CC BY
26
УДК 547.024+541.515
М. Д. Гольдфейн, О. Н. Адаев, Х. М. Ярошевская
ПРЕПАРАТИВНАЯ ХИМИЯ СОЕДИНЕНИЙ НИТРОКСИЛЬНОГО РЯДА С ВЫРАЖЕННО ЛОКАЛИЗОВАННЫМ ПАРАМАГНИТНЫМ ЦЕНТРОМ 1. СТАБИЛЬНЫЕ ИМИНОКСИЛЬНЫЕ РАДИКАЛЫ - ПРОИЗВОДНЫЕ ПИРРОЛИНА
Ключевые слова: стабильный радикал, парамагнетик, синтез, пирролин.
Статья является первой из цикла статей, посвященных препаративной химии стабильных радикалов. Кратко указано фундаментальное и практическое значение органических парамагнетиков. Приведено детальное описание синтеза некоторых стабильных радикалов - производных пирролина.
Keywords: stable radical, paramagnetic, synthes.
This article is first of a cycle of articles, devoted to preparative chemistry of stable radicals. There are briefly showed the fundamental and practical meaning of organic paramagnetics. There are detailed description of synthesis of some stable radicals - pyrroline derivative.
Введение
Химия стабильных радикалов - органических парамагнетиков как самостоятельное направление стала развиваться с начала 1960-х годов. К этому времени химикам-органикам были известны лишь отдельные примеры свободных радикалов, которые можно было получить в виде химически гомогенной концентрированной фазы. Понятие стабильности радикалов не имеет смысла, если они не могут существовать в обычных условиях в виде химически чистой концентрированной фазы. Причем современного органика-экспериментатора чаще всего интересует не отдельно взятые химические частицы, а макроскопические химические тела в различных агрегатных состояниях. Стабильнось радикалов зависит от степени делокализации неспарен-ного электрона, а также от стерических затруднений в их молекулах. Органическая химия свободных радикалов - это химия парамагнитных паров, жидкостей, сыпучих тел, расплавов и растворов [1]. Для получения химически чистых парамагнетиков широко используются методы экстракции, кристаллизации, дистилляции и хроматографирования. В отличие от обычных органических соединений парамагнетики обладают дополнительными "отпечатками пальцев" - спектрами электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и положительной магнитной восприимчивостью, которую легко количественно оценить по силе втягивания образца в неоднородное магнитное поле:
, .. 8Н
А = тхН —— , 5г
где т - масса образца, % - магнитная восприимчи-
5И
вость, - - градиент магнитного поля в направ-
82
лении 2.
Стабильные нитроксильные радикалы являются полярными окрашенными твердыми или жидкими веществами. Газообразный - только ди(трифторметил)нитроксил. Как и все радикалы, нитроксилы имеют спектр ЭПР. В их спектре наблюдается триплетное расщепление, которое обусловлено сверхтонким взаимодействием неспарен-
ного электрона радикала с ядром атома . Константа сверхтонкого расщепления ак изменяется от 0,61-1,0 для ацил(трет.бутил)нитроксила до 2,4-2,8 для алкоксиарилнитроксила. g-фактор нитроксиль-ных радикалов находится в диапазоне 2,005-2,006.
Классическими радикальными реакциями, в которых участвуют стабильные парамагнетики, являются: присоединение к ненасыщенным субстратам, гомолитическое замещение при насыщенном атоме углерода, свободнорадикальная фрагментация, одноэлектронные окислительно-восстановительные превращения, диспропорциони-рование и перегруппировки.
Реакции без затрагивания локализованного парамагнитного центра внесли значительный вклад в органическую химию свободных радикалов и стали химической основой метода спиновых меток.
Свободные радикалы - это химические частицы с неспаренными электронами на граничных орбиталях, обладающие парамагнетизмом и высокой реакционной способностью. Они могут быть нейтральными или заряженными (ион-радикалы), иметь один или большее число неспаренных электронов (полирадикалы), быть короткоживущими (доли с) или долгоживущими (до нескольких лет) при 298 К, твердыми, жидкими или газообразными телами. Стабильность химически чистых образцов долгоживущих радикалов определяется скоростями исчезновения парамагнитных частиц вследствие их рекомбинации или диспропорционирования, однако без четкого определения стандартных термодинамических условий выводы о стабильности радикалов не имеют физического смысла
К долгоживущим свободным радикалам относятся парамагнитные вещества, химические частицы которых обладают сильно делокализованными не-спаренными электронами и большей частью стериче-ски экранированными реакционными центрами [2].
Принципиально новый тип нитроксильных парамагнетиков представляют так называемые ими-ноксильные радикалы [3-5]1. Несмотря на наличие сильно локализованного парамагнитного центра, иминоксильные радикалы устойчивы на воздухе и легко получаются в химически чистом состоянии.
Синтез химически чистых радикалов осуществляют разнообразными методами препаративной органической химии - окисление гидроксила-минов, окисление аминов, восстановление нитрозо-соединений, включая одноэлектронные окислительно-восстановительные реакции без затрагивания парамагнитного центра [7]. Идентификация радикалов производится с помощью магнитометрии, коло-метрии, волюмометрии, УФ, ИК и рамановской спектроскопии, масс - спектрометриии, хроматомасс - спектрометрии, хроматографических и кинетических методов [8].
В настоящее время с использованием свободных радикалов производится более трети всей мировой химической продукции, в том числе этил-бромид, карбоновые и перкарбоновые кислоты, карбоксильные соединения, фенол, капролактам, ПВХ, СК, различные виды моторного топлива, взрывчатые вещества, азотные удобрения. Термический крекинг углеводородов также является цепным сво-боднорадикальным процессом, в ходе которого реализуются многочисленные реакции свободных радикалов. Важную роль играют радикалы в реакциях окислительной полимеризации при высыхании лаков и красок, а также в термоокислительных и све-тоокислительных процессах деструкции и радиационной модификации полимерных материалов.
Стабильные радикалы используются (главным образом, иминоксильные1) в качестве эффективных ингибиторов реакций полимеризации, термо- и светоокисления различных органических материалов, например, для повышения стойкости ак-рилонитрила, винилацетата, винилиденхлорида, стирола, олигоэфиракрилатов, фурфурола, СК, НК, жиров, масел, каротинсодержащих кормов. Долго-живущие радикалы применяются для интенсификации химических процессов, повышения селективности каталитических систем и улучшения качества продукции при производстве анаэробных гермети-ков, эпоксидных смол, полиолефинов, метакриловой кислоты. Стабильные парамагнетики находят применение в биофизических и молекулярно - биологических исследованиях в качестве спиновых меток и зондов, в судебно - медицинской диагностике, аналитической химии, для повышения адгезии полимерных покрытий, при изготовлении кинофотоматериалов, в приборостроении, в нефтепромысловой геофизике и дефектоскопии твердых тел [7,8].
Настоящая статья является первой из цикла работ, посвященных описанию препаративных методов получения стабильных радикалов, а именно синтезу производных пирролина. Эти соединения используются в основном в качестве ингибиторов термо- и светодеструкции полимерных материалов, спиновых меток при изучении механизма биохимических реакций, в фармакологии.
1 Термин иминоксильные введен в химию Розанцевым Э.Г. , что соответствует традиционному названию насыщенных азотистых гетероциклов (СН2)ПКН (циклических иминов).
Экспериментальная часть
2,2,5,5 - Тетраметил-3-карбамидопирролин-
1-оксил
а) 2,2,6,6-Тетраметил-3,5-дибром-4-оксопиперидин гидробромид. При охлаждении, небольшими порциями растворяют 17,6 г триацетона-мина в 70 мл уксусной кислоты и к полученному раствору при энергичном перемешивании прикапывают раствор 36 г брома в 50 мл уксусной кислоты. Через несколько часов выпавший в осадок гидробромид 2,2,6,6-тетраметил-3,5-дибром-4-оксопиперидина отжимают на воронке Бюхнера и после промывки на фильтре уксусной кислотой, водой и эфиром высушивают на воздухе. Выход вещества с т. пл.193-195о 35 г (78%).
б) 2,2,6,6 - Тетраметил-3-карбамидопирролин. К 350 мл 25%-ного водного раствора аммиака при непрерывном перемешивании порциями прибавляют 35 г гидробромида 2,2,6,6-тетраметил-3,5-дибром--4-оксопиперидина. Получившийся раствор насыщают твердым КОН, выпавший амид 2,2,5,5-тетраметилпирролин-З-карбоновой кислоты отделяют на воронке Бюхнера и высушивают на воздухе. После перекристаллизации из бензола получают 11,8 г (80%) достаточно чистого для дальнейшей работы вещества с т. пл. 178-179°.
в) 2,2,5,5 - Тетраметил-3-карбамидопирролин-1-оксил. Смесь 15 мл воды, 0,78 г трилона Б (натриевая соль этилендиаминтет-рауксусной кислоты), 0,78 г вольфрамата натрия, 15 мл 30%-ного пероксида водорода и 15 г амида 2,2,5,5-тетраметилпирролин-3-карбоновой кислоты оставляют в темноте на 10 суток, ярко-желтые кристаллы отфильтровывают и высушивают, а фильтрат подкисляют 5%-ной соляной кислотой и экстрагируют хлороформом. Экстракт осушают сульфатом натрия и упаривают в вакууме. После испарения хлороформа дополнительно получают 0,93 г продукта. Общий выход парамагнитного вещества 14,9 г (91,5%); т. пл. после перекристаллизации из этанола 203-204°.
2,2,5,5 - Тетаметил-3-
карбомидопирролидин-1 -оксил
а) 2,2,5,5 - Тетраметил-3-карбомидопирролидин. В 300 мл метанола раство-
ряют 30 г амида 2,2,5,5 тетраметилпирролин-3-карбоновой кислоты и гидрируют во вращающемся автоклаве над скелетным катализатором при начальном давлении 180 атм. Раствор отделяют от катализатора, фильтрат упаривают, осадок перекри-сталлизовывают из бензола. Выход амида количественный, т. пл. 128-129°.
б) Растворяют 4,4 г амида 2,2,5,5 тетаме-тилпирролидин-3-карбо-новой кислоты в 50 мл воды и 7 мл метанола, добавляют 0,25 г трилона Б (динатривая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты), 0,25 г вольфрамата натрия и 6 мл 30%-ного пероксида водорода. Через неделю ярко-желтые кристаллы отделяют и высушивают над пентаокси-дом фосфора. Из фильтрата после подкисления соляной кислотой и экстракции хлороформом дополнительно извлекают некоторое количество парамагнитного вещества, общий выход которого составляет 4,2 г (88%), желтое кристаллическое вещество с т. пл. 174-175о (сублимат).
оксил
2,2,5,5 - Тетраметил-3-карбоксипирролин-1-
COOH
O
а) Кипятят 30 мл водного раствора 1,68 г 2,2,5,5 - тетраметил-3-карбамидопирролина с 1,73 г гидроксида бария (октагидрат) до прекращения выделения аммиака, затем через реакционную массу при 60оС пропускают газообразный диоксид углерода. Карбонат бария отфильтровывают, раствор упаривают и получают 1,46 г дигидрата аминокислоты, которую далее каталитическим окислением в присутствии вольфрамата натрия превращают в иминоксильный радикал аналогично амиду 2,2,5,5 -тетраметилпирролидин -3-карбоновой кислоты.
б) Метод нерадикальной реакции радикала. Кипятят 3,66 г 2,2,5,5-тетраметил-3-карбамидопирролин-1-оксил в 40 мл 10%-ного раствора гидроксида натрия до прекращения выделения аммиака. После охлаждения и осторожного подкис-ления раствора соляной кислотой осадок отделяют, фильтрат экстрагируют эфиром, из которого извлекают дополнительное количество парамагнетика. Общий выход продукта 3.57 г (97%), ярко-желтые кристаллы с т.пл. 210-211о (из бензола).
2,2,5,5 -
карбметоксипирролин-1 -оксил
,COOCH
Тетраметил-3-
O
К раствору 1,84 г 2,2,5,5-тетраметил-3-карбоксипирролин-1-оксила в 10 мл эфира добав-
ляют по каплям избыток эфирного раствора диазо-метана до прекращения выделения азота. Реакционную массу промывают насыщенным раствором бикарбоната натрия и водой, а затем высушивают плавленым сульфатом натрия. Эфир испаряют и получают 1,95 г (98,6%) желтых кристаллов, обладающих запахом цветущей липы, т.пл. 89-90о (из водного раствора метанола); парамагнетик легко сублимируется и хорошо растворяется в органических растворителях
2,2,5,5
Тетраметил-3 -цианопирролин-1-
оксил
O
Растворяют 1,53 г 2,2,5,5-тетраметил- 3 -карбамодопирролин-1-оксила в 10 мл сухого пиридина и прибавляют к раствору 2,87 г п-то-луолсульфохлорида, при этом смесь заметно разогревается. Реакционную массу оставляют при комнатной температуре на двое суток, а затем прибавляют по каплям раствор 1г едкого кали в 25 мл воды и нагревают до 80о. После охлаждения смесь экстрагируют эфиром, экстракт промывают 10%-ной соляной кислотой, насыщенным раствором бикарбоната натрия, водой и затем осушают сульфатом натрия. После испарения эфира получают 0,94 г (57%) оранжевого парамагнитного вещества, которое после хроматографирования (оксид алюминия) и возгонки в вакууме имеет т.пл. 62,5-63о; парамагнетик хорошо растворяется в обычных органических растворителях.
Хлорангидрид 2,2,5,5 карбоксипирролин-1 -оксила
'гаа
тетраметил-3-
O
К суспензии 0,55 г 2,2,5,5-тетраметил-3-карбоксипирролин-1-оксила в 10 мл обезвоженного бензола добавляют 0.3 мл сухого пиридина, и к образовавшемуся раствору при перемешивании и охлаждении прикапывают 0,27 мл свежеприготовленного тионилхлорида. После часового перемешивания при комнатной температуре соли отфильтровывают, промывая их на фильтре сухим бензолом, объединенный фильтрат упаривают при пониженном давлении. Темно-желтый кристаллический парамагнетик легко гидролизуется влагой воздуха. Выход - количественный.
3
Ангидрид 2,2,5,5 карбоксипирролин-1 -оксила
СОООС
тетраметил-3-
О О
К суспензии 0,18 г 2,2,5,5-тетраметил-3-карбоксипирролин-1-оксила в 3 мл сухого бензола при перемешивании и охлаждении прибавляют 0,2 мл сухого пиридина и 0,05 мл тионилхлорида. Через час реакционную массу выливают на лед, органический слой промывают разбавленной соляной кислотой, водой, разбавленной щелочью и снова водой. После высушивания сульфатом натрия раствор упаривают при пониженном давлении и получают 0,13 г (75%) ярко желтых кристаллов парамагнетика с т. пл. 141-143о (из смеси гексана с бензолом).
1-2,2,5,5-Тетраметил-3-карбэтоксипирро-лин- оксил
СООС Н
5
О
К суспензии 0,18 г 2,2,5,5-тетраметил-З-карбоксипирролин-1-оксила в 3 мл сухого бензола при перемешивании и охлаждении добавляют 0,2 мл сухого пиридина и 0,09 мл тионилхлорида. После получасового перемешивания при комнатной температуре в реакционную массу вносят этилат натрия, приготовленный на 1 мл этанола и 0,03 г натрия. Соли отфильтровывают, а фильтрат упаривают при пониженном давлении. После хроматогра-фирования остатка на оксиде алюминия (элюент хлороформ) получают 0,1 г (47%) парамагнитного эфира с т.пл. 109-110°(из гексана).
2,2,6,6-Тетраметил-3-карбфеноксипирро-лин-1-оксил
СООСН ,
о
К раствору хлорангидрида 2,2,5,5-тетраметил-З-карбоксипирро-лин-1-оксила, приготовленному из 0,09 г соответствующей парамагнитной кислоты и 0,05 мл тионилхлорида в 3 мл сухого бензола и 0,2 мл сухого пиридина, прибавляют 0,05 г фенола. Через 30 мин смесь выливают в 5%-й соляной кислоты, органический слой отделяют, промывают водой, 10%-м водным раствором едкого кали и снова водой. Бензольный раствор высушивают плавленым хлоридом кальция, и после испаре-
ния растворителя при пониженном давлении получают 0,10 г (78%) оранжево-желтых кристаллов парамагнетика с т. пл. 113-133,7о после хроматографи-рования (элюент хлороформ) и перекристаллизации из гексана.
Пиперидид карбоксипирролин-1 -оксил
2,2,5,5 -тетраметил-3-
О
К раствору 0,18 г 2,2,5,5-тетраметил-З-карбоксипирролин-1-оксила в смеси 3 мл сухого бензола и 0,2 мл сухого пиридина добавляют 0,09 мл тионилхлорида, а через 15 мин - 0,2 мл сухого пиперидина. Через полчаса реакционную массу смешивают с 20 мл воды, органический слой отделяют, промывают 5%-ной соляной кислотой, водой, 5%-ным раствором едкого кали и снова водой. После сушки плавленым хлоридом кальция, растворитель испаряют и получают 0,21 г (83%) парамагнитного пиперидина с т. пл. 104 - 104,5о (из гексана).
3,4- Дибром- 2,2,5,5-тетраметилпирролин-1-
оксил.
О
К раствору №ОВг, полученному из Вг2 (0,19 моль) и раствора №ОН (0,475 моль) в воде (930 мл) при -2-0° прикапывают раствор 2,2,6,6-тетраметил-4-оксопиперидин-1-оксила [2] (0,025 моль) и СН3ОН (25 мл) за 5 мин и перемешивают при этой температуре 30 мин. Затем добавляют раствор №282О3*5Н2О (3,5 г) в воде (10 мл), смесь нагревают до 30-35о и перемешивают 30 мин. После охлаждения не растворившуюся часть осадка отфильтровывают, промывают водой, растворяют в хлороформе, высушивают сульфатом магния, хлороформ удаляют, продукт хроматографируют на колонке с силикагелем ЛС 40/100 (элюент бензол), отбирают первую окрашенную зону. После удаления растворителя получают 4,05 г (54,4%) желтого кристаллического парамагнетика с т.пл. 163-164о (из гексана).
3-Бром-4-карбокси-2,2,5,5-тетраметил-пирролин-1 -оксил
Вг /СООН
О
К раствору №ОВг, полученному из Вг2 (0,19 моль) и раствора №ОН (2,28 моль) в воде (950
мл) при -2о и перемешивании, прикапывают раствор 2,2,6,6-тетраметил-4-оксопиперидин-1-оксила [2] (0,025 моль) в СН3ОН (25 мл) за 5 мин и перемешивают при этой температуре 25 мин (образуется осадок желтого цвета). Затем добавляют раствор №^2О3 • 5Н2О (3,5 г) в воде (10 мл), смесь нагревают до 30-35о и перемешивают при этой температуре 30 мин (осадок частично растворяется). После охлаждения осадок отфильтровывают, а к фильтрату при охлаждении до -2-0о и перемешивании прикапывают около 200 мл концентрированной НО до рН 2-3. Выпавший осадок отделяют, промывают водой и высушивают. Выход парамагнетика с т. пл. 232-233° (из пропанола) составляет 2,08 г (31,6%).
3-Бром-4-карбметокси-2,2,5,5-тетраметил-пирролин-1 -оксил
COOCH
3
O
К суспензии 3-бром-4-карбокси-2,2,5,5-тетраметилпирролин-1-оксила (0,01 моль) в смеси Н3СОН (30 мл) и эфира (20 мл) при перемешивании и охлаждении льдом добавляют безводный раствор диазометана в эфире (100 мл), подученный при разложении нитрозометилмочевины (0,05 моль) 40%-ным раствором КОН (20 мл). Смесь перемешивают 30 мин, промывают раствором NаНСОз, водой и сушат над MgSО4. После удаления растворителя остаток перекристаллизовывают из гексана. Получают 2,69 г (96%) парамагнитных кристаллов с т. пл. 130-131°.
3-Бром-4-карбоксамидо-2,2,5,5-тетраметил-пирролин-1 -оксил
CONH
2
O
1) К раствору СН3О№, полученному растворением № (0,01 моль) в СН3ОН (150 мл) добавляют З-бром-4-карбметокси-2,2,5,5-тетраметил-пирролин-1-оксила (0,01 моль) и при перемешивании и охлаждении льдом пропускают через раствор сухой аммиак до насыщения. Реакционную массу оставляют при 20° на 15 суток. Затем добавляют КН4С1 (0,04 моль) и кипятят смесь 15 мин, растворитель удаляют в вакууме, остаток обрабатывают горячим СНС13, фильтрацией отделяют неорганические соли, хлороформный раствор упаривают до появления первых кристаллов и добавляют шестикратный объем гексана. Кристаллы отфильтровывают, промывают гексаном, высушивают, получают
2,38 г (91%) желтых кристаллов с т. пл. 165-166о (из хлороформа - гексана)
2) К раствору хлорангидрида З-бром-4-карбметокси-2,2,5,5-тетра-метилпирролин-1-оксила (0,005 моль) в ацетоне (30 мл) добавляют ацетат аммония (0,0125 моль) и смесь перемешивают 2 ч при 20°. Растворитель удаляют в вакууме, добавляют СНС13 (100 мл) и воду (20 мл). Хлороформный раствор отделяют, промывают 5%-ным раствором соды, сушат над МgSО4. После обработки по способу 1 получают 1,24 г (93%) парамагнитного парамагнетика с т. пл. 165-166о.
3-Бром-4-циан-2,2,5,5-тетраметилпирролин-
1-оксил
O
К раствору 3-бром-4-
карбоксамидопирролин-1-оксила (0,01 моль) в сухом пиридине (10 мл) при перемешивании и охлаждении холодной водой добавляют р-толуолсульфохлорид (0,015 моль) в течение 5 мин, после чего смесь оставляют стоять 2 суток при 20о. Затем при перемешивании добавляют раствор К2СО3 (4 г) в воде (6 мл) и дополнительно перемешивают 15 мин, выливают в эфир (200 мл), эфирный слой промывают водой, 5% НС1, водой, раствором NаНСО3, водой, сушат над MgSО4. После удаления растворителя остаток хроматографируют на колонке с силикагелем ЛС 40/100 (элюент бензол), отбирая первую окрашенную зону. После удаления растворителя получают 1,71 г (70%) вещества с т. пл. 94-95о (из гексана).
Ангидрид 3-бром-4-карбокси-2,2,5,5-
тетраметилпирролин-1-оксила и метилового эфира угольной кислоты
Bк
COOCOCH
К раствору 3-бром-4-карбокси-2,2,5,5-тетраметилпирролин-1-оксила (0,01 моль) и триэти-ламина (0,011 моль) в сухом бензоле (30 мл) при перемешивании и охлаждении холодной водой добавляют по каплям (5 мин) раствор метилхлорфор-миата (0,011 моль) в бензоле (20 мл). Смесь перемешивают 4 ч при 20о, отфильтровывают осадок и промывают его бензолом. После удаления растворителя в вакууме получают желтые кристаллы. Выход 98%, т. пл.127-130о (из гексана, быстрый нагрев).
3
Хлорангидрид 3-бром-4-карбокси-2,2,5,5 тетраметилпирролин-1 -оксила
бензоле. выход 63%, желтые кристаллы , т. пл. 3536° (из пентана).
Br
/COCÍ
О*
К суспензии 3-бром-4-карбокси-2,2,5,5-тетраметил-пирролин-1-оксила (2,63 г, 0,01 моль) в сухом эфире (60 мл) при перемешивании и охлаждении смесью ацетон - сухой лёд последовательно добавляют пиридин (0,025 моль) и раствор 8ОС12 (0,06 моль) в эфире (20 мл) в течение 15 минут. Затем смесь медленно нагревают до 0о («30 мин) и перемешивают 2 ч на ледяной бане и 2 ч при 20о, отфильтровывают осадок и промывают его бензолом. Объединенный раствор упаривают в вакууме, добавляют и вновь удаляют бензол (температура бани 20-25°). Кристаллический остаток растворяют в бензоле и фильтруют через колонку с силикагелем ЛС 40/100 (50х16 мм). После удаления растворителя получают 2,5 г (89%) желтых кристаллов с т. пл. 7375° (из пентана).
3-Бром-4-карбэтокси-2,2,5,5 - тетраметилпирролин-1 -оксил
ВГ /СООС2Н5
O
К раствору хлорангидрида 3-бром-4-карбокси-2,2,5,5-тетраметил-пирролин-1-оксила (0,005 моль) и пиридина (0,0125 моль) в сухом эфире (20 мл) при перемешивании при 20° добавляют за 10 мин сухой этанол (10 мл). Смесь перемешивают 1 ч при 20°, выливают в эфир (100 мл) и промывают последовательно 5% НС1, водой, раствором МаНСО3, водой. После высушивания над МgSО4 растворитель удаляют, остаток перекристаллизовы-вают из пентана. Получают 1,08 г (74%) желтых кристаллов с т. пл. 95-96°(из пентана).
3-Бром-4-карботокси-2,2,5,5 пирролин-1 -оксил
тетраметил-
COOC
O
Эфир получают кипячением (1ч) хлоран-гидрида 3-бром-4-карбокси-2,2,5,5-
тетраметилпирролин-1-оксила (0,005 моль) с с н. октанолом (0,01 моль) и пиридином (0,015 моль) в
2,2,5,5 -
диазоацетилпирролин-1 -оксил
Br /COCHN
Тетраметил-3 -бром-4-
2
O
1) К сухому раствору диазометана в эфире (50 мл), полученному реакцией N-нитрозометилмочевины (0,025 моль) с 40%-ным водным раствором КОН (10 мл), при перемешивании и охлаждении на льду последовательно добавляют триэтиламин (0,01 моль) и раствор хлорангид-рида 2,2,5,5-тетраметил-3-бром-4-карбоксипирролин-1-оксил (0,01 моль) в эфире (50 мл) за 15 минут. Смесь перемешивают при охлаждении льдом 2 ч, отфильтровывают осадок, фильтрат упаривают в вакууме и хроматографируют на колонке с силикагелем ЛС 40/100 (450х16 мм), отбирая вторую окрашенную зону (элюент смесь эфир - гексан 1:1). После удаления растворителя получают 2,19 r (80,3%) желтых кристаллов с т. пл. 86-87° (из гексана).
2) К сухому раствору диазометана в СН2С12 (80 мл), полученного из N-нитрозометилмочевины (0,05 моль), при перемешивании и охлаждении льдом добавляют порциями ангидрид 2,2,5,5-тетраметил-3 -бром-4-карбоксипирролин-1-оксила и метоксиугольной кислоты за 5 минут. Затем смесь перемешивают 4 ч при ~20°, растворитель удаляют в вакууме и остаток хроматографируют на колонке с силикагелем ЛС 40/100 (300х16 мм). Первую окрашенную зону элюируют смесью эфир - гексан (1:5) и отбрасывают. Вторую окрашенную зону элюируют смесью эфир - гексан (1:1). После удаления растворителя получают 2,5 г (87%) аутентичного парамагнитного вещества.
2,2,5,5 - Тетраметил-3-бром-4-
трифенилфосфазино-глиоксалилпирролин-1-оксил
COCHN-N=P(C H )5 3
O
НРР-метод. К раствору трифенилфосфина (7,5 ммоль) в сухом эфире (12 мл) при перемешивании и охлаждении льдом добавляют в один прием диазокетон 2,2,5,5-тетраметил-3-бром-4-
диазоацетил-пирролин-1-оксил (1,44 г, 0,005 моль). Смесь перемешивают 30 мин при охлаждении льдом, образовавшиеся кристаллы отфильтровывают, промывают сухим эфиром. После высушивания получают 2,64 г (96,4%) розовых кристаллов парамагнетика, т. пл. 153-154о (с разл.).
2,2,5,5 -
ацетилпирролин-1-оксил
Br /COCH
Тетраметил-3 -бром-4-
/V\
с
Суспензию 2,2,5,5-тетраметил-З-бром-4-трифенил-фосфазино-глиоксалилпирролин-1-оксила (0,005 моль) в смеси воды (4 мл) и СН3ОН (16 мл) кипятят 2 ч с обратным холодильником, добавляют 1 н. NaOH (2 мл) и кипятят еще 1 ч. Происходит газовыделение, и смесь приобретает темно-красный цвет. Метанол удаляют в вакууме, экстрагируют бензолом, бензольный экстракт промывают раствором №0. После высушивания над MgSO4, упаривают до объема 30 мл, добавляют РЬО2 (0?026 моль) и перемешивают 24 ч. Затем осадок отфильтровывают , растворитель удаляют в вакууме и остаток хроматографируют на колонке с силикагелем ЛС 40/100 (200х16 мм), элюент - смесь эфира и гек-сана (1:2). Отбирают первую окрашенную зону. После удаления растворителя получают 0,63 г (48%) парамагнетика в виде желтых кристаллов, т. пл. 71,5-72,5° (из пентана).
2,2,5,5 -
хлорацетилпирролин-1 -оксил
Тетраметил-3 -бром-4-
COCH 2Cl
O
К раствору 2,2,5,5 тетраметил-З-бром-4-диазоацетилпирролин-1-оксила (0,01 моль) в эфире (100 мл) при энергичном перемешивании и охлаждении льдом по каплям добавляют концентрированную НС1 (р=1,185 г/см3; 3,5 мл; 0,04 моль) за 5 мин и перемешивают дополнительно 30 мин при охлаждении льдом. Затем добавляют №0 (1 г) и еще перемешивают 20 мин, по каплям добавляют насыщенный раствор NaHCO3 (20 мл) и перемешивают 10 мин. Органический слой отделяют, промывают водой, сушат над MgSО4. После удаления растворителя получают 2,87 г (97%) чистого парамагнетика, т. пл. 90-91о (из гексана).
2,2,5,5 - Тетраметил-32-бром-4-(1-гидрокси-2-хлорэтил)пирролин-1 -оксил
Вг ^
■ C№-CH а 2
O'
К суспензии 2,2,5,5-тетраметил-3-бром-4-хлорацетилпирролин-1-оксила (0,005 моль) в этано-
ле (20 мл) при перемешивании и температуре -15 -г--20о добавляют порциями NaBH4 (0,00375 моль) за 5 минут и перемешивают дополнительно при этой температуре 15 минут. Затем смесь помещают в ледяную баню и перемешивают 30 мин, добавляют МИ^О (0,01 моль) и удаляют растворитель в вакууме. К остатку добавляют воду (10 мл) и экстрагируют эфиром. Эфирный экстракт промывают раствором №0, сушат над MgSO4 и растворитель удаляют. После перекристаллизации из гексана получают 1,27 г (85,5%) парамагнетика; зеленовато-желтые кристаллы, т. пл. 87-88о (из гексана).
2,2,5,5 -
иодацетилпирролин-1 -оксил
Br XOCH J
Тетраметил-3 -бром-4-
O '
К раствору Nal (0,01 моль) в сухом ацетоне (20 мл) при перемешивании и ~20о добавляют 2,2,5,5-тетраметил-3-бром-4-хлорацетил-пирролин-1-оксила (5 ммоль) и смесь перемешивают 1 ч, растворитель удаляют в вакууме, к остатку добавляют 10%-ный раствор Na2S2O3 (20 мл) и экстрагируют эфиром. Эфирный экстракт промывают водой, раствором NaCl, сушат над MgS04, растворитель удаляют. После перекристаллизации из гексана получают 1,9 г (98%) парамагнетика; оранжево-желтые кристаллы, т. пл. 93-94° (из гексана).
2,2,5,5 - Тетраметил-3-бром-4-(1-гидроксиэтил)пирролин-1 -оксил
OH
CHCH
о*
а) К раствору 2,2,5,5-тетраметил-3-бром-4-иод-ацетилпирролин-1-оксила (0.01 моль) в сухом диметилсульфоксиде (ДМСО) при перемешивании за 5 минут добавляют порциями МаВЩ (0,04 моль). Смесь нагревают 1 час при 90-95° и оставляют охлаждаться. Затем добавляют раствор ЫЕ^О (0,04 моль) в 20 мл воды, и реакционную массу выливают в 200 мл насыщенного раствора №0. Смесь экстрагируют CHCl3, экстракт промывают насыщенным раствором №0 и сушат над сульфатом магния. После испарения хлороформа остаток хроматографи-руют на силикагеле ЛС 40/100, элюент эфир - гексан (2:1). Отбирают первую окрашенную зону. После удаления растворителя получают 2,28 г (86,5%) желтых кристаллов с т. пл. 90-91° (из гексана).
3
3
б) К раствору 2,2,5,5-тетраметил-3-бром-4-ацетил-пирролин-1-оксила (0,01 моль) в 40 мл этанола при перемешивании и охлаждении льдом порциями прибавляют за 5 минут МаВН4 (0,04 моль). Смесь перемешивают при комнатной температуре еще 2 ч, растворитель испаряют в вакууме, добавляют к остатку 50 мл насыщенного раствора №С1 и экстрагируют СНС13 . Экстракт промывают раствором №С1, сушат безводным сульфатом магния, после удаления растворителя и перекристаллизации из гексана получают 2,36 г (90%) аутентичного парамагнетика.
2,2,5,5 -хлорэтил)пирролин-1-оксил
С1
СНСН
Тетраметил-3-бром-4-( 1-
О
К раствору 2,2,5,5-тетраметил-3-бром-4-(1-оксиэтил)пирролин-1-оксила (5 ммоль) в 5 мл сухого пиридина при перемешивании и охлаждении льдом прикапывают раствор РОС1з (6,25 моль) в 5 мл пиридина за 5 мин. На другой день смесь выливают в 50 мл воды и экстрагируют эфиром. Экстракт промывают 5%-ной НС1, водой и раствором МаНСО3, сушат сульфатом магния и осветляют активированным углем. После испарения эфира и перекристаллизации остатка на гексана получают 0,96 г (68%) желтых парамагнитных кристаллов с т. пл. 69-70°.
2,2,5,5 -
винилпирролин-1-оксил
Тетраметил-3 -бром-4-
СН „
О
Смесь 2,2,5,5-тетраметил-3-бром-4-(1-хлорэтил)пирролин-1-оксила (5 ммоль), трет.-бутилата калия (5 ммоль) и 18-краун-6-эфира (0,05 ммоль) в 20 мл сухого бензола кипятят 2 ч в колбе с обратным холодильником. После охлаждения смесь выливают в воду, экстрагируют эфиром, вытяжку промывают раствором №С1 и сушат сульфатом магния. После испарения растворителя получают 1,1 г (90%) желтых парамагнитных кристаллов винилового мономера с т. пл. 84-85° (сублимат).
2,2,5,5 - Тетраметил-3-бром-4-
гидроксиметилпирролин-1-оксил
СН2ОН
а) К раствору хлорангидрида 2,2,5,5-тетраметил-З--бром-4-карбо-ксипирролин-1-оксила (0,005 моль) в 20 мл диоксана при перемешивании и охлаждении водопроводной водой последовательно добавляют МаНСО3 (0,01 моль) и МаВН4 (0,025 моль) небольшими порциями в течение 5 мин, затем смесь перемешивают 4 часа при комнатной температуре, снова охлаждают и добавляют насыщенный раствор №2СО3 (5 мл). Реакционную массу разбавляют 60 мл воды и экстрагируют хлороформом. Объединенные хлороформные вытяжки промывают насыщенным раствором №С1, сушат сульфатом магния, упаривают на роторном испарителе в вакууме водоструйного насоса и фильтруют через колонку с А12О3 (100х16 мм). После удаления хлороформа получают 1,10 г (88%) желтых парамагнитных кристаллов с т. пл. 152-153° (из смеси гексана с хлороформом).
б) К суспензии смешанного ангидрида ме-токсимуравьиной кислоты и 2,2,5,5-тетраметил-3-бром-4-карбоксипирролин--1-оксила (0,01 моль) в 40 мл этанола при перемешивании и охлаждении до минус 40о порциями добавляют МаВН4 (0,02 моль) в течение 5 мин и продолжают перемешивать еще 15 мин. Охлаждающую баню заменяют на ледяную и перемешивают еще 2 ч при 0-1°, затем растворитель испаряют и к остатку добавляют воду (70 мл). Смесь экстрагируют хлороформом, объединенные вытяжки промывают водой, насыщенным раствором №С1 и сушат над сульфатом магния. После удаления растворителя и перекристаллизации остатка из толуола получают 1,87 г (75,2%) аутентичного препарата.
2,2,5,5 - Тетраметил-3-бром-4-
тозилооксиметилпирролин-1 -оксил
О
Ш2О-
СН3
О
О
а) К суспензии 2,2,5,5-тетраметил-3-бром-4-оксиметил-пирролин-1-оксила (0,01 моль) в сухом бензоле (20 мл) при перемешивании и охлаждении ледяной водой последовательно добавляют триэти-ламин (0,02 моль), п-толуолсульфохлорид (0,011 моль) в сухом бензоле. Реакционную массу оставляют на сутки при комнатной температуре, а затем фильтруют и упаривают досуха. После перекристаллизации остатка из гексана получают 2,96 г
3
(73,5%) блестящих желтых кристаллов парамагнетика с т. пл. 96-97о (из гексана).
б) К раствору 2,2,5,5-тетраметил-3-бром-4-гидроксиметил-пирролин-1-оксила (0,015 моль) и триэтиламина (0,08 моль) в сухом CH2Cl2 (30 мл) при перемешивании и охлаждении на ледяной бане по каплям добавляют раствор п-толуолсульфохлорида (0,0165 моль) и ОТ^Ь (15 мл) в течение 5 мин. Реакционную смесь выдерживают сутки при ~20°, промывают водой, сушат над MgSО4 и растворитель удаляют. Остаток перекри-сталлизовывают из гексана и получают 3,20 г (53%) аутентичного препарата.
оксил
2,2,4,5,5 - Пентаметил-3-бромпирролин-1-
Br
O
К раствору 2,2,5,5-тетраметил-3-бром-4-тозилоксиметил-пирролин-1-оксила (0,01 моль) в сухом ДМСО (40 мл) при ~20о и перемешивании добавляют порциями МаВЩ (0,02 моль) за 5 мин. Смесь перемешивает 15 мин при 20° и затем 2 ч при 90-95°. После охлаждения реакционную массу выливают в воду (200 мл) и экстрагируют гексаном. Экстракт промывают водой, раствором №0 и сушат над МgSО4. После удаления растворителя остаток перекристаллизовывают из пентана. Получают 1,80 г (77%) парамагнитного вещества; желтые кристаллы с запахом камфоры, т. пл. 56-59°(сублимат).
2,2,5,5 -
иодметилпирролин-1 -оксил
Тетраметил-3 -бром-4-
O
К раствору Nal (0,015 моль) (сушат 40 ч при 120°) в сухом ацетоне (40 мл) при перемешивании и 20° добавляют за 5 мин 2,2,5,5-тетраметил-3-бром-4-тозилоксиметилпирролидин-1-оксил (0,01 моль) и перемешивают еще 1 ч. Растворитель удаляют в вакууме. К остатку добавляют 10%-ный раствор Na2S2O3 (20 мл) и экстрагируют эфиром. Экстракт промывают водой, раствором NaCl, сушат над MgS04, растворитель удаляют. После перекристаллизации из гексана получают 3,52 г (98%) парамагнетика; желтые кристаллы, т. пл.83,5-84,5° (сублимат).
2,2,5,5 - Тетраметил-3-бром-4-(2,2-диацетилэтил)пирролин-1 -оксил
Br /CH2CH (OCCH 3)2
O
К суспензии Май (0,01 моль) в сухом диме-тилформамиде (ДМФА) (5 мл) при перемешивании и температуре -10 + -15о прикапывают за 5 мин раствор ацетилацетона (0,02 моль) в сухом ДМФА (5 мл) и дополнительно перемешивают 10 минут. Затем при этой же температуре прикапывают раствор 2,2,5,5 - тетраметил - 3 - бром - 4 - иодметилпирро-лин-1-оксила (5 ммоль) в ДМФА (10 мл) за 5 мин. Смесь перемешивают 3 ч на ледяной бане и 1 ч при ~20о. Реакционную массу выливают в воду (120 мл), подкисляют 5% НС1 до рН 2-3, экстрагируют эфиром. Эфирные экстракты промывают раствором №0 и упаривают досуха. Остаток растворяют в метаноле (5 мл) и добавляют раствор (CHзCOO)2Сu•H2O (1 г) в воде (10 мл). После окончания отделения осадок комплекса медного производного (30 мин) осадка отфильтровывают, промывают водой и гексаном. Затем комплекс помещают в смесь эфира (50 мл) и 2 н. раствора Н^О4 (10 мл) и перемешивают на льду до полного его растворения (~1 ч). Эфирный раствор отделяют, промывают раствором NaHCO3, раствором №0, сушат над MgSО4. После удаления растворителя остаток перекристал-лизовывают из гексана. Получают 1 г (60,5%) парамагнетика; желто-оранжевые кристаллы. Вещество не имеет четкой температуры плавления, - т. пл. 88106° (в зависимости от скорости нагрева).
2,2,5,5 -
формилпирролин-1-оксил
CHO
Тетраметил-3 -бром-4-
O
а) К суспензии МаВН4 (5 ммоль) в сухом ацетонитриле (15 мл) при перемешивании на льду добавляют сухой ДМФА (2 мл) и мелко растертый CdCl2 (3,8 ммоль) (сушат 5 ч при 120о) и перемешивают 15 мин. Затем быстро прикапывают раствор хлорангидрида 2,2,5,5-тетраметил-3-бром-4-
карбоксипирролин-1-оксила (5 ммоль) в сухом аце-тонитриле (5 мл) и перемешивают на льду 40 мин. Реакционную массу выливают в смесь ледяной воды (100 мл) и 5% НС1 (4 мл), экстрагируют эфиром. Экстракт промывают раствором №0, сушат над МgSО4, растворитель удаляют. Остаток обрабатывают горячим гексаном и фильтруют. Гексановый раствор упаривают досуха и хроматографируют на колонке с силикагелем ЛС 40/100 (250х16 мм), элю-
ент - эфир: гексан =1:2. Из первой окрашенной зоны после удаления растворителя получают 1 г (81%) парамагнетика; желтые кристаллы, т. пл. 123-124° (из гексана).
б) К раствору пиридина (0,12 моль) в сухом CH2Cl2 (30 мл) при перемешивании и охлаждении на льду добавляют порциями Сг03 (0,06 моль), охлаждение прекращают и перемешивают дополнительно 15 мин. К полученной смеси добавляют раствор 2,2,5,5-тетраметил-3-бром-4-
гидроксиметилпирролин-1-оксида (0,01 моль) в CH2Cl2 (15 мл) и перемешивают еще 20 мин. Затем добавляют эфир (50 мл), отделяют органический слой, а осадок промывают эфиром. Объединенный органический раствор промывают последовательно 5%-ной HCl, водой, раствором NaHCO3, раствором NaCl и сушат над MgS04. После удаления растворителя остаток растворяют в бензоле и фильтруют через колонку с силикагелем ЛС 40/100 (75х16 мм). После удаления растворителя получают 2,22 г (90%) чистого аутентичного препарата.
2,2,5,5 -
пропионилпирролин-1 -оксил
Тетраметил-3 -бром-4-
coch2ch3
O
К суспензии 2,2,5,5-тетраметил-3-бром-4-формил-пирро-лин-1-оксила (5 ммоль) в сухом эфире (5 мл) при перемешивании на льду добавляют охлажденный сухой эфирный раствор диазоэтана (28 мл), полученный реакцией N нитрозоэтилмочевины (0,015 моль) с 40%-ным водным раствором КОН (6 мл), и оставляют при -20° (происходит газовыделение, осадок растворяется). Через 8 ч растворитель удаляют и хроматографиру-ют на колонке с силикагелем ЛС 40/100 (150х16 мм), элюент - бензол: эфир =100:3. Отбирают первую окрашенную зону. После удаления растворителя получают 1,33 г (97%) парамагнетика; желтые кристаллы, т. пл. 49-50° (сублимат).
2,2,5,5-Тетраметил-3-бром-4-(2-оксиминопронионил)пирролин-1-оксил Br ,CO — C—CH ,
3
NOH
O
К раствору трет.бутилата калия (0,01 моль) в 20 мл трет.бутанола в среде аргона при перемешивании добавляют 2,2,5,5-тетраметил-3-бром-4-пропионилпирролин-1-оксил (5 ммоль) и перемешивают 30 мин. К полученному раствору при охлаждении водой добавляют по каплям за 5 мин раствор изоамилнитрита (6,25 ммоль) в трет.бутанола (5 мл) и перемешивают дополнительно 2 ч. Затем реакционную массу оставляют при 20° в среде аргона на 24 ч. Добавляют воду (10 мл) и удаляют в вакууме трет.бутанол (температура бани 30-40°). Добавляют 1 н. раствор NaOH (5 мл) и промывают хлороформом. Водный раствор подкисляют уксусной кислотой, экстрагируют хлороформом. Хлороформный экстракт промывают раствором NaCl и сушат над MgS04. После удаления растворителя остаток пере-кристаллизовывают из гексана. Получают 0,67 г (44%) парамагнитного вещества, желтые кристаллы, т. пл. 132-133° (из циклогексана).
Литература
1. Э.Г. Розанцев, В. Д. Шолле. Органическая химия свободных радикалов. М.: Химия. 1979. 344 с
2. Бучаченко А.Л., Вассерман А.М. Стабильные радикалы. М.: Химия 1973. 408 с.
3. Розанцев Э.Г. Свободные иминоксильные радикалы. М.: Химия. 1970. 216 с.
4. Розанцев Э.Г. А.С. СССР № 166031. Б.И. № 21 (1964).
5. Розанцев Э.Г., Нейман М.Б., Лихтенштейн Г.И. А.С. СССР № 166133. Б.И. № 21 (1964).
6. Нитроксильные радикалы. Синтез, химия, приложения. /Розанцев Э.Г., Жданов Р.И. - М.: Наука. 1987. 271 с.
7. Розанцев Э.Г., Гольдфейн М.Д.., Пулин В.Ф. Органические парамагнетики. Саратов: Изд-во Саратов. Госуд. Ун-та. 2000. 340 с.
8. Гольдфейн М.Д., Розанцев Э.Г. Свободные радикалы и органические парамагнетики. //Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. 2014. № 1 (5). С. 60-72.
© М. Д. Гольдфейн - профессор, советник ректора, Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского. goldfeinmd@mail.ru; О. Н. Адаев - ст. препод., Саратовский социально-экономический институт Российского экономического университета им. Г.В. Плеханова, sarcustomsru@mail.ru; Х. М. Ярошевская - канд. хим. наук, проф. каф. физической и коллоидной химии КНИТУ.
© M. D. Goldfein, professor, Saratov State University is name N.G. Chernyshevski, goldfeinmd@mail.ru: O. N. Adaev, Senior lecture Saratov Social-Economic Institute of Russian Economic University is name G.V. Plehanov, sarcustomsru@mail.ru; H. M. Yaroshevskaya - PhD, professor of Physical and Colloidal Chemistry of KNRTU.
