Актуальность проблемы. В настоящее время одним из основных направлений исследований в области органической химии является разработка новых и совершенствование уже известных методов синтеза ароматических и гетероциклических соединений.
Ароматические и гетероциклические соединения имеют важное прикладное значение. Они применяются в синтезе красителей, пигментов, фармакологических препаратов, компонентов резинотехнических изделий и синтетических смол, химикатов для кинои фотоматериалов, различного рода промежуточных продуктов и т. д. [1−3]. Другая потребность в полифункциональных ароматических соединениях связана с бурным развитием полимерной химии, требующим качественного разнообразия, реальных и рентабельных технологий получения исходных мономеров [4−6].
Одним из направлений синтеза практически значимых веществ и материалов является модификация ароматических соединений путем введения в них новых О-, Sсодержащих функциональных групп и гетероциклических фрагментов. С точки зрения легкости проведения такой модификации особое место занимает реакция ароматического нуклеофильного замещения (ЗдАг-реакция).
Особый интерес представляют ароматические и гетероциклические соединения, содержащие фталонитрильные фрагменты, т.к. полученные на их основе материалы обладают флуоресцирующими свойствами. Данные материалы перспективны для применения в качестве активных сред жидких и твердых лазеров, сцинтилляторов, особенно для индикации жесткого излучениядля трансформации коротковолнового излучения в длинноволновое при передаче информации по волоконно-оптическим линиям связи, для повышения мощности солнечных батарей, для защиты ценных бумаг, для создания эффективных и относительно простых в производстве люминесцентных приборов.
Другим направлением, где активно используются фталонитрилы, является синтез фталоцианинов и металлокомплексов на их основе. Благодаря уникальности своего строения и проявляемыми в связи с этим необычными физико-химическими свойствами эти соединения являются объектами интенсивных исследований. Фталоцианины, аналогичные по своей структуре природным порфиринам, используются в качестве активных матриц для нейтронозахватной и фотодинамической терапии рака, сенсибилизаторов, катализаторов, химических сенсоров, жидких кристаллов, плёнок Ленгмюра-Блоджетта, материалов для фотогальваники, пигментов, красителей и т. д.
Для получения указанных фталонитрильных систем наиболее перспективно использование 4-нитрофталонитрила (НФН) и 4-бром-5-нитрофталонитрила (БНФН) в качестве исходных субстратов.
Данные объекты интересны и для исследования закономерностейдАг-реакции, т.к. обладают высокой подвижностью нуклеофугов. Характерной особенностью БНФН является различная подвижность атома брома и нитрогруппы, позволяющая проводить их последовательное замещение различными нуклеофилами.
Данная работа выполнена в соответствии с научно-технической программой «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники». Подпрограмма: 203. Химия и химические продукты. Регистрационный номер проекта/НИР:02.01.008- комплексной программой научных исследований РАН «Новые принципы и методы создания и направленного синтеза веществ с заданными свойствами» при финансовой поддержке РФФИ (грант 02−03−32 366). Целями работы являлись:
1. Исследование 5, уАг-реакции взаимодействия НФН с замещёнными фенолами в присутствии карбоната калия.
2. Исследование реакции замещения атома брома и нитрогруппы в нитроароматических субстратах монои бифункциональными О-, .S-нуклеофильными реагентами.
3. Разработка на основе БНФН методов синтеза ряда 5-, 6-, 7- и 8-членных Ои-содержащих гетероциклических соединений, конденсированных с фталонитрильным фрагментом.
Научная новизна и практическая значимость работы. Исследована реакция активированного ароматического нуклеофильного замещения нитрогруппы в НФН, а также атома брома и нитрогруппы в БНФН различными по своей природе монои бифункциональными Ои 5-нуклеофильными реагентами, протекавшая в ДМФА в присутствии К2СОз.
Представлена схема взаимодействия активированных нитроаромати-ческих субстратов с фенолами, протекавшего на поверхности К2СО3.
Изучена реакционная способность замещённых фенолов в присутствии К2С03 и на основании этого для каждого из рассмотренных случаев определена лимитирующая стадия 5л/Аг-реакции, что позволило подобрать лучшие условия проведения процесса. В результате этого предложены высокоэффективные методы синтеза монои дизамещённых фталонитрильных систем, связанных с различными гетероциклическими заместителями — производными карборана, бензотиазола, бензимидазола, хиноксалина и др.
На основе З^Аг-реакций, протекавших между БНФН и бифункциональными Ои б'-нуклеофилами, предложены методы конструирования и впервые разработаны высокоэффективные методы синтеза фталонитрильных систем, конденсированных с 5-, 6-, 7- и 8-членными гетероциклическими фрагментами разных классов — производными бензофурана, диоксина, феноксатиина, тиантрена, диоксепина, диоксоцина. Большинство синтезированных соединений получены с высокими выходами, свидетельствующими о высокой реакционной способности БНФН и термодинамической устойчивости образовавшихся гетероциклических систем.
В ходе исследований синтезировано и идентифицировано с помощью физико-химических методов анализа более 50 соединений, 36 из которых ранее не были описаны в литературе. Для большинства из них разработаны и запатентованы методы синтеза, обеспечивающие высокие выходы и степень чистоты.
Проведённые с рядом специализированных организаций (ИНЭОС РАН, ИСПМ РАН, ВИАМ, 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 XIII Международной научно-технической конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии», «Реактив-2000», ТулаI Всероссийской конференции по химии гетероциклов памяти А. II. Коста, Суздаль, 2000; Международной конференции «Drug Discovery» Japan, Tokio, 2000; III Всероссийском симпозиуме по органической химии «Стратегия и тактика органического синтеза», Ярославль, 2001; I Международной конференции «Химия и биологическая активность азотистых гетероциклов и алкалоидов», Москва 2001; VII Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии — 2001», ЯрославльIV Симпозиуме по химии Si-, Р-, S, «Петербургские встречи — 2002" — iL.
6 European Technical Sumposium on Polyimides & High Performance Functional Polymers, Universite Montpellir II, S.T.L. France, 2002; Всероссийской конференции с международным участием «Современные проблемы химии высокомолекулярных соединений», Улан-Удэ, 2002; VIII Международной конференции по химии и физикохимии олигомеров «0лигомеры-2002», th.
Черноголовка- 25 Macromolecular Symposium «Polycondensation 2002», HamburgМеждународной научно-технической конференции «Полимерные композиционные материалы и покрытия» «Polymer 2002», Ярославльи др.
Публикации. По теме работы опубликовано 6 статей в российских и зарубежных журналах, получено 8 патентов РФ, опубликовано более 20 тезисов докладов на международных, всесоюзных и всероссийских симпозиумах, конференциях и совещаниях.
Вклад автора. Состоял в непосредственном участии во всех этапах исследований — в планировании и проведении кинетических исследований синтезов, интерпретации и обсуждении полученных результатов. Положения, выносимые на защиту.
1. Закономерности протекания ЗдАг-реакции высокоактивированных нитросубстратов: 4-НФН и БНФН с монои бифункциональными О-, З'-нуклеофильными реагентами в гетерофазных условиях.
2. Влияние строения нуклеофильного реагента на его реакционную способность в З’дАг-реакциях, протекавших в присутствии карбоната калия.
3. Методы синтеза на основе 4-НФН ароматических и гетероциклических соединений, связанных с фталонитрильным фрагментом.
4. Методы синтеза 5-, 6-, 7- и 8-членных Ои З'-содержащих гетероциклических систем на основе БНФН.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, химической и экспериментальной частей, выводов, списка использованной литературы. Работа изложена на 108 страницах, включает 9 таблиц, 9 рисунков.
Список литературы
включает 147 источников. Документы, подтверждающие практическую ценность разработок, приведены в приложении.
ВЫВОДЫ.
Исследована реакция активированного ароматического нуклеофильного замещения нитрогруппы и/или атома брома Ои 5″ -нуклеофилами, протекавшая в ДМФА в присутствии К2СОз. Представлена схема взаимодействия на поверхности К2СО3 активированных нитроароматических субстратов с фенолами.
Исследована реакционная способность фенолов при замещении нитрогруппы в 4-нитрофталонитриле в присутствии карбоната калия в ДМФА. Показано, что в ДМФА для фенолов с различной кислотностью существуют две реакционные серии, в первой из которых для слабокислых фенолов скорость процесса определяется стадией депротонизации, а во второй — для сильнокислых — собственно реакцией замещения.
Исследована реакция замещения атома брома в БНФН монофункциональными ароматическими и гетероциклическими Ои 5-нуклеофилами, протекавшая в присутствии К2СО3. Показано, что благодаря высокой активности БНФН в указанной реакции могут принимать участие малоактивные нуклеофильные реагенты, содержащие акцепторные гетероциклические фрагменты.
Исследованы последовательно протекающие реакции замещения атома брома и нитрогруппы в БНФН бифункциональными алифатическими, ароматическими и гетероциклическими Sи О-нуклеофильными реагентами, приводящие к образованию различных 6-, 7- и 8-членных гетероциклических систем.
На основе 4-НФН, а также БНФН и его производных, разработаны методы получения широкого ряда 5-, 6-, 7- и 8-членных Ои 5-содержащих гетероциклических соединений, связанных или конденсированных с фталонитрильным фрагментом — производными карборана, бензотиазола, бензимидазола, триазола, хиноксалина, бензофурана, диоксина, феноксатиина, тиантрена, диоксепина, диоксоцина и др. При этом достигаются высокие показатели конверсии, селективности и выхода целевых продуктов, свидетельствующие о высокой реакционной способности исходных субстратов и высокой термодинамической устойчивости образовавшихся гетероциклических систем. 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.
