Синтез и химические превращения третичных аминоантрахинонов

Полная исследовательская публикация __ Денисов В.Я., Лузгарев С.В., Попов С.Ю. и Ткаченко Т.Б.

Размещено на http://www.allbest.ru/

32 ______________ http://butlerov.com/ ______________ ©--Butlerov Communications. 2010. Vol.23. No.13. P.31-36.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Синтез и химические превращения третичных аминоантрахинонов

Производные 9, 10-антрахинона занимают видное место в органическом синтезе. Синтез красителей - традиционная и давняя область применения производных антрахинона. Доста-точно указать, что антрахинон является третьей по значимости структурой (после бензола и нафталина), которая используется при построении молекул органических красителей. Сохраняя свои позиции в сфере получения красителей для натуральных и синтетических материалов, производные антрахинона активно завоевывают новые области применения, среди которых люминофоры, фотографические материалы, лекарственные препараты, компо-ненты жидкокристаллических композиций, сорбенты, аналитические реагенты, химические добавки для полимеров, улучшающие их эксплуатационные свойства и др. В теоретическом отношении химия антрахинона важна для изучения закономерностей органических реакций, взаимосвязи между строением и свойствами органических соединений.

Особенно ценным для формирования представлений о взаимосвязи между строением и свойствами является тот факт, что многие реакции в ряду антрахинона протекают своеоб-разно, не имеют аналогий в других рядах соединений [1, 2].

Данная работа посвящена синтезу и исследованию химических превращений 1-диалкил-аминоантрахинонов (I), в случае которых проявляется специфическое влияние хиноидного ядра на реакционную способность третичной аминогруппы.

В отличие от мало реакционных 2-диалкиламиноантрахинонов, амины I под влиянием хиноидной карбонильной группы, находящейся в пери-положении, обнаруживают более высокую химическую активность, проявляющуюся в относительно легком дезалкилировании и склонности к замыканию пери-конденсированного азотсодержащего гетероцикла (пери-эффект).

Основным методом синтеза аминов I является нуклеофильное замещение атома галогена в 1-галогеноантрахинонах. Атом фтора замещается значительно легче, чем атомы хлора, брома или иода, которые по подвижности близки между собой. 1-Хлорантрахинон является наиболее доступным и дешевым исходным соединением, однако замещение атома хлора на диалкиламиногруппу сопровождается отщеплением одного алкильного остатка с образованием N-моноалкильного производного.

Термическое дезалкилирование аминов I с образованием N-моноалкил-1-аминоантрахи-нонов (II) установлено английскими химиками при изучении взаимодействия 1-хлорантра-хинона с ациклическими диалкиламинами [3]. Детальное изучение процесса дезалкилирования аминов I проведено российскими химиками [4, 5], которые выяснили, что данный процесс идет через промежуточное образование антра [1,9 - de] - 1,3 - оксазинов.

Как показано в работе [4] и подтверждено нашими исследованиями, амины I с цикли-ческими диалкиламиногруппами (пиперидино-, морфолино-, пергидроазепино-группами) могут быть получены с хорошим выходом путем нагревания 1-хлорантрахинона с цикличес-кими диалкиламинами в пиридине или диметилсульфоксиде. Трудно дезалкилирующийся 1-диметиламиноантрахинон также гладко образуется при нагревании 1-хлорантрахинона с 33%-ным водным раствором диметиламина в пиридине при 100 ^оС.

В случае легко дезалкилирующихся аминов I наиболее подходящим способом полу-чения является замещение атома фтора в 1-фторантрахиноне на остаток соответствующего диалкиламина: реакция идет при температуре 50-100 ^оС и не сопровождается заметным дезалкилированием.

Альтернативным методом синтеза аминов I с ациклической третичной аминогруппой может служить N-алкилирование 1-аминоантрахинона и вторичных аминов II. По литератур-ным данным [6] 1-аминоантрахинон при нагревании с бензилхлоридом дает N-монобензильное производное (III). Детальное изучение этой реакции, проведенное нами, показывает, что соединение III способно к дальнейшему алкилированию по атому азота с образованием N, N-дибензил-1-аминоантрахинона (IV).

При нагревании (180 ^оС, 1 час) 1-аминоантрахинона с бензилхлоридом, взятым в избытке и выполняющим роль реагента и растворителя, нами получена смесь соединений III и IV, которые были выделены методом колоночной хроматографии на силикагеле с выходом 58% и 11% соответственно (наряду с 20% исходного 1-аминоантрахинона). Нами установлено, что дибензильное производное IV с увеличением времени реакции не накапливается в реакционной смеси в значительном количестве, а по мере образования подвергается дальней-шим превращениям. При достаточно большом времени реакции достигается (по данным ТСХ) практически полное расходование 1-аминоантрахинона, а также уменьшение количества N-бензил- и N, N-дибензилпроизводных.

Так, из реакционной смеси, полученной кипячением 1-аминоантрахинона в бензил-хлориде в течение 3 часов, соединения III и IV выделены с выходом 38% и 8% соответственно, несмотря на практически полное расходование 1-аминоантрахинона. Методом ТСХ в реакционной смеси обнаружен ряд других веществ, в том числе желтое вещество, обладающее интенсивной зеленой флуоресценцией в растворах в органических растворителях. Это вещество выделено и на основании аналитических и спектральных данных идентифицировано как 1-фенил-2-бензил-6-оксо-6Н-антра [1,9 - bc] пиррол (V).

Выход антрапиррола V в этих условиях проведения реакции невысок (10%), но он может быть повышен до 42%, если проводить реакцию в присутствии каталитического количества хлорида меди(I). Процесс образования антрапиррола V следует рассматривать как результат проявления пери-эффекта третичной аминогруппы, возникающей в ходе реакции N-бензилирования. Данный процесс аналогичен процессу внутримолекулярной циклизации 1-диалкил-аминоантрахинонов с замыканием пери-конденсированного пиррольного цикла, который был установлен ранее Денисовым В.Я., Фокиным Е.П. и Анишиной Л.Н. [7]. Эти исследователи изучали термолиз третичных 1-аминоантрахинонов с открытой и циклической диалкиламино-группой и показали, что замыкание пиррольного цикла происходит через промежуточное образование производных антра [1,9 - de] - 1,3 - оксазина и сужение 1,3 - оксазинового цикла до пиррольного.

По-видимому, аналогичную схему можно допустить для процесса образования антра-пиррола V из дибензильного производного IV.

Указанный выше путь реакции подтверждается обнаружением в реакционной смеси еще одного желтого флуоресцирующего вещества, которое в ходе хроматографического разделения продуктов реакции постепенно переходило в соединение III, представляющее собой вещество красного цвета, не обладающее флуоресценцией. Подобное поведение характерно для антра [1,9 - de] - 1,3 - оксазинов, являющихся промежуточными продуктами термического дезалкилирования 1-диалкиламиноантрахинонов: они легко разлагаются под действием кислорода и влаги воздуха с отщеплением одного алкильного остатка в виде альдегида и образованием моноалкиламинов II [4, 5]. Таким образом, полученные нами результаты свидетельствуют о неперспективности синтеза третичных аминов I путем N-алкилирования первичной или вторичной аминогруппы в б-положении ядра 9,10 - антрахинона, однако этим путем могут быть получены производные антра [1,9 - bc] пиррола, представляющие интерес как люминофоры. Нами установлено, что не только 1-бензиламиноантрахинон, но и другие моноалкиламины II способны реагировать с бензилхлоридом (или, лучше, бензилбромидом) с образованием соответствующих антрапирролов.

Cпецифическое влияние карбонильной группы антрахинона на реакционную способность первичной аминогруппы в ?-положении ядра (пери-эффект) проявляется в затруднении N, N-дизамещения, вследствие наличия ВВС между амино- и карбонильной группами. Третичная аминогруппа, находящаяся в положении ядра антрахинона, не имеет условий для образования ВВС, но способна взаимодействовать с пери-расположенной карбонильной группой за счет метиленового звена N-алкильной цепи.

Это приводит, как показано выше, к замыканию азотсодержащего гетероцикла. Изучение проявлений такого взаимодействия, выяснение его деталей и влияния на свойства аминопроизводных антрахинона представляет не только теоретический, но и практический интерес, так как открывает новые подходы к синтезу гетероциклических производных антрахинона. Пери-конденсированные гетероциклические производные антрахинона обычно получают циклизацией N-алкилированных 1-аминоантрахинонов, которые содержат в боковой цепи активную метиленовую группу.

Активирование последней достигается путем введения в боковую цепь электроноакцепторного заместителя. Установленый Денисовым В.Я., Фокиным Е.П. и Анишиной Л.Н. факт, что производные антра [1,9 - bc] пиррола образуются при термолизе 1-диалкиламиноантра-хинонов в пиридине и других полярных растворителях при температуре 200-250 ^оС без дополнительной активации метиленового звена алкильной группы, позволяет получать антрапирролы из 1-замещенных антрахинонов, содержащих в качестве заместителя остаток циклического амина (пиперидина, морфолина) либо диалкиламина с длинными алкильными цепями, что существенно расширяет синтетические возможности метода 1,9 - циклизаций.

Термолиз в пиридине (Т.кип. 115 ^оС) связан с необходимостью применения сосудов, работающих под давлением. Чтобы избежать этого, нами испытан в качестве среды реакции ряд высококипящих органических растворителей (ацетамид, глицерин, хинолин и др.). Найдено, что термолиз в высококипящих растворителях дает хороший выход целевых соединений и позволяет работать при обычном давлении.

Более того, все стадии синтеза антрапиррола из галогеноантрахинона (получение третичного аминоантрахинона, его гетероциклизацию) можно провести в одном реакционном сосуде. Например, путем нагревания смеси 1-хлорантрахинона и пиперидина в глицерине или хинолине при 100 ^оС и последующего термолиза получившегося третичного амина Id (без выделения из реакционной смеси) при более высокой температуре (230-250^о) может быть получен соответствующий антра [1,9 - bc] пиррол с выходом 40-60%.

Строение впервые синтезированных соединений устанавливали на основании аналитических и спектральных данных, строение описанных в литературе соединений - сравнением с заведомыми образцами. Контроль за протеканием реакций осуществляли методом тонкослойной хроматографии на пластинках Силуфол. Разделение смесей продуктов реакций осуществляли методом колоночной хроматографии на силикагеле КСК (элюенты - бензол, хлороформ или их смеси).

1-Диэтиламиноантрахинон (Ia). Смесь 1 г (4 ммол) 1-фторантрахинона и 20 мл (0.2 мол) диэтиламина кипятили 8 часов, выливали в 50 мл воды, осадок отделяли и экстрагировали из него целевой продукт реакции 8%-ной соляной кислотой. После нейтрализации солянокислого раствора, отделения осадка, промывки его водой и высушивания получили 0.81 г. (68%) вещества. Фиолетовые кристаллы, Т.пл. 98-99 ^оС (из гексана). По литературным данным [5] Т.пл. 99-99.5 ^оС.

1-Ди-н-бутиламиноантрахинон (Ib) получен, наряду с 1-н-бутиламиноантра-хиноном (IIb), нагреванием 1-хлорантрахинона с ди-н-бутиламином с последующим разделением продуктов реакции методом колоночной хроматографии на силикагеле (элюент - бензол). Выход амина Ib составил 9%; фиолетовые кристаллы, Т.пл. 45-47^о (из эфира). Выход амина IIb составил 57%; темно-красные иглы, Т.пл. 80-82 ^оС (из бензола). Характеристики обоих аминов соответствуют литературным данным [3, 8].

Путем нагревания 1-фторантрахинона с ди-н-бутиламином (4-6 часов при 100 ^оС) амин Ib может быть получен с выходом более 60%.

1-Диметиламиноантрахинон (Ic). Смесь 2 г (8 ммол) 1-хлорантрахинона, 15 мл (0.11 мол) 33%-ного раствора диметиламина и 30 мл пиридина нагревали в стальной бомбе при температуре 100^о в течение 8 часов, выливали в 100 мл воды, осадок отфильтровывали и экстрагировали из него целевой продукт реакции 8%-ной соляной кислотой (100 мл). Получили 1.7 г. (74%) вещества. Красные иглы, Т.пл. 137-138 ^оС (из этанола). По литературным данным [9] Т.пл. 138 ^оС.

1-Пиперидиноантрахинон (Id). Смесь 5 г (21 ммол) 1-хлорантрахинона, 5 мл (50 ммол) пипе-ридина и 20 мл ДМСО нагревали 4 часа при 100 ^оС, выливали в 200 мл воды, оставляли на ночь, вы-павший осадок отфильтровывали, промывали водой, сушили. Выход 4.5 г. (75%). Красные кристаллы, Т.пл. 119-120 ^оС (из метанола). По литературным данным [4] Т.пл. 120 ^оС.

1-Морфолиноантрахинон (If). Смесь 5 г (21 ммол) 1-хлорантрахинона, 25 мл (0.25 мол) морфолина и 70 мл пиридина нагревали 8 часов при 70^о, выливали в 200 мл воды, осадок отделяли и экстрагировали целевой продукт реакции 8-ной соляной кислотой. Получили 3.7 г. (62%) вещества. Темно-красные пластинки, Т.пл. 151-152 ^оС (из этанола). По литературным даны [4] Т.пл. 152 ^оС.

Взаимодействие 1-аминоантрахинона с бензилхлоридом.

А. Смесь 1 г (4.5 ммол) 1-аминоантрахинона и 10 мл (90 ммол) бензилхлорида кипятили 1 час, охлаждали и хроматографировали на колонке, наполненной силикагелем, промывая колонку вначале смесью бензола и гексана (1:1), затем бензолом и под конец смесью бензола и хлороформа (1:1). Из первой красной зоны выделяли соединение IV (выход 11%), из второй красной зоны - соединение III (выход 58%), из малоподвижной оранжевой зоны - непрореагировавший 1-аминоантрахинон (выход 20%). Выделенные вещества идентифицировали сравнением с заведомыми образцами.

Б. Смесь 1 г (4.5 ммол) 1-аминоантрахинона и 10 мл (90 ммол) бензилхлорида кипятили в течение 3 часов. Полученную реакционную смесь разделяли методом колоночной хроматографии, как описано выше. Из подвижных красных зон выделили амин IV (выход 8%), амин III (выход 38%), из малоподвижной желтой зоны выделяли 1-фенил-2-бензил-6-оксо-6Н-антра [1,9 - bc] пиррол (V); вы-ход 0.17 г. (10%). Желто-коричневые кристаллы, Т.пл. 219-221 ^оС (из толуола, затем из этанола). Найдено%: С 87.22; Н 5.19; №3.67. C₂₈H₁₉ON. Вычислено%: С 87.27; Н 4.93; №3.63. ИК спектр (в KBr), см^-1: 2860-2920 (СН₂), 1620 (С=О).

В. Смесь 1 г (4.5 ммол) 1-аминоантрахинона, 10 мл (90 ммол) бензилхлорида и 0.1 г. (1 ммол) хлорида меди(I) кипятили 3 часа. Реакционную смесь хроматографировали, как описано выше. Из малоподвижной желтой зоны выделили 0.7 г. (42%) антрапиррола V. Регистрировали также наличие подвижной желтой зоны, которая по мере хроматографирования приобретала красный цвет; после упаривания собранного элюата получили соединение III.

Взаимодействие амина III с бензилбромидом. Смесь 0.5 г. (2 ммол) амина III, 1.5 мл (12 ммол) бензилбромида, 0.02 г. (0.14 ммол) бромида меди(I) и 10 мл хинолина кипятили (240^о) в течение 30 мин. Реакционную смесь после охлаждения выливали в 100 мл 10%-ной соляной кислоты, образовавшийся осадок отфильтровывали, промывали водой, сушили и хроматографировали на колонке, наполненной силикагелем (элюент - смесь бензола и хлороформа, 1:1). Из основной желтой зоны выделяли антрапиррол V. Выход 0.44 г. (60%).

Термолиз 1-пиперидиноантрахинона.

А. Смесь 0.5 г. (1.7 ммол) 1-пиперидиноантрахинона, 20 мл хинолина, 5 мл (0.06 мол) трет-бутанола и 0.5 г. (8.9 ммол) гидроксида калия нагревали 1 час при 120 ^оС с отгонкой воды и избыточ-ного спирта из реакционной смеси. После этого нагревали смесь до кипения (240 ^оС), кипятили в течение 4 часов, охлаждали, выливали в 200 мл 10%-ной соляной кислоты, осадок отфильтровывали, промывали водой, сушили и хроматографировали на колонке, наполненной силикагелем (элюент - хлороформ). Из основной желтой зоны выделяли 9-оксо - 1,2,3,4 - тетрагидро-9Н-антра [1,9 - bc] пири-до [2,1 - е] пиррол (VI). Выход 0.21 г. (44%). Желтые иглы, Т.пл. 218-220 ^оС (из бензола). По литературным данным [7] Т.пл. 218.5-220.5 ^оС.

Б. Смесь 0.5 г. (2 ммол) 1-хлорантрахинона, 0.5 мл (6 ммол) пиперидина и 10 мл хинолина нагревали 1 час при 140 ^оС в колбе, снабженной обратным холодильником. После этого. добавляли к смеси 0.5 г. (8.9 ммол) гидроксида калия в 5 мл (0.06 мол) трет-бутанола, обратный холодильник заменяли прямым и нагревали 2 часа при 120 ^оС с отгонкой воды и избыточного трет-бутанола из реакционной смеси. Меняли прямой холодильник на обратный, кипятили смесь в течение 3 часов, охлаждали, выливали в 30 мл 10%-ной соляной кислоты, осадок отфильтровывали, промывали водой, сушили. Фильтрат экстрагировали хлороформом, растворяли в экстракте полученный осадок и хроматографировали на колонке, наполненной силикагелем (элюент - хлороформ). Получили 0.22 г. (40%) антрапиррола VI.

Литература

аминоантрахинон нуклеофильный атом галоген

[1] Денисов В.Я., Грищенкова Т.Н., Лузгарев С.В., Попов С.Ю. Производные 9,10 - антрахинона в тонком органическом синтезе. Бутлеровские сообщения. 2006. Т.9. №5. С. 16-20.

[2] Горелик М.В. Химия антрахинонов и их производных. М.: Xимия. 1983. 296 с.

[3] Bradley W., Maisey F. Elimination of N-substituens from derivatives of 1-aminoanthraquinones. J. Cem. Soc. 1954. No.1. P.247-252.

[4] Фокин Е.П., Русских В.В. N - (антрахинонил-1)-щ-аминоалифатические альдегиды и кетоны из 1-полиметилениминоантрахинонов. ЖОрХ. 1966. Т.2. Вып.5. С. 907-911.

[5] Фокин Е.П., Русских В.В. Новая внутримолекулярная перегруппировка 1-диалкил-амино- и 1-полиметилениминоантрахинонов в антра [1,9 - de] - 1,3 - оксазины. ЖОрХ. 1966. Т.2. Вып.5. С. 912-916.

[6] E. Josephy, F. Radt. Elseviers Encyclopaedia of organic chemistry. N.Y.-Amsterdam: Elsevier. 1946. Vol.13. No.3. P.444-466.

[7] Денисов В.Я., Фокин Е.П., Анишина Л.Н. Термолиз 1-диалкиламиноантрахинонов - новый путь синтеза производных антра [1,9 - bc] пиррола. Хим. гетероциклич. соедин. 1975. №10. С. 1360-1363.

[8] Фокин Е.П., Андриевская О.И., Русских В.В. Изв. Сиб. Отд. АН СССР. 1962. №7. С. 103.

[9] Bayer O. 9.10-Anhrachinone, 10-Anthrone und 1,9 - Cyclo-anthrone - (10). Methoden der organischen Chemie (Houben-Weil). Stuttgart: Thieme Verlag. 1979. Bd.VII/3c. Teil 3. P.183-184.

Размещено на Allbest.ru