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) монои бифункциональными S-, N-нуклеофилами, а также функционализация синтезированных 4,5-диамино-, 4-гидрокси-5-аминои 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: 01.2.102 406) — и «Теоретические и экспериментальные исследования закономерностей кинетики и механизма синтеза полифункциональных органических соединений многоцелевого назначения» на 2006;2007гг. (№ госрегистрации НИР: 0120.0 604 209).

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.

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 аминои 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 аминои 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-аминои 4-гидрокси-5-амино-оргао-дикарбонитрилов наблюдается таутомерное равновесие между гидроксои 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.