Одной из основных задач, которые стоят перед химиками-органиками, является создание новых эффективных синтетических методов. Ее решение позволяет находить новые реагенты, а так же раскрывать синтетический потенциал известных, в неизвестных ранее, порой совершенно неожиданных комбинациях друг с другом. Это дает возможность получать неизвестные ранее вещества, а для уже известных соединений, которые обладают полезными свойствами, можно таким образом оптимизировать методы синтеза. В полной мере сказанное относится к яери-аннелированным полиядерным ароматическим, а особенно гетероароматическим соединениям [1, 2]. Среди их производных есть много органических люминофоров, красителей [38], эффективных лекарственных препаратов [9−14]. Среди последних особый интерес вызывают люминесцентные интеркаляторы [15−20]. С развитием нанотехнологий в последнее время заговорили также о конструировании «молекулярных машин» и «устройств» [21].
В течение длительного времени в нашей лаборатории разрабатывались методы пери-анмелирования к производным нафталина, включая азафеналены. Это позволило накопить большой опыт в этой области. Среди созданных методов в первую очередь следует отметить те, которые созданы на основе ацилирования перимидинов с помощью найденной на нашей кафедре системы реагентов 1,3,5-триазины/ПФК [22−30]. Проведенные в этом направлении исследования дали возможность разработать простые, одностадийные методы «е/?г./-аннелирования различных циклов к феналенам и азафеналенам. Многие из них, как выяснили последующие исследования, являются общими для широкого круга феналенов и азафеналенов. Удалось разработать способы «^¿-/-аннелирования карбоциклического [22−26], [с, с! пиридинового [22, 23, 27−29] и пиридазинового ядра [30].
Недавно в нашей лаборатории удалось найти способ прямого электрофильного аминирования ароматических соединений, в том числе азафеналенов, ранее неизвестной системой реагентов: азид натрия в полифосфорной кислоте [31−35]. Это позволило разработать ряд методов яе/??/-аннелирования, которые привели к различным полиядерным соединениям, содержащим у нафталинового фрагмента атом азота [35−37]. Эти методы позволили значительно расширить ассортимент способов /7<?/?"-аннелирования. Однако, найденные методы, несмотря на их эффективность, имеют существенный недостаток — в ходе этих реакций или при обработке реакционной смеси может выделяться азидоводородная кислота. Она весьма токсичная и взрывоопасная. Таким образом, идеального способа /?е/?"-аннелирования фрагмента с атомом азота у /7е/?г/-положения нафталиновой системы не существует.
Это послужило толчком для дальнейшего движения в направлении поиска новых реагентов для развития методологии пери-аннелирования, например, поиску новых аминирующих реагентов.
В этой работе представлено одно из возможных решений этой проблемы на примере некоторых азафеналенов: перимидинов и 1Н-нафто[ 1,8-б/е][ 1,2,3]триазина (1,2,3-триазафеналена).
Цель работы: Разработка метода прямого ацетаминирования перимидинов и 1Я-нафто[1,8-а'е][1,2,3]триазина (1,2,3-триазафеналена), создание на его основе новых методов /7е/?и-аннелирования пяти-, шестии семичленных циклов, содержащих атомы азота, связанные с «ерм-положением нафталинового фрагмента.
Задачи исследования:
1. Исследование поведения перимидинов и 1,2,3-триазафеналена в реакции с нитроэтаном и нитрометаном в ПФК (гл. 2.1.);
2. Разработка методов яе/^-аннелирования пиррольного ядра к перимидинам и 1,2,3-триазафеналену (гл. 2.2);
3. Исследование синтетической последовательности: ацетамини-рование нитроэтаном в ПФК — ацилирование 1,3,5-триазинами, карбо-новыми кислотами и их нитрилами (гл. 2.2).
4. Разработка метода /?е/?м-аннелирования пиримидинового и пи-разольного цикла к перимидинам (гл. 2.3);
5. Разработка метода я/?г/-аннелирования азепинового ядра к азафеналенам на основе их реакции с нитроэтаном в ПФК (гл. 2.4.) — .
.
6. Исследование особенностей строения полученных соединений.
Научная новизна, теоретическая и практическая значимость.
Для прямого ацетаминирования азафеналенов найдена новая система реагентов — нитроэтан в полифосфорной кислоте.
Разработан метод синтеза 6(7) — аминоперимидинов, основанный на ацетаминировапии перимидинов этой системой реагентов при 100 110 °C.
Показано, что увеличение температуры реакции перимидинов с нитроэтаном в ПФК до 150 °C приводит к образованию Н-1,5,7-триазациклопента [с.^феналенов, на основании чего разработан их метод синтеза.
Исследованы синтетические последовательности реакций ацетаминирования азафеналенов и последующая реакция с электрофиль-ными реагентами, включая биэлектрофилы.
Установлено, что последовательность ацетаминирование нитро-этаном в полифосфорной кислоте и последующая реакция с азидом натрия при температуре 100−110°С приводит к образованию 1,3,6,8-тетраазапиренов, на основании чего разработан метод синтеза последних.
Впервые исследованы гандемные превращения с участием пе-римидинов и 1,2,3-триазафеналена (прямое электрофильное ацетаминирование — ацилирование — гетероциклизация). Выяснено, что в качестве ацилирующих реагентов в этих реакциях, могут использоваться 1,3,5-триазины и карбоновые кислоты. Установлено, что они эффективны для синтеза 1 Я-1,5,7- триазациклопента [c, cf феналенов и 1Н-1,5,6,7- тетраазациклопента [c.d] феналенов.
Выяснено, что последовательность: прямое электрофильное ацетаминирование нитроэтаном в ПФК — нигрозирование — гетероциклизация перимидинов приводит к образованию смеси Н-1,2,5,7-тетраазациклопента[с, аг]феналенов и N-оксидов 1,3,6,8- тетразаапире-нов с преобладанием последних.
Разработан метод аннелирования азепинового ядра на основе синтетической последовательности: прямое электрофильное ацетаминирование нитроэтаном в ПФК — алкилирование карбонильными соединениями.
Исследована реакция ацетаминоперимидинов, получаемых in situ по реакции Шмидта из ацетаминоперимидинов и азида натрия в ПФК. Показано, что в этом случае нитроэтан выступает в качестве ацилирующего реагента, и основными продуктами реакции являются 1Н-1,5,7- триазациклопента[с,<�я]феналены.
Методология и методы. В ходе работы использовались методы классической синтетической органической химии и современные физико-химические.
На защиту выносятся:
1. Способ ацетамидирования азафеналенов с помощью неизвестной ранее системы реагентов — нитроэтан в полифосфорной кислоте.
2. Неизвестные ранее методы «е/?г/-аннелирования пиррольного ядра к азафеналенам на основе их реакции с нитроэтаном в полифосфорной кислоте и последующей термической циклизации или реакции с ацилирующими реагентами.
3. Метод синтеза 1,3,6,8-тетраазапиренов на основе синтетической последовательности, которая включает реакцию ацетамидирования перимидинов нитроэтаном в полифосфорной кислоте и последующую реакцию с азидом натрия.
4. Способ /7?/л/-аннелирования азепинового ядра к перимидинам, основываясь на их электрофилыюм ацетамидировании нитроэтаном в полифосфорной кислоте и последующем алкилирова-нии промежуточных веществ карбонильными соединениями. Достоверность полученных результатов. Строение синтезированных веществ определено 'Н, С ЯМР (в том числе COSY и HMQC) и ИК-спектроскопии, состав элементным анализом, в ряде случаев встречным синтезом.
Апробация работы. Отдельные результаты работы докладывались на международной конференции «Advanced Science in Organic Chemistry» (Мисхор, 2010), 1-ой и II-ой Всероссийской научной конференции с международным участием «Успехи синтеза и комплексо-образования» (Москва, 2011, 2012), Второй Международной научной конференции «Новые направления в химии гетероциклических соединений», посвященной всемирному году химии и 80-летию СГУ (Же-лезноводск, 2011), Х1У-Й молодежной конференции по органической химии (Екатеринбург, 2011), XV Молодежной школы — конференции по органической химии (Уфа, 2012), Всероссийской конференции «Органический синтез: химия и технология» (Екатеринбург, 2012), 5457 научных конференциях преподавателей и студентов Ставропольского государственного университета, 2009;2012 г. г. 1-й Научной конференции преподавателей и студентов Северо-Кавказского федерального университета 2013 г.
Автор выражает благодарность своему научному консультанту доц. кафедры Химии СКФУ к.х.н. Надеину Олегу Николаевичу и Аксенову Николаю Александровичу за помощь в выполнении и оформлении работы.
Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 — 2013 годы" (грант № 2010;1.2.1−102−020−013) и при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (гранты № 10−03−193а, 13−03−304а).
выводы.
1. Найдена новая система реагентов для прямого электрофильно-го ацетаминирования азафеналенов — нитроэтан в полифосфорной кислоте. Она позволила разработать новый метод синтеза 6(7) — ацетаминоперимидинов и 6(7)-ацетамино-1,2,3-триазафеналена.
2. Показано, что увеличение температуры реакции перимидинов с нитроэтаном в ПФК до 150 °C приводит к образованию 1/71,5,7- триазациклопента [с, ?/] феналенов, на основании чего разработан их метод синтеза.
3. Исследованы синтетические последовательности реакций ацетаминирования азафеналенов и последующая реакция с ацили-рующими реагентами, такими как 1,3,5-триазины, карбоновые кислоты и их нитрилы. Установлено, что эти последовательности эффективны для синтеза 1 Я-1,5,7- триазациклопента [c, d феналенов и 1 Я-1,5,6,7- тетраазациклопента [c, d феналенов.
4. Установлено, что последовательность ацетаминирование нитроэтаном в полифосфорной кислоте и последующая реакция с азидом натрия при температуре 100−110°С приводит к образованию 1,3,6,8-тетраазапиренов, на основании чего разработан метод синтеза последних.
5. Исследована реакция ацетаминоперимидинов, получаемых in situ из по реакции Шмидта из ацетаминоперимидинов и азида натрия в ПФК. Показано, что в этом случае нитроэтан выступает в качестве ацилирующего реагента и основными продуктами реакции являются 1Я-1,5,7- триазациклопента [c, d феналены.
5. Выяснено, что последовательность: прямое электрофильное ацетаминирование нитроэтаном в ПФК — нитрозирование — ге-тероциклизацня пернмидннов приводит к образованию смеси 1#-1,2,5,7-тетраазациклопента [с, с[ феналенов и ТЧ-оксидов 1,3,6,8-тетразаапиренов с преобладанием последних.
6. Разработан метод аннелирования азепинового ядра на основе синтетической последовательности: прямое электрофильное ацетаминирование нитроэтаном в ПФК — алкилирование карбонильными соединениями.