автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.05, диссертация на тему:Ацилирование 5-замещенных тетразолов

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ

И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ имени ЛЕГООВЕТА

УЧ.И 8216

На правах'рукописи

Для служебного пользования

Экз. N

Ш31ШОВ Юрий Евгеньевич

АЦПЛЛРОВАНйЕ б-ЗАНЕЩЕННЫХ ТЕТРА30Л0В

- 05.17.05 - технология продуктов тонкого органического' синтеэа

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата

Ленинград 1991

ЛИ

!г:сЗЕТА

Работа выполнена на кафедре химической технологии органических красителей и фототропных соединений Лэнинградского тех нологического института им." Ленсовета

Баучиый-руководитель - доктор химических наук,

профессор КОЛДОБСКИЙ Григорий Ис Научный консультант - кандидат химических наук

ПОПЛАВСШ Вячеслав Сергеевич Официальные оппоненты - доктор химических наук,

профессор ЗЕЛЕНИН Кирилл Никола! доктор химических наук, вед. научн. сотр. ИОФЕЕ Сена Лейб< Ведущая организация - Государственный институт приклад

химии, Ленинград

Защита состоится 1991 г. в ^^ час.

заседании специализированного совета Д. 063.25.04 Ленинграде технологического института им. Ленсовета по адресу: 19801< Ленинград, Московский пр., 26. С диссертацией ..южно оенако1 £ библиотеке ЛГИ им. Ленсовета.

Отбывы по данной работе просим присылать по адресу: 191 Ленинград, Московский пр., 26. ЛГИ им. Ленсовета,. Ученый со:

Автореферат разослан -У¿> 1991 г.

Ученый секретарь •специализированного совета Соколова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Развитие химии тетразолов в последние десятилетия связано главным образом с широким использованием этих соединений в медицине, биохимии, сельском хозяйстве, при производстве кино- и фотоматериалов, лазерных красителей, детекторов ионизирующих излучений. Разработаны и находят широкое практическое применение методу получения тетразолов различного строения. Изучены многочисленные химические превращения этих соединений. В этом ряду значительное место занимают работы, посвященные исследованию реакций алкилирова-ния и адилирования тетразола и 5-замещенных тетразолов. Из-за крайней термической нестабильности ацилированных тетразолов практически не изучены механизм реакции ацилирования и свойства 1(2)-ацилтетра-золов. По этой же причине недостаточно.определены возможные области применения ацилированных тетразолов. В то йе время реакция ацилирования 5-замещенных тетразолов может рассматриваться как технологически удобный способ получения 2,5-дизамещэнных-1,3,4-оксадиазолов. Учитывая, что потребности промышленности в этих соединениях удовлетворяются недостаточно, а 5-замегпзкные тетразолн в последнее время стали доступными соединениями, актуальность проведенных исследований не вызывает сомнений.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с Координационным планом АН СССР на 1986-1990 гг. по направлению 2.1.4.1 "Исследование механизмов гетеролитических и гемолитических реакций. Изучение элементарных стадий и реакционной способности шг.эрмедиатов".

Дель работы состояла в детальном изучении реакции ацилирования 5-замещенных .тетразолов ангидридами и хлорангидридами карболовых кислот в среде ацилиругсцего реагента и в условиях ме«$азного катализа, исследовании химических свойств 1(2)-аи штетразолов, разработке опытной технологии получения 2,'5-дизамещенных - 1,3,4-оксадиа-золов, изучении их фотофизических свойств.

Научная новизна и практическая ценность. В результате проведенных исследований показано, что аци.щрование Б-вамещенных тетразолов мотет быть осуществлено в отсутствии '"аких-либо катализаторов в среде ацилируюшего реагента. Такая модификация реакции является удобным методом получения 2,5-дизамещзньлХ-1,3,4-оксадиазолов. Найдено, что при ацилировании 5-заме данных тетразолов в условиях меи-фазного катализа образуются изомерные 1- и 2-ацилпроизводныа. Стро

ение изомерных 1(2)-бензоил-5-1?-тетразодов доказано с помощью метода ИК спектроскопии. Полученные данные подтверждены расчетами модельных соединений методом молекулярной механики. Сделано предположение, что при термолизе . 1(2)-бензоил-5-1?-тетразолов 1-бензо-ил-Б-И-тетраэол изомеризуется в 2-бензоил-5-1?-тетразол, который с потерей молекулы азота подвергается рециклизации с образованием соответствующего 1,3,4-оксадиазола. Установлено, что 1(2)-бензо-ил-5-R- тетразолы обладают высокой реакционной способностью и могут быть использованы в качестве эффективных ацилируюших реагентов.

При изучении фотофизических свойств синтезированных 1,3,4-окса-диазолов экспериментально подтверждено теоретическое предположение о взаимосвязи пространственной структуры молекулы 2,5-дизамещенногс 1,3,4-оксадиазола и ее люминесцентных характеристик.

Полученные в работе данные использованы в СКТБ "Технолог" ЛТЗ им. Ленсоветадля создания опытной технологии производства 2,5-ди-фенил-1,3,4-оксадиазола.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены с опубликова нием тезисов на IY Всесоюз. конф. по химии азотсодержащих гетеро циклических соединений, Новосибирск.-1987., VIII Всесоюз. симпоэ по целенаправленному изысканию лекарственных веществ, 24-26 январ 1989 г.- Рига, 1989.,VI Всесоюз. конф. "Органические люминофоры и н применение в'народном хозяйстве",3-7 сентября 1990 г. -Харьков,1990

Публикации. По теме работы опубликованы 2 стать,., теаисы докла дов трех конференций, получено авторское свидетельство.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, восьи глав и выводов. Первая глава - обзор литературных данных по метода получения ацилированных азотсодержащих гетероциклов и химическг свойствам этих соединений. Во второй главе обсуждаются результать полученные при изучении ацилирования 5-В-тетразолов в различна условиях, в третьей главе рассматриваются построенные молекулярнь модели 1(2)-ацил-5-1?-тетра80лов. Четвертая и пятая главы.содерж материал о реакции термолиза и химических превращениях 1(2)-ацил-{ - R-тетразолов. Шестая глава посвящена изучению фотофизичесга свойств 2,5-диарил-1,3,4-оксадиазолов. Седьмая - опытно-промышле1 ной реализации разработанных способов получения 2,5-дифенил-1,3,. оксадиазола. В восьмую главу включен экспериментальный материал.

Диссертация изложена на - 115 страницах машинописного текст, содержит 18 таблиц, 9 рисунков, 2 схемы, библиография - 118 наим нований. Приложение - 2 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Ацилирование тетразолов

1.1. Ацилирование тетразолов в среде ацилирующего реагента

Лервые работы по изучению реакции авдлирования тетразолов были оведены еще в пятидесятое годы. Реакцию проводил!! в растворе ридина, являющемся и растворителем, и катализатором процесса, талнтическиэ функции пиридина прелце всего ' обусловлены его нозннм характером. _ Отщепление протона от тетразола приводит к разованию тетразолат-анион'а, который по * своей реакционной особиости в реакциях с электрос&ильныуи реагента!.« значительно овссходпт сам тетразол. Ацилирование происходит при 90-110 °С; в зультате образуются соответствуккие 2,5-дкза!;есвшше-1,3,4-окса-:азолы. Было высказано предположение, что сксадиазоли оОраэуюгся тем термичесг-сЯ перегруппировка щ энзауточного неустойчивого зшетразола, у которого шщльная группа связана со втором атоном ста тетразольного кольца.

На основании" данных о распределении зарядов на тетразолыюм •льце разумно допустить, что в реакцию ацилировшшя тотрааолы :огут вступать и без катализаторов основного характера. Для про-■рки этой гипотезы Снет предприняты попытки ацилирования 5-фзнил-^тразо.ча фталевым ангидридом и беязонлхлоридом в толуоле при раз-гчних условиях. Ни изменения концентраций реагентов, ни увеличе-!в тетаератури и времени реакции не позволили зарегистрировать ¡разования ацилтетразолов или 2,5-диза>.:ещенных-1,3,4-оксадиазо-

)В.

В то лз время известно, что при- аисилировании Б-еамецешшл тет-13олов димегилсулъфатом без растворителя обрг^уются 1,4,5-трнзаме-ипше соли тетразолия. В этой св>.зи, было интересно изучить реак-гю ацилирозания тетразолов в среде самого ацилиру^его реагента.

В качестве объектов исследования б1,т!и выбраны 5-$енид-, 5-(р-'орфенил)-, 5-(м-хлорфенил)-, 5-(о-пианфенил)тетразол; ацилирова-;е проводили уксусным ангидридом, бензоил-," р-метилбензоил- и о-юмбензоилхлоридом. Этот набор реагентов представляет достаточно" чрокий круг соединений и позволяет не только сделать внвол о уни-

версальности реакции, но и получать весьма ценные в практического отношении 1,3,4-оксадиазолы.

В общем виде процесс ацилирования тетразолов в среде ацилирую-щрго реагента можно описать следующей схемой -НН + ЮЭХ

Я-С С-Р X - ЯСОО, галоген

R-C-

н I

N N SN

-HG1, -N2

N—N н и R-C C-R

V

В настоящей работе показано, что реакция ацилирования 5-заме щенных тетразолов уксусным ангидридом протекает без применения ка ких-либо дополнительных катализаторов и растворителей. При этом высоким выхс дом' образуются 2-метил-5-арил-1,3,4-оксадиазоль Свойства этих соединений приведены в табл. 1.1

Таблица 1.1 Свойства 2-метил-5-арил-1,3,4-оксадиаэолов, полученных ацилированием 5-арилтетразолов уксусным ангидридо)

N—N

и и

СН3"СЧ Я"С6Н4"К О

R Т пл. °С Выход X,

Н ' 65-66 ' 74

p-F- .111-112 .76

• ш-С1- 67-68 73

o-CN- 101-102 82

Обнаружено, что реакция о приемлемой скоростью проходит i 70-80°С, а при 105-110 °С завершается через 1-1.6 ч. Для успешн! проведения процесса необходим 20-Б0 X избыток ацилирущего реаг> та, так как в противном случае не удается добиться достаточной могенизации системы, что приводит к значительным механическим терям продукта

Так как попытки ацилирования тетразолов хлорангидридами кар новых кислот в инертных растворителях как при комнатной, так и повышенной температуре к успеху не привели, то было интересно и чить реакцию ацилирования тетразолов непосредственно в среде с-го хлорангидрида' карбоновой кислоты, выполняющего функции как f

г^нта, так и растворителя без каких-либо катализаторов. В табл. 1.2 приведены свойства некоторых 2,5-дизамещенных 1,3,4-оксадиззо-аов, полученных в результате ацилирования тетразолов в среде хлор-ангидридов замещенных бензойных кислот.

Таблица 1.2

Свойства 2-фенил-5-арил-1,3,4-оксадиаэолов,

полученных ацилированием 5-фенилтетразола хлорангидридами

замещенных бензойных кислот

N—N || н Р1-1-С С-С6Н4-[?

И Т пл. °С Выход %,

н' ' 137-138 92

р-СН3- 125-126 94

о-Вг- 92-93 90

Существенно, что рассматриваемый вариант получения 2,5-дизаме-щенных-1,3,4-оксадиазолов позволяет значительно уменьшить трудности, связанные с выделением и очисткой получаемых продуктов. Добавление по окончании выдержки к реакционной смеси этилового спирта позволяет не только дезактивировать непрореагировавяий хлоран-гидрид, но и одновременно очистить продукт путем перекристаллизации. Большая скорость образования 2,5-дизамэщенных-1,3,4-оксадиа-золов и малая зависимость этого процесса от природы ацилируегаго и ацшшрувдзго агентов позволяют заключить, что рассматриваем ,/е-тод универсален и мотет быть рекомендован для ..репаративного применения. Настолько более низкие . выходы мзтильных производных 1,3,4-оксадиазолов модно объяснить их значительлой растворимостью, что и обуславливает дополнительнее потери при выделении.

Таким образом показано, что реакция ацилирования 5-замещэнных тетразолов в среде ацилирутацего реагента протекает без участия каких- либо дополнительных катализаторов, при этом с высоким выходе ' образуется 2,5-дизамещенные 1,3,4-оксадиазолы.

1.2. Ацилирование тетразолов в условиях межфазного катализа

Для определения оптимальных условий проведения термическо перегруппировки 1(2)-ацилтетразолов в 2,5-дизамещенные-1,3,4-окса диазолы необходимо иметь сведения о механизме этой реакции. Пр аудировании тетразоло„ как в присутствии пиридина, так и в сред ацилирующего реагента установить детали процесса нельзя , так К£ невозможно выделить промежуточные 1(2)-ацилтетразолы. Синтеэирс вать такие соединения можно, проводя ацилирование тетразолов условиях межфазного катализа. Нами была изучена реакция ацилировг ния 5-замеи,еиных тетразолов различными ацилирующими агентами двухфазных сис^мах с катализатором межфазного переноса. Получе! ные 1(2)-ацилтетразолы далее использовали для изучения их физ! ко-химических свойств.

С теоретической точки врения нет никаких препятствий для ре; лизации реакции ацилирования тетразолов в условиях межфазного ка лиза. Согласно общепринятой схеме Старкса процесс можно представ следующей совокупностью реакций

0С1 + {?-С—N -> Й-С—у (2++ С1"

1, ■ V V

И И' N

41-:-:-*

0С1 + ' + 1?-С—N-00!? ШХП N С}"1"

V003. V •'— ^

где е - наблюдаемая константа экстракции ионной пары катализ! тор-противоион.

На первой стадии тетразолат-анион взаимодействует с катали; торой межфазного переноса с образованием ионной пары - тет зол-катализатор, которая благодаря высокой липофильности трансп тируется из водной в органическую фазу и реагирует с находящимс ней хлорангидридом. Освобождающийся в процессе ацилирования хлора связывается четвертичным аммониевым катионом <3+ и, так его липофильность невелика, переносится в водный слой. Таким об вом каталитический цикл замыкается.

В настоядрй работе в качестве катализаторов межфазного пе

носа для ацилирования тетразолов были выбраны тетрабутиламмоний-Зромид и трифенилтетразолийхлорид, а - органической фазы - хлористый метилен, хлороформ или дихлорэтан. Такой'выбор обусловлен следующими факторами:

. -совокупностью хорошей экстрагируёмости с высокой реакционг,ой способностью соли четвертичный аммониевый катион - тетразолат-ани-он, что обуславливается высокой липофильностью и достаточно боль-пим объемом катиона Q+;

-отсутствием ограничений, связанных с гидролитической стабильностью катализатора, возникающих при проведении реакций при высоких температурах;

-применение указанных катализаторов не вызывает осложнений, связанных с образованием эмульсий; .

-хлорированные углеводороды инертны, обладают хорошей растворя-ощей способностью, доступны и дешевы;

-логарифм константы экстракции тетрабутиламмониевой соли 5-фе-жятетразола в системе хлористый метилен - вода сопоставим с этой яе величиной для бромида тетрабутилалмония и значительно больше, тем в случае хлорида тетрабутиламмония.

Реакцию проводили при 20-25 °С в течение 0.5-1 ч: Молярное соотношение катализатор: субстрат было выбрано 0.1:1. Как следует из опыта такое соотношение достаточно для успешного проведения процесса. По окончании реакции выделялись соответствующие 1(2)-ацилтетра-золы с высоким выходом.

Следует отметить, что выход продуктов ацилирования б-фенилтет-зазола хлорангидридами замещенных бензойных кислот находится в обратной зависимости от реакционной способности хлорангидрида.' Tait, :ри ацилировании 5-фенилтетразола р-метилбензоилхлоридом 1(2)-бен-зоил-5-фенилтетразолы образуется с выходом 98%, в то я® время применение для этой цели хлорангидрида р-ниг. .ообензойной кислоты при-зодит к выходу продуктов ацилирования равному 77%. Причиной аако-"0 различия является, очевидно, протекающий параллельно' с ацилиро-занием гидролиз хлорангидрида. 1идтвеождением этому слуяит тот [акт, что при ацилировании в условиях ыеифазного катализа 5-фенил-гетразола ацетилхлоридом общий выход изомерных 1( 2)-ацетил-5-[енилтетразолов составляет лишь 15?.

В первых работах по изучению ацилирования 5-замеценных тетра-золов бензоилхлоридом в условиях межфазного катализа для яокапа-'

тельства строения образующихся продуктов использовались методы ИК и ЯМР 13С спектроскопии. Было показано, что в ИК спектрах продукго ацилирования в области 1700-1800 см" Существуют две полосы, присуще карбонильным фрагментам 1-бензоил- и 2-бензоил-5-Е-тетразолов, причем для 1-иэомера характерна полоса в области 1780-1810, а для

2-изомера - в области 1720-1770 см-1. В спектре ЯМР 13С продуктов ацилирования 5-фенилтетразола в области слабого поля имеются две сигнала 13С карбонильной группы ( 163.3 и 165.3 м.д.), что также служит подтверждением наличия в продуктах реакции двух изомеров.

Аналогичная картина наблюдается и при ацилировании 5-замещен-ных тетразоГ'в хлорангидридами замеценных бензойных кислот. Тако* вывод следует из анализа Ш спектров всех подученных в данной работе продуктов ацилирования б-замещенных тетразолов, в которых наряду с полосами 1000-1100 и 1200-1600 см"1, характерными для Еа-лентно-деформационных и валентных колебаний связей тетразольнор цикла, а также скелетных колебаний связей ароматических колец наблюдаются две интенсивные полосы при 1730-1760 и 1780-1810 см" (табл. 1.3). Эти полосы отвечают колебаниям (СО) в изомерных 2 -1-ацил-5-Я-тетразолах , причем интенсивность полос при 1720-1770'

3-5 раз выше, чем в при 1780-1810 см-1.

Таблица 1.3.

ИК спектры 1(2)-ацилтетразолов ^.-С—N СО-С.Н.Е?2 '

йог 64 • .

Р1 к2 ■^(00), см"1 Я1 н2 ■}(С0), см'1

н н 1720,1780 РЬ- р^- 1730,1795

сн3- н 1720.1790 РЬ- р-РИ- 1745,1790

РЬ- р-СНдО- 1740,1780 о-С№)1- н 1750,1790

РЬ- р-СН3- 1740,1780 о-СКРЬ- о-Вг- 1770,1800

РЬ- н 1730,178& РЬСН2- н 1750,1790

РЪ- р-р- 1740,1790 РЬСН2- р-1Ю2- 1750,1810 '

Р11- о-С1- 1760,1810 Р1тСО- н 1730,1790

РИ- о-Вг- 1760,1800 пиридил н 1730,1790

Р11- р-Вг- 1740.1790 к-пиридил н 1730,1790

- 9 -

2. ПОСТРОЕНИЕ ШЛЕКУЛЯРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ 1(2)-АВДЛТЕТРАЗОЛОВ

Одним из важных аргументов, используемых при оценке соотношения количеств изомерных продуктов, образующихся при ацшшровачии 5-замещенных тетразолов хлорангидридами бензойных кислот может быть сопоставление полных энергий этих соединений, вычисленных для гомологического ряда в рамках одного метода Такой подход дает возможность выявить закономерности изменения полной энергии субстрата от его строения. В связи с этим в работе были выполнены расчеты геометрии изомерных ацилированных тетразолов методом молекулярной механики, реализованным в программе AT01.G (Oxford Desktop Publishing). Некоторые построенные молекулярные модели приведены на рис. 2.1, значения рассчитанных полных -энергий для каждой молекулы представлены в табл. 2.1.

Таблица 2Л

Расчетные значения полных, энергий молекул общей формулы, 1сДя/моль

Ri-C—N C0-R2

R1 R2 Ьацил-б-Я^-тетразол 2- ашл- 5-R1-тетразол

- Н Ph- 65.6 60.4

СНз- Pl>- 74.9 64.7

Р|>- Ph- . 75.4 59.9

р-сн3-с6н4- Ph- 77.7 69.0

р-К02-СбН4- Ph- 82.4 60.3

Ph- p-H0g-C6H4- 75.1 58; 4

11з табл. 2.1 видно, что расчетные значения полных энергий для 2-бензоилтетраэолов во всех случаях ыеаьп», ч.м для 1-бепзоилпро-иэводных. Это согласуется с данные. ИК и ЯЫР спектров и объясняет образование преимущественно второго изомера ■ Рааш.да в энергиях молекулярных моделей рассмотренных веществ невелика, что по противоречит 0!сспер:гмэнтальнкы данным, полученным при иэучешш кинетгоот алкилированкя тетразолов.

Судя по построенным моделям в случае 1-ацил-5-закЮ1зенных тет разолов молю ожидать, что между атомом кислорода карбонильного.

Молекулярные-модели 1-бензоил- и 2-бенэоил-5-фенилтетразолов

а) • t-бензоид-5-фетцггетразол

б) 2-бензоил-5-фенилгетра80л

Рис.'2.1-

фрагмента и ¿¿-водородом фенилъного кольца в положении б гетероци ла возможна водородная связь, которая и обуславливает ватруднени при термической перегруппировке таких аудированных тет^азоло Аналогичная картина может наблюдаться и для других 1-ацилтетраз лов.

3. ТЕРМОЛИЗ 1(2)-БЕНЗОШГГЕТРАЗОЛОВ

Как известно при нагревании 1(2)-бензоилтетразолов происхо; их рециклизация с потерей молекулы азота При этом образуют соответствующие 2,5-дизамещенные 1,3,4-оксадиазолы. Механизм щ текания такой перегруппировки неоднократно обсуждался, однг основные сведения о течении этой реакции были получены на осно

нии косвенных данных. Ранее было сделано предположение о том, что при нагревании смеси 1- и 2-бензоилтетразолов, образующихся при бензоилировании 5-замещенных тетразолов, происходит изомеризация

1-бензоил-5-{?-тегразола в 2-бензоил-5-1?-тетразол,.

1?-С—П-СО-Аг Я-С—N

А' м -> N ^-СО-Аг

V . V

который затем с потерей молекулы азота превращается в соответствующий 2,5-дизамещенный 1,3,4-оксадиазол.

Данные настоящей работы подтверждают эту гипотезу. Информация была получена на основании результатов изучения термолиза 1- и

2-бензоил-5-Г?-тетразолов методом ИК спектроскопии. Оказалось, что после нагревания смеси 1- и 2-бенвоил-5-1?-тетразолов при 80 °С в течение 1 ч в ИК спектрах продуктов термолиза отсутствует полоса при 1710-1750 см"1, которая, как было показано ранее, отвечает колебаниям (СО) в 2-изомере, но сохраняется полоса при 1780-1810 см-1отвечающая колебаниям (СО) в 1-изомере. Эта полоса исчезает совсем при дальнейшем нагревании.продуктов термолиза при 110 °С за 1 ч. Эти результаты означают, что изомеризация 1-бензоил-5-Я-тетразола в 2-бензоил-5-1?-тетразол происходит медленнее, чем превращение 2-изомера в 1,3,4-оксадиазол. Затруднение" изрм-зриаации 1-бензоил-5-Я-тетразола в. 2-бензоил-5-!?-т"тразод,. возможно, связа- ' но с наличием в 1-бензоил-5-Я-тетразоле водородной связи мэвду кислородом карбонильной группы и ¿-водородом фенильного кольца в положении 5 гетероцикла. Ш крайней мере такой' вывод следует из рассмотрения пространственной структуры 1-бонзоил-5-фэнилтетразо-ла, полученной, в настоящей работе мэтодрм . молекулярной йэханики [рис. 2.1(а)3. . ' . -

Еще.одним важным аргументом в йольэу того,; что при нагревании 1-производного происходит его изомеризация в 2-изомер является факт аналогичных превращений, наблэдаешя для 1(2)-шд1Доилпрои8-водных 5-замещенных тетразолов. ■

Таким образом, со значительной долей уверенности можно считать, что при нагревании смеси 1(2)-бензоилтотразолов образование 2,5-дизамещенных 1.3,4-оксадиазолов происходит в результате рецкк-лизации 2-изомера

Полагают, что при термолизе 2-бензонл-5-Г?-тетразолов первоначально образуется ацилнитрилимин, циклизация которого приводит к 2,5-дизамешенному 1,3,4-оксадиазолу

\

- 12 -

Я-С«^ + . N—N

Ы-СХЬАг-> [рг-С-И-Н-СО-Аг] —» И-Й С-Аг

V - О

Однако прямых доказательств существования ацилинитрилимина не приводилось. Можно было надеяться, что образование ацилинитрилимина удастся зафиксировать, если термолиз 1(2)-бензоилтетразолов проводить в присутствии реагентов, выполняющих роль ловушек цвит-терионов и подавляющих образование 1,3,4-оксадиазола. С этой целью изучался термолиз 1(2)-бензоилтетразолов в некоторых растворителях, обычно применяющихся для таких целей. При нагревании изомерных 1(2)-бенэоил-Б-фенилтетразолов в растворе ацетонитрила или бенвонитрила бил выделен только 2,5-дифенил-1,3,4-оксадиазол с выходом 93 и 94 % соответственно. Этот результат, тем не менее, не исключает вероятности образования ацнлкитрилимина. Возможно, что циклизация ацилинитрилимина в 1,3,4-оксадиазол термодинамически более выгодный процесс, чем взаимодействие с таким диполярофилом, как нитрил.' Таким образом, 1.а основании полученных данных механизм превращения 1(2)-бензоил-5-1?-тетра80лав в. 2,5-дизамещенные 1,3,4-0ксадиа80лы можно представить.следующим образом

К-^—^-СО-Аг . Р.-С—Н' • ■ ' ' :

.' N.. - М .' .' г- .''■•"' >' .''« : А '. N-00-Аг .

:. V • ••• • . • V - • •

нч .Ы-СО-АГ- -—* Гк-С-МтЦ-СО-Аг] -> Н-С С-

• . - к«, • оу

Аг

2

В настоящей работе с целью .выбора оптимальных условий получения 2.5-дизамещэнньп£ 1, Э, 4-окоадиазолов термолиз 1(2)-беизо-илтетразолов изучали в хлористом метилене, хлороформе и дихлорэтане при 40-80 °С. Указанные растворители были выбраны исходя из и) инертности, ■ доступности и дешевизны, что немаловажно при промышленной реализации метода. Можно было надеяться, что в этом случа< удастся совместить терм, лиз и удаление растворителя в одну операцию. Термическая перегруппировка совмещалась с отгонкой растворителя, после чего реакционная масса выдерживалась при 110 °С ешг 3< мин. проведение термолиза таким образом позволяет получат; 1,3,4-0кпадиа80ЛЫ с выходом 75-84 % и высокой степенью чистоты. Наиболее подходящим для этой цели растворителем является дихлорэтан (табл 3.1). 4

Таблица 3.1

Выходы 2,5-диэамещенных 1,3,4-океадиаз олов, полученных при термолизе 1( 2) -^-бензоил-Б-^-тетразолов в дихлорэтане

N—N

А II II О

К -СбН4-Сч ХГ

н1 Н2 Выход %, И1 я2 Выход %,

р-СНдб1 РЬ- 94 Р-Ш2- РЬ-СН2- 78

Р-СН3- РЬ- 92 н Р1-1-СС- 88

н РИ- 92 ' н о-СНРЬ- 93

р-р- РЬ- 82 о-Вт- о-СИРЬ- 91

о-С1- Р1т 83 ■ Н т-С1РЬ- 84

о-Вг^ РЬ- 80 о-Вг- т-С1Р1> 87

р-Вг- РЬ- 90 р-Р1т- РЬ- "2

р-Ю2- рг> 75 Н р-си3орь- 91

р-сн3о- рь-сн2- 85 н- р-сн3рь- 90

Н РЬ-СНр- 88 • н ' р-га-!- 83

Таким образом1 показано, что термолиз ?_(2)-С1оизоилтегтразолов в. растворах хлорированных углеводородов ио^т быть совмзщен с отгонкой .растворителя. Процесс"перегруппировки протекает без образования побочных продуктов и с высоким выходом 1,'3,.4-оксадиазолов.

4. ШД1ЧЕС1Ш35 СВОЙСТВА 1(2)-Л1РШЕТРЛБ0Л0В , .

информация о зйшчеекпх свойствах 1(2) -сци.'гготр^бхоз ограничена-' и-в основном относится к' области цуклеотиднога'синтеза. При изучении 1сатали81фуемого' тетразолом екпгеоз рг-длщчяьк (рссфорамиди-нов, применяемых в' межну,-лаот;• да а конденсащ;ях б;та обнаружено. ' что на скорость и селективность р-эакщм зл:яет пэ толы со природа заместителей з пцилирую:;эм агента, по и порядок сгзггзния реагентов. Пэказано, что если катаднтпчэс!ШО ¡сол:гчостЕа те.тразола добавлять к ацилирукщэму реагенту до того, как будет добавлена ацилиру-емая компонента, то на первых этапах асорсстъ рэаызс! ацилирования будет значительно выше, чем в случае, ¡согда порядок екзвэнкя реагентов иной. Этот и другие факты свидетельствуют о том, что помимо кислотного катализа тетразол ведет себя и как нуклеофильный

катализатор. Следует подчеркнуть особо, что в рассматриваемом случае допускается существование равновесия, устанавливающегося в процессе реакции, а тетразол фосфорилируется по атому 1 тетра-вольного цикла.

С учетом этих сведений схему реакции ацилирования тетразолов можно записать

!?-С—^Н 1?-С—у-СО-1? 1?-С=Н 21?-С0С1 +2 N -> NN + N N-00-1? + 2НС1

V V V

•• N + N N --» ' Л Ы-СО-В + Й N

\

^ у ^ V -у

Такая схема отражает и каталитические свойства тетразолов, и объясняв: существование изомерных 1(2)-ацилтетразолов. Отношение к^/к.^, а следовательно и соотношение образующихся изомеров, определяется характером распределения электронной плотности в тетразольном кольце.

Данные, полученные , нами при изучении реакционной способности 1(2)-ацилтетразолов (1-9), хорошо согласуются с наблюдениями, сделанными ранее. ' Установлено,, что 1(2)-бензоил-5-фенилтетразолы являются мягкиш реагентами для ацилирования' соединений, содержащих подвижный атом водорода - алифатических и ароматических спиртов, ароматических аминов, ^бензимидазола и бензотриазола. ;

КН +' ТЬ-(р—Н^ХХУ-РЬ ' . РЬ-С—ш

■ ••■. -—> Я:СЬ-РЬ + N А'

• V V

(1), РЬО (2),. р-НО^С^Н^О (3); 2-нафтилокси (4), PhNH (5) ,' р-М02С6Н4ИН (5),. 2-нафтиламино (7), бенз-. имидазол-1-ил (8), бензотриазол-1-ил (9) В зависимости от црироды субстрата ацилирование 1(2)-бензо-ил-5-фенилтетразолом проводили в хлористом метилене или в условиях межфазного катализа в системе хлористый метилен-вода в присутствии катализатора тетрабутилакогнийбромида. Для успешного ацилирования алифатических спиртов необходимо применение соответствующих алко-голятов. Ароматические спирты, бензимидазол и бензотриазол ацили-ровали в условиях межфазного катализа, ароматические' амины - в растворе хлористого метилена. Условия реакции и выходы продуктов ацилирования нуклеофильных субстратов (1-9) 1(2)-Оензоил-5-фенил-тетрагглом прядены в табл. 4. 1

Таблица 4.1

Условия реакции и выходы продуктов ацилирования нуклеофильных субстратов (1-9) 1(2)-бензоил-5-фенилтетразолом

Соединение Время реакции, ч Выход, %

1 2 70

2 3 73

3 5 38

4 - 3 85

5 3 72

6 12 . 34

. 7 б 67

8 3 63

9 3 '76

' Таким образом, показано, что 1(2)-ацилтетразолы могут быть использованы в качестве ащшфущгх реагентов. ' По'сравнению с широко применяемыми' в настоящее время аналогичными ацилирущими агентш,ш - Н-банзоилимидазолом и 1,1'-карбониодшшдазол.ом преимущества 1(2)-ацил-5-фенилтетразолов ' з!к*ччаются в том, что (,'етод синтеза 1(2)-ацил-5-фенилгетразолоз отличается . исключительной простотой. , Ш реакционной способности 1(2)-сцил-5-фенш!тетразолы превосходят Н-ацилимидазолы, а такгэ характеризуются достаточно высокой избирательностью по охно'адшю к.первичным и вторичным гид-рокси- и аминогруппам.. Наконец следует подчертить, что применение 1(2)-ацилтетразолоз особенно зффзктиьпо,. тогда реагенты и продукты реакции, чувствительны к кислотам и' щелочам, а-тгкгз- термически малоустойчивы. • ' •

5. СОТОШЗЛЧЕСШЕ СВОПСТЕ\ 2,5- Д1[АРИЛ-1,3,4- ОлСЛДИЛЗОЛ)3

Известно, что фотофизичесгае свойства 2,5-ди$енил-1,3,4-окса-диазола сильно зависят от агрегатного состояния вещества. В „^гге-ратуре на основании данных квантовохгепчзект:; рсссзтс*^ и рентгеноструктурного анализа показано, что при перехода •сг.Тш-

денсированного состояния вещества к газовой фазе изменяется геометрия молекулы.2,5-дифенил-1,3,4-оксадиазола и как следствие этого, расположение ее электронных уровней. С этих позиций было интересно изучить фотофизические свойства 2,5-диарил-1,3,4-оксадиазо-лов с заранее развернутыми относительно плоскости оксадиазольного кольца арильными заместителями. Для этого в данной работе были синтезированы и исследованы следующие соединения: . 2,5-дифенил-, 2-(о-бромфенил)-5-фенйл-, 2-(р-бромфенил)-б-фенил-, 2-(т-хлорфе-нил)-5-фенил-, 2-(о-хлорфенил)-5-фенил-, 2-(о-бромфенил)-5-(т-хлорфенил)-, 2-(о-бромфенил)-5-Со-цианфенил)-1,3,4-оксадиазолы.

Для оценки фотофизических свойств 2. 5-диарил-1,3,4-оксадиазо-лов исследовались их электронные спектры, спектры люминесценции I триплет-триплетного поглощения.

Спектры поглощения снимались в растворителях различной полярности. В качестве полярного растворителя использовался абсолютны} этанол, н<зполярного - н-гептан. В табл. 5.1 приведены длины волн, соответствующие максимумам гоглопения и люминесценции, а также коэффициенты экстинкции исследуемых веществ.

' ' , Таблица ,5.1 Спектры поглощения'и люминесценции .'2,5-диарил-1;3,4-оксадиазолов

• ■ ' К-г-Н

Я1 . этанол гептан

• - аЬэ .л тах ■ 6 тах' Ятах. аЬз' X ,шх е тах Я тах

н . 'Н. ' • 280 ■ 28120 356 • 284 26850 357

Н' ш-С1- 284 . 26350 358 285 27600 358

н .р-Вг- \ . 208 • 32200 350 - - -

о-С1- .н . . . 275 22700 359 278 23700 359

о-Вг- Н ' ! 274 20500 360 278 22350 360

о-Вг- т-С1- 274 21120 362 278 22130 362

о-Вг- о-СМ- 276 17500 365 282 11200 361

Аналив спектров поглощения 2,6-диарил-1,3,4-оксадиазолов, с держащих различные заместители, поэволяет сделать вывод о конфиг

рации молекул. Введение в орто-положение фенильных фрагментов заместителей должно вызывать их разворот относительно плоскости оксадиазольного цикла и, как следствие - уменьшение величины коэффициента экстинкции тем большее, чем больше угол разворота. Рассчитанный на основании спектральных данных угол разворота фе-нильного кольца для 2-(о-бромфенил)-5-фенил-1,3,4-оксадиазола (за стандарт принимался 2-(р-бромфенил)-5-фенил-1,3,4-оксадиазол) составил 37°, а угол разворота кольца, вызываемый введением в ор-то-положение цианогруппы, - 23°(за стандарт принимался 2-(о-бром-фенил)-5-фенил-1,3,4-оксадиазол). Эти величины практически совпадают с теш, при которых начинаются резкие изменения относительного расположения Б- и Т-электронных уровней молекул производных 1,3,4-оксадиазола. Следовательно, в отличие от плоских производных оксадиазола, у этих молекул флуоресценция должна быть значительно менее интенсивна и, к тому же, для них можно ожидать появления (фосфоресценции и триплет-триплетного поглощения. По-ученные экспериментальные данные подтвергдают это предположение.' . Обнаружено, что одновременно со снижением квантового выхода флуоресценции для 2-(о-бромфенил)-5-феш1Л-.1,3,4-оксадиазола.по отношению к 2-(р-бромфенил)-5-фенил-1,3,4-оксадиаголу,. для первого наблюдается сильная фосфоресценция (^,^475 им). Отношение квацтовых выходов флуоресценции '• и фосфоресценцш определено, как 1:2. Для плоского 2-( р-бромфенил)-5-фенил-1,3,4-оксадиазола.фосфоресценцию зарегистрировать не удалось.

С помощью метода ишульсчого фотолиза 'для 2-(о-бромфе-нил)-5-фенил- и 2-(о-бромфенил) - 5-Х о-цианфекнд)-1,3,4-оксадиазола было обнаружена.триплет-трютлетное поглодзнпе ( _Х ^580 йм й ■^тах590 нм соответственно); для других .соединений такого поглощения не наблюдалось. '

Таким образом, можо говорить о создания новых Евцеств, обладающих эффектом. фотохроуизмз, гаторьй находит все более широкое применение в технике.

6. Наработка опытных партий 2.б-дкфеиил-1.3.4-оксадиазола

Детальное изучение ацилировання Б-арилтетразо.вов х^ор'ангидри-дами ароматических карбоновых кислот в различных условиях позволило создать в СКТБ "Технолог" ЛГИ им. Ленсовета технологическую установку по выпуску опытных партий 2,5-дифенил-1,3,4-оксадиазола

Наработка продукта проводилась путем ацилирования 5-фенилтетразода бенвоилхлоридом двумя методами: в среде ацилирующего реагента и в условиях межфазного катализа. Всего било произведено 150 кг 2.5-дифенил-1,3,4-оксадиазола, При проведен™ исследований было необходимо дать технологическую и экономическую оценки каждого из указанных вариантов, а также разработать метод очистки технического 2,5-дифенил-1,3,4-оксадиазола. Последнее обстоятельство имеет исключительное значение, так как успешное применение 2,5-дифе-нил-1,3,4-оксадказола для регистрации ионизирующих излучений в значительной степени зависит от чистоты этого соединения. В связи с этим необходимо отметить, что очистка 2,"5-дифенил-1,3, 4-оксади-азола получаемого по гидразидному методу сопряжзна с большими трудностями. Так, для достилэкия необходимой степени' чистоты требуется применение очень сложных методов, например кристаллизации из расплава или хроматографии на колонках большого объема. Такие методы по своей трудоемкости и слолзюсти превосходят трудоемкость самого способа получения продукта и не могут считаться приеылеюггл при реализации в промышленности.

• Реально приемлемым промышленным способом очистки является перекристаллизация из раствора, для оптимизации которой была проведена работа-по выбору, подходящего для этих целей растворителя. Традиционно'используемые этанол и изопропанол зачастую,не позволяют избавиться от примесей- дате при использовании в качестве сорбента актированного" урля илу окиси алюминия.'

Обнаружено, ч.опр» использовании в.качестве растворителя для очистки ?,'5-дифонш-1,3,4-оксад11азола гексана. удается респть поставленную задачу.. Еще больший эффект дает применение гептана, так как за счет•повышения температуры кипения растворителя раство-pvMOCTb.i) нем соответствующих оксадиазолов существенно увеличиваемся.

Таким образом", в рёаультате технологических проработок кагяогс из указанных методов - расчетов материальных и тепловых балансов, сопоставления аппаратурного оформления - показано, что при нарабо^ ках небольших партий (1и0-200 кг) целесообразно применение метод; ацнлироЕШШЯ в среде ацилирующего реагента. При увеличении объема] производства до 500-1000 кг более удобным является ацилирование : условиях #межфазрого катализа. Себестоимость 2,5-дифеншЫ,3.4 оксадиазола, полученного по первому и второму методам,составляй соответственно 35В. 11 и 388.67 руб/кг (в ценах 1988 г).

ВЫВОДЫ

1. Ацилирование 5-замеценных тетразолов ангидридами и хлоран-'идридачи карбоновых кислот в срэде ацилирукетэго реагента является гдобным методом получения г.б-дизамещзнных 1,3,4-оксадиазолов.

2. 'При ацилированш! 5-занещенних тетразолоз хлорангидрида1« ароматических карбоновых кислот в двухфазных системах органический растворитель-вода в присутствии бромида тетрабутиламмония или хлорида 2,3,5-трифенилтотрелоаИЯ образуются ксс^зрниэ 1-бензоил- и 2-бензоил-5-Я-тетразолы.

3. Во всех случаях при бензоилировании 5-замэценньк тетразолов в условиях мелфазного катализа з продуктах реаюцш преобладает 2-бензоил-5-Н-тетраэол. Обнаруя?кч«ш закономерность подтверждается расчетам полной энергии ссотЕзютзуктда изомерных 1-бензоил- и 2-бонзоил-5-Н-тетразолов, вкпслнеша':: ::зтодом мохэкулярпо^ нзхоли-ки.

А. 1-Еенгонл- л 2-Сс;!зоил-15-К-,.',етря.золп является с$$экхдошми и мягкими авдлиругаиш рзагенгая ссодишжй, содзргзагах подшизпй атом водорода ^ -

5. Установлено, что при тер.-огг'зо ЬСензоал-." и 2-бецэопл-5-Я-тетразолов с высоким выходом сбргзуггсг . 5-д:,..~ш.;эг4зяак*з-1,3,4-оксадиазолы.

6. При термолизе г-бензоил-б-И-тотразолов па первом этапе в качестве про'елсуточяой частицы, очевидно, образуется ациллитрилл-иин, который " з результата 1,5-.цкклг?".1гп1 прзерапээтея в соответствующий оксадиазол. 'Образование 1,3,4-6глздигз'огэз нз'1-бон-80ил-5-1?-тетразолоз происходит через ::зс::зри;гцип последних в 2гбецэоил-5-1?-тетрззолы с поел?дуг--' грз2р2Г,з;'::зм по' указанной схеме,

7. Шказано, что раэработапииз :.:зто«ы паязгад.'Ы 2,5-дизачз-щенных 1,3,4-оксадиазолов являются уннгерсалъЕЬ-а и йогу? быть использованы для синтеза сксадиазолоз с зсм'зсш.'ого различного строения.

8. Ка примере синтезированных П-с>зин.:-о-(о-б!>омфенил)- и 2- (о- циан фенил) - 5- (о- бром£енил) -1,3, ¿-сг-ззодкозоло? &ксперга?эн-тально подтверждено теоретическое лр-эдполо.-эт'з о взаимосвязи пространственной структуры молекулы £,5-дизт."?сз1ШОГО 1,3,4-окса-диазола и ее люминесцентных характеристик. Обнаругэно, что у голе кул 2,5-диарил-1,3,4-оксадиазолов с развериутьют относительно

плоскости окседиазольного цикла арильными заместителями проявляется эффект фотохромизма. Для молекул оксадиазолов плоского строения такого свойства не наблюдается.

9. На основании данных, подученных при изучении ацилированш Б-замещенных тетраэолов хлорангидридами бензойных кислот в сред« ацилирующего реагента и в условиях межфазного катализа, разработана опытная технология производства 2,5-дифенил-1,3,4-оксадиазол&

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. 1й Е. Ыызников, Г. К Колдобский, И. К Васильева, В. А. Островский Тетраеолы XXV. Получение и химические свойства N-бензоилтет-разолов // ЖОрХ. -1988. -Т. 24. -С. 1550-1556.

2. А. В. Живич, Ю. Е. Мызников, Г. И. Колдобский, В. А. Островский Тетразолы XXV. Соли тетразолия - новые катализаторы межфазного переноса //ЕОХ -1988. -Т. 58. -С. 1909-191Б.

3. Получение и химические свойства М-бенэоил-б-арилтетраэолов/ Ю. Е. Шэников, А. Е Khbhí, Г. К Колдобский, В. А. Островский //Tes. докл. IV Всесоюз. конф. по химии азотсодержащих гетероциклических соединений, Новосибирск. т1987. -С. 125.

4. Межнуклеотидные конденсации в присутствии производных ' ' тетразола/' А. Я. Дрейман, ,; Э.Э. Грин штейн, Д. а Сникер, !й Е. Ыыз-ников, Г. И. 1$олдобский1 v Э.-И. Станкевич //Тез.' докл. '•VII: Все"оюэ. . симпоз. ,по'целенаправленному изысканию лекарственных веществ,' 24-26 января .1989 г. - Рига, 1989. -С. 105.

Б. Новый метод .получения и ■ фотофивйческие свойства

2,5-диарил-1,3,4-оксадиазолов/ Ю. Е. Мызников, Г. И. Колдобский Е А. Островский, В. С. ' Пэплавский, А. И. Шняев // Тез. докл VI Всесоюй.' конф. "Органические люминофоры и их применение народном хозяйстве", .3-7 сентября 1990 г.- Харьков, 1990. С. 143.. .

6. А. с. 1593165 СССР,' ШГС07 D 271/10. Способ получения проиэ водных 1,3,4-оксадиазола / Ю.Е. Шзников, Г. И. Колдобский, Е А.Островский (СССР).-N 4495818; Пэложит. рею. 21.05.89; (бев права публикации в открытой печати)