Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия нитропроизводных пиридина. Монография
.pdf
В опытах по нитрованию N,N'-дифенил-2,6-диамино-3-нитропиридина 5-7 кратным избытком азотной кислоты в 95% H2SO4
в продуктах реакции неизменно присутствует N-пикрил-N'-динитрофенил-2,6-диамино-3,5-динитропиридин. Нитрование этого соединения, по-видимому, лимитирует скорость всего процесса получения
VIII из N,N'-дифенил-2,6-диамино-3-нитропиридина. В пользу этого
предположения говорят также данные наших исследований по
определению реакционной способности N,N'-дифенил-2,6-диамино3-нитропиридина, нитрование которого осуществляется в значительно
более мягких условиях [58]. Кроме того, если учесть, что при
нитровании N-фенил-2-аминопиридина до N-пикрил-2-амино-
3,5-динитропиридина самой медленной является стадия нитрования
N-динитрофенил-2-амино-3,5-динитропиридина, то высказанное пред-
положение о лимитирующей стадии нитрования N,N'-дифенил-2,6-диамино-3-нитропиридина представляется вполне обоснованным.
Факт взаимодействия Х с серной кислотой с образованием
сульфокислоты, а также выявление лимитирующей стадии нитрования
при получении VIII, использовались нами при разработке рационального метода синтеза VIII.
Известная методика нитрования N,N'-дифенил-2,6-диамино-
3-нитропиридина в 95% серной кислоте обеспечивала 70-75% выход
VIII [57]. Остальная часть N,N'-дифенил-2,6-диамино-3-нитро-
пиридина расходовалась в виде сульфокислот. В связи с этим
повышению выхода VIII должно способствовать снижение доли
реакции сульфирования, что может быть достигнуто применением
H2SO4 меньшей концентрации. Нижний предел концентрации серной
кислоты определяется растворимостью исходного продукта.
Спектрофотометрическое изучение возможности взаимодействия N,N'-
дифенил-2,6-диамино-3-нитропиридина с серной кислотой и
41
Синтез и свойства нитропроизводных N,N'-дифенил-2,6-диамино-3-нитропиридина
Нитрование
Продукт реакции
Встречный синтез
Схема
Выход,
%
Т.пл.,
С
R
f
*
Формула
Выход,
%
Схема
N NH PhHNPh
NO
2
2HNO3,
H2SO
4
25 C
o
85-86
247-248
0,06
NHO
2
N
NO
2
N
NH
NO
2
25-30
NCl Cl
NO
2
+
NH
2
NO
2
180 C
o
2 час.
N NH P hHNPh
NO
2
3HNO3,
H2SO
4
25 C
o
10
212
0,11
NH
NO
2
N
NH
NO
2
NO
2
следы
NCl Cl
NO
2
+
NH
2
NO
2
180 C
o
2 час.
N NH P hHNPh
NO
2
4HNO
3
,
H2SO
4
25 C
o
76
209-210
0,17
N
H
NO
2
O2N
N
N
H
NO
2
NO
2
NO
2
NCl Cl
NO
2
+
NH
2
NO
2
NO
2
25 C, 10 сут.
o
ДМФА, кон.
N
H
NO
2
O2N
NO
2
N
N
H
NO
2
NO
2
1HNO3,
H2SO
4
25 C
o
95
232
0,12
N
H
NO
2
O2N
NO
2
N
N
H
NO
2
NO
2
NO
2
-
-
N
H
NO
2
O2N
NO
2
N
N
H
NO
2
NO
2
NO
2
1HNO3,
H2SO
4
25 C
o
87
262
0,1
N
H
NO
2
O2N
NO
2
N
N
H
NO
2
O2N NO
2
NO
2
13
NCl N
NO
2
O2N
Pic
H
+
NH
2
NO
2
O2N
25 C
o
ДМФА
N
H
NO
2
O2N
N
N
H
NO
2
NO
2
NO
2
2HNO3,
H2SO
4
25 C
o
85
262
0,1
______________
*Элюент – хлороформ
Таблица 1.14
42
растворимости его в H2SO4 показали, что оптимальной является 80%
N
Br
Cu
N N
серная кислота. Обладая удовлетворительной растворяющей
способностью, она при комнатной температуре практически не
взаимодействует с исходным соединением. Однако, при нитровании Х
в 80% серной кислоте при 25С в продукте нитрования вместе с VIII
присутствует и N-пикрил-N'-динитрофенил-2,6-диамино-3,5-динитропиридин. Следовательно, для получения чистого VIII необходимы
более жесткие условия нитрования.
Таким образом, выполненные исследования позволяют выявить
взаимосвязь реакционной способности полиядерных аминопроизводных пиридина с их строением и установить закономерности
электрофильного нитрования практически интересных полиядерных
производных пиридина.
1.4.4. Синтез полиядерных нитропроизводных пиридина
по реакции Ульмана.
Для синтеза полиядерных соединений, содержащих
пиридиновые фрагменты с непосредственной углеродной связью
между ядрами применяется реакция Ульмана на основе галогеннитропроизводных пиридина. Для соединений пиридинового ряда
известны реакции Ульмана. Например, 2-бромпиридин легко вступает
в реакцию Ульмана с образованием 2,2-дипиридила [59]:
Однако при взаимодействии 3-хлор-6-нитропиридина с пикрил-
хлоридом в смеси растворителей ДМФА-толуол в присутствии меди
при температуре 100°С из реакции количественно возвращается
исходный галогеннитропиридин. Учитывая опыт проведения реакций
Ульмана в ряду галогеннитробензолов, для которых установлено, что
наибольшей активностью в этих реакциях обладают атомы брома и
йода [60], нами в качестве исходных реагентов были использованы
3-бромнитропиридины. В качестве среды для проведения реакций
была использована смесь инертного растворителя толуола и ДМФА,
которая уменьшает побочные процессы и позволяет проводить
синтезы при более низких температурах, нежели при использовании
нитробензола и других высококипящих растворителей.
43
Реакция 3-хлор-5-бром-2-нитропиридина с пикрилхлоридом в
N
N
Cl
Pic
NO
2
NO
2
Cl
Br
смеси ДМФА – м-ксилол в присутствии активированной меди при
температуре 110-120°С и в нитробензоле при температуре 135-140°С
приводит к продукту, имеющему Т
370°С. Элементный анализ
пл
соединения показал, что продукт реакции представляет 3-хлор-5-пикрил-2-нитропиридин.
Таким образом, атом хлора в 3-хлор-5-бром-2-нитропиридине в
реакцию Ульмана с пикрилхлоридом не вступает. Наиболее активным
в этой реакции является атом брома. Однако проведение реакции
Ульмана на основе 2,6-дихлор-3,5-динитропиридина с пикрилхлоридом в среде нитробензола количественно приводит к 2,6-дипикрил-3,5-динитропиридину [61].
То есть, на подвижность галогена оказывает влияние и расположение атомов галогена. Логично было провести реакцию Ульмана
с 3,5-дибром-2-нитропиридином, в котором возможно замещение двух
атомов брома на пикрильный остаток. Действительно, при
взаимодействии 3,5-дибром-2-нитропиридина с пикрилхлоридом
в смеси растворителей ДМФА-толуол в присутствии меди при
температуре 90-100°С был получен продукт, имеющий температуру
плавления 360°С. На основании результатов элементного анализа и
ИК-спектроскопии соединение идентифицировано как 3,5-дипикрил-
2-нитропирдин с выходом 26% [61]:
Pic=2,4,6-тринитрофенил
Если проводить реакцию в мета-ксилоле, выход 3,5-дипикрил2-нитропиридина увеличивается до 33%. Максимальный выход
3,5-дипикрил-2-нитропиридина (55-60%) был получен в нитробензоле.
44
3,5-Дипикрил-2-нитропиридин представляет собой кристаллическое
вещество серого цвета, растворимое только в кипящем нитробензоле и
в концентрированной азотной кислоте.
Легко вступает в реакцию Ульмана с пикрилхлоридом и атом
брома в 3-бром-5-метокси-2,6-динитропиридине. Реакция проходит
в кипящем мета-ксилоле, выход 3-пикрил-5-метокси-2,6-динитропиридина составил 65%:
Интересно проходит реакция Ульмана N-окиси-3,5-дибром4-нитропиридина с пикрилхлоридом. Реакцию проводят в среде
ДМФА и толуола, взятых в соотношении 1:6 при температуре
90-100°С. В результате образуется продукт, имеющий Тпл=340°С с
разложением. В ИК-спектре этого соединения отсутствует полоса
поглощения N-оксидной группы в области 1280 см
-1
. Элементный
анализ и ИК-спектр соединения позволяют идентифицировать его как
3,5-дипикрил-4-нитропиридин.
Следовательно, при взаимодействии N-окиси-3,5-дибром4-нитропиридина с пикрилхлоридом происходит замещение на
пикрильный остаток атомов брома и одновременное восстановление
N-оксидной группы [61].
1.5. Строение и нитрование гидроксипроизводных пиридина
Сильным электронодонорным заместителем, активирующим
электрофильное замещение, является гидроксигруппа. Положение
гидроксигруппы в ядре пиридина оказывает существенное влияние на
форму, в которой реагирует гидроксипиридин. Литературные данные
свидетельствуют о том, что все изомерные гидроксипиридины
способны к таутомерным превращениям.
45
Так, Мецлер и Снелл [62] при изучении УФ-спектров показали,
N
OH
A
N
O
+
H
Б
N
O
N
+
H
C
В
OH
что водный раствор 3-гидроксипиридина содержит в равной мере как
нейтральную (А), так и биполярную форму основания (Б):
Для производных 3-гидроксипиридина возможны еще две
формы состояния молекулы: анионная (В) и катионная (С) [63]:
На возможность существования биполярной структуры
указывает также наличие сильной межмолекулярной водородной связи
в ИК-спектрах [64] и спектрах ПМР [65] 3-гидроксипиридинов.
С целью установления существования биполярной структуры
3-гидроксипиридинов, а также условий ее образования при наличии
различных заместителей Дюмаев с сотрудниками [63] провели
детальное исследование зависимости спектров ПМР ряда производных
3-гидроксипиридина от рН среды. Для получения кислой, нейтральной
и щелочной сред были использованы растворы D2SO4, D2O, NaOD
соответственно. Рассмотрение зависимости химического сдвига
кольцевых протонов от рН среды у различных производных
3-гидроксипиридина показало наличие трех участков, которые
соответствуют кислой, нейтральной и щелочной средам. Сравнение
химических сдвигов кольцевых протонов для соединений: 2-метил-,
N-метилиодид-2-метил-, 2-нитро-, 2-диметиламинометил-, 2-метил6-диэтиламинометил-, 2-метил-6-нитро-, 2-метил-4-нитро-3-гидрокси-
пиридинов и 2-метил-3-метоксипиридина подтверждает присутствие
биполярной формы в D2O [63]. При переходе от нейтральной к
щелочной среде химический сдвиг кольцевых протонов смещается в
более сильное поле. Авторы отмечают, что при этом существенное
влияние на характер зависимости химического сдвига от рН среды
оказывает наличие внутримолекулярной водородной связи в
некоторых соединениях. Например, внутримолекулярная водородная
связь уменьшает кислые свойства протона гидроксильной группы и
46
переход к анионному состоянию (т.е. полная ионизация атома
N
H
O
OH
N
_
OH
N N
O
-
+
H
N
OH
N
O
-
H
+
H
+
_
N O
N
OH
+
кислорода) в случае диметиламинометил-3-гидроксипиридина
происходит при больших рН [66, 67], чем для 2-метил-6-диэтиламинометил- [68, 69] и 2-метил-3-гидроксипиридина [70]. При
переходе от нейтральной к кислой среде химический сдвиг протонов
смещается в более слабое поле. Зависимость химических сдвигов от
рН среды позволила авторам судить о полной протонизации
соединений [63].
Для 2- и 4-гидроксипиридинов доминирующей формой является
NH-таутомер:
Исходя из результатов УФ-спектроскопических исследований
Шпеккер и Гаврош [67] впервые сообщили о существовании 2- и
4-гидроксипиридинов в пиридонной форме. Альберт и Филлипс [49]
сравнили константы ионизации большого числа гидроксисоединений
с константами ионизации их O- и N-производных и установили, что
оксисоединения мало отличаются по основности от N-метильных
производных и сильно отличаются от орто-метильных производных.
Эти результаты подтверждают данные Шпеккера и Гавроша
о существовании 2- и 4-гидроксипиридинов в пиридонной форме.
Литературные данные свидетельствуют о том, что положение
гидроксигруппы влияет на форму существования оксипиридинов и,
следовательно, должно оказывать влияние на легкость и селективность
замещения при их нитровании.
1.5.1. Особенности нитрования 2-, 3- и 4-гидроксипиридинов
Обратимся к имеющимся в литературе данным по нитрованию
гидроксипиридинов. В табл. 1.15 представлены данные по нитрованию
различных гидрокси- и алкоксипиридинов.
47
Таблица 1.15
N
R
R'
Условия реакции
Положение
вступления
нитрогруппы
Выход, %
Лите-
ратура
R
R'
среда
температура,
С
-2-
ОСН
3
-Н
H2SO4 100
-5
-
71
-3-
ОСН
3
-Н
H2SO
4
60-80
-2
44,5
72
-2-ОН -Н
H2SO4 0
-3; -3,5
-
73
-2-ОН
-5-NO2 HNO
3
50-80
-3
38
74
-2-ОН
-3-NO2 H2SO4 80
-5
50,5
75
-3-OH
-H
H2SO4 0 -2
-
79
-3-OH
-2-NO2
CH3COOH
30
-6
68
80
-3-OH
-2-CH3
H2SO4
20
-4; -6
52
76
-4-OH
-H
HNO3/ H2SO
4
100
-3
31
77
-4-OH
-H
HNO3/
олеум
140
-3,5
90
78
N
OH
N
OH
N
OH
NO
2
O2N
+
HNO
3
H2SO
4
Нитрование гидрокси- и алкоксипиридинов азотной кислотой
Как видно из таблицы нитрование 2-и 4-гидроксипиридина
проходит в жестких условиях.
Изучению закономерностей нитрования 2-гидроксипиридина
посвящен ряд работ. Так Фишер [81] при нитровании 2-гидроксипиридина серно-азотной кислотной смесью при 50°С выделил
2-гидрокси-3- и 5-нитропиридины (соотношение изомеров автор не
исследовал):
2-гидроксипиридина азотной кислотой в среде серной кислоты
преимущественно образуется 2-гидрокси-3-нитропиридин наряду
с небольшим количеством 2-гидрокси-5-нитропиридина. Направление
замещения зависит от условий нитрования, причем определяющими
являются три фактора: концентрация реагентов, температура
и кислотность среды. Соответствующий подбор условий реакции
Позднее А.Е. Чичибабин показал [82], что при нитровании
48
позволяет регулировать направление замещения. Так, при высоких
N
OH
N
OHN
OH
NO
2
O2N
+
HNO
3
50%, H2SO4, 80oC
85%
15%
N
OHN
OH
NO
2
O2N
HNO
3
40% SO3, 60oC
NO
2
температурах большой концентрации субстрата и при использовании
разбавленной серной кислоты преимущественно образуется
3-нитроизомер с выходом 75-85%.
При низких температурах и малой концентрации субстрата
в среде концентрированной серной кислоты образуется 5-нитроизомер
с выходом 60-75%.
Интересные данные получены нами при нитровании 2гироксипиридина азотной кислотой в уксусном ангидриде при 0°С
[83]. При этом был выделен 1-нитропиридон-2, который на воздухе
или при нагревании перегруппировывается в 3-нитро-2-гидроксипиридин:
Наличие нитрогруппы в пиридиновом кольце не препятствует
дальнейшему замещению в 2-гидроксипиридине. Так, при нитровании
2-гидрокси-3- и -5-нитропиридинов кипящей азотной кислотой или
смесью азотной кислоты с олеумом (40%-SO3) образуется 3,5-динитро2-гидроксипиридин с выходом 28% [84]:
В качестве препаративного метода получения 2-гидроки3,5-динитропиридина предложена реакция нитрования 2-гидроксипиридина азотной кислотой в олеуме (27%-SO
) при 80
3
о
С, выход
продукта достигает 83% [84]. К сожалению, дефицитность 2-гидроксипиридина и применение высокопроцентного олеума ограничивают
использование данного метода.
Нами разработан удобный метод получения 2-гидроки-
3,5-динитропиридина нитрованием доступного 2-аминопиридина
49
концентрированной азотной кислотой при 75-85°С в течение трех
N
NH
2
HNO
3
N
NH-NO
2
N
NH
2
O2N
75-80oC
N
NH-NO
2
O2N
NO
2
N
OH
O2N
N
OH
O2N
N
OH
O2N
NO
2
N
NH-NO
2
N
NH
2
O2N
N
NH-NO
2
O2N
N
NH-Ac
O2N
0
45 C
H2SO
4
OH
N
HNO3,
, 3 ч.
N
OH
NO
2
74%
+
OH
N
O2N
часов. При этом с выходом 80% образуется 2-гидроки-3,5-динитропиридин [85]. Использование в реакции азотнокислой соли 2-аминапиридина позволяет уменьшить окислительные процессы и повысить
выход 2-гидроки-3,5-динитропиридина до 85%. Авторами предлагается следующая схема протекания процесса:
Были синтезированы указанные промежуточные продукты и
обработаны азотной кислотой при 75-80°С. Во всех случаях был
выделен 2-гидроки-3,5-динитропиридин.
Нитрование 3-гидроксипиридина протекает в мягких условиях
(HNO3 в Н2SO4 при 0С) и нитрогруппа вступает в положение 2.
В 1968 году, Де Сельмс при нитровании 3-гидроксипиридина
наряду с 2-нитро-3-гидроксипиридином выделил из продуктов реакции
с 1% выходом 6-нитроизомер [79]:
Плазек и Кзуба [80] установили, что 3-гидрокси-2-нитропиридин
не нитруется в жестких условиях серно-азотной смесью. Им удалось
получить 2,6-динитро-3-гидроксипиридин с 38% выходом при
нитровании 3-гидрокси-2-нитропиридина азотной кислотой в смеси с
уксусной кислотой и уксусным ангидридом [80,86]. В результате
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]