Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия нитропроизводных пиридина. Монография
.pdf
нитрования был получен также 2,4,6-тринитро-3-гидроксипиридин с
NOHNO
2
o
NOHNO
2
O2N
NOHNO
2
O2N
NO
2
+
HNO3, AcOH,Ac
2
O
30 C, 12÷.
ничтожным выходом (0,55-1%):
Нами подробно изучено нитрование 3-гидроксипиридина
различными нитрующими средствами [87]. При этом подтвердились
полученные ранее данные [79,80] о том, что обработка 3-гидроксипиридина смесью серной и азотной кислот приводит только к мононитропроизводному. Увеличение температуры реакции и использование избытка азотной кислоты приводит к снижению выхода
3-гидрокси-2-нитропиридина. В результате нитрования 3-гидроксипиридина концентрированной азотной кислотой при температуре
70-75°С образуется продукт, имеющий температуру плавления
119-120°С. На основании данных элементного анализа, ЯМР и
ИК-спектров он идентифицирован как 3-гидрокси-2,4,6-тринитро-
пиридин [87].
Авторами установлено, что 3-гидрокси-2-нитропиридин
в серной кислоте подвергается разложению, поэтому его не удается
подвергнуть дальнейшему нитрованию в среде серной кислоты:
3-Гидрокси-2,4,6-тринитропиридин существует в гидроксиформе. В ИК-спектре присутствует полоса поглощения группы ОН
в области 3260 см-1. В спектре ЯМР
1
Н присутствует синглет с
химическим сдвигом 7,85 м.д., который можно отнести к протону
гидроксильной группы, и второй синглет 9,3 м.д., принадлежащий
протону в положении 3 пиридинового ядра [86,87].
Известно, что 3-гидроксипиридин и его производные в сильных
минеральных кислотах подвергаются протонизации [88]. Поэтому
дальнейшее нитрование 3-гидроксипиридина проводили смесями
51
концентрированной азотной кислоты с уксусной кислотой или
уксусным ангидридом. Нитрование 3-гидроксипиридина смесью
уксусного ангидрида и крепкой азотной кислоты приводит к его
деструкции.
Нитрование 3-гидрокси-2-нитропридина смесью уксусного
ангидрида и крепкой азотной кислоты (98%) при 15-20°С показало, что
исход реакции зависит от соотношения компонентов этой смеси. Так,
при массовом соотношении уксусный ангидрид: азотная кислота 1,51,6:1 с выходом 37% образуется 3-гидрокси-2,6-динитропиридин, а при
соотношении уксусный ангидрид:азотная кислота 2:1 образуется 3гидрокси-2,4,6-тринитропиридин (выход 40-41%).
Дальнейшее увеличение количества уксусного ангидрида и
повышение температуры реакции не приводит к увеличению выхода 3гидрокси-2,4,6-тринитропиридина:
Удается увеличить выход 3-гидрокси-2,4,6-тринитропиридина до
65-70% нитрованием 3-гидрокси-2-нитропиридина смесью уксусной и
98%-ной азотной кислот при температуре 80-90°С [87]:
Таким образом, изучение нитрования 3-гидроксипиридина
различными нитрующими смесями показало, что 3-гидроксипиридин
не нитруется до полинитропроизводных серно-азотной смесью.
Нитрование завершается на стадии образования 3-гидрокси-2-нитропиридина. По-видимому, это связано с протонизацией 3-гидрокси-
и 3-гидрокси-2-нитропиридина, о чем свидетельствуют литературные
данные и наши исследования [79,89]. Все другие нитрующие смеси
(крепкая азотная кислота, смесь азотной кислоты с уксусной кислотой
и уксусным ангидридом) позволяют пронитровать 3-гидроксипиридин
и 3-гидрокси-2-нитропиридин до ди- или тринитропроизводного.
52
Наилучшие результаты достигнуты при нитровании 3-гидрокси2-нитропиридина крепкой азотной кислотой в уксусной кислоте.
1.5.2. Нитрование 3-гидрокси-5-бром-
и 3,5-дигидроксипиридина
Объектами на основе которых также могут быть синтезированы
2,4,6-нитропроизводные пиридина, являются 3-гидрокси-5-бром- и 3,5дигидроксипиридин.
Нитрование 3-гидрокси-5-бромпиридина серно-азотной смесью
показало, что при низких температурах удается ввести одну
нитрогруппу во 2 положение цикла. Повышение температуры до
60-70°С приводит к 2,6-динитропроизодному пиридина. Ввести третью
нитрогруппу не удается даже при повышении температуры до 90100°С:
Применение для нитрования 3-гидрокси-5-бромпиридина смеси
концентрированной азотной кислоты с уксусной позволяет также
получить только 2,6-динитропроизводное:
По-видимому, дезактивация пиридинового ядра атомом галогена
значительна, что не позволяет ввести третью нитрогруппу.
Нитрование 3,5-дигидрокипиридина проводилось с использо-
ванием различных кислотных смесей. Опыты показали, что 3,5-дигидроксипиридин активно вступает в реакцию нитрования, причем исход
реакции зависит от температуры, фактора нитрующей активности,
модуля и времени выдержки.
При нитровании 3,5-дигидроксипиридина смесью концентрированных азотной и серной кислот при температуре 30-40°С
с высоким выходом образуется 3,5-дигидрокси-2-нитропиридин:
53
Повышение температуры нитрования до 60-70°С приводит к
образованию 2,6-динитропроизводного, выход которого составляет 45%:
Нитрование 3,5-дигидроксипиридина смесью концентрированной азотной кислоты и ледяной уксусной кислоты при 90-95°С
завершается образованием только динитропроизводного:
Ввести третью нитрогруппу в молекулу 3,5-дигидроксипиридина удается серно-азотной смесью с олеумом при температуре
реакции – 95-100°С. Выход 3,5-дигидрокси-2,4,6-тринитропиридина
достигает 60-65%. 3,5-Дигидрокси-2,4,6-тринитропиридин представляет собой кристаллы интенсивно-желтого цвета, разлагающиеся
при 213°С:
Структура всех нитропроизводных 3,5-дигидроксипиридина
была доказана элементным анализом, ИК- и ЯМР1 Н-спектрами. Как
видно, присутствие второй гидроксильной группы в молекуле
3-гидроксипиридина также приводит к 2,4,6-тринитропроизводному.
Это первый случай введения трех нитрогрупп в 3,5-дизамещенное
пиридина [90].
54
2-Метокси-3-гидроксипиридин нитруется первоначально
исключительно в положение 4, дальнейшее нитрование приводит
к 4,6-динитро-производному, 4-метоксипипридин нитруется только до
мононитропроизводного [88]:
Рассмотренные данные по нитрованию 3-гидрокси- и алкоксипиридинов свидетельствуют о возможности последовательного
селективного замещения положений 2, 4, 6. Исключением из этого
правила является ориентация нитрогруппы при нитровании 2-алкил-
и 2-хлор-3-гидроксипиридинов.
Нитрование 3-гидроксипиридина изучено в кинетическом плане
с целью выяснения механизма протекания этой реакции. Катрицким с
сотрудниками проведено нитрование 3-гидрокси- и 3-метоксипиридинов азотной кислотой в 84-96% H2SO4 при 40 и 60С. Для сравнения
авторами приведены результаты нитрования 2,4,6-триметилпиридинового катиона. Скоростные профили нитрования для этих соединений
оказались подобными, что указывает на нитрование
3-гидрокси- и 3-метоксипиридинов в протонированной форме. Для
3-метоксипиридина рассчитаны факторы парциальной скорости
нитрования, значение которых для 2,6-положений составляет
-10
410
-11
-10
, для 4-положения приводится величина меньше 10
-11
[88].
1.6. Косвенные методы введения нитрогрупп
в пиридиновое кольцо
Как указывалось ранее, синтез мононитропиридинов прямым
нитрованием осуществляется в жестких условиях. Синтез
2- и 4-нитропиридина возможен окислением 2- и 4-аминопиридина
кислотой Каро [91]. В отличие от 2- и 4-нитропиридинов,
получающихся окислением кислотой Каро соответствующих
аминопроизводных пиридина, синтезировать 3-нитропиридин
окислением 3-аминопиридина не удается. Бинз [92] при окислении
3-аминопиридина кислотой Каро получил только 3,3'-азоксипиридин.
55
N
NH
2
N
N N
N
O
H2SO
5
N
NH
2
CF3CO3H
N
NO
2
+
N
NO
2
O
N
R
NH
2
N
R
NO
2
O
Синтез 3-нитропиридина окислением 3-аминопиридина
возможен, если в качестве окисляющего агента взять трифторнадуксусную кислоту, выход составил 21%. Однако наряду с 3-нитропиридином образуется и 3-нитро-N-окись пиридина [92].
При окислении 2-амино-5-хлор - и 2-амино-5-бромпиридина
кислотой Каро за 48 часов при 20°С образуются с выходами 40 и 60%
соответствующие 3-галоген-6-нитропиридины [91]:
2-Амино-3,5-дибромпиридин окисляется смесью 30% перекиси
водорода и 60% олеума при 15°С в течение 20 ч до 2-нитро3,5-дибромпиридина с выходом 10%. При окислении 2-амино-5-бромпиридина, если в качестве окисляющего агента брать трифторнадуксусную кислоту, окисление идет более глубоко – до соответствующих N-окисей пиридина [93]:
при R=Н выход 20%; R=Br выход 26%.
Необычной является реакция получения 2,4,6-тринитропиридина-N-оксида из динитроэтанола, впервые открытая Дуденом и
Пондорфом [94]. Багал и Целинский [95] с сотрудниками более
подробно изучили циклизацию динитроэтанола и предложили
следующую схему образования 2,4,6-тринитро-N-окиси пиридина:
56
O2N
NO2
O2N
NO2
N
O
AcOH
H2O2
NO2
NO2
N
Нами усовершенствован метод получения 2,4,6-тринитропиридин-N-оксида с целью повышения его выхода. Для циклизации в
качестве среды были использованы как минеральные так и
органические кислоты (серная кислота, соляная, хлорная , уксусная,
трифторуксусная). Было установлено, что на выход и качество
продукта влияние оказывают концентрация кислоты, температура и
время выдержки. Также установлено, что максимальный выход
2,4,6-тринитропиридин-N-оксида (51%) наблюдается в 1,2-1,8%-ной
серной кислоте. В хлорной и трифторуксусной кислотах выход
составил 20% и 10% соответственно. Попытка циклизации калиевой
соли динитроэтанола в соляной кислоте приводит к продукту
замещения нитрогруппы: 4-хлор-2,6-динитро-N-окиси пиридина [96].
Восстановлением N-окиси-2,4,6-тринитропиридина путем
нагревания в кислой среде с выходом 75% получен 2,4,6-тринитропиридин [97].
В литературе описано элиминирующее действие смесей кислот
и некоторых окислителей (азотная кислота, серно-азотные кислотные
смеси, смеси крепкой азотной кислоты с уксусной кислотой или
уксусным ангидридом) на N-окиси пиридина [98].
1.7. Нитрование незамещенной N-окиси пиридина
и ее производных.
Впервые о нитровании N-окиси пиридина сообщил Охаи в 1942
году. При нитровании N-окиси серно-азотной кислотной смесью при
1300С с выходом 72% он выделил 4-нитро-N-окись пиридина [99]:
57
N
O
HNO3/H2SO
4
N
O
NO
2
В дальнейшем нитрованию N-окиси пиридина посвящен ряд
NO
2
+
N
O
-
NO
2
H
+
+
N
O
NO
2
H
N
O
-
NO
2
+
H
+
N
O
N
O
+
C OPh
O NO
2
N
ONO
2
+
PhCO
-
N
ONO
2
OCOPhH
..
N
ONO
2
OCOPh
H
H
NO
2
N
O
-
NO
2
+
работ. Было показано, что при нитровании ее нитратом калия в серной
кислоте при 100°С выход 4-нитроизомера достигает 94%. Следует
отметить, что при этом кроме 4-нитроизомера с выходом 1,5-4%
образуется N -окись 2-нитропиридина [100]. Шофильд и Катрицкий
изучили кинетику нитрования N-окиси пиридина азотной кислотой в
88-95%-ной серной кислоте. На основании полученных данных авторы
пришли к выводу, что N-окись пиридина в реакцию нитрования
вступает в нейтральной форме. Парциальный фактор скорости
процесса нитрования 1-окиси пиридина в положение 4 составляет
4*10-6. Нитрование, по-видимому, идет с непротонированным
1-оксидом и может быть изображено схемой:
Кроме этой схемы в литературе предлагаются и другие варианты
процесса нитрования, в том числе через образование О-нитрокатиона с
последующей перегруппировкой по типу перегруппировки
нитроаминов [101].
Промежуточные соединения такого вида почти наверняка
образуются при нитровании 1-оксида пиридина бензоилнитратом,
которые в зависимости от условий дают 1-оксиды 3-нитро- и
3,5-динитропиридина:
58
При нитровании N-окиси пиридина ацетилнитратом образуется
N
NО
2
О
(CH3CO)2 / HNO
3
N
NО
2
О
NO
2
3,5-динитропиридин-N-оксид, то есть в ядро N-окиси пиридина,
удается ввести две нитрогруппы [102]. Указанные примеры
показывают, что N-окись пиридина является активной системой,
способной нитроваться в различных средах. Гильмановым и
Фаляховым было изучено нитрование 4-нитропиридин-N-оксида
смесью 96-98% азотной кислоты и уксусного ангидрида. Изучение
показало, что нитрование 4-нитропиридин-N-оксида смесью 96-98%
азотной кислоты и уксусного ангидрида, происходит настолько
активно, что реакционную массу приходится охлаждать солевой баней,
поддерживая температуру 10-15°С.
В результате нитрования было выделено кристаллическое
вещество желтого цвета с температурой плавления 125оС.
Элементный анализ, ИК-спектры и ЯМР1 Н показали, что
продукт является 2,4-динитро-N-окисью пиридина. В спектре ЯМР1 Н
присутствуют сигналы с химическим сдвигом 9,3 и 8,7 м.д., принадлежащие протонам 3 и 5 положений и протону 6 положения
пиридинового ядра соответственно [103].
Удачные опыты по нитрованию 4-нитропиридина-N-оксида дали
основание авторам надеяться на возможность нитрования и галогеннитропиридинов. Было изучено нитрование 2-нитро-5-бромпиридинN-оксида и 3-бром-4-нитропиридин-N-оксида. Изучение нитрования
бромпроизводных проводили смесью азотной кислоты с уксусным
ангидридом. В результате нитрования из реакционной массы были
выделены кристаллические продукты белого цвета.
Элементный анализ и ИК-спектр показали, что полученные
соединения являются аддуктами исходных бромнитропиридин-Nоксидов с уксусной кислотой. Дальнейшему нитрованию аддукты не
подвергаются. Схему процесса можно представить следующим
образом:
59
N
О
(CH3CO)2 / HNO
3
N
О CH3COOH
Br
O2N
O2N
Br
HNO
3
N
O
CH
3
R
HNO
3
H2SO
4
N
O
CH
3
R
NO
2
R=H, CH
3
N
O
CH
3
R
N
O
NO
2
CH
3
R
R=H, CH
3
N
O
C
CH
3
CH
3
CH
3
N
O
C
CH
3
CH
3
CH
3
NO
2
При обработке аддуктов концентрированной серной кислотой
происходит их разрушение с регенерацией исходных бромнитропиридин-N-оксидов. Таким образом, 4-нитропиридин-N-оксид
способен нитроваться смесью азотной кислоты с уксусным
ангидридом, галогеннитропроизводные такую способность утрачивают
[103]. N-окиси 2-моно- и 2,6-диметилпиридинов подвергаются
нитрованию азотной кислотой в серной кислоте при
90-100°С с образованием 4-нитропроизводных :
Аналогичная картина вступления ниитрогруппы в положение
4 наблюдается при нитровании 3-моно- и 3,5-диалкилпиридинов:
Таким образом, в этих реакциях проявляется сильный параориентирующий эффект N-окисной группы [104,105].
Следует отметить, что при наличии в положении 3 N-окиси
пиридина объемной третбутильной группы нитрование проходит не в
положение 4, а в положение 2. Изопропильная группа такого эффекта
не оказывает:
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]