Синтез замещенных пирролов
Федеральное агентство по образованию
Московская государственная академия
тонкой химической технологии
им. М. В. Ломоносова
Факультет: Биотехнологии и органического синтеза
Специальность: 250700 «Технология кинофотоматериалов и магнитных носителей»
Кафедра: Химии и технологии биологически активных
соединений им. Н. А. Преображенского
Квалификационная работа специалиста
Тема.
Москва 2006 г.
Содержание
Введение…………………………………………………………………...3-4 стр.
Литературный обзор
1. Классические методы синтеза замещенных пирролов….…………...5-6 стр.
2. Новые методы синтеза замещенных пирролов…….………...……..7-17 стр.
3. Реакции замещенных пирролов…………………………………….17-26 стр.
Обсуждение результатов………………………………………………..27-41стр.
Экспериментальная часть……………………………………………...42-48 стр.
Охрана труда……………………………………………………………49-64 стр.
Промышленная экология………………………………………………65-68 стр.
Экономическая часть…………………………………………………...69-76 стр.
Патентные исследования………………………………………………77-79 стр.
Выводы……………………………………………………………………..80 стр.
Список литературы……………………………………………………..81-83 стр.
Пятичленные гетероциклические структуры, такие как пиррол, а также сопряженные молекулы, содержащие пиррольные фрагменты потенциально важны в качестве оптических электроактивных материалов. Два класса таких материалов активно изучаются: фотолюминесцентные гетероциклические соединения, как призводные бензохинолина, бензоксазола, оксодиазола и фталоцианина, которые проявляют высокую фотолюминесцентную активность в растворах [1,2]; и фотопроводники и электролюминесцентные соединения для электролюминесцентных устройств, большинство из которых являются гетероциклическими соединениями [3]. Присутствие гетероатома в молекуле обеспечивает инжектирование и транспорт электронов или дырок, что необходимо при создании материалов с электроактивными слоями. Пиррольная структура является примером таких молекул. Если молекула содержит два связанных кольца, то наблюдается высокая степень планарности и в результате приводит к улучшению оптических и электронных свойств.
Хорошо известны и изучены дикетопирролпиррольные структуры (DPP), которые являются примером сопряженных молекул с двумя связанными кольцами[4]. Они нашли применение в качестве красного пигмента в промышленности, в частности составляющей красной автомобильной краски[5], газового сенсора для определения водорода [6], флюоресцентных индикаторов для определения концентрации внутриклеточного Ca2+ [7].
Сопряженные пирролы также являются исходными соединениями в синтезе высоко сопряженных порфиринов. Порфириновые ядра, содержащие дополнительные гетероароматические или гетероциклические фрагменты поглощают в более длинноволновой области спектра, чем незамещенные порфирины[8]. Возможны два подхода к синтезу конденсированных пирролов и, в частности, пирролотиазолов – образование на основе пиррола тиазольного гетероцикла и другой – построение пиррольного гетероцикла на основе тиазола. Последний подход широко используется для получения расширенных пирролов, интермедиата в синтезе порфиринов. В новой работе Лаша [9] расширенные пирролы получали реакцией Бартона-Зарда. Японские химики опубликовали работу, где описан синтез пирролобензотиазолов [10]. Попытка синтезировать тиазолопирролы по Бартону-Зарду была неудачна [11].
Таким образом, конденсированные системы на основе пиррола являются потенциально важными соединениями, однако, методы их синтеза плохо разработаны и актуальной задачей является разработка новых подходов к их синтезу.
Для синтеза пиррольных интермедиатов существует большое количество методов широко представленных в обзорах [12]. В данной работе мы рассмотрим некоторые классические и новые методы синтеза замещенных пирролов, а также их реакции.
2.1. Классические методы синтеза замещенных пирролов.
Синтез Кнорра наиболее общий и широко используемый метод получения пирролов, где происходит образование связей C-N и C-C в результате реакции аминогруппы и метиленовой группы с карбонильной [13]. Он заключается в конденсации a-аминокетонов и a-амино-b-кетоэфиров с кетонами или кетоэфирами в присутствии уксусной кислоты и реже щелочи. Реакции обычно протекают с хорошим выходом. a-Аминокетоны получают восстановлением цинком в уксусной кислоте из предварительно полученных изонитрозо-b-кетоэфиров или изонитрозо-b-дикетонов[14,15].
Не менее интересной и важной является реакция взаимодействия 1,4-дикарбонильных соединений с аммиаком по Паалю-Кнорру [16,17]. Это конденсация, при которой в готовый углеродный скелет вводится атом азота при помощи аммиака или аминов. Механизм реакции, очевидно, включает нуклеофильное присоединение аммиака к двум карбонильным атомам углерода и последующее отщепление воды [18].
Отмечено также, что реакция может протекать с ацетатом аммония с хорошим выходом (~70%), причем, чем более электроноакцепторные заместители в 1,4-дикетоне, тем в более жестких условиях протекает реакция [19].
К этой же группе реакций можно отнести получение пирролов по Ганчу из a-галогенкетонов, b-кетоэфиров и аммиака [20].
Согласно предложенному механизму, сначала происходит образование С-С связи и возникает g-дикетон, который далее реагирует с амином. К реакциям этой группы относится также взаимодействие аммиака и аминов с полиокси- и полигалоидными соединениями [21].
2.2 Новые методы синтеза замещенных пирролов.
Новой модификацией метода Пааля-Кнорра является синтез замещенных пирролов (2) с использованием нитрата висмута, как катализатора. Это реакция 2,5-дикетонов(1) и основных ароматических аминов в присутствии 5% раствора нитрата висмута в дихлорметане. Мягкие условия и высокие выходы (~80%) продуктов отличительная особенность данного синтеза.
Для доказательства важности нитрата висмута в роли катализатора использовали и другие его соли. Однако положительных результатов не было получено. С разными выходами реакция может протекать и при замене 2,5-дикетона на ди- или монозамещенные дикетоны [22].
В реакции Клауса-Касса замещенные пирролы получают мягким гидролизом 2,5-диметокситетрагидрофурана (3), в результате чего образуется 2,5-дигидрокситетрагирофуран, который в ацетатном буферном растворе при комнатной температуре реагирует с первичными аминами дает N-замещенные пирролы (4) с высокими выходами и чистотой (~89-94%). При проведении реакции в жестких условиях, то есть при высоких температурах и сильнокислотных условиях, происходит разрушение структуры пиррола [23].
Другим возможным вариантом получения замещенных пирролов (7) с использованием катализатора стала реакция алкинов, содержащих легкоуходящие группы (EWG1) (5) c изоцианидами, имеющими объемные заместители (EWG2) (6). Катализатором служат фосфорорганические соединения. Протекают реакции с хорошим выходом (~60%) .
R=Me, Ph, t-Bu, CO2Et.
EWG1=CO2Et, CN.
EWG2= CO2Bu, CONEt2, P(O)(OEt)2
Dppp-1,3-бис(дифенилфосфино)пропан.
Предложенный механизм реакции предполагает нуклеофильное присоединение фосфорорганического катализатора к замещенному алкину с образованием промежуточного продукта. От изоцианида отрывается кислый протон с образованием карбаниона, который атакует атом углерода интермедиата со стороны EWG1 группы и образуется новый анионный центр. Далее происходит [3+2] циклоприсоединение и в итоге получается конечный продукт пиррол [24].
Данный способ нашел применение для синтеза муравьиного ферромона.
Также замещенные пирролы можно получить при взаимодействии гомохиральных первичных аминов (9), аминоспиртов и a-аминоэфиров с 2-пропенил-1,3-дикарбонильными соединениями (8) на золотом катализаторе. Выходы полученных продуктов, а именно 1,2,5-тризамещенных-3-ацилпирролов (10) очень высоки (~95%)
Реакция первичных аминов с 2-пропенил-1,3-дикарбонилом дает производные енамина, который подвергается региоселективному циклоаминированию в пиррол под действием NaAuCl4*5H2O катализатора. Предположительно это происходит путем антиприсоединения атома азота и частично золота по 5 положению, образуя ацетиленовую связь, винилауратного типа. Последующие протолиз связи Csp2---Au и реакция изомеризации дают замещенные пирролы [25].
Использование мягких реакционных условий при проведении реакции с 2-пропенил-1,3-дикарбонильными соединениями позволяет избежать рацемизации.
Регио- и хемоселективность взаимодействия с ацетиленовыми связями одна из интересных особенностей катализатора на основе Au (III). Несмотря на различные металлические соли, успешно катализирующие реакции внутримолекулярного присоединения аминов к кетонам, ²золотой² катализатор, как показано, обладает большей активностью в таких конденсациях.
Система, включающая TiCl4 и t-BuNH2, действует как катализатор для региоселективных реакций гидроаминирования алкинов. Гидразины в этих условиях дают гидразоны, перегруппировывающиеся в производные индола (~76%).
Реакции гидроаминирования несимметрично замещенных алкинов происходят с высокой региоселективностью.
Пирролы (11) получаются при реакции производных анилина и 1,3-диинов под действием TiCl4 и t-BuNH2 при 105º (~30%), в результате аминирования тройных связей [26].
Циклизация α-аминоалленов (12), катализируемая палладием позволяет получить пирролы (13). Реакция протекает с высоким выходом (~55%). Большое значение в этом методе придается условиям реакции, потому что также могут получаться пирролины [27].
Мартин Рейсер и Герхард Маас предложили следующий способ получения пирролов из енаминкетонов (14) [28]. 1-Диалкиламино-1,3-диарил-3-дифенилфосфанилаллены (15), как промежуточные соединения, термически превращаются в 3,5-диарилпирролы (16). Эти превращения, вероятно, заключаются в том, что сопряженные азометиновые илидные интермедиаты подвергаются или 1,5- или 1,7-циклизации. Реакция происходит в три или четыре шага, таким образом, обеспечивается простой синтеза 3,5-диарилпирролов из енаминкетонов. Выход продукта составляет ~60%.
Общий и региоселективный синтез замещенных пирролов (18) путем циклоизомеризации легко осуществить из (Z)-(2-ен-4-винил)аминов (17) (~65%). Происходит произвольная циклоизомеризация и далее присоединение к тройной связи, после чего енамины становятся более стабильными и изомеризуются в соответствующие пирролы при действии металического катализатора[29]. CuCl2 - лучший катализатор для реагентов этой реакции, замещенных по третичному атому углерода. Использование в качестве катализатора производных палладия PdX2 c KX (X = Cl, I) оказалось не эффективным.
