметил-1,5,6,7-тетрагидро-2Яциклоиента[/7]пиридин-2-она

3.4. Синтез и строение N-фенацилпиридопов

3.5. Синтез и строение перхлоратов оксазолопиридиния

3.6. Исследование рециклизации солей оксазолопиридиния. Синтез и строение индолизинов и интермедиатов

3.7. Явление Яа/-агрегации в кристаллах исследованных соединений

4. Результаты и выводы

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структурные закономерности в рядах циклоалкано(b)пиридонов и продуктов их гетероциклизаций»

Постановка задачи. При синтезе сложных органических веществ, а также при изучении механизмов протекания химических реакций нередко оказывается, что реакции протекают в несколько fr этапов с образованием промежуточных соединений неизвестного строения, быстро подвергающихся многоступенчатых дальнейшим химических превращениям. реакций Для изучения протекания сложных и гетероциклических перегруппировок рециклизаций (нередко приводящих к биологически активным веществам) можно эффективно использовать принцип рентгеноструктурного картирования химических реакций. Суть этого принципа состоит в том, что посредством использования комбинации синтетических методов (встречный синтез и изоляция малоустойчивых промежуточных веществ) и техники рентгеноструктурного анализа (РСА) (монокристальный эксперимент, порошковая рентгенография, получение дифрактограмм при низкой температуре и/или в инертной атмосфере) можно систематически регистрировать интересные и малоустойчивые (в условиях протекания реакций) промежуточные соединения, изучать их структурные и химические свойства и тем самым более детально понимать закономерности протекания и механизмы химических реакций. Целью настоящей диссертационной работы является систематическое исследование сложных многоступенчатых химических реакций на основе последовательных функционализаций замещенных пиридонов-2. Данное исследование представляет интерес еще и тем, что синтезированные соединения ранее не были описаны в литературе или У данные, представленные отдельными авторами, носили весьма противоречивый характер. Представлялось полезным исследовать строение синтезированных соединений не только спектральным (например, ПМР), но и дифракционным методами. Последнее чрезвычайно интересно, поскольку строение синтезированных соединений можно описать с помощью нескольких таутомерных форм, а от того, в какой именно таутомерной форме существует рассматриваемое соединение, будут зависеть его химические свойства. Кроме того, современный метод РСА позволяет объяснить тонкие и в большинстве случаев не улавливаемые другими физическими методами нюансы структуры молекул в кристаллах. Работа выполнялась на Химическом ф-те МГУ, причем ее синтетическая часть проводилась на кафедре органической химии (лаборатория органического синтеза), рентгеноструктурные исследования на кафедре общей химии (лаборатория структурной химии).Данная работа является структурным исследованием гетероциклических соединений, обладающих способностью подвергаться новым циклизациям и рециклизациям на основе принципа рентгеноструктурного картирования, т.е. мы последовательно изучаем методом РСА строение всех интермедиатов и конечных продуктов многоступенчатых реакций (циклизаций и перегруппировок). Выбор объектов исследования был обусловлен следующими соображениями. Ранее в работах кафедры органической химии химического факультета МГУ было обнаружено новое семейство рециклизации солях оксазольного ядра в nHpj)OJibHoe,_ реализующееся и приводящее к в конденсированных оксазоло[3,2-а]пиридиния 5-замещенным индолизинам, практически недоступным какими-либо другими путями: NR2H Наиболее вероятный механизм конверсии включает образование пиридиниевого интермедиата, в котором циклоконденсация нового пиррольного кольца происходит с участием а-метильной группы соли. Это интересное превращение, не имеющее аналогов в химии гетероциклов. Между тем, границы применимости этой рециклизации не до конца ясны, а гипотетический механизм реакции до конца не ясен и не подтвержден. Интересной топологической модификацией этого превращения могла бы явиться конверсия таких трициклических систем, в которых вместо метильной группы имелось бы метиленовое звено, входящее в состав дополнительного цикла А. в этом случае кольцо А, изначально сочлененное лишь с пиридиновым циклом, в результате реакции оказалось бы сочлененным еще с одним вновь формируемым пиррольным циклом системы. Следовательно, общая структурная перестройка трициклов отвечала бы крайне редкому примеру превращения ангулярной структуры (три кольца имеют два сочленения) в терм-конденсированную систему (три кольца сочленены попарно). Выяснению возможности экспериментального осуществления этого нового структурно-топологического превращения и посвящена настоящая работа. В качестве объектов исследования мы выбрали соединения с аннелированными 5-, 6-, 7- и 8-членными циклоалкановыми фрагментами, а для получения желаемых ангулярных катионоидных трициклов нам пришлось осуществить цепочку многоступенчатых превращений. Мы правомерно ожидали, что размер аннелированного цикла будет оказывать влияние на протекание реакций, а потому, с целью детального выяснения этих структурных тенденций, мы тщательно проанализировали методом РСА структуры максимально возможного числа li интермедиатов и полупродуктов, образующихся в ходе этих реакций.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Альбов, Дмитрий Васильевич, 2005 год

1. Джилкрист Т, Химия гетероциклических соединений. М.: Мир, 1996.

2. Thorpe J.F., Коп G.A.R. The formation and reactions of imino compounds. XIX. The chemistry of thecyanoacetamide and Guareschi condensations. II J. Chem. Soc, 1919,115, 686-704.

3. Bardhan J.C. Chemistry of 1,3-dicarbonyl compounds. I. The mechanism of the cyanoacetamide and cyanoacetic ester condensations. Chem. Soc, 1929, 2229-2232.

4. Paine J.B. A convenient synthesis of nicotinate esters from 3-cyanopyridones. IIJ. Heterocyclic Chem., 1987,24,351-255.

5. Dubas-Sluyter M.A.T., Speckamp W.N., Huisman H.O. Heterocyclic steroids. XXIII. Heterocyclic synthesis via l-amino-3-oxo-l-cyclohexene. Rec. Trav. Chim., 1972, 91, 157160.

6. Kozikowski A.P., Reddy E.R., Miller C.P. A simplified route to a key intermediate in the synthesis of the Chinese nootropic agent huperzine A. II J. Chem. Soc, Perkin Trans. 1, 1990, 195-198.

7. Chelucci G., Cossu S., Scano G., Soccolini F. Regioselective syntheses of optically active {R)-5methyl- and (/?)-7-methyl-5,6,7,8-tetrahydroquinolones. Helerocycles, 1990, 31, 1397-1403.

8. Elgemeic G.E.H., Regaila H.A., Shenata N. Novel synthesis of condensed 4-(2-thienyl)- and 4(2-furyl)-3-cyanopyridin-2(lH)-oncs and their conversions into the corresponding pyridin2(lH)-thione derivatives. II Sulfur Letters, 1989. V. 9. P. 253-264 9. Ito K., Yokokura S., Miyajima S. A new route to 2-amino- or 2-hydroxy-3-pyridinecarboxylic acid. IIJ. Heterocyclic Chem., 1989, 26,112-111.

9. Kato Т., Sato M., Noda M., Itoh T. Synthesis of methylpyridine derivatives. XXXIV. IT" condensation of acetoacetamide with ketones to form pyridone derivatives. Chem. Pharm. 5w//., 1980, 28,2244-2247.

10. Meyers A.I., Garcia-Munoz G. The synthesis of 2-pyridones from cyclic cyano ketones. A new aromatization procedure for dihydro-2-pyridones.//y. Org. Chem., 1964,29, 1435-1438.

11. Piers E., Yeung B.W.A. Vinyl isocyanate cyclization reactions in synthesis. An expedient construction of the octahydrophenantridinone ring system, J. Org. Chem., 1984, 49, 45694571.

12. Nishiwaki N., Wang H.-P., Matsuo K., Tohda Y., Ariga M. novel ring transformation of nitropyrimidinone; synthetic equivalent of a-nitroformylacetic acid. J. Chem. Soc, Perkin Trans. 1,1997,2261-2262.

13. Mertel H.E. Pyridine and derivatives. Part Three. E. Klingsberg, ed. Interscience, New York, NY, 1962, P. 525. 134

14. Babaev E.V., Efimov A.V., Maiboroda D.A., Jug K. Unusual ambident behavior and novel ring transformation of oxazoIo[3,2-a]pyridinium salts. Liebigs Annalen. (Eur.J.Org.Chem.), 1998, ;-r 1, 193-196.

15. Бабаев E.B., Ефимов A.В., Жуков Г., Рыбаков В.Б. Гетероциклы с мостиковым атомом азота.

16. Рециклизации оксазольного фрагмента в пиррольный. Синтез и кристаллическая структура 5-гексаметиленимино-2-о-нитрофенилиндолизина. ХГС, 1998, 7, 983-985.

17. Kulcshova L.N., Zorky P.M. Graphical enumeration of hydrogen-bonded structures. II Acta Cryst., 1980, B36,2113-2115.

18. Etter M.C. Encoding and Decoding Hydrogen-Bond Patterns of Organic Compounds. II Ace. Che in. Res., 1990,23, 120-126.

19. Etter M.C, MacDonald J.C. Graph-set analysis of hydrogen-bond patterns in organic crystals. 1 Acta Cryst., 1990, B46, 256-262.

20. Bernstein J., Raymond E.D., Shimoni L., Chang N.-L. Patterns in hydrogen bonding: functionality and graph set analysis in crystals. Angew. Chem. Int. Ed. Engl, 1995, 34, 15551573.

21. Yang H.W., Craven B.M. Charge density study of 2-pyridone. Acta Cryst., 1998, B54, 912920.

22. Allen F.H. Cambridge Structural Database: a quarter of a million crystal structures and rising. Acta Cryst., 2002, B58, 380-388.

23. Kvick A., Booles S.S. Hydrogen bond studies. LXV. The crystal structure of 5-chloro-2T? pyridone, C5H4NOCI. Acta Cryst., 1972, B28, 3405-3409.

24. Kakehi A., Kitajima K., Ito S., Takusagawa N. Structure of a cycIopenta[/?/]indolizine Acta Cryst., 1992, C48, 1499-1500.

25. Hanson A.W. Temperature-dependent hindered rotation in the 1:1 complex of cycl[3.2.2]azine and 5-trinitrobenzene II Acta Cryst., 1978, B34, 2195-2200.

26. Anderson P.S., Baldwin J.J., McClurc D.E., Lundell G.F., Jones J.H., Randall W.C, Martin G.E., Williams M., Hirshfield J.M., Clineschmidt B.V., Lumma P.K., Remy D.C. J.Med.Chem., 1983, 26,

27. Цитировано no Кембриджской базе структурных данных (КБСД) [23].

28. Camerman N., Swartzendruber J.К., Jones N.D., Camerman A. Can.J.Chem. 1987, 65,

29. Цитировано no КБСД. 135

30. Scrantoni E.F., Riva di Sanseverino L., Sabatino P. An antiserotoninic drug metabolite: Sp< [(benzyloxycarbonyl)aminomethyl]-6-methyl-10a-ergoline monohydrate Acta Cryst., 1980, B36, 2471-2473.

31. Moore R.E., Cheuk C Xu-Qiang, Yang G., L.Patterson G.M., Bonjouklian R., Smitka T.A., Mynderse J.S., Foster R.S., Jones N.D., Swartzendruber J.K., Deeter J.B. II J.Org.Chem., 1987, 52, 1036.

32. Bisenieks E.A., Bundulc M.F., Uldrikis Ya.R., Dubur G.Ya., Mishnev A.F., Bleidelis Ya.Ya. Khim. Get. Soedin., SSSR (Russ.) {Chein. Hetero. Compnd) 1987,

34. Foresti E., Sabatino P., Riva di Sanseverino L., Fusco R., Tosi C Tonani R. Structure and molecular orbital study of ergoiine derivatives. l-(6-Methyl-8p-ergoIinylmethyl)imidazolidine- :м 2,4-dionc (I) and 2-(10-methoxy-l,6-dimethyl-8p-ergolinyl)ethyl-3,5-dimethyl--2- pyrrolecarboxylate toluene hemisolvatc (II) and comparison with nicergoline (111) II Acta Cryst., 1988, B44, 307-315.

35. Husak M., Kratochvil В., Ondracek J., Maixner J., Jegorov A., Stuchlik J. Z Kristallogr. 1994, 209,

37. Foresti E., Sabatino P., Riva di Sanseverino L., Tosi C Fusco R., Tonani R. Structural and molecular orbital study of ergoiine derivatives. Ethyl 2(S)- and 2(R)-cyano-2-(6-methylergoIin8p-yl)methylbutyrate///ic/aCry5/., 1989, C45, 1039-1044. ti»

38. Arnoux В., Merrien M.A., Pascard C, Polonsky J., Scott P.M. Ill Chein. Res. 1978, 210, 2

40. Ooike M., Nozawa K., Udagawa S., Kawai K. Bisindolylbenzenoids from ascostromata of Petromyces muricatus.//C/zem. Pharin. Bull. 1997,45, 1694-1697.

41. Serantoni E.F., Riva di Sanseverino L., Sabatino P., An a-adrenergic blocking agent: 8p-(5bromonicotinoyloxymethyl)-l,6-dimcthyl-10a-ergoline///lc/a Cryst., 1980, B36, 2473-2476.

42. Baumann C Brockelmann M., Fugmann В., Steffan В., Steglich W., Sheldrick W.S. Angew. Chem., Int. Ed. Engl., 1993,32, 1

44. Cole R.J., Kirkscy J.W., Clardy J., Eickman N., Weinrcb S.M., Singh P., Kim D. Tetrahedron JiX Lett. 1976, 3

46. Witty D.R., Walker G., Bateson J.H., OTIanlon P.J., Eggleston D.S., Haltiwanger R.C. Synthesis of conformationally restricted analogs of the tryptophanyl tRNA synthetase inhibitor indolmycin. Tetrahedron Lett. 1996,37, 3067-3070. 136

47. Takenaka A., Nakano M., Sasada Y. Structure of 3-(7-adeninyl)propionic acid lactam. Acta Cryst., 1979, B35, 1275-1277. rf

48. Robbers J.E., Otsuka H., Floss H.G., Arnold E.V., Clardy J. Org. Chem. 1980, 45, 1

50. Macor J.E., Langer O.D., Gougoutas J.Z., Malley M.F., Cornelius L.A.M. Studies towards understanding the mechanism of the unusual rearrangement of certain 5-propargyloxyindoles. Tetrahedron Lett. 2000, 41, 3541-3545.

51. Yosief Т., Rudi A., Stein Z., Goldberg I., Gravalos G.M.D., Schleyer M., Kashman Y. Asmarines A-C; three novel cytotoxic metabolites from the marine sponge Raspailia sp. Tetrahedron Lett. 1998, 39, 3323-3326.

52. Kelly J., Wolin R., Connolly M., Afonso A., James L., Kirshmeier P., Bishop W.R., McPhail 1 A.T. Synthesis 1998,6,673-686.

53. Leban I., Golankiewicz В., Zeidler J., Giester G., Kobe J. 3,4-Dihydro-6-methyl-3-p-Dribofuranosyl-4,5-cyclo-9//-imidazo[l,2-a]purin-9-one hydrate. II Acta Cryst., 2002, C58, ol33ol35.

54. Liaw Y.-C, Gao Y.-G., Robinson П., Wang A.H.-J. II J. Am. Chem. Sac. 1991, 113, 1

55. Цитировано H КБСД. O 50. Cox P.J., Fergusson M., Nahar L., Sarker S.D. Moschamindole Acta Cryst., 2001, E57, o81of isomeric 3-piperidinyl and 3-pyrrolidinylbenzo[5,6]cyclohepta[l,26]pyridines: sulfonamido derivatives as inhibitors of Ras prenylation. Bioorg. Med. Chem. YJ o82.

56. Mascal M., Wood I.G., Begley M.J., Batsanov A.S., Walsgrove Т., Slawin A.M.Z., Williams D.J., Drake A.F., Siligardi G. II J. Chem. Soc, Perkin Trans. 1, 1996, 2

58. Ruchkina E.L., Blake A.J., Mascal M. Tetrahedron Lett. 1999, 40, 8

60. Mascal M., Moody C.J., Slawin A.M.Z., Williams D.J. Chem. Soc, Perkin Trans. 1, 1992,

62. Beck A.L., Mascal M., Moody C.J., Slawin A.M.Z., Williams D.J., Coates W.J. J. Chem. Soc, Perkin Trans. 1, 1992,

64. Hazel! A.C., Hazell R.G., Norskov-Lauritsen L., Briant C.E., Jones D.W. A neutron diffraction study of the crystal and molecular structure of acenaphthene. II Acta Cryst., 1986, C42, 690-693. 137

65. Avoyan R.L., Struchkov Yu.T. Zh. Strukt. Khim. (Russ.) {J.Struct.Chem.) 1964, 5,

66. Цитировано no КБСД. /-v\

67. Bernardinelli G., Gerdil R. The crystal and molecular structure of cis-l,2-dichloroacenaphthene II Acta Cryst., 1974, B30, 1594-1597.

68. Avoyan R.L., Struchkov Yu.T. Zh. Strukt. Khim. (Russ.) (J. Struct. Chem.) 1961, 2,

70. Hazell A.C.. The crystal structure of 66,8a-DihydrocycIobut[a]acenaphthylene, СиНю. II Acta Cryst., 1976, B32,2010-2013.

71. Clough R.L., Kung W.J., Marsh R.E., Roberts J.D. J. Org. Chem. 1976, 41, 3

73. Parvez М., Simion D., Lario P., Sorensen T.S. Absolute configuration of (S,S)-l,2-dihydro-l,2щг /ran5-acenaphthylencdicarboxylic acid. Acta Cryst., 1995, C51, 644-646.

74. Reibenspics J.II., Guo F., Rizzo C.J. X-ray crystal structures of conformationally biased flavin models. Organic Letters, 2000, 2, 903-906.

75. Kido M., Hashimoto K. Chem. Pharm. Bull. 1994, 42,

77. Pitt C.G., Rector D.H., White D.H., Wani M.C., McPhail A.T., Onan K.D. J. Chem. Sac, Perkin Trans. 1 1977, 1

79. Langer V., Becker H.-D. Z Kristallogr. 1992, 202,

81. Dobson A.J., Gerkin R.E. 5>w-hexahydropyrcne///ic/a Cryst., 1996, C52, 3086-3088.

82. Jeannin Y., Stora C. Structure cristallographique dun dimere de Iisopropenylnaphtalene Acta Cryst., 1978, B34, 2765-2769.

83. Becker H.-D., Sandros K., Skelton B.W., White A.H. J. Phys. Chem. 1981, 85, 2

85. Sexmero Cuadrado M.J., de la Torre M.C., Lin L.-Z., Cordell G.A., Rodriguez В., Perales A. J. Org Chem. 1992, 57, 4

87. Baum G., Friderichs A., Kummell A., Massa W., Seitz G. Chem. Ber. 1988, 121,

89. Weinges K., Klein J., Sipos W., Gunther P., Huber-Patz U., Rodewald H., Deuter J., Irngartinger H., Chem. Ber. 1986,119, 1

91. Lilvinov I.A., Klimovitskii E.N., Yufit D.S., Sergeeva G.N., Struchkov Yu.T., Arbuzov B.A. Dokl. Akad. NaukSSSR (Russ.) {Proc. Nat. Acad. Sci. USSR) 1981, 257,

92. Цитировано no КБСД. 138

94. Isobe S., Kubo K., Thiemann Т., Sawada Т., Yonemitsu Т., Mataka S. Benzo[/]naphtho[c,t/]bicyclo[5.4.1]dodecan-12-one. //Acta Cryst., 2000, C56, 1367-1368.

95. Isobe S., Kubo K., Thiemann Т., Sawada Т., Yonemitsu Т., Mataka S. Preparation and h,( rearrangement of arylhydroxymethano[3I-or/o-cyclo[5](l,8)naphthalenophanes. Bull. Chem. Soc. Jpn. 2002, 75, 773-779.

96. Асланов Л.А., Треушников E.H. Основы теории дифракции рентгеновских лучей. М.: МГУ, 1985.

97. Порай-Кошиц М.А. Практический курс рентгеноструктурного анализа. Т. 2. М.: МГУ, 1960.

98. Прямые методы в рентгеновской кристаллографии: теория и практическое применение. Пер. с англ. Под ред. М.Лэдда, Р.Пальмера. М.: Мир, 1983. Щ

99. Чернышев В.В. Определение кристаллических структур по порошковым данным. Изв. АН. Серия химическая, 2001,12, 2I7I-2190.

100. Chernyshev V.V., Schenk И. А gridsearch procedure of positioning a known molecule in an unknown crystal structure with the use of powder diffraction data. Z. Krlstallogr., 1998, 213, 1-3.

101. Enraf-Nonius CAD-4 Software. Version 5.

102. Enraf-Nonius, Delft, The Netherlands, 1989.

103. Bruker SAINT-Plus (V. 6.01) and SMART (V. 5.059). Bruker AXS Inc., Madison, USA, 1998

104. Farrugia L.J. WinGX suite for small-molecule single-crystal crystallography. J. Appl. Cryst., 1999,32,837-838.

106. Programs for the Solution and Refinement of Crystal Structures. University of Gottingen, Germany, 1997. 86. ДР0Н-3. НПО «Буревестник», Санкт-Петербург. 87. STOE STADI P Diffractometcr. STOE D CIE GmbH, Dormstadt, Germany, 1996.

107. Werner P.-E., Eriksson L., Westdahl M. TREOR, a semi-exhaustive trial-and-error powder indexing program for all symmetries. //J. Appl. Cryst., 1985, 18, 367-370. 89. CS Chem3D Pro. CambridgeSoft Соф., USA, 1999.

108. Andreev Y.G., Bruce P.G. Solving crystal structures of molecular solids without single crystals: a simulated annealing approach. Chem. Soc, Dalton Trans., 1998,4071-4080. 91. ZIokazov V.B., Chcrnyshev V.V. MRIA a program for a full profile analysis of powder multiphase neutron-diffraction time-of-flight (direct and Fourier) spectra. //J. Appl. Cryst. 1992, 25,447-451. 139

110. Molecular Graphics Program. University of Utrecht, The Netherlands, 1996.

111. Albov D.V. RES to SPF file converter. Moscow State University, 2003.

112. Albov D.V. MRIA GIF generator. Moscow State University, 2005.

113. Busing W.R., Levy 11. A. The effect of thermal motion on the estimation of bond lengths from diffraction measurements//Jc/-C/y/., 1964,17, 142-146.

114. Гринева O.B., Зоркий П.М. Я//-Агрегация в кристаллах изомеров. II Журнач Структурной Химии, 2002, 43(6), 1073-1083.

115. Гринева О.В., Зоркий П.М. Энергия межмолекулярного взаимодействия в кристаллах хлорсодержащих органических соединений. II Журпач Физической Химии, 1998, 72(4), 714720. 140