Синтез 2-(хинолин-2-ил)-b-трополонов и новых гетероциклических систем на основе реакций о-хинонов с метиленактивными гетероциклами

Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук

Синтез 2-(хинолин-2-ил)-в-трополонов и новых гетероциклических систем на основе реакций о-хинонов с метиленактивными гетероциклами

02.00.03 - органическая химия

Саяпин Юрий Анатольевич

Ростов-на-Дону - 2006

Работа выполнена в НИИ физической и органической химии Ростовского государственного университета

Работа выполнена при финансовой поддержке программы №8 Президиума РАН «Разработка методов получения химических веществ и создания новых материалов», Российского фонда фундаментальных исследований (грант 05-03-32081-a) и министерства науки и образования РФ (проект н.ш. 4849.2006.3).

Научный руководитель: доктор химических наук, старший научный сотрудник, Комиссаров Виталий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор, Михайлов Игорь Евгеньевич (ЮНЦ РАН)

кандидат химических наук, доцент, Ельчанинов Михаил Михайлович (ЮРГТУ (НПИ))

Ведущая организация: Институт металлоорганической химии РАН им. Г.А. Разуваева (ИМХ РАН)

Защита диссертации состоится «8» декабря 2006 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.208.14 при Ростовском государственном университете по адресу: 344090 г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 194/2, НИИ ФОХ РГУ, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ростовского государственного университета по адресу: 344006 г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан «7» ноября 2006 года

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор химических наук, профессор Садеков И.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Трополоновые ядра являются ключевыми структурными элементами широкого спектра природных соединений, например колхамина, колхицина, стипитатовой кислоты и др., проявляющих разнообразную биологическую активность (ингибирование инозитолмонофосфатазы и липоксигеназы, антимикробную, противораковую, антибактериальную активность).

Большинство изученных к настоящему времени трополонов принадлежит к классу a-трополонов, т.е. к производным 2-гидрокситропонов. конденсация синтез химия рентгеноструктурный

Значительно менее подробно представлены b-трополоны (3-гидрокситропоны), хотя к ним относятся такие биологически активные вещества, как стипитатовая и пуберуловая кислоты.

Основной причиной этого является недостаток удобных методов для синтеза производных b-трополонов.

Цель работы: Целью данной работы являлось разработка нового общего метода синтеза производных b-трополона, основанного на кислотно-катализируемой реакции конденсации о-хинонов с 2-метилхинолинами. В качестве основных задач исследования были следующие:

1) получение 2-(хинолин-2-ил)замещенных 1,3-трополона;

2) изучение методами рентгеноструктурного анализа и квантовой химии строения и механизма образования основных, промежуточных и побочных продуктов реакции;

3) исследование фотохимической реакции электроциклизации полученных 1,3-трополонов;

4) оценка бактериостатической (МИК) и бактерицидной (МБК) активности полученных соединений;

5) изучение зависимости направления реакции конденсации от природы азотистого гетероцикла на примере взаимодействия замещенных 2-метилбензимидазола и 1,2,3-триметилбензимидазолий йодидом с 3,5-ди(трет-бутил)-1,2-бензохиноном.

Научная новизна:

1. Разработан новый подход к синтезу 1,3-трополонов и получен широкий спектр неизвестных ранее 2-(хинолин-2-ил)-замещенных 1,3-трополона обладающих антимикробной активностью.

2. Впервые изучена фотохимическая реакция электроциклизации 2-(хинолин-2-ил)замещенных 1,3-трополона, определено строение и спектральные характеристики полученных фотоизомеров.

3. Обнаружено, что реакция конденсации замещенных 2-метилбензимидазола с 3,5-ди(трет-бутил)-1,2-бензохиноном, приводит к образованию полициклических производных изохинолина, а в случае взаимодействия йодида 1,2,3-триметилбензимидазолия приводит к образованию 2,2?-спиро-би[4,6-ди(трет-бутил)]-1,3-бензодиоксола.

Строение новых гетероциклических систем установлено методом рентгеноструктурного анализа.

Практическая ценность работы заключается в получении новых гетероциклических систем с потенциальной биологической активностью; разработке нового общего метода синтеза производных b-трополона.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на III Международной конференции по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов для изучении окружающей среды (Ростов-на-Дону, 2005 г), на Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов - 2005» («Ломоносов - 2006») (Москва, 2005, 2006 г), на VII Международном семинаре по магнитному резонансу (Ростов-на-Дону, 2004 г), на 20 Международном конгрессе по гетероциклической химии (Палермо, 2005), на IV Национальной кристаллохимической конференции (Черноголовка, 2006 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, из них 6 статей и 10 тезисов докладов на международных конференциях.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, приложения и списка литературы. Работа изложена на 139 страницах, содержит 25 рисунков, 37 схем, 24 таблицы, библиография насчитывает 171 ссылку.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Кислотно-катализируемые реакции замещенных хинальдина с пространственно-затрудненными о-хинонами

Хотя реакции карбонильных соединений с метиленактивными субстратами являются одним из наиболее изученных способов образования углерод-углеродных связей, поведение хинонов в этих превращениях изучено недостаточно. Высокая реакционная способность в сочетании с относительной термической стабильностью, характерной для пространственно-затрудненных хинонов, делает их особенно привлекательными для получения новых типов соединений, которые могут обладать практически полезными свойствами, в том числе и специфической биологической активностью.

Были изучены кислотно-каталтизируемые реакции производных хинальдина, 2-метилбензимидазола и йодида 1,2,3-триметилбензимидазолия с 3,5-(3,6-)ди(трет-бутил)-1,2-бензохинонами и 4,6-ди(трет-бутил)-3-нитро-1,2-бензохиноном. Строение ключевых соединений было установлено при помощи рентгеноструктурного анализа.

1.1 Синтез и строение 5,7-ди(трет-бутил) 2-(хинолин-2-ил)-3-гидрокситропонов

При сплавлении производных 2-метилхинолина (2) с 3,5-(3,6-)ди(трет-бутил)-1,2-бензохиноном в присутствии п-толуолсульфокислоты при 160-170 ^оС (метод А) или при кипячении их раствора в о-ксилоле в течение 3-6 часов (метод Б) с выходом 7-43% образуются 2-(хинолин-2-ил)-?-трополоны (4), а не ожидаемые продукты альдольной конденсации о-метиленхиноны (3) (схема 1).

Схема 1

Наибольшие выходы достигаются при использовании в реакции двукратного избытка хинона (1), который выполняет роль окислителя на завершающей стадии превращения.

Реакция конденсации о-хинонов с 2-метилхинолинами может быть осуществлена в менее жестких условиях (выдерживание раствора компонентов в уксусной кислоте при комнатной температуре в течение 1-4 суток - метод В), причем выходы b-трополонов (4) могут быть существенно повышены.

Строение соединений соединений (4), полученных при помощи методов А-В, подтверждено при помощи методов ¹H ЯМР, ИК- и масс-спектроскопии.

Молекулярное строение b-трополонов определено с использованием метода рентгеноструктурного анализа и показано на рис. 1, 2 и 3.^†† Автор благодарит В.В. Ткачева за установление структур методом РСА (ИПХФ РАН, г. Черноголовка).



Рис. 1. Две стереопроекции молекулярной структуры 5,7-ди(трет-бутил)-2-(8-метил-4-хлорохинолин-2-ил)-3-гидрокситропона, определенной методом РСА. Расстояние O(2)…N(1) 2.455Е.

Рис. 2. Молекулярная структура 5,7-ди(трет-бутил)-2-(6,8-диметил-5-нитро-4-хлорохинолин-2-ил)-3-гидрокситропона. Расстояние O(2)…N(1) 2.46Е.



Рис. 3. Структура молекулы 5,7-ди(трет-бутил)-2-(4-морфолино-8-метилхинолин-2-ил)-3-гидрокситропона. Расстояние O(2)…N(1) 2.446 Е.

Квантовохимические расчеты по методу теории функционала плотности в приближении DFT В3LYP/6-31G** хорошо воспроизводят экспериментально определенную геометрию молекул 5,7-ди(трет-бутил)-2-(8-метил-4-хлорохинолин-2-ил)-3-гидрокситропона и 5,7-ди(трет-бутил)-2-(4-морфолино-8-метилхинолин-2-ил)-3-гидрокситропона: сокращенные расстояния O···N и перегиб семичленного кольца вдоль линии С(1)-С(4) (рис. 4).

Различия между рассчитанными и экспериментально найденными длинами связей не превышают в среднем 0.01 Е. В кристалле (данные РСА) и в газовой фазе (DFT расчеты) 2-(хинолин-2-ил)-b-трополон с электроноакцепторным заместителем (R=Cl) в положении 4 хинолинового кольца существует в виде гидроксивинилиминового (OH) таутомера. Для 2-(хинолин-2-ил)-b-трополона с электронодонорным заместителем R=NR'R”, наоборот, предпочтительна аминоеноновая (NH) форма.



Рис. 4. Молекулярная геометрия и энергетические характеристики таутомеров 2-(хинолин-2-ил)-в-трополонов, рассчитанные при помощи метода B3LYP/6-31G**. Длины связей указаны в ангстремах, значения межплоскостных углов C(1)C(2)C(3)C(4)-C(4)C(5)C(6)C(7) показаны цифрами над пунктирными линиями.

1.2 Механизм реакции расширения цикла о-хинонов

Схема 2 описывает многостадийный механизм реакции, приводящей к образованию 2-(хинолин-2-ил)-b-трополонов (4). На начальной стадии альдольная конденсация 2-метилхинолинов (2) с 3,5-ди(трет-бутил)-1,2-бензохиноном (1) ведет ведет к образованию промежуточных аддуктов - производных 6-(хинолин-2-илметилен)-6-гидрокси-2,4-циклогексадиен-1-онов (5).

Молекулярная структура 2,4-ди(трет-бутил)-6-(7,8-диметил-4-хлорохинолин-2-илметилен)-6-гидрокси-2,4-циклогексадиен-1-она) (5) (R=Cl, R₁=R₂=H, R₃=R₄=CH₃) была также определена методом РСА (рис. 5).^†

Рис. 5. Строение молекулы 2,4-ди(трет-бутил)-6-(7,8-диметил-4-хлорохинолин-2-илметилен)-6-гидрокси-2,4-циклогексадиен-1-она (5) (R=Cl, R₁=R₂=H, R₃=R₄=CH₃).

Интермедиаты (5) претерпевают циклизацию с образованием производных норкарадиена (6), которые перегруппировываются в дигидротрополоны (7). Окисление (7) избытком 3,5-ди(трет-бутил)-1,2-бензохинона (1) ведет к образованию 5,7-ди(трет-бутил)-2-(хинолин-2-ил)-?-трополонов (4) как конечных продуктов. В растворе уксусной кислоты промежуточные аддукты (5) находятся в равновесии с исходными соединениями. Участие этих аддуктов в механизме реакции подтверждается тем, что при выдерживании на воздухе растворов предварительно выделенных соединений (5) при комнатной температуре в течение 10-12 суток или при нагревании при 40-50^о в течение 20 часов они гладко с выходом 60-80% превращаются в 2-(хинолин-2-ил)-b-трополоны (4).

Схема 2

Роль избыточного хинона (1) в качестве окислителя подтверждается выделением из реакционной смеси тозильного эфира соответствующего пирокатехина, строение которого изучено методом рентгеноструктурного анализа и показано на рис. 6.^†

Рис. 6. Строение 2-(п-толилсульфокси)-4,6-ди(трет-бутил)фенола с обозначением атомов. Пунктиром показаны связи с атомами углерода CH₃-групп, занимающими менее заселенные позиции.

Реакция конденсации 2-метилхинолинов (2) по другой карбонильной группе хинона (1) пространственно затруднена соседней к этому карбонилу трет-бутильной группой, что препятствует образованию изомерного аддукта (5') и блокирует альтернативный канал реакции, ведущего к изомерным 4,6-ди(трет-бутил)-2-(хинолин-2-ил)-b-трополонам (4'). Стерические препятствия, создаваемые соседней с карбонилом хинона трет-бутильной группой, обусловливают крайне низкие (менее 4%) выходы 2-(хинолин-2-ил)-b-трополонов (9) в реакциях конденсации 2-метилхинолинов с симметричным 3,6-ди(трет-бутил)-1,2-бензохиноном.

Образование изомеров (4') посредством изомеризации (4) (4'), осуществляющейся согласно механизму, представленному на схеме 3, также мало вероятно, так как связано с преодолением высокого энергетического барьера (27.6 ккал^.моль^-1, включая 26.6 ккал^.моль^-1 на стадии поворота относительно С_хин-С_троп связи согласно расчету по методу DFT B3LYP/6-31G**).

По данным B3LYP/6-31G** расчетов b-трополоны (4) (R=Cl, морфолино; R₄=CH₃, R₁-R₃=H) на 2-5 ккал^.моль^-1 энергетически выгоднее, чем их позиционные изомеры (4').

Таким образом, направление реакции образования 2-(хинолин-2-ил)-b-трополонов (4) (схема 2) концертно контролируется термодинамическими и кинетическими факторами.

Схема 3

1.3 Квантово-химическое моделирование энергетического профиля реакции

Детальный механизм образования 2-(хинолин-2-ил)-в-трополонов (4) был изучен при помощи моделирования критических участков поверхностей потенциальной энергии (ППЭ) отдельных стадий превращения, описываемого схемой 2.^** Все квантовохимические расчеты выполнены при содействии и консультации И.В. Дорогана и А.Г. Старикова (лаборатория квантовой химии НИИ ФОХ РГУ).

Было найдено, что необходимым условием осуществления стадии замыкания норкарадиенового цикла ((5) (6) на схеме 2) является предварительный перенос протона метиленовой группы промежуточного аддукта (5) на атом азота гетероцикла.

Геометрия триады H₂C-C=N в (5) пространственно неблагоприятна для внутримолекулярного переноса протона, поэтому эта реакция, как и в ряде других случаев 1,3-протонного переноса, происходит в комплексе с подходящей молекулой-переносчиком, который обеспечивает достаточно низкий барьер согласованного двупротонного переноса.

В изучаемом превращении роль переносчика протона выполняет молекул растворителя (уксусная кислота) или катализатора (п-толуолсульфоновая кислота).

Рис. 7 показывает рассчитанный путь развития реакции, начиная с образования устойчивого 1:1 аддукта интермедиата (5) с молекулой уксусной кислоты.

Лимитирующей стадией всей трансформации является СНN перенос протона, ведущий к изомеризации (5m^.AcOH) (8m^.AcOH). Рассчитанный при помощи метода DFT B3LYP/6-31G** энергетический барьер согласованного двойного протонного переноса равен 25.4 ккал^.моль^-1.



Рис. 7. Энергетический профиль реакции многостадийной перегруппировки сольватированного интермедиата (5m) в сольватированный дигидро-в-трополон (7m), рассчитанный при помощи метода B3LYP/6-31G**. В скобках приведены относительные энергии (в ккал^.моль^-1) сольватированных структур, представленных на схеме 2.

На следующей стадии превращения сольватированный интермедиат (8m^.AcOH) перегруппировывается в конформер (8m^.AcOH?), который претерпевает далее изомеризацию в цвиттерионный интермедиат (8m(+)^.AcO(-)) с преодолением энергетического барьера 10.9 ккал^.моль^-1.

Расчеты выявили, что трансформация цвиттериона (8m(+)^.AcO(-)) в 1,6-дигидроксиноркараден может проходить по двум различным путям, один из которых связан с N-H***O=C переносом протона (показано на рис. 7 пунктирной линией), а другой соответствует концертной реакции двойного протонного переноса через структуру переходного состояния (Ts4-2).

Первый путь ведет к образованию конформера сольватированного 1,6-дигидроксиноркарадиена (6m^.AcOH?), а второй, энергетически на 5.3 ккал^.моль^-1 более выгодный - к конформеру (6m^.AcOH). Этот путь представляет, таким образом, основное направление пути минимальной энергии реакции образования дигидро-в-трополона (7).

Интермедиаты (6m^.AcOH) и (6m^.AcOH?) легко (с энергетическими барьерами всего лишь в 0.8 и 0.9 ккал моль^-1 соответственно) претерпевают перегруппировку с расширением шестичленного цикла и образованием дигидро-в-трополонов (7m^.AcOH) и (7m^.AcOH?).

Последующее окисление соединений (7) хиноном (1) приводит к 2-(хинолин-2-ил)-в-трополонам (4) в качестве конечных продуктов. Нами была исследована также реакция расширения цикла между производными 2-метилхиноксалинами (9) и 3,5-ди(трет-бутил)-1,2-бензохиноном (1) (схема 4).

Схема 4

При проведении реакции по методу В реакция производных 2-метилхиноксалина (9) с хиноном (1) ведет к образованию 5,7-ди(трет-бутил)-2-(хиноксалин-2-ил)-b-трополонов (10а,б). Строение 1,3-трополона (10б) установлено методом рентгеноструктурного анализа.^†

1.4 Побочные продукты реакции

Представленные на схеме 2 превращения протекают в достаточно жестких условиях (методы А и Б), ввиду чего они сопровождаются образованием ряда побочных продуктов. К настоящему времени два из них были нами препаративно выделены и их строение установлено при помощи метода РСА.^†,‡



11 12

При взаимодействии 2,7,8-триметилхинолина (2) (R=Cl, R₁=R₂=H, R₃=R₄=CH₃) и 3,5-ди(трет-бутил)-1,2-бензохинона (1) в условиях, описанных для методов А и Б, было с выходом 6% получено производное новой поликонденсированной гетероциклической системы 4,5a,7,9-тетра(трет-бутил)-15,16-диметил-12-хлоро-3,5a-дигидроциклопентено-[2,3]-хромено[3,4-c]-пирроло[1,2-a]хинолин-2,3-дион (11). Строение молекулы (11) было установлено при помощи метода РСА^‡‡ Автор благодарит З.А. Старикову за установление структур методом РСА (ИНЭОС, г. Москва). и показано на рис. 8.

Рис. 8. Молекулярная структура 4,5a,7,9-тетра(трет-бутил)-15,16-диметил-12-хлоро-3,5a-дигидроцикло пентено-[2,3]-хромено[3,4-c]-пирроло[1,2-a]хинолин-2,3-диона (11).



Рис. 9. Молекулярная структура 3,5-ди-трет-бутил-(7,8-диметил-4-хлорохино лин-2-ил)-2-гидроксибензоила (12). Расстояние O(1)…О(2) 2.55Е.

Вероятно, что образованию соединения (11) предшествует стадия кислотно-катализируемой димеризации хинона (1), но для понимания детального механизма реакции требуется специальное дополнительное исследование.

Особенно загадочным для нас оказалось обнаружение в реакционной смеси значительных (~ 10%) количеств кетона (12), строение которого установленное при помощи метода РСА^†, показано на рис. 9.

1.5 Синтез 5,7-ди(трет-бутил)-2-(хинолин-2-ил)-4-нитро-в-трополонов и 2-азабицикло[3.3.0]окта-2,7-диен-4,6-дион-N-оксидов.

При кипячении раствора 2-метилхинолина (2) (R=H, Cl) и 4,6-ди(трет-бутил)-3-нитро-1,2-бензохинона (13) в о-ксилоле в течение 1 часа (условия, соответствующие методу Б синтеза 2-(хинолин-2-ил)-в-трополонов (4)) с низкими выходами были получены 5,7-ди(трет-бутил)-2-(хинолин-2-ил)-4-нитро-в-трополоны (14), а также несодержащие нитрогруппу в трополоновом ядре 5,7-ди(трет-бутил)-2-(хинолин-2-ил)-в-трополоны (4).

В тех же условиях реакция хинолинов (2) (R = морфолино, NO₂) с хиноном (13) приводит к образованию легко выделяемых желтых кристаллических продуктов, строение которых было установлено при помощи метода РСА^† как 2-азабицикло[3.3.0]окта-2,7-диен-4,6-дион-N-oксидов (15) (схема 5).

Схема 5

Молекулярные структуры двух соединений - представителей неизвестной ранее гетероциклической системы (15) показаны на рис. 10 и 11

Рис. 10 Молекулярная структура 1,7-ди(трет-бутил)-3-(6,8-диметил-4-морфолинохинолин-2-ил)-2-азаби цикло[3.3.0]окта-2,7-диен-4,6-дион-N-оксид.



Рис. 11 Молекулярная структура 1,7-ди(трет-бутил)-3-(8-метил-5-нитро-4-пиперидинохинолин-2-ил)-2-азабицикло[3.3.0]окта-2,7-диен-4,6-дион-N-оксида.

Критической стадией всего превращения является внутримолекулярное электрофильное присоединение азота нитрогруппы к метиновому атому углерода в исходно образуемом промежуточном продукте альдольной конденсации хинолина (2) с хиноном (13).

Прямым аналогом этой реакции служит внутримолекулярная циклизация продукта альдольной конденсации о-нитробензальдегида с ацетоном, представляющая лимитирующую стадию классического синтеза индиго по Байеру-Древсену.1.6 Исследования биологической активности в-трополонов

Некоторые полученные трополоны (4) были исследованы на противомикробную активность. Все испытанные соединения проявляют избирательное действие, т.е. обнаружили противомикробный эффект в отношении грамположительных бактерий и не показали бактерицидного эффекта в испытанных концентрациях в отношении грамотрицательных бактерий. Соединения (4) обнаружили как ингибирующее действие в отношении St. аureus в концентрации <1000.0…>500.0 мкг/мл, так и бактерицидное действие в концентрации 1000.0 мкг/мл. 5,7-Ди(трет-бутил)-2-(хинолин-2-ил)-1,3-трополон показал ингибирующее действие в отношении культуры St. aureus в концентрации 62.5 мкг/мл. В настоящее время привлекают интерес соединения, обладающие не только высокой биологической активностью, но и селективным действием на разного рода микроорганизмы.

Глава 2. Фотоизомеризация 2-хинолинилпроизводных b-трополона

В настоящей главе рассмотрена фотохимическая реакция электроциклизации соединений (4) (16), а также строение и спектральные характеристики полученных фотоизомеров на примере препаративно выделенного продукта перегруппировки (16) (схема 6).^*** Фотохимические исследования проведены при содействии и консультации А.В. Метелицы и Н.И. Макаровой (лаборатория Фотохимии НИИ ФОХ РГУ).^*

Схема 6

R₁=R₂=R₃=H (4-3); R₁=R₃=H, R₂=Me (4-4); R₁=R₂=H, R₃=Me (4-5); R₁=NO₂, R₂=Me, R₃=H (4-8); R₁=NO₂, R₂=H, R₃=Me (4-9)

Облучение растворов соединений (4) в гексане при комнатной температуре в длинноволновой полосе поглощения (л_обл. = 365 нм) приводит к аналогичной для всех соединений необратимой модификации спектров поглощения, связанной с появлением новой структурированной полосы (л_max = 400-463 нм).

Фотоиндуцированные изменения спектра поглощения соединения (4-3) показаны на рис. 12.

Рис. 12. Фотоиндуцированные изменения электронных спектров поглощения (^____) при облучении (_обл = 365 нм; с интервалом 5 мин) раствора соединения (4-3) (С = 4.68 ·10^-5 моль·л^-1) и спектр флуоресценции (-----) фотопродукта (4-3) в гексане при Т = 293 К.

Поскольку, как следует из АСС сдвига спектра флуоресценции, именно NH-форма превалирует в возбужденном состоянии и только в этой форме реализуется подходящая диеновая система связей, можно было ожидать, что строению фотоизомеров должна соответствовать бицикло[3.2.0]гепт-6-ен-2,4-дионовая структура типа (16).

При этом разрешенная правилами сохранения орбитальной симметрии дисротаторная фотоэлектроциклизация в-трополонов (4) может происходить из транс- (Е-4a) и цис- (Z-4b) изомеров в результате замыкания циклобутенового кольца по двум возможным направлениям, как показано на схеме 7, приводя к смеси энантиомеров (E(S)-16), (E(R)-16) и (Z(R)-16), (Z(S)-16) соответственно.

Схема 7

Рентгеноструктурное исследование строения препаративно выделенного (16-3) (выход 65%) продукта фотоизомеризации в-трополона (4-3) однозначно свидетельствует в пользу этого направления фотореакции.

Общий вид молекулы (16-3) показан на рис. 13.^‡

При комнатной температуре в растворах соединений (16) обнаруживаются два геометрических изомера - (E-16) и (Z-16) , что проявляется в спектрах ЯМР ¹Н в виде удвоения сигналов трет-бутильных групп и винильного протона циклобутенового кольца (см. рис. 17).

Рис. 13. Общий вид молекулы (16-3) и две кристаллографически независимые молекулы: Z(R)-(16-3) и Z(S)-(16-3).

Относительное содержание изомеров 40 : 60 (толуол, ДМСО). При повышеннных температурах в спектре ЯМР ¹Н фиксируется обменный процесс (E-16) (Z-16), регистрируемый по динамике сигналов винильных протонов (рис. 14).

Рассчитанный на основе анализа формы линии барьер перегруппировки в растворе ДМСО составляет DG₂₅ = 19.1 ккал·моль^-1.

Таким образом, совокупность полученных экспериментальных и теоретических данных позволила установить механизм фотохимической перегруппировки 2-хинолинилзамещенных b-трополонов (4), первой стадией которой служит характерный для соединений с внутримолекулярной водородной связью О-Н…N адиабатический перенос протона от атома кислорода трополонового цикла к атому азота хинолинового фрагмента в синглетном возбужденном состоянии (4 E-4a) с последующей цис-транс-фотоизомеризацией (Е-4a Z-4b).



Рис. 14. Температурная эволюция сигналов винильных протонов бициклического фрагмента соединения (16-3) в ДМСО, Т/^оС: 40 (1), 80 (2), 100 (3), 110 (4), 120 (5), 140 (6), 170,(7); k/c^-1: 0.1 (1), 5.2 (2), 9.4 (3), 16.6 (4), 35.1 (5), 79.9 (6), 451.3 (7). Растворитель - ДМСО-d₆.

Определяющим направлением фотохимической реакции является электроциклическая перегруппировка, ведущая по двум возможным дисротаторным каналам к образованию смеси энантиомеров хиральных фотопродуктов (16).

Глава 3. Кислотно-катализируемые реакции замещенных 2-метилбензимидазола и йодида 1,2,3-триметилбензимидазолия с 3,5-ди(трет-бутил)-1,2-бензохиноном

При распространении этой реакции на другие метиленактивные гетероциклы мы нашли, что реакция о-хинона (1) с 2-метилбензимидазолом (17), протекающая при кипячении их о-ксилольного раствора в течение двух часов, приводит не к ожидаемым 1,3-трополонам, а к образованию полициклического производного изохинолина (18) (схема 8).

Вероятный механизм превращения представлен на схеме 9. При кислотно-катализируемом взаимодействии хинона (1) с 2-метилбензимидазолом (17) в условиях высокой температуры (метод Б) образуется высокореакционный о-метиленхинон (19), к которому присоединяется вторая молекула 2-метилбензимидазола.

Интермедиат (20) окисляется избытком о-хинона (1) до о-бис-метиленхинонфенола, для которого предпочтительна п-хинолидная таутомерная форма (21).

Внутримолекулярная окислительная циклизация (21) приводит к замещенному бензимидазо-[1,2-а]-индолу (22), а последующее внутримолекулярное окислительное аминирование (22) дает полициклическое соединение [бензимидазо-(1,2-b)][бензимидазо-(1,2-a)-пирроло-(3,4,5-j,i)]-13,15-ди-(трет-бутил)-13,16-дигидро-16-оксоизохинолина (18a).

Схема 8

18a: R=H; б: R=CH₃; в: R=Cl

В случае наличия заместителей в пятом положении 2-метилбензимидазола образуется смесь изомеров (18б,в).

Выходы соединений (18a-в) составляют 10-15%.

Схема 9

Строение соединения (18a) изучено методом рентгеноструктурного анализа.^‡ Структура содержит две независимые молекулы (18а) (А и В), имеющие одинаковое строение (рис. 15).

Рисунок 15. Молекулярная структура соединения (18а).

При распространении изучаемой реакции на соли бензимидазолия и исследовании продуктов реакции методом рентгеноструктурного анализа (РСА) нами было найдено, что взаимодействие 3,5-ди(трет-бутил)-бензохинона-1,2 (1) с солью 1,2,3-триметилбензимидазолия (23) приводит к образованию 2,2?-спиро-би[4,6-ди(трет-бутил)-1,3-бензодиоксола] (24) с достаточно высоким (65-70%) выходом (схема 10).

Схема 10

Возможный механизм образования спирана (24) представлен на схеме 11.

Схема 11

Первой стадией реакции является присоединение хинона (1) к N-метильной группе бензимидазолия, приводящее к образованию аддукта (25). Окисление (25) исходным хиноном (1) может приводить к образованию йодида 3-[4,6-ди(трет-бутил)-1,3-бензодиоксол-2-ил]-1,2-диметил[3Н]бензимидазолия (26). Дальнейшее превращение возможно через присоединение второй молекулы хинона (1) к соли (26) с образованием промежуточного соединения (27), а последующее отщепление молекулы йодида 1,2-диметилбензимидазолия (28), приводит к конечному продукту (24).

Строение 2,2?-спиро-би[4,6-ди(трет-бутил)-1,3-бензодиоксола] (24) определено при помощи метода рентгеновской кристаллографии^† и показано на рис. 16.

Рис. 16. Молекулярная структура 2,2?-спиро-би[4,6-ди(трет-бутил)-1,3-бензодиоксола] (24).

ВЫВОДЫ

1. Разработан новый метод получения 2-гетерил-в-трополонов, основанный на кислотно-катализируемой реакции между о-хинонами и 2-метилазотистыми гетероциклами. Оптимизированы условия реакции и получен широкий спектр неизвестных ранее 2-(хинолин-2-ил)-замещенных [2-(хиноксалин-2-ил)-замещенных] 1,3-трополона, содержащих различные заместители в бензольном кольце хинолинового (хиноксалинового) фрагмента.

2. При помощи методов ЯМР, УФ-, ИК-спектроскопии, масс-спектрометрии и рентгеноструктурного анализа установлено строение полученных веществ, выявлены факторы, определяющие энергетическую предпочтительность возможных таутомерных и конформерных структур, изучены и охарактеризованы структурные особенности и прочность внутримолекулярной водородной связи ОН...N, реализующейся в 5,7-ди(трет-бутил)-2-(хинолин-2-ил)-1,3-трополонах.

3. При помощи методов теории функционала плотности и ab initio MP2/6-31G(d,p) изучена относительная устойчивость возможных OH и NH таутомерных форм 5,7-ди(трет-бутил)-2-(хинолин-2-ил)-1,3-трополонов, а также рассчитаны критические участки поверхности потенциальной энергии ключевых стадий механизма реакции, в частности расширения цикла в результате норкарадиеновой перегруппировки, определяющей формирование семичленного кольца 1.3-трополонов.

4. Выделены промежуточные и побочные продукты реакции конденсации 2-метилхинолинов с 3,5-ди(трет-бутил)-1,2-бензохиноном, и установлены структуры.

5. Изучены реакции конденсации производных 2-метилхинолинов с 3-нитро-4,6-ди(трет-бутил)-1,2-бензохиноном, получен широкий спектр неизвестных ранее 2-(хинолин-2-ил)-3-нитрозамещенных 1,3-трополона, а также 2-азабицикло[3.3.0]окта-2,7-диен-4,6-дион-N-oксидов.

6. Проведена оценка бактериостатической (МИК) и бактерицидной (МБК) активности 5,7-ди(трет-бутил)-2-(хинолин-2-ил)-1,3-трополонов, установлено, что испытанные соединения проявляют избирательный противомикробный эффект в отношении грамположительных бактерий и не показали бактерицидного эффекта в испытанных концентрациях в отношении грамотрицательных бактерий.

7. Разработан препаративный метод получения и установлена молекулярная структура продуктов фотоинициированной электроциклической перегруппировки производных 5,7-ди(трет-бутил)-2-(хинолин-2-ил)-1,3-трополонов - 1,6-ди(трет-бутил)-3-[хинолинилиден]-бицикло[3.2.0]гепт-6-ен-2,4-дионы. Установлен механизм фотохимической реакции.

8. Показано, что реакция конденсации замещенных 2-метилбензимидазола с 3,5-ди(трет-бутил)-1,2-бензохиноном, которая приводит к образованию полициклических производных изохинолина, и в случае взаимодействия йодида 1,2,3-триметилбензимидазолия приводит к образованию 2,2?-спиро-би[4,6-ди(трет-бутил)]-1,3-бензодиоксола. Методом рентгеноструктурного анализа установленыструктуры продуктов реакции и предложен механизм их образования. Оптимизированы условия получения 2,2?-спиро-би[4,6-ди(трет-бутил)]-1,3-бензодиоксола.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ю.А. Саяпин, В.Н. Комиссаров, С.В. Кобцев, В.И.Минкин, З.А. Старикова, М.Ю. Антипин. Синтез и структура поликонденсированных азотистых гетероциклов, получаемых по реакции о-хинонов с 2-метилбензимидазолами. // Доклады Академии Наук, 2005, том 403, № 1, стр.1-5.

2. Ю.А. Саяпин, В.Н. Комиссаров, В.И. Минкин, В.В. Ткачев, С.М. Алдошин, Г.В.Шилов. Синтез и структура новых производных 2-(хинолин-2-ил)-1,3-трополона. // ЖоРХ, 2005, Т 41, Вып. 10, стр. 1571-1575.

3. И.А.Профатилова, Ю.А. Саяпин, А.А. Бумбер,О.И. Аскалепова, С.В. Василевский, В.Н. Комиссаров. Вольтамперометрическое и потенциометрическое исследование реакций замещенных 2-метилхинолина с 3-нитро-4,6-ди(трет-бутил)-бензохиноном-1,2. // Вестник Южного Научного Центра, 2005, т. 1, № 4, 21-25.

4. Н.И. Макарова, А.В. Метелица, С.О. Безуглый, Ю.А. Саяпин, В.Н.Комиссаров, А.Г. Стариков, М.С. Коробов, Г.С. Бородкин, З.А. Старикова, М.Ю. Антипин, В.И. Минкин. Фотоизомеризация 2-хинолинилпроизводных в-трополона. // Известия академии наук, 2006, № 3, стр. 467-474.

5. В.В. Ткачев, С.М. Алдошин, Г.В.Шилов, Ю.А. Саяпин, В.Н. Комиссаров, В.И. Минкин Структура побочного продукта реакции в синтезе замещенных 1,3-трополона. // ЖоРХ, 2006, Т 42, Вып. 2, стр. 290-292.

6. V. I. Minkin, V. N. Komissarov, and Yu. A. Sayapin. Synthesis of в-tropolone and fused heterocycles by acid-catalyzed and photoreactions of o-quinones with quinolines and benzimidazoles. // Arkivok, 2006, vii, 439-451.

7. Vladimir I. Minkin, Vitally N. Komissarov and Yurii A. Sayapin. Synthesis of 1,3-tropolone and fused heterocycle derivatives by Acid-Catalyzed and Photoreactions of o-Quinones with Quinolines and Benzimidazoles. // Book of abstracts. 20^th International Congress of Heterocyclic Chemistry, Palermo, Italy, 2005, 3-IL20 р. 138.

8. Yu.A. Sayapin, S.V. Kobtsev, V.N. Komissarov, V.I. Minkin. Synthesis of substituted 1,3-tropolones on the basis of sterically hindered 1,2-benzoquinones // Program and Abstracts 3^rd EuroAsian Heterocyclic Meeting “Heterocycles in Organic and Combinatorial Chemistry” (EAHM-2004), Novosibirsk, Russia, p.194.

9. Ю.А. Саяпин, П.Б. Чепурной, В.Н. Комиссаров, В.И. Минкин. Необычный синтез хинолин-2-ил замещенных 1,3-трополона. // Book of abstracts. VII International workshop on magnetic resonance (spectroscopy, tomography and ecology), Rostov-on-Don, 2004, стр. 93.

10. Ю.А.Саяпин, В.Н.Комиссаров, Г.С. Бородкин, М.С. Коробов, В.В. Ткачев, С.М. Алдошин, В.И.Минкин. Новый подход к синтезу 2-азабициклических систем. // Материалы конференции. IV Всероссийский Семинар «Новые достижения ЯМР в структурных исследованиях», Казань, Россия, 2005, стр.82.

11. Минкин В.И., Комиссаров В.Н., Саяпин Ю.А., Кобцев С.В., Старикова З.А., Антипин М.Ю. Синтез и структура поликонденсированных производных изохинолина. // Материалы конференции. III Международная конференция по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов (ядерный магнитный резонанс, хроматография/масс-спектрометрия, ИК-Фурье спектроскопия и их комбинации), Ростов-на-Дону, 2005, стр. 201 -202.

12. Комиссаров В.Н., Саяпин Ю.А., Бородкин Г.С., Коробов М.С., Ткачев В.В., Шилов Г.В., Алдошин С.М., Минкин В.И. Синтез и структура новых гетероциклических систем на основе 3-нитро-4,6-ди(трет-бутил)-бензохинона-1,2. // Материалы конференции. III Международная конференция по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов (ядерный магнитный резонанс, хроматография/масс-спектрометрия, ИК-Фурье спектроскопия и их комбинации), Ростов-на-Дону, 2005, стр. 141 -142.

13. Старикова З.А., Антипин М.Ю., Саяпин Ю.А., Комиссаров В.Н., Минкин В.И. Структура и синтез полициклических производных хинолина на основе 3,5-ди(трет-бутил)-бензохинона-1,2. // Материалы конференции. III Международная конференция по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов (ядерный магнитный резонанс, хроматография/масс-спектрометрия, ИК-Фурье спектроскопия и их комбинации), Ростов-на-Дону, 2005, стр. 199 -200.

14. Саяпин Ю.А., Комиссаров В.Н., Минкин В.И. Синтез новых гетероциклических систем на основе пространственно-затрудненных о-хинонов. // Материалы Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов - 2005», Секция Химия, том 1, Москва, 2005, стр.181.

15. Саяпин Ю.А., Комиссаров В.Н., Минкин В.И. Новый подход к синтезу 1,3-трополоновой системы. // Материалы Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов - 2006», Секция Химия, том 2, Москва, 2006, стр. 191.

16. В.И. Минкин, С.М. Алдошин, В.В.Ткачев, В.Н. Комиссаров, Ю.А. Саяпин, И.В. Дороган, А.Г. Стариков. Новая реакция расширения шестичленного ароматического цикла: синтез и структура производных труднодоступной в-трополоновой системы. // IV Национальная кристаллохимическая конференция, сборник тезисов, Черноголовка, 26-30 июня 2006 г. стр. 13-14.

Размещено на Allbest.ru