CC BY
27
Раздел 02.00.13
УДК 547.553/.554 + 670.197
Нефтехимия
DOI: 10.17122/bcj-2020-2-47-50
Р. Р. Даминев (д.т.н., проф.) В. М. Шарафутдинов (к.х.н., с.н.с.) А. И. Мусин (асп.) И. Б. Абдрахманов (д.х.н., проф.) 2
СИНТЕЗ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ НА ОСНОВЕ ПИПЕРИЛЕНА
1 Уфимский государственный нефтяной технический университет, филиал в г. Стерлитамак 453118, г. Стерлитамак, пр. Октября, 2; тел. (3473) 242512, e-mail: [email protected]
2 Уфимский институт химии УФИЦ РАН, лаборатория фармакофорных циклических систем
450054, г. Уфа, пр. Октября, 71; тел. (347) 2353815, e-mail: [email protected]
R. R. Daminev V. M. Sharafutdinov A. I. Musin I. B. Abdrakhmanov 2
SYNTHESIS OF NITROGEN-CONTAINING HETEROCYCLIC COMPOUNDS BASED ON PIPERYLENE
1 Ufa State Petroleum Technological University 2, Prospekt Oktyabrya Str, 453118, Sterlitamak, Russia; ph. (3473) 242512, e-mail: [email protected] 2 Ufa Institute of Chemistry of Ufa Federal Research Centre of RAS 71, Prospekt Oktyabrya Str, 450054, Ufa, Russia; ph. (347) 2353815, e-mail: [email protected]
Прямое алкенилирование анилина и его гомологов пипериленом приводит к С-алкенилирован-ным ароматическим аминам, которые гетеро-циклизуются в производные индола и хинолина. Процесс циклизации может протекать под действием полифосфорной кислоты, металлокомплексных катализаторов или УФ-облучения. В зависимости от условий состав и выход продуктов колеблются в широких пределах. Наличие ацетильной группы при атоме азота исключает гетероциклизацию, а Ы-этильный радикал, наоборот, облегчает процесс и направляет реакцию в сторону образования исключительно индольного производного.
Ключевые слова: анилин; гетероциклизация; индолы; пиперилен; хинолины.
Химия азотсодержащих гетероциклических соединений является одним из важнейших разделов синтетической органической химии. В последние годы увеличился интерес к синтезу бензоконденсированных азотсодержащих гетероциклов Для синтеза гетероциклических соединений индольного или хинолинового ряда часто применяются производные Ы- или С-алкениланилинов, которые, в свою очередь, получаются алкенилированием ароматических
2 3
аминов сопряженными диенами .
Прямое алкенилирование анилина и его гомологов пипериленом приводит к их С-алке-нильным производным. Наиболее эффектив-
Дата поступления 20.04.20
Direct alkenylation of aniline and its homologs with piperylene leads to C-alkenylatedaryl amines, which cyclize to derivatives of indole and quinoline. The cyclization process can occur under the action of polyphosphoric acid, metal complex catalysts or UV radiation. Depending on the conditions, the composition and yield of products vary widely. The presence of an acetyl group at the nitrogen atom excludes heterocyclization, while the N-ethyl radical, on the contrary, facilitates the process and directs the reaction towards the formation of an exclusively indole derivative.
Key words: aniline; heterocyclization; indoles; piperylene; quinolines.
ным катализатором является AlCl3. Хорошие результаты получены также при использовании катализаторов катионита КУ-2 и полифосфорной кислотой (ПФК) (схема 1) 3.
В результате дальнейших исследований нами установлено, что полученные алкенила-нилины циклизуются в производные индола и хинолина в различных условиях. Например, 2-(1-метил-2-бутенил)анилин 2 в присутствии ПФК образует два продукта — 2-метил-2-эти-линдолин 6 и 4,4-диметил-1-аминоиндан 7. При этом происходит изомеризация алкениль-ного радикала (схема 2).
На соотношение и выход продуктов значительное влияние оказывают условия проведения реакции: температура, состав ПФК, со-
Схема 1.
ПФК
Схема 2.
отношение амин:ПФК. При относительно низких температурах (100—120 оС) в реакционной смеси преобладает аминоиндан 7, повышение температуры способствует образованию индо-лина 6 (табл. 1).
Таблица 1
Зависимость выхода и состава продуктов циклизации от температуры
т, Время, Состав реакционной смеси, %
о с ч Индолин 6 Аминоиндан 7 Анилин
100 10 16 65 19
120 10 22 62 16
135 2 20 61 19
140 2 41 36 22
150 2 60 23 16
Примечание. Н3Р04:Р205 = 2:1 (масс.), 2:ПФК = 1:10 (масс.).
С повышением доли фосфорного ангидрида и, соответственно, снижением доли фосфорной кислоты в ПФК происходит увеличение выхода аминоиндана 7 (табл. 2).
Таблица 2 Зависимость выхода и соотношения продуктов циклизации 2 от состава ПФК
Н3РО4 : Р2О5, Состав продуктов, %
по массе Индолин 6 Аминоиндан 7 Анилин
5 1 61 19 20
5 2 59 22 19
5 3 66 31 3
5 4 60 37 3
1 1 52 48 2
5 6 30 48 22
Примечание. 2:ПФК = 1:10 (масс.). Условия реакции: 150 оС, время 2ч.
Из условий проведения циклизации наиболее удобным для изменения состава продук-
тов реакции является варьирование соотношения оршо-алкениланилина 2 и ПФК. Если при большом избытке циклизующено агента образуется в основном аминоиндан 7, то при сопоставимых количествах исходного соединения и ПФК происходит образование преимущественно индолина 6, выход которого достигает 60% (табл. 3) 3.
Таблица 3
Зависимость выхода и состава продуктов циклизации от соотношения алкениланилина 2 и ПФК
Амин:ПФК (по массе) Время, ч Состав продукта, %
Индолин 6 Аминоиндан 7 Анилин
1 : 2 6.5 60 20 20
1 : 5 4 42 26 32
1 : 10 1.5 30 48 22
1 : 15 1.5 25 54 21
1 : 20 1.5 20 60 20
Примечание. Н3Р04:Р205 = 5 : 6 (масс.). Условия реакции: 150 оС.
Перспективным направлением циклизации алкенилариламинов является использование в качестве катализаторов различных комплексов металлов. В большинстве случаев применяют галогениды, ацетаты и ацетилацетона-ты Ра и N1 4
Внутримолекулярная циклизация амина 2 в присутствии стехиометрического количества РаС12(С6Н5СЮ2 приводит к 2,4-диметилхино-лину 8 (схема 3) 3.
рас12(с6н5см)2
ын2 2
Схема 3.
1
2
4
3
5
6
2
7
К недостаткам этого метода следует отнести низкий выход циклических продуктов, а также использование большого количества катализатора. Нами установлено, что нагревание при 170 оС амина 2 в растворе нитробензола в присутствии каталитических количеств Р^12 приводит с общим выходом 68% к образованию хинолина 8 и 3-метил-2-этилиндола 9 (схема 4).
При проведении реакции в среде ДМСО, ДМФА, ТГФ или бензонитрила образуется многокомпонентная смесь соединений, причем выходы продуктов 8 и 9 значительно ниже.
Температура, при которой проводится циклизация, в интервале 140—200 оС практически не сказывается на общем выходе и соотношении продуктов.
Наиболее существенное влияние на состав продуктов циклизации оказывает количество используемого катализатора РёС12, с уменьшением которого резко возрастает доля индола 9, достигая 78% при соотношении 2:РёС12, равном 100:1.
Наличие К-ацетильной группы у 2-(1-ме-тил-2-бутенил )анилина исключает циклизацию, а при К-этильном радикале процесс идет в сторону индольного производного. Циклизация 2,6-ди-(1-метил-2-бутенил)анилина 10 под
рао,
ын2 2
действием РёС12(ДМСО)ге дает исключительно гетероциклическое соединение 11 (схема 5).
Гетероциклизацию алкенил анилинов, полученных на основе пиперилена, можно осуществить и под действием УФ-облучения. Например, УФ-облучение К-этил-2-(1-метил-2-бутенил)анилина 12 в отсутствии кислорода приводит к 3-метил-1,2-диэтилиндолину 13. При подаче в реактор кислорода происходит фотолитическое дегидрирование индолина 13 с образованием индола 14 (схема 6).
Природа растворителя и материал реактора не оказывают существенного влияния на выход продуктов циклизации.
Таблица 4
Зависимость выхода индолина от природы растворителя и материала реактора
Растворитель Кварц Пирекс
конверсия, % выход, % конверсия, % выход, %
Бензол 77 72 72 68
Метанол 86 73 75 62
Циклогексан 92 85 76 71
Гексан 94 83 - -
Таким образом, замещенные ариламины, полученные алкенилированием ароматических аминов пипериленом, циклизуются в одну стадию под действием катализаторов или УФ-об-
+
I
Схема 4.
Схема 5.
10
11
Б1
12
N
13
О2
N I
14
Схема 6.
8
9
лучения в производные индола или хинолина. Строение полученных соединений установлено спектральными методами.
Экспериментальная часть
Спектры ЯМР *Н и С регистрировали на приборе «BrukerAM 300» с рабочей частотой 300 и 75 МГц в CCl4 (внутренний стандарт ТМС), ИК-спектры на приборе UR-20.
Методика циклизации аминов с полифосфорной кислотой.
К 10—30 г ПФК при перемешивании и температуре 25 оС добавляли по каплям 1—5 г аминов 2 или 10. Смесь перемешивали 2—4 ч при температуре 100—150 оС. После охлаждения смесь разбавляли водой, нейтрализовали раствором щелочи и экстрагировали эфиром. Экстракт сушили над KOH, эфир отгоняли, продукты выделяли перегонкой в вакууме или хроматографированием на колонке с Al2O3.
2-Метил-2-этилиндолин (6). nD20 1.5478. ИК-спектр (v, см-1): 3380., (NH), 1610 (Ar). Спектр ЯМР *Н, 5, м.д.(/, Гц): 0.80 т (3Н, СН3, J = 8), 1.12 с (3Н, СН3), 1.41 кв (2Н, СН2, J = 8.3, 12.5), 2.68 с (2Н, Аг-СН2), 3.26 с (1Н, СН), 6.25-7.02 м (4Н, Ar). Спектр ЯМР 13С, 5, м.д.: 115.8 (С1), 128.1 (С2), 127.4 (С3), 124.9 (С5); 117.9 (С4),109.0 (С6), 64.08 (N—C), 42.33 (СН2), 35.08 (СН2), 22.99 (Ме), 9.70 (Ме).
4,4-Диметил-1-аминоиндан (7). nD20 1,5970. ИК-спектр (v, см-1): 3460, 3380 (NH2),
Литература
1. Bizhanova G.G., Suponitsky K.Yu., Vakhitova Yu.V., Gataullin R.R. New atropoisomeric alkenylphenylglycine derivatives: Synthesis of (5R*)- and (5S*)-isomers of (1R*,3aR*,45*, 11S*)-3a,5,9,11-tetramethyl-4,5-dihydro-3aH-1,4-methano[ 1,3 ]oxazolo[3, 2-a]quinolin-2-one // Tetrahedron.- 2017.- V.73, №2.- Pp.109-115.
2. Гатауллин Р.Р., Кажанова Т.В., Сагитдинов И.А., Галяутдинова A.A., Фатыхов A.A., Спи-рихин Л.В., Aбдрахманов И.Б. Aлкенилирова-ние анилинов дициклопентадиеном, циклопен-тадиеном и пипериленом // ЖПХ.- 2001.-Т.74, №2.- С.274-280.
3. Aбдрахманов И.Б., Мустафин A.r., Шарафутди-нов В.М. Перегруппировка Кляйзена в ряду ароматических аминов.- Уфа: Гилем, 2014.- 168 с.
4. Цудзи Д. Органические синтезы с участием комплексов переходных металлов.- М.: Химия, 1979.- 256 с.
5. Гатауллин Р. Р. Получение гетероциклических соединений из N- и С-алкениланилинов // Вестник СПбГУ. Физика и химия.- 2014.-Т.1(59), №1.- С.51-70.
1620 (Аг). Спектр ЯМР *Н, 5, м.д.(/, Гц): 1,16 с (6Н, 2СН3), 1,83 т (2Н, СН2, J = 8.1), 2.53 т (2Н, Аг—СН2, J = 9.4), 3.25 с (2Н, NH2), 6.606.77 м (3Н, Аг).
Методика циклизации аминов 2, 10. В пальчиковый автоклав (V = 17 см3) помещали 6.2 ммоль амина 2 или 10, 0.62 ммоль PdCl2, добавляли 10 мл нитробензола, продували аргоном и термостатировали при 150 оС 4 ч. После охлаждения смесь фильтровали через слой Al2O3, элюируя бензолом. Бензол отгоняли, нитробензол удаляли перегонкой в вакууме. Продукты выделяли хроматографиро-ванием на колонке Al2O3.
2,4-Диметилхинолин (8). Ткип. 110 оС (2 мм), nD20 1,6030. ИК-спектр (v, см-1): 1600 (Аг), 3040, 3070. Спектр ЯМР 1Н, 5, м.д.СЛ Гц): 2,24 с (3Н, СН3), 2,42 с (3Н, СН3), 6,66 с (1Н, СН), 7.30-7.8 м (4Н, 4CH).
3-Метил-1,2-диэтилиндол (14). В кварцевый реактор помещали 0.7 г амина 12 в 50 мл бензола. Облучали лампой ДРТ-375 в течение 1 ч, одновременно пропуская воздух через реактор. Растворитель отгоняли, продукт выделяли колоночной хроматографией, элюент бензол:пентан 1:4. ИК-спектр (v, см-1); 750, 1500, 1610. Спектр ЯМР 1Н, 5, м.д.СЛ Гц): 1.11 т (3Н, СН3, J = 8.2), 1.21 т (3Н, СН3, J = 6.7), 2.22 с (3Н, СН3); 2.66 кв (2Н, СН2, J = 7.3, 13.2); 3.96 кв (2Н, СН2, J = 8.1, 9.2); 6,75-7,48 м (4Н, Аг).
References
1. Bizhanova G.G., Suponitsky K.Yu., Vakhitova Yu.V., Gataullin R.R. [New atropoisomeric alkenylphenylglycine derivatives: Synthesis of (5R*)- and (5S*)-isome^ of (1R*,3aR*,4S*, 11S*)-3a,5,9,11-tetгamethyl-4,5-dihydгo-3aH-1,4-methano[ 1,3]oxazolo[3,2-a]quinolin-2-one]. Tetrahedron, 2017, vol.73, no.2, pp.109-115.
2. Gataullin R.R., Kazhanova T.V., Sagitdinov I.A., Galyautdinova A.A., Fatyhov A.A., Spirihin L.V., Abdгahmanov I.B. [ Alkenylation of Anilines with Dicyclopentadiene, Cyclopentadiene, and Pipe^lene]. Russian Journal of Applied Chemistry, 2001, vol.74. no.2, pp.280-285.
3. Abdrahmanov I.B., Mustafin A.G., Sharafutdinov V.M. Peregruppirovka Klyajzena v ryadu aroma-ticheskih aminov [Kleisen rearcangement in a series of aromatic amines]. Ufa, Gilem Publ., 2014, 168 р.
4. Cudzi D. Organicheskie sintezy s uchastiem kompleksov perehodnykh metallov [OTganic syntheses involving transition metal complexes]. Moscow, Khimiya Publ., 1979, 256 p.
5. Gataullin R.R. Poluchenie geterociklicheskikh soe-dinenii iz N- i C-alkenilanilinov [Obtaining heterocyclic compounds from N- and C-alkenylanilines]. Vestnik SPbSU. Physics and Chemistry, 2014, vol.1(59), no. 1, pp.51-70.
