Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по химии
Палысаева Надежда Владимировна
Синтез полиазотистых соединений включающих фуразановый и 1,2,4,5-тетразиновый циклы
02.00.03
Д 002.222.01
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт органической химии им. Н.Д. Зелинского Российской академии наук
119991, Москва, Ленинский пр., 47
Тел.: (499) 137-13-79
Е-mail: sci-secr@ioc.ac.ru
Предполагаемая дата защиты диссертации - 29 мая 2012 года
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ им. Н.Д. ЗЕЛИНСКОГО РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК (ИОХ РАН) |
На правах рукописи
ПАЛЫСАЕВА
Надежда Владимировна
СИНТЕЗ ПОЛИАЗОТИСТЫХ СОЕДИНЕНИЙ,
ВКЛЮЧАЮЩИХ
ФУРАЗАНОВЫЙ И 1,2,4,5-ТЕТРАЗИНОВЫЙ ЦИКЛЫ
02.00.03 - Органическая химия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата химических наук
Москва - 2012
Работа выполнена в лаборатории азотсодержащих соединений Института органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН
Научный руководитель доктор химических наук,
Шереметев Алексей Борисович
Официальные оппоненты: доктор химических наук, проф.
Дорохов Владимир Алексеевич
(ИОХ РАН)
доктор химических наук, проф.
Шастин Алексей Владимирович
(ИПХФ РАН)
Ведущая организация Российский химико-технологический
университет им. Д. И. Менделеева
Защита диссертации состоится 29 мая 2012 г. в 10.00 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 26 апреля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета доктор химических наук
Д 002.222.01 ИОХ РАН юдмила Александровна Родиновская
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Важнейшими взаимосвязанными задачами современной органической химии является прогнозирование свойств соединений с заданной структурой и синтез целевых соединений с заданным комплексом свойств. Решение этих задач невозможно без знания того, как отдельные фрагменты молекулы влияют друг на друга, к чему приводят эти взаимодействия. В области энергоемких соединений, традиционно создаваемых введением нитро-, нитрокси-, нитрамино- и азидогрупп в различные алифатические, ароматические и гетероциклические молекулы, работы по выявлению зависимостей структура-свойство ведутся уже давно. В противоположность традиционным энергоемким материалам, соединения с высоким содержанием азота, энергетика которых обусловлена их высокими энтальпиями образования, исследованы значительно меньше. В то же время, потребность в полиазотистых соединениях, как более экологически приемлемых (т. к. большую часть продуктов их сгорания составляет безвредный азот), крайне высока. Поэтому поиск новых энергоемких соединений с высоким содержанием азота сохраняет высокую актуальность.
Ранее на основе s-тетразина (1,2,4,5-тетразина) было создано несколько энергоемких полиазотистых соединений, например, такие как 3,3'-азо-бис(6-амино-s-тетразин) (ТНР(ДТА) 252С, d 1.76 г/см3, ΔHf0 +862 КДж/моль) и 3,6-ди(1Н-s-тетразол-5-иламино)-s-тетразин (ТНР(ДТА) 270С, d 1.78 г/см3, ΔHf0 +883 КДж/моль). Однако они не содержат кислорода. Более того, попытки введения к тетразиновому циклу обогащенных кислородом групп, в частности, нитрогрупп, привели к дестабилизации молекул.
С другой стороны, фуразановый цикл, как строительный блок для синтеза, содержит кислород и хорошо сочетается с различными функциональными группами, включая нитрогруппу, что позволило синтезировать ряд энергоемких производных фуразана, характеризующихся хорошим кислородным балансом, высокой термической стабильностью и плотностью. Однако для нитрофуразанов свойственны невысокие температуры плавления, что не желательно для решения некоторых задач. Объединение в одной молекуле s-тетразинового и фуразанового циклов могло бы привести к структурам с высоким содержанием азота, которые одновременно содержат активный кислород и характеризуются хорошим сочетанием энергетических характеристик и термической стабильности.
Известны лишь единичные подходы, позволяющие объединить в одной молекуле два электроно-дефицитных полиазотистых гетероцикла. Однако, на момент начала нашего исследования соединения, включающие как s-тетразиновый, так и фуразановый циклы, известны не были.
Целью настоящей работы является конструирование полиазотистых соединений, включающих как s-тетразиновый, так и фуразановый циклы. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
- Разработка методов синтеза соединений, содержащих s-тетразиновый и фуразановый циклы, связанные -NH-, -NH-NH-, -N=N-, -N(O)=N-, -C(O)-NH-NH- мостиковыми группами;
- получение аннелированых производных тетразина, включающих фуразановый цикл в качестве заместителя;
- исследование окисления азотсодержащих групп и фрагментов в соединениях, включающих s-тетразиновый и фуразановый циклы для получения их N-оксидов, нитро- и азо- производных;
- изучение физико-химических и специальных свойств полученных соединений, для выявления закономерностей структура-свойство.
Научная новизна. Впервые систематически исследованы реакции, позволяющие сконструировать молекулы, содержащие в своем составе как фуразановый, так и s-тетразиновый циклы.
Впервые разработаны общие методы получения дигетариламинов из 3-(3,5-диметилпиразолил)тетразинов (или азоло[4,3-b]-s-тетразинов) и слабоосновных гетариламинов. Эффективного нуклеофильного замещения диметилпиразольного фрагмента удалось добиться в присутствии карбонатов щелочных металлов в безводных полярных растворителях. Обнаружено, что в качестве нуклеофилов могут быть использованы 3-амино-4-R-фуразаны, содержащие как электронодонорные, так и акцепторные заместители. Более того, показано, что найденные условия пригодны для вовлечения в реакцию и других слабоосновных аминов, таких, например, как аминоимидазолы, аминотриазолы, аминотетразолы, аминотетразины.
Впервые осуществлена реакция С-N кросс-сочетания между полиазотистыми электронодефицитными гетероциклическими компонентами, такими как 3-амино-s-тетразины и 3-йод-4-R-фуразаны. Найдено, что она протекает в присутствии солей меди. Метод пригоден для реактантов, содержащих как электронодонорные так и акцепторные заместители.
Впервые в результате термического азолоаннелирования ацильных производных гидразинотетразина получены [1,2,4]триазоло[4,3-b]-s-тетразины, включающие в качестве заместителя при триазольном цикле электроноакцепторный фуразанильный или полифторалкильный фрагмент.
Изучено окисление производных 3-[(3-аминофуразан-4-ил)амино]тетразинов. Получен ряд нитро-, азо-, азокси-производных, а также N-оксидов.
Показано, что соединения, где фуразановый и тетразиновый циклы связаны азо- или азоксимостиками, нестабильны. Напротив, соединения с NH-мостом между этими циклами химически и термически устойчивы.
Практическая значимость. Разработаны эффективные препаративные методики синтеза 3-(3-R-фуразаниламино)тетразинов (С-N-кросс сочетание, нуклеофильное замещение и др.), а также других 3-(гетариламино)-тетразинов, представляющих потенциальный интерес в качестве энергоемких материалов.
Ряд соединений был наработан и передан в смежные организации (ИХФ РАН, ИОНХ РАН, ИНЭОС РАН, РХТУ им. Д.И.Менделеева) для определения физико-химических и специальных свойств.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на: Международной конференции Фундаментальные и прикладные проблемы современной химии (Астрахань, Россия, 2008); Всероссийской конференции Химия нитросоединений и родственных кислородсодержащих систем (Москва, Россия, 2009); Международной конференции УХимия гетероциклических соединенийФ (Москва, Россия, 2010); Всероссийской конференции Энергетические конденсированные системы (Черноголовка, Россия, 2010); II Международной конференции УНовые направления в химии гетероциклических соединенийФ (Железноводск, Россия, 2011), УInternational Congress on Organic Chemistry dedicated to the 150-th anniversary of the ButlerovТs Theory of Chemical Structure of Organic CompoundsФ, (Kazan, Russia, 2011).
Публикации. По материалам исследования опубликовано 3 статьи и 6 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов и списка литературы из 194 наименований. Работа изложена на 171 страницах.
Отдельные части работы выполнены при поддержке программы отделения РАН ОХНМ-04 и Госконтракта №02.740.11.0258 с Федеральным агентством по науке и инновациям (2009-2012).
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. Разработка методов синтеза соединений, включающих фуразановый и s-тетразиновый циклы
В настоящей работе изучены подходы для построения молекул, включающих два и более азотистых гетероцикла, таких как фуразан и s-тетразин. С целью выявления закономерностей структура-свойство синтезирован ряд аналогов, где s-тетразиновый и фуразановый циклы связанны различными азотсодержащими мостиковыми группами.
1.1. Попытки получения производных N-фуразанил-N'-(s-тетразинил)-диазена
Мы начали исследование с попытки получения несимметричных соединений, где тетразиновый и фуразановый фрагменты были бы связаны группой из двух атомов азота. В качестве исходного соединения был взят легко доступный 3,6-бис(3,5-диметилпиразол-1-ил)-s-тетразин 1а. На схеме представлено два подхода для формирования гидразо-мостика между тетразиновым и фуразановым циклами.
Так, исследована возможность замещения диметилпиразольного фрагмента в тетразине 1а гидразинофуразаном 2. В результате нагревания исходных реактантов в i-PrOH или MeCN, однако, наблюдается образование сложной смеси продуктов (по ТСХ), из которой удалось выделить нужный продукт 3 лишь с 7% выходом. В другом подходе при реакции гидразинотетразина 4 с хлороксимом 5 промежуточно образующийся гидазидооксима 6, перегруппировывался в N,NТ-дизамещенный гидразин 3. Однако и в этом случае, образование продукта 3 наблюдали лишь в следовых количествах. Тем не менее, небольшое количество соединения 3, необходимое для последующих исследований, удалось наработать.
Исследование действия окислителей (N2O3, N2O4, CrO3, H2O2, KMnO4, Br2, NBS, Cl2) на гидразин 3 в разных условиях приводит к деструкции этого соединения; образование N-фуразанил-N'-(s-тетразинил)-диазена 7 зафиксировать не удалось.
1.2. Окислительная конденсация. Синтез N-фуразанил-N'-(s-тетразинил)-диазен-N'-оксидов
Для синтеза несимметричных азоксисоединений (диазен-N-оксидов) было синтезировано гидроксиламинопроизводного тетразина 8 и изучена его окислительная конденсация с 3-амино-4-нитрофуразаном 9. При обработке смеси этих соединений дибромизоциануратом (DBI), промежуточно образующееся нитрозосоединение 10 и нитрен, генерируемый из амина 9, рекомбинируются, давая желаемое азокси-соединение 11; пиразольный цикл при этом бромируется.
Соединение 11, однако, оказалось нестойким и постепенно разлагается даже при -15С. Хроматографическое выделение позволяет получить его с выходом лишь 5%. При комнатной температуре в ЯМР ампуле в растворе CDCl3 азосоединение 11 за сутки разлагается на 80%.
Таким образом, проведенные исследования позволяют заключить, что несимметричные соединения, где фуразановый и тетразиновый циклы связаны азо- и азокси-мостиками, обладают весьма низкой стабильностью. Поэтому дальнейшая работа была направлена на поиск устойчивых ансамблей из фуразановых и тетразиновых циклов.
1.3. Изучение взаимодействия s-тетразинов с гидразидами фуразанкарбоновых кислот
Фуразановый цикл, как заместитель, характеризуется одим одним из наиболее сильных электроноакцепторный эффектов. Естественно, нуклеофильность включающих его молекул понижена. Тем не менее, тетразин 1a реагирует с гидразидами фуразанкарбоновых кислот 12.
Реакция тетразина 1a с гидразидом 12а была выбрана нами в качестве модельной для изучения основных закономерностей процесса. Влияния типа растворителя на результат реакции представлено в таблице 1. Мы обнаружили, что замещение одного пиразолильного фрагмента с образованием соединения 13а наблюдается во всех изученных растворителях; при этом меняется тип побочных продуктов 14. Как видно из таблицы 1, в зависимости от типа растворителя для завершения реакции требуется от 2 до 55 часов. Наиболее быстро нуклеофильное замещение проходит в среде спиртов. Однако, при этом спирты сами выступают в роли конкурирующих нуклеофилов, что приводит к образованию смеси целевого продукта 13а с соответствующими алкокситетразинами 14a-c, которые легко отделяются.
Таблица 1. Влияние растворителей на реакцию соединения 1a с 12а.
№ | Растворитель | Температура реакции, С | Время реакции, ч | Выход 13а, % | Другие продукты (%) |
1 | MeOH | 64 | 2 | 40 | 14a (29) |
2 | EtOH | 78 | 2 | 47 | 14b (20) |
3 | iPrOH | 82 | 3 | 80 | 14с (5) |
4 | ДМФА | 90 | 4 | 78 | 14d (10) |
5 | Бензол | 80 | 5 | 76 | |
6 | Диоксан | 85 | 6 | 60 | |
7 | Глим | 80 | 18 | 86 | |
8 | ДМСО | 80 | 23 | 62 | |
9 | [Emim][BF4] | 80 | 24 | 86 | |
10 | ТГФ | 66 | 26 | 75 | |
11 | MeNO2 | 80 | 36 | 58 | |
12 | HCCl3 | 61 | 54 | 28 | 1a (43) + 12а (30) |
13 | H2O | 80 | 55 | 6 | 1a (67) + 12а (61) + 14е (7) |
14 | MeCN | 82 | 55 | 88 |
Следует отметить, что ни в одном из указанных в таблице 1 растворителей, даже при использовании трехкратного избытка гидразида 12a и увеличении продолжительности нагревания, не было зафиксировано замещение второго диметилпиразольного фрагмента при тетразиновом цикле.
Известно, что введение в 4-положение пиразольного фрагмента атома брома облегчает замещение этого фрагмента при действии нуклеофилов. Действительно, в этаноле и изопропиловом спирте реакция 3,6-бис(4-бром-3,5-диметилпиразол-1-ил)-s-тетразина 1b с гидразидом 12а идет быстрее, однако возрастает доля побочного продукта 14f,g (сравни таблицы 1 и 2).
Таблица 2. Влияние растворителя на реакцию соединения 1b с 12а.
№ | Растворитель | Температура реакции, С | Время реакции, ч | Выход 13d, % | Побочный продукт (%) |
1 | MeCN | 80 | 55 | 7 | 1b (78) |
2 | EtOH | 80 | 0,66 | 40 | 14f (30) |
3 | i-PrOH | 80 | 2 | 63 | 14g (10) |
4 | CHCl3 | 65 | 54 | 5 | 14b (62) |
5 | глим | 80 | 18 | 33 | 14b (41) |
6 | ДМСО | 80 | 2,5 | 75 |
Однако, введение в молекулу атома брома снижает растворимость соединения 1b в ряде растворителей. Вероятно, именно этот факт сильно замедляет реакцию замещения в таких растворителях, как MeCN, глим и хлороформ (таблица 2, пп. 1, 4 и 5). Лишь в диметилсульфоксиде переход от соединения 1a к 1b сопровождается значительным ускорением реакции (~10 раз) и увеличением выхода продукта монозамещения (таблица 2, пп. 6); продукт дизамещения и в этом случае не был зафиксирован.
Реакция имеет общий характер и протекает согласно схеме (см. выше) при кипячении в i-PrOH и с гидразидами других фуразанкарбоновых кислот, давая ожидаемые продукты 13а-е с высокими выходами.
1.4. Синтез [1,2,4]триазоло[4,3-b]-s-тетразинов, включающих фуразановый цикл
Триазолотетразиновая система, как правило, формируется путем аннелирования 1,2,4-триазольного цикла к s-тетразиновому. Для выхода к фуразансодержащим триазолотетразинам был выбран подход, основанный на циклизации гидразидов 13а-е. Величины индукционных констант Тафта σ* 4-R-фуразанильных групп, как заместителей, попадают в интервал 2.55-2.88 (при R = NH2 и R = NO2 соответственно). Наиболее близким к фуразанильному фрагменту по этому показателю является такой заместитель, как CF3-группа (σ* = 2.6). Поэтому мы первоначально попытались найти условия, при которых доступный NТ-[6-(3,5-диметилпиразол-1-ил)-s-тетразин-3-ил]-4-R-трифторметил-3-карбогидразид 15 мог бы быть циклизован в соответствующий трифторметилтриазолотетразин 16. После проведенного исследования мы обнаружили, что соединение 15 эффективно дегидратируется при кратковременном нагревании в полифосфорной кислоте, и желаемый бицикл 16 образуется с 80% выходом.
В аналогичных условиях дегидратация гидразидного фрагмента соединения 13а приводит к образованию триазоло[4,3-b]-s-тетразина 17а с 62% выходом. Следует указать, что циклизация возможна лишь при температуре выше 150С; при более низких температурах аннелирование триазольного цикла не происходит.
Введение в пиразольный цикл атома брома, вероятно, снижает термическую устойчивость соединений, и дегидратация соединения 13d в полифосфорной кислоте дает продукт 17b с выходом всего 30%; при этом наблюдается некоторое осмоление. При 150С в полифосфорной кислоте соединение 13b, включающее аминогруппу, полностью расходуется за 15 мин. Через 5 мин после начала реакции по данным ТСХ в реакционной смеси фиксируется продукт и исходное соединение. Однако дальнейшее нагревание приводит к убыванию как исходного, так и целевого продукта. Соединение 17c удается выделить с выходом не более 2%.
Термолиз соединения 13с в полифосфорной кислоте завершается полным осмолением реакционной массы, что, вероятно, обусловлено присутствием в составе молекулы пиррольного цикла, нестабильного в таких условиях.
Таким образом, в результате проведенного исследования разработан способ синтеза [1,2,4]триазоло[4,3-b]-s-тетразинов, позволяющий вводить электроноакцепторные фрагменты, такие как фуразанильный или трифторметильный, в азольную часть этого бицикла.
1.5. Разработка методов синтеза соединений, в которых фуразановый и s-тетразиновый циклы связаны NH-мостиком
Присутствие NH группы в соединениях различных классов, как правило, обеспечивает возможность образования внутри- и межмолекулярных водородных связей. Это благоприятствует формированию хорошо структурированных кристаллических решеток при упаковке молекул в кристаллы, что проявляется в повышении их плотности. Более того, наличие водородных связей благоприятствует повышению термической устойчивости и снижению чувствительности к механическим воздействиям. Поэтому разработке методов синтеза соединений, где фуразановый и тетразиновый циклы были бы связаны NH-мостиком, мы уделили особое внимание.
1.5.1. Металл-катализируемое C-N-кросс-сочетание 3-амино-s-тетразинов с 3-йодо-4-R-фуразанами
В последние годы исследования реакции C-N-кросс-сочетания быстро развиваются, проникая в различные области органического синтеза. Однако нами не найдено примеров применения этой методологии для конструирования энергоемких соединений.
Мы впервые обнаружили, что С-N-кросс-сочетание может быть использовано для синтеза соединений, где фуразановый и тетразиновой циклы связаны NH-мостиком. На примере реакции аминотетразина 19, легко получаемого при обработке соединения 1а аммиаком, и 3-йод-4-метилфуразана 20а, синтезируемого диазотированием из соответствующего аминофуразана, были изучены условия для получения вторичного амина 21а (Табл. 3). Было исследовано влияние типа металл-содержащего реагента (Cat = Pd(OAc)2, Cu(OAc)2, CuI и др.), основания (B = карбонаты щелочных металлов), лиганда (L = N- и О-центрированные лиганды), растворителя (ДМФА, толуол, глим) и температуры на протекание реакции.
Как видно из таблицы 3, максимальный выход амина 21а достигает 47% при реакции йодфуразана 20а с аминотетразином 19 в присутствии системы Cu(OAc)2/K2CO3/2-ацетилциклогексанон (лиганд) в смеси глима с толуолом при 60С. Мы исследовали возможность использования этой реакции и для других Общий вид молекулы 21с
йодофуразанов 20b-h.
Оказалось, что, используя оптимальные условия, метод позволяет получить вторичные амины 21b-f практически независимо от стерических и электронных эффектов заместителей R.
В случае 3-йодо-4-амино-фуразана 20b была получена сложная смесь продуктов, из которой, однако, вторичный амин 21b может быть выделен с помощью хроматографии.
Таблица 3 Оптимизация условий для реакции между аминотетразином 19 и 3-йодо-4-метил-фуразаном 20a
№ | Медь -содержащее соединение | иганд | Растворитель | Основание | T, C | Время, ч | Выход 21a, % |
1 | Cu(OAc)2 | L1 | толуол | K2CO3 | 60 | 13 | 10 |
2 | Cu(OAc)2 | L2 | толуол | K2CO3 | 60 | 11 | 17 |
3 | Cu(OAc)2 | L3 | толуол | K2CO3 | 60 | 11 | 14 |
4 | Cu(OAc)2 | L4 | толуол | K2CO3 | 60 | 18 | 10 |
5 | Cu(OAc)2 | L5 | толуол | K2CO3 | 60 | 9 | 16 |
6 | CuCl | L3 | толуол | K2CO3 | 60 | 15 | 8 |
7 | CuBr | L3 | толуол | K2CO3 | 60 | 11 | 13 |
8 | CuI | L3 | толуол | K2CO3 | 60 | 9 | 18 |
9 | Cu(OTf)2 | L3 | толуол | K2CO3 | 60 | 8 | 23 |
10 | CuI | L6 | ДМФА | Cs2CO3 | 20 | 24 | 0 |
11 | CuI | L6 | глим | K2CO3 | 20 | 18 | 12 |
12 | CuI | L6 | глим | K2CO3 | 50 | 5 | 35 |
13 | Cu(OAc)2 | L6 | толуол | K2CO3 | 50 | 9 | 27 |
14 | Cu(OAc)2 | L6 | глим | K2CO3 | 50 | 4 | 31 |
15 | Cu(OTf)2 | L6 | глим | K2CO3 | 50 | 3.5 | 26 |
16 | Cu(OAc)2 | L6 | толуол/DME (4/1) | K2CO3 | 50 | 4 | 42 |
17 | Cu(OAc)2 | L6 | толуол/глим (5/1) | K2CO3 | 50 | 4 | 47 |
18 | Cu(OAc)2 | L6 | толуол/глим (6/1) | K2CO3 | 50 | 5 | 38 |
L1 = (CH2NHMe)2; L2 = (CH2NMe2)2; L3 = ; L4 = ; L5 = ; L6 = .
В то время как 4,4`-дийодоазофуразан 20h при взаимодействии с двумя молями амина 1а дает дизамещенный продукт 23a c 46% выходом, попытки выделить индивидуальные продукты из реакции 3,4-дийодофуразана 20g с амином 1a не увенчались успехом.
Реакция оказалась применима и к [1,2,4]триазоло[4,3-b]-s-тетразин-3-амину 24, синтезируемому из 3-(3,5-диметилпиразол-1-ил)-6-[1,2,4]триазоло[4,3-b]-s-тетразина 25 и аммиака. В найденных условиях различные йодофуразаны 20а-f взаимодействуют с амином 24, образуя ожидаемые продукты 26а-f с хорошими выходами. Структуры соединений 26b, 26c, 26d также подтверждены с помощью РСА.
26b 26с 26d
Общий вид молекул
Таким образом, впервые показана возможность C-N кросс-сочетания различных фуразанил йодидов с s-тетразиниламинами при катализе солями меди. Это первый пример, при котором электроно-дефицитный азотсодержащий гетероциклический йодид может быть связан с электроно-дефицитным азотсодержащим гетероциклическим амином. Для осуществления C-N кросс-сочетания в качестве катализатора эффективен Сu(OAc)2, а в качестве лиганда - 2-ацетилциклогексанон. Найденные условия позволяют вводить в реакцию йодофуразаны с разными функциональными группами, включая такие, как нитро-, азидо- и азо-групы. Вероятно, эта методология может быть применена и к другим электронодефицитным азотистым гетероциклам.
1.5.2. Реакции нуклеофильного замещения диметилпиразолильного фрагмента при s-тетразинах слабоосновными аминами в присутствие оснований
В предыдущем разделе был описан разработанный нами метод получения вторичных аминов 21a-f и 26a-f при кросс-сочетании 3-амино-s-тетразинов 19 и 24 с 3-йодо-4-R-фуразанами 20a-f. Однако более привлекательной представляется идея получения дигетариламинов 21 и 26 прямым взаимодействием аминофуразанов 22a-f с тетразином 1a или 25.
Нуклеофильное замещение диметилпиразольного фрагмента в соединение 1а легко протекает при действии сильных нуклеофилов. Для введения в реакцию слабо нуклеофильных аминоазолов требуются жесткие условия. Замещение такими нуклеофилами, требует использование сильных оснований (NaH, t-BuOK, и др.) или длительного нагревания при высоких температурах в безводных условиях. Жесткие условия, однако, ограничивают круг нуклеофилов, препятствуя, например, использованию нитро- и азидо- аминоазолов. 3,4-Диаминофуразан 22b не реагирует с соединением 1a в разных растворителях при нагревании (до 180С). Однако мы показали, анион, полученный при обработке 3,4-диаминофуразана 22b или 3-амино-4-метилфуразана 22а гидридом натрия* в диметоксиэтане (DME), способен заместить оба пиразольных фрагмента в соединение 1a.
Однако, попытки ввести в этих условиях в реакцию 3-амино-4-нитро- и 3-амино-4-азидофуразаны 22с,d приводят к их разложению (за счет окислительно-восстановительных процессов).
С целью поиска более мягких условий, позволяющих провести реакцию между аминофуразанами 22 и тетразином 1а мы исследовали их взаимодействие в присутствие различных оснований и обнаружили, что депротонировать аминогруппу при фуразановом цикле действительно возможно более слабыми основаниями.
На примере взаимодействия тетразина 1a с диаминофуразаном 22b было изучено влияние типа основания на скорость реакции (см. таблицу 4). Наиболее эффективно реакции протекают в присутствии К2СО3 и Cs2CO3. Продукт 21b образуется с выходом около 90%. При использовании Cs2CO3 реакция протекает с максимальной скоростью.
________________________________
* В процессе проведения нашего исследования было опубликовано сообщение (Chavez D., Parrish D. J. Heterocycl. Chem., 2009, 46, 88) о реакции между соединениями 1а и 22b (единственный пример) в ДМФА в присутствии NaH. Однако мы показали, что в ДМФА образуется более 70% 3-(диметиламино)тетразинов.
Таблица 4. Влияние основания на скорость реакции между соединениями 1a и 22b в МеСN (мольное соотношение реагентов 1:1:1 (1a:22b:основание)).
№ | Основание | Время реакции, ч | Выход 21b, % | Другие продуты |
1 | Et3N | 5 | 10 | 90% (1а+22b) |
2 | пиридин | 6 | 0 | 100% (1а+22b) |
3 | Li2CO3 | 6 | 0 | 100% (1а+22b) |
4 | Na2CO3 | 6 | 0 | 100% (1а+22b) |
5 | Na2CO3 10H2O | 3.5 | 40 | 60% (14e) |
6 | Na3PO4 | 7.5 | 70 | 30% (14e) |
7 | NaF | 6 | 0 | 100%(1а+22b) |
8 | К2СО3 | 1 | 85 | |
9 | К3PO4 | 3 | 76 | |
10 | KF | 11 | 84 | |
11 | Cs2CO3 | 0.3 | 80 | |
12 | СsF | 1.5 | 78 |
Найденные условия оказались применимы для широкого круга аминофуразанов 22а-j. Так, в присутствии K2CO3 в реакцию с 1a вступают даже 3-амино-4-азидо-фуразан 22c и 3-амино-4-нитрофуразан 22d, давая ожидаемые продукты 26с и 26d с высокими выходами. При взаимодействии соединения 1а с диаминами 22h-i в зависимости от условий могут быть получены либо продукты моно-замещения (21h и 21i, соответственно), либо дизамещения (23а и 23b, соответственно).
Следует отметить, что аналогичный прием позволяет быстро и с высокими выходами синтезировать карбогидразиды 13а-е. Так, реакция 1а с гидразидом 12а в среде кипящего ацетонитрила в присутствии К2СО3 завершается за 20 мин, давая целевой продукт 13а с 89% выходом (в отсутствие основания на ее завершение требуется 55 ч!). Реакция применима также и к амидам фуразанкарбоновых кислот.
В найденных условиях всегда наблюдали замещение лишь одного пиразольного фрагмента в соединении 1а. В попытке получить продукты дизамещения 27b и 27d, смесь тетразина 1a с избытком аминофуразана 22b или 22d и К2СО3 или Cs2CO3 нагревали в высоко кипящих растворителях (ДМСО и диглим). Но даже при продолжительном нагревании второй диметилпиразольный фрагмент не замещается. Вероятно, мостиковый N-H фрагмент продукта монозамещения 21b в используемых условиях депротонируется. Образование анионного центра сильно снижает подвижность оставшейся диметилпиразольной группы.
В попытке заместить оставшийся диметилпиразольный фрагмент в молекуле 21b, его ввели в реакцию с сильным нуклеофилом - гидразин гидратом. При этом сначала образуется соль 28. При нагревании соли 28 с избытком гидразина протекают две конкурирующие реакции. В одной (преобладающей), наблюдается замещение пиразольного фрагмента и образование целевого продукт 29. Параллельно протекает замещение ранее введенного аминофуразанильного фрагмента; пиразольный же фрагмент сохраняется в образующемся продукте 4.
Таким образом, показано, что слабоосновные амины легко вступают во взаимодействие с s-тетразином 1а в присутствии карбонатов щелочных металлов. Эти условия позволяют заместить только один диметилпиразолильный фрагмент в исходном s-тетразине 1а.
1.5.3. Нуклеофильное замещение диметилпиразольного фрагмента в триазоло[4,3-b]-s-тетразинах слабоосновными аминами.
Азолоаннелированые производные s-тетразина перспективны для создания на их основе энергоемких соединений. Разработка эффективных методов синтеза дигетариламинов, включающих триазоло[4,3-b]-s-тетразиновый фрагмент, безусловно, является актуальной задачей. Однако известно, что при действии сильноосновных или сильнокислотных реагентов эта бициклическая система разрушается. Мы обнаружили, что те же самые условия, что использовались для замещения диметилпиразольного фрагмента в моноциклических тетразинах, пригодны и для получения вторичных аминов из триазоло[4,3-b]-s-тетразинов 16, 17 и 25.
Реакция с аминофуразанами 22a-m хорошо протекает в присутствии К2СО3 или Сs2СО3. Нами показано, что на замещение диметилпиразольного фрагмента, связанного с бициклическим s-тетразином 16, 17а или 25, необходимо в ~2 раза больше времени, чем на реакцию тетразина 1a с теми же аминофуразанами. При увеличении электроноакцепторных свойств заместителя R1 в аминофуразанах 22a-m, скорость реакции возрастает. Независимо от заместителей при триазольном и фуразановом циклах, продукты замещения образуются с хорошими выходами.
Обе аминогруппы диаминофуразанов 22h-i участвуют в реакции с [1,2,4]триазоло[4,3-b]-s-тетразинами 17a и 25, давая соединения 32a-b или 33a-b включающие два NH-фрагмента.
Следует отметить, что взаимодействие триазоло[4,3-b]-s-тетразина 17а, содержащего электроноакцепторный фуразанильный заместитель при триазольном цикле, с аминофуразанами 22h и 22i проходит за 2 часа, в то время как на завершение реакции триазоло[4,3-b]-s-тетразина 25 с этими же аминами требуется 4 часа.
Диамин 34, где одна аминогруппа расположена при фуразановом цикле, а вторая находится при атоме азота цикла 1,2,4-триазола реагирует более нуклеофильной N-аминогруппой. Структура соединения 35 подтверждена рентгено-структурным анализом.
| Общий вид молекулы 35 |
Как видно из представленного выше примера, найденные условия могут быть применимы для введения к тетразиновому циклу не только фуразаниламинного фрагмента. Действительно, мы показали, что соединение 1а легко реагирует ацетонитриле или ДМСО в присутствии K2CO3 или Cs2CO3 при 80С с различными слабоосновными гетариламинами, давая соответствующие вторичные амины 36a-f. На прохождение реакции требуется от 1 до 4 ч, а продукты образуются с хорошими выходами (65-90%). Отметим, например, что ранее на синтез соединения 36d требовалось более 18 ч нагревания при 120С! Таким образом, разработанный нами метод эффективен и открывает новые возможности для синтеза разнообразных вторичных тетразиниламинов.
Для того, чтобы показать общность метода, были рассмотрены также реакции замещения диметилпиразольного фрагмента при триазоло[4,3-b]-s-тетразине 25 различными слабоосновными гетроциклическими аминами, включающими акцепторные заместители. Мы обнаружили, что вторичные амины 37a-e образуются также эффективно, как и при использовании соединения 1а.
Очевидно, что ассортимент гетариламинов в реакциях нуклеофильного замещения диметилпиразольного фрагмента с тетразиновом цикле может быть расширен. Предложенная методология проста в осуществлении, а образующиеся продукты, являясь полиазотистыми соединениями, представляют потенциальный интерес для дальнейших исследований.
1.5.4. Разработка метода синтеза аминов, включающих тетразоло[1,5-b]-s-тетразиновый фрагмент
Азидная группа при s-тетразиновом цикле способна к азидо-тетразольной таутомерии, циклизуясь в соответствующие производные тетразоло[1,5-b]-s-тетразина. В нашей работе для получения производных тетразоло[1,5-b]-s-тетразина в качестве исходного соединения был выбран 3,6-диазидо-s-тетразин 38. Мы показали, что аммиак легко замещает одну азидную группу в диазиде 38 при комнатной температуре в хлористом метилене с образованием смеси 3-азидо-6-амино-s-тетразина 39 и таутомерного тетразола 40.
При нагревании этой смеси в водном этаноле азидная группа полностью переходит в таутомерную тетразольную форму с образованием целевого соединения 40.
Мы обнаружили, что взаимодействие диазида 38 с аминофуразанами 22с и 22d в присутствии K2CO3 в среде ацетонитрила, т.е. в условиях, аналогичных тем, что успешно применялись для замещения диметилпиразольного фрагмента при тетразиновом цикле, приводит к замене одной азидной группы на аминофуразанильный фрагмент. При этом остающаяся азидная группа в процессе реакции переходит в таутомерную тетразольную форму. Тетразолотетразины 42а и 42b образуются в виде единственного изомера с хорошим выходом.
| Общий вид молекулы 42b |
Таким образом, в результате проведенных исследований, разработано несколько простых и эффективных методов синтеза N-(фуразанил)-тетразиниламинов, позволяющих получать соединения с различным сочетанием заместителей.
1.6. Получение солей, включающих s-тетразиновый и фуразановый циклы
В рамках нашего исследования по разработке методов синтеза соединений, включающих фуразановый и s-тетразиновый циклы, были получены ионные соединения на основе интересующих нас гетероциклов, два из которых представлены на схеме. В качестве катиона был использован 3,6-дигидразино-s-тетразин, хорошо зарекомендовавший себя при конструировании большой серии энергоемких солей. Нитропроизводные фуразана, такие как 4-(3-нитрофуразан-4-ил)-3,5-динитропиразол и 3-гидрокси-4-нитрофуразан, служили источником анионной части солей. Полученные соли имеют высокие температуры плавления и хорошую термическую и химическую стабильность. Перспективность использования этих соединений исследуется.
2. Изучение химических свойств фуразаниламинотетразинов
С целью повышения кислородного баланса синтезированных (фуразаниламино)-тетразинов, они были введены в реакции окисления и нитрования.
2.1. Окисление аминогруппы в соединениях, содержащих аминофуразанильный фрагмент
Окисление аминофуразанов служит удобным методом получения нитро-, азо- и азоксифуразанов. Так, обработка амина 21b дибромизоциануратом приводит к селективному образованию азопроизводного 43.
Напротив, реакция амина 21b с окислителем на основе перекиси водорода проходит не селективно. Получается смесь нитро- 21d и азоксифуразана 23b и тетразин-N-оксидов 44, которые могут быть разделены с помощью хроматографии.
Более однозначно проходит окисление амина 26b. Окислительные смеси на основе перекиси водорода дают всего два продукта - нитро- 26d и азоксифуразан 32b. Образование N-оксидов гетероцикла при этом не наблюдается.
Окисление симметричного диамина 27b смесью на основе H2O2 дает смесь нитропроизводного 45 с моно- и ди-N,N'-оксидами 46a-b и нерастворимого олигомера 47.
Нитросоединение 45 выделили с выходом 34% с помощью хроматографии. Наиболее эффективный метод получения ди-N,N'-оксида 46b заключается в окислении нитросоединений 45 и 46а в условиях аналогичных тем, что использовались для окисления соединения 27b.
Несмотря на то, что окислительные методы модификации N-(3-аминофуразан-4-ил)-тетразиниламинов, как правило, не селективны, они расширяют возможности конструирования соединений с хорошим кислородным балансом.
2.2 Нитрование аминогруппы в соединениях содержащих аминофуразанильный фрагмент
Нитрование ряда N-(аминофуразанил)-тетразиниламинов проводили азотной кислотой или ее смесями с 98% H2SO4, Ac2O или трифторуксусным ангидридом при температурах от -5 до 25С. Большинство образующихся нитраминофуразанов не стойки. Наиболее интересным из полученных соединений оказался динитрамин 48, аммонийная соль которого может храниться без разложения продолжительное время.
3. Спектральные исследования N-(фуразанил)-тетразиниламинов
Строение полученных соединений доказано с помощью элементного анализа, ИК, ЯМР 1H, 13C, 14N, 15N и 19F спектроскопии и масс-спектрометрии. Выявлены взаимосвязи изменения спектральных характеристик от свойств заместителей. Для ряда соединений был осуществлен рентгено-структурный анализ.
4. Кислотные свойства N-(фуразанил)-тетразиниламинов
Вторичные амины, где оба заместителя являются электроно-акцепторными фрагментами, проявляют кислотные свойства. В ходе работы были определены константы кислотности ряда соединений, где фуразановый и тетразиновой циклы связаны NH-мостиком с помощью 1потенциометрического титирования или 2спектрофотометрии. Показано, что кислотность зависит от типа заместителя как при фуразановом, так и при триазольном циклах и повышается при переходе от элетронодонорных заместителей к акцепторным. Наименее кислым из них является амин 26а, а наиболее кислым 26d, кислотность которого приближается к кислотности АсОН (рКа = 4.75).
5. Термохимические свойства
Для ряда соединений измерены теплоты образования (например, для 26с ΔH0f = 238.2 ккал/моль, для 26d ΔH0f = 165.5 ккал/моль, для 32a ΔH0f = 481. ккал/моль, для 42b ΔH0f = 238.9 ккал/моль) и температуры начала разложения ДТА (например, для 26с tНР = 165С, 26d tНР = 183С, 32a tНР = 230С, 42b tНР = 148С). Из представленных данных видно, что при переходе от триазолотетразина 26d к тетразолотетразину 42b теплота образования возрастает практически в два раза.
Для ряда полученных соединений, представляющих потенциальный интерес в качестве высокоэнергетических материалов, были рассчитаны детонационные свойства по программе SHOK и DETONATION (S&D), а также характеристики горения в программе REAL.
По совокупности полученных данных можно заключить, что (фуразаниламино)тетразиновый фрагмент является перспективной основой для получения высокоэндотермичных полиазотистых соединений - энергоемких материалов различного назначения.
ВЫВОДЫ
1. В результате систематического изучения синтезированы полиазотистые соединения, содержащие s-тетразиновый и фуразановый циклы связанные гидразо-, азокси-, карбогидразино- и NH-мостики. Показано, что производные с NH мостиком между циклами - наиболее стабильные и интересные представители этой группы соединений.
2. Разработанные методы синтеза несимметричных дигетариламинов основываются на двух реакциях - (i) катализируемое солями меди C-N-кросс-сочетание s-тетразиниламинов или их аннелированных производных с 3-иодо-4-R-фуразанами и (ii) нуклеофильном замещении пиразольного фрагмента в 3-(3,5-диметилпиразол-1-ил)тетразинах 3-амино-4-R-фуразанами (или другими аминогетероциклами). Оба метода применимы для получения соединений с разнообразными функциональными группами, включая такие эксплозофорные группы, как нитро-, азидо-, азо- и азоксигруппы.
3. Разработаны методы конструирования [1,2,4]триазоло[4,3-b]-s-тетразинов из ацильных производных гидразино-s-тетразина.
4. Впервые показано, что при замещении одной азидогруппы в 3,6-диазидотетразине аминофуразанильным фрагментом, оставшаяся азидогруппа переходит в таутомерную тетразольную форму, образуя соответствующие производные тетразоло[1,5-b]-s-тетразина.
5. Исследованы реакции окисления и нитрования, позволяющие вводить кислородсодержащие функциональные группы в N-фуразанил-s-тетразиниламины.
6. В ряду полученных соединений выявлены вещества представляющие интерес в качестве потенциальных компонентов энергоемких составов.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
- A.B. Sheremetev, N.V. Palysaeva and M.I. Struchkova, The first synthesis of 3-nitro-4-[(s-tetrazin-3-yl)amino]furazans // Mendeleev Commun., 2010, Т. 20, С. 350-352.
- А.Б. Шереметев, Н.В. Палысаева, К.Ю. Супоницкий, М.И. Стручкова, Синтез [1,2,4]триазоло[4,3-b]-s-тетразинов, включающих фуразановый цикл // Изв. АН, сер. хим, 2012, 61, (1), 119-128.
- A.B. Sheremetev, N.V. Palysaeva and M.I. Struchkova, K.Y. Suponitsky and M.Y. Antipin. Copper-Catalyzed C-N Coupling Reactions in High Nitrogen Compound Synthesis. Reaction of Iodofurazans with s-Tetrazinylamines // Eur. J. Org. Chem., 2012, P. 2266 - 2272.
- А.Б. Шереметев, Н.В. Палысаева, Синтез 3-(R-гидразино)-1,2,4,5-тетразинов // Тез. докл. Междунар. конф. Фундаментальные и прикладные проблеммы современной химии, Астрахань, 2008, с. 80.
- Н.В. Палысаева, А.Б. Шереметев. Синтез N-фуразанил-N'-(1,2,4,5-тетразинил) -диазен-N'-оксидов // Тез. докл. Всеросс. конф. Химия нитросоединений и родственных кислородсодержащих систем, Москва. 2009, С.129.
- Н.В. Палысаева, А.Б. Шереметев, Е.П. Кумпан, К.Ю. Супоницкий, Синтез триазолотетразинов, включающих фуразановый цикл // Тез. докл. Междунар. конф. УХимия гетероциклических соединенийФ, Москва, 2010, С-156.
- Н.В.Палысаева, А.Б.Шереметев, К.Ю. Супоницкий Синтез энергоемких нитро-, азидо-, азо- и азокси- соединений, включающих тетразиновый и фуразановый циклы // Тез. докл. Всеросс. Конф. Энергетические конденсированные системы, Черноголовка - Москва, 2010. С.175-176.
- Н.В Палысаева. Изучение нуклеофильного замещения в s-тетразинах. Реакции со слабыми N-нуклеофилами // Тез. докл. Второй Междунар. науч. конф. Новые направления в химии гетероциклических соединений Железноводск, 2011, С-85.
- A.B. Sheremetev, N.V. Palysaeva, Development of flexible strategies towards dihetarylamine constructions. Synthesis of compounds when furazan and s-tetrazine rings bridged through the NH-spacer // International Congress on Organic Chemistry dedicated to the 150-th anniversary of the ButlerovТs Theory of Chemical Structure of Organic Compounds, Kazan, Russia, 2011, p. 458.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по химии