Дизайн и синтез новых гетероароматических строительных блоков на основе производных 6,7-дитиа-3-азатриндена Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 547.732:304.9:303

1 2

Д.В. Марочкин, К.В. Рачков , М.Л. Кештов , В.С. Мирошников, В.П. Перевалов

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии РАСХН, Москва, Россия

2 Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН, Москва, Россия

ДИЗАЙН И СИНТЕЗ НОВЫХ ГЕТЕРОАРОМАТИЧЕСКИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ БЛОКОВ НА ОСНОВЕ ПРОИЗВОДНЫХ 6,7-ДИТИА-З-АЗАТРИНДЕНА

Синтезированы ранее не описанные алкилзамещенные гетероароматические производные 6,7-дитиа-3-азатриндена, содержащие бензаннелированные фрагменты имидазола, оксазола и тиазола, перспективные в качестве «строительных блоков» для различных областей направленного органического синтеза и получения новых материалов, в частности, электроактивных полимеров для современной оптоэлектроники и фотовольтаики. Предложены эффективные альтернативные схемы получения конденсированных 1,3-азолов.

Previously undescribed alkyl-substituted heteroaromatic derivatives of 6,7-dithia-3-azatrindene, containing fragments of benzoannelated imidazole, oxazole and thiazole has been synthesized as promising "building blocks" for various fields of directed organic synthesis and production of new materials, such as electroactive polymers for modern optoelectronics and photovoltaics. Effective alternative schemes of condensed 1,3-azoles obtaining has been proposed.

На сегодняшний день остро стоит проблема возобновляемых и альтернативных источников энергии. Ограниченность запасов углеводородного топлива и большие выбросы загрязняющих веществ, образующихся при его сжигании, требуют разработки новых источников энергии, и как следствие, новых материалов. На Землю поступает 3 ■ 1024 Дж солнечной энергии в год, что примерно в 104 раз выше нынешней мировой потребности. Таким образом, солнечная энергетика имеет высокий потенциал для внесения существенного вклада в решение глобальной энергетической проблемы. В качестве фотовольтаических материалов нового поколения рассматриваются органические полупроводники на основе малых молекул и узкозонных п-сопряженных полимеров, имеющих несомненные преимущества (дешевизна, легкая перерабатываемость, гибкость) перед кремниевыми солнечными фотоэлементами, для производства которых требуются высокотемпературные вакуумные технологии, что удорожает процесс изготовления. Хорошо известно, что эффективный органический фотовольтаический материал должен содержать два компонента - донор (p-тип) и акцептор (n-тип), которые обеспечивают фотогенерацию зарядов и их транспорт к электродам. Строгое чередование донора и акцептора, а также наличие хиноидного характера п-сопряжения в тиофенсодержащих звеньях, снижают ширину запрещенной зоны и способствуют полному охвату солнечного спектра, что является одним из

важнейших факторов, определяющих выбор материалов при создании солнечных фотоэлементов.

6,7-дитиа-3-азатринден является привлекательным и не описанным ранее структурным фрагментом. Функционализация его различными заместителями дает возможность получения широкого ряда гетероароматических соединений, перспективных в качестве «строительных блоков» для самых разных областей направленного органического синтеза и получения новых материалов, в частности, электроактивных полимеров для современной оптоэлектроники и фотовольтаики. Производные 6,7-дитиа-3-азатриндена имеют остов с планарной структурой, большой системой п-сопряжения и способны легко образовывать межмолекулярные п-п-стеки, что существенно улучшает мобильность носителей зарядов в супрамолекулярных структурах на их основе.

В связи с этим нами были разработаны не описанные ранее арил- и гетарилзамещенные 6,7-дитиа-3-азатриндена по двум различным направлениям:

1) синтез 1Н-6,7-дитиа-1,3-диазатринденов с использованием промежуточного 2,7-дибромбензо[2,1-Ъ;4,5-Ъ']дитиофен-4,5-диона, содержащего бензаннелированные фрагменты тиофена;

2) получение 1,6,7-тритиа- и 1-окса-6,7-дитиа-3-азатринденов с промежуточной циклизацией и образованием общей конденсированной ароматической системы.

Известным способом получения незамещенного бензо[2,1-Ъ;4,5-Ъ']дитиофен-4,5-диона 5, в соответствии спервым синтетическим направлением, является циклизация 3,3'-дикарбонилбитиофена 4 действием кислорода воздуха в водном этаноле в присутствии цианистого натрия в качестве катализатора (схема 1) [1].

1 АсОН 2: 65% 3:70%

Схема 1.

Однако, реализация нами данной синтетической схемы привела к получению целевого незамещенного бензо[2,1-Ъ;4,5-Ъ']дитиофен-4,5-диона 5 с довольно малым выходом (20% на последней стадии, суммарный выход по четырем стадиям схемы - 4.3%). Замена NaCN на более стабильный в обычных условиях KCN не привела к получению заметных количеств искомого дикарбонильного продукта.

Данное затруднение было преодолено путем адаптации, применения и развития метода, предложенного в работе [2]. Данный подход предусматривает введение триметилсилильной защиты в свободные а-

положения тиофеновых колец, предусматривающее последующее удаление или замещение на другие функциональные группы (схема 2).

Br Br

их

Br

1) LDA;

2) Si(CHз)зCl

3) LDA;

—Si-

// V

7

O.

СиС12

—Si-/

и уЦ/ \

^ S''

8: 62%

O

1) п-ВиЫ

2)

О

EtO

OEt

О

9: 71%

S S' 10: 92%

Схема 2.

Первой стадией являлось литирование 2-бромтиофена 6 свежеприготовленным литийдиизопропиламидом, после чего атом лития замещали на триметилсилильную группировку, проводили повторное литирование с получением 2-литий-5-триметилсилилтиофена 7, который окисляли действием СиС12 при комнатной температуре с образованием С-С-связи между тиофеновыми фрагментами и получением 3,3'-дибром-5,5'-бис(триметилсилил)-2,2'-битиофена 8. Двойное литирование с замещением атомов брома в положениях 3 и 3' тиофеновых колец и последующим взаимодействием дилитийзамещенного с диэтилоксалатом позволили получить 2,7-бис(триметилсилил)-бензо[2,1-Ъ;4,5-Ъ']дитиофен-4,5-дион 9 с хорошим выходом (71%). Затем нами было проведено замещение триметилсилильных групп атомами брома при действии эквимолярного количества ^бромсукцинимида в ТГФ в атмосфере аргона при комнатной температуре. При этом 2,7-дибромбензо[2,1-Ъ;4,5-Ъ']дитиофен-4,5-дион 10 был выделен с выходом 92%.

Для получения целевых 1Н-6,7-дитиа-1,3-диазатринденов методом циклизации ароматических а-дикетонов с карбонильными соединениями с образованием имидазольного цикла, был осуществлен синтез различных арил- и гетарилзамещенных альдегидов 12 и 14, содержащих разветвленные 2-этилгексильные заместители в соответствии со схемой 3.

4-(2-Этилгексилокси)-бензальдегид 12

синтезировали алкилиро-ванием гидроксигруппы в исходном 4-гидрокси-бензальдегиде действием 2-этилгексилбромида в ДМФА при нагревании в "С4Н9 присутствии К2С03 в качестве основания.

Синтетический путь Схема 3. получения 5-(2-

ОН С2Н5

I

J К2СО3

С2Н5

О

О

1) n-BuLi,

О

С4Н9

Вг.

О.

S 13

2) РОС13, DMF

// \\ V

14

С2Н5

этилгексил)-тиофен-2-карбоксальдегида 14 включал литирование тиофена в а-положение кольца н-бутиллитием с последующим замещением атома лития на алкильный остаток с образованием 2-(2-этилгексил)тиофена, который затем подвергали действию РОС13, приводящего к селективному вступлению карбонильной группы в положение 5 тиофенового гетероцикла.

Далее конденсацией 2,7-дибромбензо[2,1-Ъ;4,5-Ъ']дитиофен-4,5-диона 10 с синтезированными 4-(2-этилгексилокси)бензальдегидом 12 и 5-(2-этилгексил)тиофен-2-карбоксальдегидом 14 и ацетатом аммония в уксусной кислоте при кипячении в атмосфере аргона в течение 7 ч были получены новые 5,8-дибром-2-[4-(2-этилгексилокси)фенил]-1Н-6,7-дитиа-1,3-диаза-тринден 15а и 5,8-дибром-2-[5-(2-этилгексил)тиофен-2-ил]-Ш-6,7-

Алкильные заместители вводили в молекулы целевых соединений для улучшения их

растворимости в обычных органических растворителях. Состав и строение промежуточных соединений, а также целевых продуктов 15а,б подтверждены данными элемент-

1 13

ного анализа, спектроскопии ЯМР-Н и ЯМР-13С. В частности, в спектре ЯМР-1Н соединения 15а в слабопольной области в интервале 5н = 8.07-7.05 м.д. присутствуют два дублета и один синглет, соответствующие протонам фенильного и тиофеновых фрагментов (рис. 1а). В сильнопольной области при 5Н =3.97-0.89 м.д. обнаруживаются резонансы в составе одного дублета и трех мультиплетов, принадлежащих протонам 2-этилгексильного заместителя у атома кислорода фенильного кольца. Отношение интегральных интенсивностей сигналов протонов полностью отвечает предполагаемойструктуре соединения 15а.

дитиа-1,3-диазатринден 15б соответственно (схема 4).

о х

о о

х-н

12, 14

он3ооо1чн4

Вг 8 5 Вг 0Н3000Н ВГ^ Э^^Вг

10

где X =

15а,б

а: 74% Схема 4

б: 75%

04Н9

04Н9

Рис. 1. Спектры ЯМР 'И (а) и ЯМР 13С (б) 5,8-дибром-2-[4-(2-этилгексилокси)фенил]-

1Н-6,7-дитиа-1,3-диазатриндена 15а.

13

В спектре ЯМР- С продукта 15а находятся восемнадцать пиков, семь сигналов четвертичных углеродов из которых расположены в слабопольной области в интервале 5С = 160.79-113.03 м.д., что хорошо согласуется с предполагаемой структурой (рис. 45б). В результате делокализации положения протона в имидазольном цикле (вследствие таутомерии) суммарная структура молекулы 15а оказывается симметричной, а оба тиофеновых цикла - равноценными. Это подтверждается отсутствием удвоения количества сигналов в ароматической области как в спектре ЯМР-1Н, так и в ЯМР-13С.

Ключевым соединением в синтетической схеме, реализующей второе направление, является 1,2-бис-(5-бромтиофен-3-ил)-2-гидроксиэтанон 18, который получали из доступного 3-тиофенкарбоксальдегида 16 с помощью известных методов по схеме 5. Бромированием соединения 16 в присутствии БеС13 получали с высоким выходом 5-бром-3-тиофенкарбоксальдегид, который в дальнейшем конденсировали в этаноле с применением в качестве катализатора 3-бензил-5-(2-гидроксиэтил)-4-метилтиазолийхлорида с образованием 1,2-бис-(5-бромтиофен-3-ил)-2-гидроксиэтано-на 18.

Взаимодействием синтезированного кетоспирта 18 с различными алифатическими кислотами и эквимолярным количеством дициклогексилкарбодиимида (DCC) с использованием в качестве катализатора ^№диметил-4-аминопиридина (DMAP) и последующей циклизацией с применением CH3COONH4 в роли донора азота в уксусной кислоте был получен ряд 4,5-дитиофензамещенных оксазолов 19а-в с варьирующейся длиной алкильного заместителя в гетероциклическом фрагменте.

CHO

Br

ч \

17: 72%

Br2

FeCl3 CHO

// w

V 16

Л \ Г\ ПМР 657С - Д) // \\

20: 58% 21а-в: 70-74%

Схема 5.

Попытки проведения аналогичного превращения с участием тиоамидов алифатических карбоновых кислот не привели к получению целевых тиазолсодержащих гетероциклических продуктов. Нами было найдено успешное решение, предусматривающее предварительное замещение гидроксигруппы в гидроксиэтаноне 18 действием трибромида фосфора PBr3, и дальнейшую реакцию синтезированного бромкетона 20 с указанными амидами, приводящую к получению тиазолов 21а-в с умеренными выходами.

R

R

FeCl,

// \ SS S'

19а-в, 21а-в

CH2CI2 CH3NO2

SS 22а-в, 23а-в

X = O (22); S (23) R = CH3 (а); C8H17 (б); C13H27 (в) Схема 6.

Окислительная циклизация тиофеновых фрагментов действием FeCl3 в присутствии CH3NO2 (схема 6) во всех случаях приводила к образованию целевых 1,6,7-тритиа- и 1-окса-6,7-дитиа-3-азатринденов.

Библиографические ссылки 1. Mondal R., Becerril H.A., Verploegen E., Kim D., Norton J.E., Ko S., Miyaki N., Lee S., Toney M.F., Brédas J.-L., McGehee M.D., Bao Z. Thiophene-

R

rich fused-aromatic thienopyrazine acceptor for donor-acceptor low band-gap polymers for OTFT and polymer solar cell applications // J. Mater. Chem. 2010. V. 20. № 28. PP. 5823-5834.

2. Getmanenko Y.A., Tongwa P., Timofeeva T.V., Marder S.R. Base-Catalyzed Halogen Dance Reaction and Oxidative Coupling Sequence as a Convenient Method for the Preparation of Dihalo-bisheteroarenes // Org. Lett. 2010. V. 12. № 9. PP. 2136-2139.

УДК 577.127:547.973

И.В. Гончарова, В.С. Мирошников, А.А. Ивлев, В.П. Перевалов

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

СИНТЕЗ ГИДРАЗИДА 7-ГИДРОКСИКУМАРИН-3-КАРБОНОВОЙ КИСЛОТЫ И ЕГО ПРОИЗВОДНЫХ, ПОТЕНЦИАЛЬНО ОБЛАДАЮЩИХ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТЬЮ

Осуществлен синтез гидразида этиловогоэфира 7-гидроксикумарин-3-карбоновой кислоты и двух его производных: гидразида №-ацетил-7-гидрокси-2-оксо-2Н-хромен-3-карбогидразидаи 7-гидрокси-3-[(5-меркапто-4H-1,2,4-триазол-3-ил)]-2Н-хромен-2-она, потенциально обладающих антимикробной и другими видами биологической активностью. Оптимизирован метод синтеза резорцилового альдегида

Synthesized (7-hydroxycoumarin-3-yl)-formyl acid hydrazide and two of its derivatives: N'-[2-(7-hydroxy-2-oxo-2H-chromen-3-yl)-acetyl] formyl acid hydrazide and 7-hydroxy-3-[(5-mercapto-4H-1,2,4-triazol-3-yl)methyl]-2H-chromen-2-one, potentially have anti-microbial and other biological activities. The method of synthesis of resorcylic aldehyde is optimized.

Кумарины - природные фенольные гетероциклические соединения производные цис-ортооксикоричной кислоты, в основе строения которых лежит 9,10-бензо-а-пирон (ненасыщенный ароматический лактон цис-ортооксикоричной кислоты).

Кумарины широко распространены в растительном мире, особенно среди представителей семейства сельдерейных (зонтичных), бобовых, рутовых. В зависимости от химического строения кумарины обладают различной физиологической активностью: одни проявляют спазмолитическое действие, другие - капилляроукрепляющую активность. Есть кумарины курареподобного, успокаивающего, мочегонного, противоглистного, обезболивающего, противомикробного и иного действия [1].

Из литературных источников известно, что ряд природных и синтетических производных 2-оксо-2Н-хромена, обладают широким спектром биологической активности [2-5].

Также установлено, что широкий ряд гидразидов 7-гидроксикумарина (умбеллиферон) представляет потенциальный биологический интерес. Гидразиды содержащие фрагмент тиазолина и тиазолидина, проявляют антимикробную и противогрибковую активность, а содержащие фрагмент оксадиазола или тиополукарбозида обладают также и рядом других биологических видов активности. На основе