Закономерности нитрования 2,2'-бисимидазола и его нитропроизводных Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 547.958.1: 547.822.7

Ф. Г. Хайрутдинов, Г. П. Шарнин, Р. З. Гильманов,

З. Г. Ахтямова

ЗАКОНОМЕРНОСТИ НИТРОВАНИЯ 2,2-БИСИМИДАЗОЛА И ЕГО НИТРОПРОИЗВОДНЫХ

Ключевые слова: нитрование, серно-азотная кислотная смесь, имидазол, бисимидазол, протонизация, изомеры.

Изучено постадийное нитрование 2,2’-бисимидазола серно-азотной кислотной смесью. Выделены и идентифицированы моно-, ди-, тринитробисимидазолы. Показано, что независимо от количества вводимой азотной кислоты получается смесь нитропроизводных 2,2’-бисимидазола различной степени замещения. Установлено образование при нитровании изомерных 4,5- и 4,4’-динитропроизводных. Предложен возможный механизм данного явления.

Keywords: nitration, nitric acid-sulfuric mixture, imidazole, bisimidazol, protonization isomers.

Been studied stepwise development nitration of 2,2’-bisimidazola with nitric acid sulfuric mixture. Isolated and identified the mono-, di-, trinitrobisimidazoly. It is shown that irrespective of the quantity of input a mixture of nitric acid, nitro derivatives of 2,2’-bisimidazola varying degrees of substitution. The formation by nitration isomers 4,5- and 4,4’-dinitroproizvodnyh. The possible mechanism of the given phenomenon is offered.

Интерес к химии нитропроизводных имида-зола связан в первую очередь с их высокой биологической активностью. Достаточно назвать широкоизвестные лекарственные препараты как метронидазол (2-метил-5-нитро-Ы-оксиэтилимидазол) и азомицин (2-нитроимидазол), обладающие небольшой токсичностью и проявляющие широкую активность даже против простейших одноклеточных организмов [1]. В этом аспекте 2,2'-бисимидазол (I) и его замещенные изучены недостаточно. Имеется лишь сообщение [2] об антипротозойной активности метилнитропроиз-водных 2,2'-бисимидазола.

Известен продукт исчерпывающего нитрования I - 4,5,4',5'-тетранитробисимидазол (тетранитро-1). Он получен обработкой I серно-азотной кислотной смесью при температуре 60-70°С с 65-67% выходом [3].

I

С целью получения продуктов промежуточной степени пронитрованности нами проведены опыты по нитрованию I серно-азотной кислотной смесью с различным молярным соотношением бисимидазола к азотной кислоте. В то же время изучалось поведение в данной реакции моно-, ди- и тринитробисимидазо-лов. При этом мы надеялись на то, что сможем установить причины относительно низкого выхода тетра-нитро-Ь

В опытах использовались безводные кислотные смеси. Как исключение при нитровании I экви-молярным количеством азотной кислоты нитрующая смесь содержала 5,6% воды. Нитропродукты выделялись отфильтровыванием осадка от разбавленной водой реакционной массы и экстрагированием эфиром или этилацетатом из нейтрализованного до слабокислой реакции фильтрата. Разделение полученных нитроими-дазолов было осуществлено дробной кристаллизацией

из воды. Результаты опытов по нитрованию представлены данными табл. 1 и 2.

Таблица 1 - Нитрование бисимидазола различными количествами азотной кислоты, время реакции 4 часа, температура 60°С, смесь состава 90% Н23 04 и 10% И1М03

№ п/п Молярное соотношение бисими-да-зол:HNO3 Возв- рат исход- ного^ Выход нитроимидазолов,% Конвер- сия,%

моно- смесь 4,5-, 4,4'-ди- три- тетра-

1* 1:1 41,2 42,8 7,4 2,8 - 53,0

2 1:2 5,0 21,8 26,6 24,6 1,3 90,2

3 1:3 - 7,8 44,2 34,6 1,9 88,5

4 1:4 - - 28,5** - 63,5 92,0

5 1:5 - - 28,5** - 63,5 92,0

*Использовалась смесь состава 85% H2SO4, 9,4% HNO3, 5,6

н2о

**Только 4,5-динитроизомер

Таблица 2 - Нитрование моно-, ди- и тринитроби-симидазолов до тетранитропроизводного. Время реакции 4 часа, температура 60°С, смесь состава 90% Н2Б04 и 10% И1М03

№ п/п Исходное вещество Соотно- шение исходное Возврат исход- Продукты реакции Конвер- сиям/о

HNO3 ного,% Название Выход,%

1 Мононитро- бисимидазол 1:5 - 4,5-Динитро-и Тетранитро- 38,5 52,0 90,5

2 4,5-Динитро- бисимидазол 1:4 68,0 Тетранитро- 27,0 27,0

3* 4,5-Динитро- бисимидазол 1:4 59,5 Тетранитро- 40,5 40,5

4 Смесь 4,5-и 4,4'-динитро-бисимида 1:4 35,5 Тетранитро- 64,5 64,5

5 золов(1:1,5) 4,4-Динитро- бисимидазол 1:4 4,5 Тетранитро- 89,5 89,5

6 Тринитробис- имидазол 1:3 3,2 Тетранитро- 91,0 91,0

*Реакция проводилась при 100°C в течение 2 ч.

Данные таблицы1 свидетельствуют о том, что при нитровании I эквимолекулярным количеством азотной кислоты образуются его моно-, ди-, трини-тропроизводные и остается непрореагировавший исходный бисимидазол, т.е. реакционная способность нитрованного и ненитрованного ядер примерно равны. Такая картина может наблюдаться лишь в том случае, если незамещенное ядро 4,5-динитробисимидазола в выбранных нами условиях вступает в реакцию в протонированном виде.

Следует отметить, что при нитровании биси-мидазола (таблица 1,номер серии 4 и 5) и его мононитропроизводного (таблица 2, номер серии 1) было выделено динитропроизводное в виде 4,5-динитроизомера. 4,4'-Динитроизомер в этих условиях получен не был. Нитрование динитробисимидазолов приводит к образованию тетранитропроизводного с выходом, практически равным содержанию 4,4'-динитроизомера в исходной смеси. Только незначительная часть 4,5-динитропроизводного вступает в реакцию в данных условиях - даже повышением температуры реакции до 100°С не удается провести его исчерпывающего нитрования до тетранитропроизводного.

Более чем трехкратное увеличение выхода тетранитробисимидазола при переходе от 4,5-динитробисимидазола к 4,4'-динитроизомеру (таблица

2, номер серии 2 и 4) свидетельствует о том, что дезактивация молекулы бисимидазола 4,5-динитроимидазолильной группой и протонированным имидазольным ядром намного больше, чем двумя нитрогруппами в обоих ядрах.

Приведенное выше позволяет констатировать, что при исчерпывающем нитровании бисимида-зола выход тетранитробисимидазола лимитируется только соотношением образующихся динитроизомеров. В случае образования на низких ступенях реакции преимущественно 4,4'-динитроизомера выход тетранитро-Е определяется скоростью протекания последней стадии процесса - нитрованием тринитроби-симидазола.

Экспериментальная часть

Необходимый для экспериментов бисимида-зол получен по методике [3].

Нитрование бисимдазола и его нитропроизводных

К суспензии бисимидазола в концентрированной H2SO4 при 60оС добавляют смесь концентрированной H2SO4 или олеума (16% свободного SO3) и расчетного количества концентрированной HNO3 (суммарное количество серной кислоты соответствовало смесям состава 85% H2SO4, 9,4% HNO3, 5,6% Н2О или 90%H2SO4 и 10%HNO3), перемешивают при этой температуре 4 часа и выливают в воду. Выпавший осадок отфильтровывают и промывают водой. Объединенные фильтраты нейтрализуют, выпавшие нитропродукты отфильтровывают, затем фильтрат подкисляют слабой азотной кислотой до значения рН 5-6 единиц и экстрагируют эфиром или этилацетатом. Вытяжки испаряют, полученные вещества объединяют с предыдущими порциями, разделяют дробной кристаллизацией из воды. Полученные нитропроизводные имеют следующие свойства.

Мононитробисимидазол (мононитро-I) -

светло-желтые кристаллы, Тпл. 360оС (с разл.). Найдено, %: C 39,76; 39,91; N 39,87; 39,23; Н 2,53; 2,83. C6H5N5O2. Вычислено, %: C 40,22; N 39,11; Н 2,79.

4,4'-Динитро-1 - светло-желтые кристаллы, Тпл. 360°С (с разл.). Найдено, %: С 31,97; 32,26; N 37,63; 37,21; Н 1,53; 1,65. C6H4N6O4. Вычислено, %: C 32,14; N 37,50; Н 1,78.

4,5-Динитро-1 - желтые кристаллы, Тш. 282-283°С (с разл.). Найдено, %: C 31,85; 31,94; N 37,32; 37,60; Н 1,71; 1,84. C6^N6O4. Вычислено, %: C 32,14; N 37,50; Н 1,78.

Тринитро-I - светло-желтые кристаллы, разлагаются без плавления при температуре выше 360°С. Найдено, %: C 26,48; 26,82; N 36,25; 36,47; Н 0,97; 1,25. C^sNyO^ Вычислено, %: С 26,76; N 36,43; Н 1,12.

Тетранитро-I по свойствам соответствует продукту, описанному в [3], Тпл. 264°С.

Литература

1. Фойер, Г. Химия нитро- и нитрозогрупп. Т.2. / под ред. Г. Фойер [пер.с англ.]. - М.: Мир, 1973. - С 299.

2. Melloni, P. Shnthesis and antiprotozoal activity of metilni-troderivatives of 2,2I-bisimidazole / P. Melloni, E. Dradi, W. Logemann, I. de Carneri, F. Tranca //J. Med.Chem.- 1972. -N9. - p. 926-930.

3. Полянский, В.Ф. Исследования в ряду нитропроизводных имидазола: дис. ... канд.хим.наук / В.Ф.Полянский. Казань, 1974. - С 266.

© Ф. Г. Хайрутдинов - канд. хим. наук, доц. каф. химия технология органических соединении азота КНИТУ; Г П. Шарнин -д-р хим. наук, проф. той же кафедры; Р. З. Гильманов - д-р хим. наук, проф. каф. химия технология органических соединении азота КНИТУ; З. Г. Ахтямова - канд. хим. наук, доц. каф. химия технология органических соединении азота КНИТУ, zuhra-aprel@mail.ru.