CC BY
25
ВЕСТНИК Югорского ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
2009 г. Выпуск 3 (14). С. 32-36
УДК 541.124 + 541.14 + 547.673
оптимизация методов получения фенотиазиновых производных антрахинона
Л. С. Клименко, Ю. Р. Ижбулатова
Циклические серо- и азотсодержащие производные антрахинонов находят применение в различных областях науки и техники. Их используют в качестве красителей в регистрирующих средах для записи, хранения и воспроизведения информации. Учитывая высокую фото- и электрохимическую стабильность замещенных антрахинонов, при введении в молекулу фенотиазина антрахинового фрагмента резко увеличивается интенсивность и глубина окраски, что дает возможность применять их в качестве красителей для жидкокристаллических материалов. Введение подобных соединений в среду нематического жидкого кристалла обеспечивает получение контрастного изображения в электрооптических индикаторах [1-3]. Фенотиазины обладают многообразным физиологическим действием и являются потенциальными носителями биологической активности. Некоторые из них являются избирательными биологическими красителями. Гетероциклические производные антрахинонов относятся к обширной группе анаболиков и антидепрессантов, проявляющих цитотоксичную и противоопухолевую активность [1, 4].
Наиболее простой и удобный способ синтеза новых гетероциклических производных антрахинона - фотолиз и термолиз азидоантрахинонов. Высокая реакционная способность арилазидов хорошо известна [5]. Под действием облучения или нагревания они диссоциируют с выделением азота и образованием высокореакционноспособных интермедиатов - ни-тренов [6], которые при наличии в орто-положении арилокси- или арилтиогруппы претерпевают дальнейшие превращения в соответствующие феноксазины и фенотиазины [7, 8].
Ранее нами сообщалось о синтезе новых фенотиазиновых производных антрахинона путем фото- и термоциклизации 1-арилтио-2-азидоантрахинонов [8], однако исследование зависимости эффективности циклизации от природы растворителя, температуры и активирующего фактора проведено не было. Целью данной работы является дальнейшее исследование фотохимических и термических превращений 1-арилтио-2-азидоантрахинонов с варьированием всех названных параметров и выбор оптимальных в препаративном отношении условий синтеза фенотиазиновых производных антрахинона.
обсуждение полученных результатов
Для проведения исследований нами был синтезирован 1-(п-дареда-бутилфенилтио)-2-азидоантрахинон(3 )путемдиазотирования1-(п-трет-бутилфенилтио)-2-аминоантрахинона (1) с образованием диазоний хлорида 2 и последующим введением азидогруппы согласно [8].
о БАг
Схема 1 О БАг
О БАг
,КН2
КаШ2
----►
НС1
0
1
о
2
О
3
Фотохимические и термические реакции азида 3 проводились в различных условиях -варьировались как природа растворителя, так и активирующие факторы (температура, облучение, основный агент). Для исследования были взяты разные по полярности и протоно-донорной активности растворители: неполярный толуол (в = 2,38), полярный апротонный диметилсульфоксид (ДМСО, в = 46,68) и полярный протонный пропанол (в = 20,1) [9]. Реакции проводили до исчезновения исходного азида. Контроль над ходом реакций осуществляли с помощью тонкослойной хроматографии (ТСХ) и регистрации электронных спектров поглощения (ЭСП). Основным направлением превращения во всех исследованных случаях являлась циклизация исходного азида 3 в 2-трет-бутил-5Н-нафто[2,3-с]-фенотиазин-8,13-дион (4). Строение полученного фенотиазина 4 было установлено на основании спектральных данных и хроматографическим сравнением с заведомым образцом (по Rf).
Схема 2
3 4
термолиз 1-(п-трет-бутилфенилтио)-2-азидоантрахинона (3)
Термолиз азида 3 осуществляли нагреванием в толуоле, пропаноле, ДМСО и без растворителя при 100°С в течение 1 часа, создав затемнение. Анализ реакционной смеси показал, что за контрольное время циклизация с образованием фенотиазина 4 прошла не полностью
- во всех реакционных смесях содержался исходный азид 3. Процент превращения указан в таблице 1. Продолжение нагревания до полного превращения азида 3 (2 часа) приводит к увеличению выхода целевого продукта 4 и накоплению побочных продуктов, среди которых был идентифицирован (по ТСХ) аминоантрахинон (1). Особенно велико его содержание в опыте 2 (около 20%). Таким образом, наиболее подходящим растворителем для проведения термической циклизации азида 3 является ДМСО. При повышении температуры до 150° (1 час, ДМСО) продукт циклизации 4 был выделен с выходом 73%.
Таблица 1. Результаты термолиза азида 3 при 100 °С (С = Ы0-4 моль/л)
№ Растворитель Время, час Выход, % Время, час Выход, %
1 Толуол 1 4,3 2 9,5
2 Пропанол 1 37,8 2 43,5
3 ДМСО 1 70,0 2 74,0
4 Без растворителя 1 6,6 2 15,5
Существенно улучшить выход удается в присутствии основного агента. Так, проведение реакции циклизации азида 3 в ДМСО в присутствии эквимолярного количества КОН при 50°С (1 час) позволяет получить фенотиазин 4 с количественным выходом [8]. Данное превращение азидов под действием основного агента в ДМСО является весьма необычным, подобных примеров в литературе нами не найдено.
Фотолиз 1-(п-трет-бутилфенилтио)-2-азидоантрахинона (3)
Для исследования фотохимических превращений азида 3 его растворы в толуоле, пропаноле и ДМСО были подвергнуты облучению полным светом ртутной лампы в течение 30 минут. Выход продукта циклизации 4 составил: в толуоле - 20,8%, пропаноле - 14,5%, ДМСО - 60,2%. Хроматографический контроль фотолизатов показал, что, помимо целевого продукта, в реакционной смеси имеется стартовое осмоление и ряд минорных слабоокра-шенных продуктов, среди которых нам удалось идентифицировать аминоантрахинон (1). Облучение азида 3 без растворителя (в диспергированном состоянии между стекол) в течение 30 минут приводит к образованию 4 с выходом 5%. Выход циклизации в этом случае может быть значительно увеличен (до 65%) при выдерживании образца на солнечном свету в течение 12 часов.
Для детального рассмотрения стадий фотопревращения раствор исследуемого азида в ДМСО облучали светом с длиной волны 313 нм через определенные промежутки времени с одновременной регистрацией ЭСП. На рис. 1 показана динамика образования глубокоокра-шенного продукта с максимумом в области 625 нм. Хроматографический контроль показал, что этим продуктом является фенотиазин 4. Экспериментально проверено, что раствор фено-тиазина 4 в ДМСО устойчив к длительному облучению как видимым (546 нм), так и УФ (313 нм) светом. Вероятно, устойчивость к облучению и является основной причиной значительно большего выхода 4 при фотолизе в ДМСО по сравнению с толуолом и пропанолом.
Аналогичная регистрация ЭСП в ходе фотолиза толуольных и пропанольных растворов азида 3 показала, что на начальных стадиях облучения также наблюдается образование фено-тиазина 4. Однако дальнейшее облучение раствора приводит к уменьшению интенсивности полосы поглощения при 625 нм и увеличению поглощения в области 400 нм, что указывает на образование побочных слабоокрашенных продуктов. Важно отметить, что проведенное нами облучение при комнатной температуре растворов индивидуального соединения 4 в толуоле и пропаноле приводит к его быстрой деструкции.
D
O.6
O3
O.O
4OO 5OO 6OO 7OO BOO
X / нм / X / nm
Рис. 1. Изменение ЭCП азида 3 (спектр 1) в ДMCO (C = Ы0-4 моль/л, кювета 1 см) при облучении в течение З (спектр 2), 15 (спектр З) и З0 мин (спектр 4).
з4
Таким образом, в результате проведенного исследования была установлена зависимость эффективности циклизации 1-арилтио-2-азидоантрахинона в 5Н-нафто[2,3-с]фенотиазин-8,13-дион от природы растворителя и активирующих факторов. Оказалось, что при фотолизе и термолизе с использованием в качестве растворителя ДМСО удается получить продукт реакции с наибольшим выходом. Количественного выхода удается достичь при обработке 1-арилтио-2-азидоантрахинона КОН в ДМСО. Найденные в работе условия получения гетероциклических производных антрахинона имеют важное препаративное значение благодаря простоте исполнения и высокому выходу целевого продукта, не требующего дополнительной хроматографической очистки.
Экспериментальная часть
ИК-спектры зарегистрированы на спектрофотометре Vector-22 фирмы Bruker в таблетках с КВг, электронные спектры поглощения (ЭСП) - на спектрофотометре «Spectro-2000», концентрация растворов - 10-4 моль/л. Хроматографическое выделение продуктов реакции осуществляли на колонках (пластинках) с силикагелем L (5-40мкм), ТСХ - на пластинках «Silufol UV-254», элюент толуол-хлороформ.
1-(п-трет-бутилфенилтио)-2-азидоантрахинон (3). К 1 ммоль 1-(п-трет-бутилфенилтио)-2-аминоантрахинона (1), растворенного в 50 мл АсОН, добавили 1,2 ммоль NaNO2 в 2 мл Н2О и 0,5 мл конц. НС1. Реакционную смесь выдержали 1 час, затем охладили до 10°C и внесли 1,2 ммоль NaN3. Перемешивали 30 мин, создав затемнение. Выпавший азид отфильтровали, промыли водой, высушили. Из 0,39 г исходного 1 получили 0,36 г азида 3. Выход 87%.
Термолиз азида 3 в растворителе. Раствор 2 мкмоль 3 в 20 мл толуола, пропанола или ДМСО нагревали 1 и 2 часа при 100 °С. По окончании выдержки смесь выливали на воду (в случае пропанола и ДМСО), выпавший осадок фильтровали, сушили. Продукт циклизации 4 выделяли с помощью препаративной ТСХ (элюент - толуол).
Термолиз азида 3 без растворителя. 2 мкмоль 3 нагревали 1 и 2 часа при 100°С в закрытой пробирке. По окончании выдержки смесь растворяли в 20мл толуола и выделяли продукт 4 с помощью препаративной ТСХ (элюент - толуол).
Фотолиз азида 3 в растворителе. Раствор 2 мкмоль 3 в 20 мл толуола, пропанола или ДМСО облучали полным светом ртутной лампы 0,5 часа, расстояние от лампы до образца 10 см. По окончании выдержки смесь обрабатывали аналогично термолизу.
Фотолиз азида 3 без растворителя. 2 мкмоля соединения 3 растирали между стеклами и облучали полным светом ртутной лампы 0,5 часа, расстояние от лампы до образца 10 см. По окончании растворяли в 20 мл толуола и делили смесь с помощью препаративной ТСХ (элюент - толуол).
ЛИТЕРАТУРА
1. Файн В. Я. 9,10-Антрахиноны и их применение. - М. : Центр фотохимии РАН, 1999.
- 92 с.
2. а) Ivaschenko A. V. Dichroic dyes for liquid crystal displays. - CRC Press, 1994. - 355 s.
б) Ivaschenko A. V. Dyes in liquid crystal / A. V. Ivaschenko,V G. Rumyantsev // Mol. Cryst. Liq. Cryst. - 1987. - V/.150A. - Р 1-168.
3. Okawara М. A Handbook of Data of Selected Dues for Electro-optical Applications / M. Okawara, T. Kitao, T. Hirashima, M. Matsuoka. - Tokyo : Elsevier, 1988. - 180 р.
4. Горелик М. В. Химия антрахинонов и их производных. - М. : Химия, 1983. - 296 с.
5. Azides and Nitrenes, Reactivity and Utility / еd. by Scriven E. F. V. - N. Y., 1984.
6. Грицан Н. П. Изучение фотохимических превращений органических азидов методом матричной изоляции и квантовой химии // Успехи химии. - 2007. - № 76 (12). - С. 1218.
7. Дмитриев Ф. М., Горностаев Л. М., Грицан Н. П., Ельцов А. В. // Журнал органической химии. -1985. № 21. - С. 2452.
8. Клименко Л. С. Синтез 5Н-нафто[2,3-с]фено-тиазин-8,13-дионов из 1-арилтио-2-азидоантрахинонов / Л. С. Клименко, Е. А. Притчина, Н. П. Грицан // Известия Академии наук. Сер. Химическая. - 2001. - № 4. - С. 652.
9. Фиалков Ю. Я. Растворитель как средство управления химическим процессом. - Л. : Химия, 1990. - 236 с.
