. Синтез полиазотистых соединений включающих фуразановый и 1,2,4,5-тетразиновый циклы (стр. 3 )

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 180°С). 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 80°С 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 120°С! 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 25°С. 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 DH0f = 238.2 ккал/моль, для 26d DH0f = 165.5 ккал/моль, для 32a DH0f = 481. ккал/моль, для 42b DH0f = 238.9 ккал/моль) и температуры начала разложения ДТА (например, для 26с tНР = 165°С, 26d tНР = 183°С, 32a tНР = 230°С, 42b tНР = 148°С). 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:

1.  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.

2.  , , Синтез [1,2,4]триазоло[4,3-b]-s-тетразинов, включающих фуразановый цикл // Изв. АН, сер. хим, 2012, 61, (1), 119-128.

3.  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.

4.  , , Синтез 3-(R-гидразино)-1,2,4,5-тетразинов // Тез. докл. Междунар. конф. «Фундаментальные и прикладные проблеммы современной химии», Астрахань, 2008, с. 80.

5.  , . 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.

6.  , , Синтез триазолотетразинов, включающих фуразановый цикл // Тез. докл. Междунар. конф. “Химия гетероциклических соединений”, Москва, 2010, С-156.

7.  , , 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.

8.  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.

9.  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 Butlerov’s Theory of Chemical Structure of Organic Compounds, Kazan, Russia, 2011, p. 458.