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

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. Российской академии наук

Москва, Ленинский пр., 47

Тел.: (4

Е-mail: *****@

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. РАН

Научный руководитель доктор химических наук,

Официальные оппоненты: доктор химических наук, проф.

(ИОХ РАН)

доктор химических наук, проф.

(ИПХФ РАН)

Ведущая организация Российский химико-технологический

университет им.

Защита диссертации состоится 29 мая 2012 г. в 10.00 часов на заседании Диссертационного совета Д 002.222.01 при Институте органической химии им. 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 Людмила 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) 252°С, d 1.76 г/см3, DHf0 +862 КДж/моль) и 3,6-ди(1Н-s-тетразол-5-иламино)-s-тетразин (ТНР(ДТА) 270°С, d 1.78 г/см3, DHf0 +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. ) 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 “Химия гетероциклических соединений” (Москва, Россия, 2010); Всероссийской конференции «Энергетические конденсированные системы» (Черноголовка, Россия, 2010); II Международной конференции “Новые направления в химии гетероциклических соединений” (Железноводск, Россия, 2011), “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).

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 ().

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,N’-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 -15°С. 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.