CC BY
22УДК: 547.792.1.057
Е. А. Данилова, А. А. Иволин, А. А. Воронцова, М. К. Исляйкин,
Г. А. Ананьева*, Н. В. Жарникова*, В. В. Быкова*, Н. В. Усольцева*
СИНТЕЗ И МЕЗОМОРФНЫЕ СВОЙСТВА 1-АЛКИЛ-3,5-ДИАМИНО- 1,2,4-ТРИАЗОЛОВ
SYNTHESIS AND MESOMORPHIC PROPERTIES OF 1-ALKYL-3,5-DIAMINO-1,2,4-TRIAZOLES
Ивановский государственный химико-технологический университет,
НИИ макроциклов, 153000 Иваново, пр. Ф. Энгельса, д. 7. E-mail:[email protected] * Ивановский государственный университет, НИИ Наноматериалов,
153025 Иваново, ул. Ермака, 39. E-mail: [email protected]
Прямым алкилированием 3,5-диамино-1,2,4-триазола соответствующими алкилбромидами осуществлен синтез 1-пентил-, 1-децил- и 1-додецил-3,5-диамино-
1.2.4-триазолов. Строение полученных соединений подтверждено данными масс-спектрометрии, ИК- и ЯМР-спектроскопией, элементного анализа. Методами поляризационной микроскопии и дифференциальной сканирующей калориметрии установлено, что 1-децил-3,5-диамино- и 3,5-диамино-1-додецил-1,2,4-триазолы проявляют мезоморфные свойства при нагревании и охлаждении.
Ключевые слова: синтез, 1-децил-3,5-диамино-1,2,4-триазол, 1-додецил-3,5-диамино-1,2,4-триазол, мезоморфные свойства.
1-Pentyl-, 1-decyl- or 1-dodecyl-3,5-diamino-1,2,4-triazoles were synthesized by direct alkylation of 3,5-diamino-1,2,4-triazole with corresponding alkyl bromides. The compounds were characterized by MS-, IR- and NMR spectral data, elemental analysis. The mesomorphic properties of 1-decyl- and 1-dodecyl-3,5-diamino-1,2,4-triazole were studied by polarizing optical microscopy and differential scanning calorimetry. It was shown that given compounds exhibit mesomorphic properties both on heating and cooling.
Key words: synthesis, 1-decyl-3,5-diamino-1,2,4-triazole, 3,5-diamino-1-dodecyl-
1.2.4-thriazole mesomorphic properties.
3,5-Диамино-1Н-1,2,4-триазол (гуаназол) (1) широко используется в качестве исходного соединения в синтезе макрогетероциклических соединений [1 - 5]. Это соединение, а также его производные, являются гербицидами, ингибиторами вуалирования, лекарственными препаратами [6], стабилизаторами фотоэмульсий [7], горюче-связывающими компонентами реактивных топлив [8]. Катионные красители на основе гуаназола дают окраски устойчивые к свету и мокрым обработкам [9]. Алкилирование гетероциклических соединений является одной из основных реакций для получения соединений, растворимых в органических растворителях. Алкильные производные
3,5-диамино-1Н-1,2,4-триазола используются в медицине в качестве блокаторов гиста-
© Данилова Е. А., Иволин А. А., Воронцова А. А., Исляйкин М. К., Ананьева Г. А., Жарникова Н. В., Быкова В. В., Усольцева Н. В., 2011
мина [10] и рецепторов нейрокинина [11], ингибиторов процесса перекисного окисления липидов, агентов для лечения диабета и других заболеваний [12].
Анализ литературных данных показывает, что алкилирование 3,5-диамино-1Н-
1,2,4-триазола можно осуществлять электрофильным замещением водорода при циклическом атоме азота на алкильный радикал. В качестве алкилирующих агентов обычно используют алкилгалогениды [13 - 15]. На момент постановки данной работы были получены метил-, пропил-, пентил-, децил-, додецилгуаназолы [13, 14].
Наиболее трудоемкой стадией в получении №алкил-1,2,4-триазолов является выделение и очистка целевых продуктов. Так авторы [13] предлагают выделение ал-килгуаназолов через стадию образования пикратов целевых продуктов, а свободное основание получают с применением колоночной хроматографии на ионообменных смолах. При этом выход соединений не превышает 40 %.
Предложенный авторами [15] способ выделения 1-децил-3,5-диамино-1,2,4-триазола, заключающийся в удалении избытка алкилбромида вакуумной отгонкой, позволил повысить выход целевого продукта до 73 %. Однако, использование вакуумного оборудования повышает опасность процесса.
Таким образом, разработка приемлемого способа выделения алкилтриазолов является актуальной задачей, что позволит сделать эти соединения синтетическими доступными, в том числе и для синтеза макрогетероциклических соединений.
Диаминотриазолы, замещенные по атому азота, находящемуся в положении 1, получали алкилированием гуаназола 1 алкилбромидами в присутствии метанолята натрия в растворе кипящего метанола в соответствии со схемой 1:
1 2-4
А1к = С5Н11 (2), С10Н21 (3), С12Н25 (4)
Схема 1
Данная реакция идет через стадию образования кватернизированного гуаназола (схема 2), которое необходимо перевести в свободное основание.
Схема 2
Для этой цели, после окончания реакции алкилирования, растворитель отгоняли и остаток обрабатывали водным раствором аммиака. Образовавшийся алкилгуаназол экстрагировали хлороформом. После отгонки растворителя, остаток очищали многократной промывкой гексаном.
Окончание алкилирования контролировали с помощью тонкослойной хроматографии. Экспериментально было обнаружено, что алкилирование гуаназола требует продолжительного эксперимента (4 - 12 ч.) и зависит от длины углеводородной цепи. Так, синтез пентилзамещенного 2 проводили в течение 4 часов. При этом выход целевого продукта составил 41 %. Для соединения 3 соответственно 11 часов и 11 %.
Строение полученных алкилгуаназолов установлено на основании данных электронной, ИК-, 1Н ЯМР-спектроскопии, масс-спектрометрии и элементного анализа (таблица).
Так, в масс-спектре соединения 2 присутствует сигнал с m/z = 168, отвечающий молекулярному иону [М]+, и обнаружены сигналы продуктов фрагментации этого соединения.
Основные характеристики синтезированных соединений
№ Вы- ход % Т.пл. °С Данные элементного анализа Найдено, % Вычислено, % Амах (Ы т^ 'Н ЯМР, м.д.
C H N
2 41 49,07 49,68 8,42 8,93 40,96 41,38 168 [М]+ ММ 168,12 4,94 (-ЛЬ, 4Н, с.); 3,40 (Л-ОДг, 2Н, тр.); 1,65 (Л-СН2-Ш2-, 4Н, с.); 1,43 (-Ш2-СН3, 2Н, с.); 0,99 (-Ш3, тр.).
3 11 114 - 120 60,39 60,21 10,88 10,53 26,02 29,26 241,5 (5,04) (ЕЮН) 239 [М]+ ММ 239,21 4,92 (-ЛИ2, 4Н, с.); 3,73 (Л-СИ2-, 2Н, тр.); 1,79 (Л-СН2-СИ2-, 4Н, с.); 1,29 (-СИ2-, 12Н, с.); 1,33 (-СИ2-СН3, 2Н, с.); 0,99 (-СИ3, тр.).
4 45 103 -105 63,53 62,88 10,64 10,93 25,92 26,19 240 (5,15) (СНСІ3) 267 [М]+ ММ 267,24 4,93 (-ЛИ2, 4Н, с.); 3,73 (Л-СИ2-, 2Н, тр.); 1,79 (Л-СН2-СИ2-, 4Н, с.); 1,29 (-СИ2-, 16Н, с.); 1,33 (-СИ2-СН3, 2Н, с.); 0,96 (-СИ3, тр.).
В спектре !Н ЯМР (рис. 1) соединения 2 синглет при 4,94 м.д. характеризует поглощение протонов аминогрупп. Мультиплеты при 3,40; 1,65; 1,43 и 0,96 м.д. вызваны резонансом протонов пентильного заместителя.
Для характеристики синтезированного соединения был измерен спектр 13С ЯМР, который приведен на рис. 2. В спектре в области 14,26; 22,61; 27,89; 29,15 и 47,51 м.д. присутствуют сигналы, характеризующие резонанс углеводородных атомов в алкильной цепи. Для атомов углерода триазольного цикла сигналы расположены в области 147,49 и 162,77 м.д.
Ю СЧ
ЗСО
со со
0.5 ррт
1.5
1.0
Рис. 1. !Н ЯМР спектр 3,5-диамино-1-пентил-1,2,4-триазола (2) в СDClз
Ь а
180 170 160 150 140 130 120 110
20 10 ppm
Рис. 2. 13С ЯМР спектр 3,5-диамино-1-пентил-1,2,4-триазола (2) (CDCl3)
ИК-спектры синтезированных алкилтриазолов имеют сходный характер. В качестве примера на рис. 3 приведен ИК-спектр соединения 2. В спектре обнаружен ряд полос, вызванных различными видами колебаний функциональных групп заместителей.
I СГ)
I гм
3900 3400 2900 2400 1900 1400 900 400
Рис. 3. ИК-спектр (КВг) 3,5-диамино-1-пентил-1,2,4-триазола (2)
Так, полоса при 3428 см-1 отвечает симметричным валентным колебаниям связи №Н в первичной аминогруппе (рис. 3). Набор полос при 2922, 2854 см-1 характеризует асимметричные и симметричные валентные колебания связей С-Н алкильной цепи. Полосы 1630, 1616 и 1586 см-1 могут быть отнесены к деформационным колебаниям остова и валентным колебаниям связей С=^
Введение алкильной цепи не оказывает существенного влияния на положение основной полосы поглощения в электронном спектре алкилированных гуаназолов. Так, если 3,5-диамино-1Н-1,2,4-триазол (1) поглощает при 240 нм, то его алкилзамещенные производные имеют полосу поглощения в области 240 - 241 нм в этаноле.
Основные характеристики синтезированных пентил, децил- и додецилгуаназо-лов совпадают с данными, приведенными в литературе [14, 15]. Таким образом, предложенный нами метод выделения алкилгуаназолов из реакционной массы может быть приемлемым, однако выходы целевых продуктов при этом получаются невысокими.
Исследование фазового поведения 3, 4 проводили, используя данные дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и поляризационной оптической микроскопии (ПОМ).
Методом оптической поляризационной микроскопии получены данные по мезоморфным свойствам соединений 3 и 4. Установлено, что оба соединения обладают термотропным мезоморфизмом.
Для соединения 3 при повторном нагреве мезофаза со шлирен текстурой (рис. 4) существует в температурном интервале 60,1 °С - 114,8 °С, а при охлаждении в интервале температур 53,8 °С - 36,2 °С. При 36,2 °С образец переходит в твердое состояние с сохранением текстуры мезофазы (рис. 5).
Рис. 4. Микрофотография шлирен-текстуры термотропной мезофазы соединения 3 при нагревании, Т = 80,9 °С. Николи скрещены, х 250
Рис. 5. Микрофотография текстуры твердой фазы соединения 3 при охлаждении, Т = 36,2 °С. Николи скрещены, х 250
В отличие от соединения 3, соединение 4 проявляет жидкокристаллические свойства, характеризующиеся полиморфизмом. На рис. 6 представлены текстуры, соответствующие различным фазовым состояниям образца при охлаждении. При температуре 98 °С начинается формирование «батончиков» на фоне изотропной жидкости (рис. 6, а). Вероятно, эти «батончики» могут быть приписаны формированию смектической А*-фазы. При 95,6 °С веерообразная текстура смектической А*-фазы полностью формируется (рис. 6, б) и при дальнейшем охлаждении возникает «закрученная» текстура типа «отпечатков пальцев» (рис. 6, в). Возможно, это связано с возникновением TGBA*-фазы (рис. 6, г) [18]. При дальнейшем охлаждении вещество кристаллизуется с сохранением предшествующей фазы (рис. 6, д). Эти данные хорошо согласуются с результатами ДСК (рис. 7). Причина возникновения хиральности у соединения 4 требует дополнительного обсуждения.
Изучение методом контактных препаратов соединений 3 и 4 с хлороформом, толуолом, гексаном, ДМФА показало, что они не обладают лиотропным мезоморфизмом.
а
Рис. 6. Микрофотографии текстур термотропных фаз соединения 4 при охлаждении, николи скрещены, х 250: а - 98,0 °С рост «батончиков» SmA* из изотропной жидкости; б - 95,6 °С веерообразная текстура SmA*; в - 94,0 °С двухфазный район, слева направо - веерообразная текстура и текстура «отпечатков пальцев»; г - 90,6 °С трехфазный район - веерообразная текстура SmA*, TGBA*-фаза и текстура «отпечатков пальцев»; д - 25,2 °С текстура «отпечатков пальцев» твердой фазы
ДСК /(мВт/мг)
I экзо
Температура /°C
Рис. 7. Кривая ДСК для соединения 4 (скорость охлаждения 3 °С/мин)
Экспериментальная часть
Электронные спектры поглощения (ЭСП) в УФ-области регистрировали на спектрофотометре HITACHI U-2001 при комнатной температуре в кварцевых прямоугольных кюветах толщиной 1 - 10 мм. ИК-спектры регистрировали на спектрометре AVATAR 360 FT-IR. Масс-спектры получены на хроматомасс-спектрометре Saturn 2000 ГХ/МС, состоящим из газового хроматографа, масс-спектрометра и системы сбора и обработки данных. Спектры ядерного магнитного резонанса записывали на спектрометре Bruker с рабочей частотой 300 МГц (Мадридский автономный университет, Испания) и 500 МГц. Образцы готовили растворением в CDCl3. Химические сдвиги (5, м.д.) измеряли при T = 295 K с использованием ГМДС (5 = 0,037 м.д.) или ТМС (5 = 0,0 м.д.) в качестве внутреннего стандарта.
Определение содержания углерода, водорода, азота и серы в образцах синтезированных соединений было проведено на приборе FlashEA 1112 CHNS-O Analyzer.
Фазовое состояние образцов исследовали при помощи поляризационного микроскопа «Leitz Laborlux 12 Pol», оснащенного нагревательным столиком «Mettler FP 82» и микрофотонасадкой «Wild MPS 51» 24*36 мм2. Дифференциальную сканирующую калориметрию выполняли на приборе DSC 200 PC Phox фирмы «NETZSCH». Измерения проводили в интервале температур от -30 до 120 °С/мин, со скоростью 3 °С/мин. Лиотропный мезоморфизм изучали методом контактных препаратов с органическими растворителями: хлороформом, бензолом, толуолом, ДМФА при комнатной температуре.
Синтез 1-алкил-3,5-диамино-1,2,4-триазолов
Общая методика: 3,5-Диамино-1Н-1,2,4-триазол (1) растворяли в 200 мл метанола при кипении, затем вносили металлический натрий и после полного его растворения в течение 30 минут по каплям прибавляли соответствующий алкил бромид. Реакционную массу кипятили в течение нескольких часов, а затем охлаждали до комнатной температуры. После отгонки растворителя к полученному осадку добавляли водный аммиак и реакционную массу перемешивали два часа при комнатной температуре. Целевой продукт экстрагировали CHCl3, растворитель отгоняли и остаток очищали.
3,5-Диамино-1-пентил-1,2,4-триазол (2). Был получен из 446 мг (4,5 ммоль) 1, растворенного в растворе метанолята натрия, приготовленном из 3 мл МеОН и 228 мг (10 мг-экв) натрия, и 951 мг (6,3 ммоль) пентилбромида при кипении в течение 4 часов. Для выделения использовали 70 мл 4 %-го раствора аммиака. Очистку продукта проводили перекристаллизацией из смеси этанол:гексан = 1:1.
Ь а
N—N
Выход: 311 мг (41 %). Порошок желтого цвета, растворимый в большинстве органических растворителей.
ИК-спектр (табл. КВг), V, см-1: 3428, 3270, 3150 (-№), 3057, 2922, 2854 (С-Н, а1к), 2777, 1633, 1607, 1549 (с=Я). Найдено, %: С 49,07; Н 8,42; N 40,96. С7Н^5- Вычислено, %: С 49,68; Н 8,93; N 41,38. ММ 239,21. ГХ/МС (СН2С12), т^: 168 [М]+.
1Н ЯМР 5и ^СЬ, 300 МГц) м.д.: 4,94 (-NH2, 4Н, с.); 3,40 (N-CH2-, 2Н, тр.); 1,65 (№ СН2-СН2-, 4Н, с.); 1,43 (-СН2-СН3, 2Н, с.); 0,99 (-СН3, тр.).
13С ЯМР 5е ^СЬ, 75,5 МГц) м.д.: 162,77 (С^; 147,49 (С*); 47,51 (Се); 29,15 (Са); 27,89 (Сс); 22,61 (Сь); 14,26 (Са).
3.5-Диамино-1-децил-1,2,4-триазол (3). Был получен из 2 г (0,02 моль) 1, растворенного в растворе метанолята натрия, приготовленном из 200 мл МеОН и 1,01 г (0,044 г-экв) натрия, и 10,62 г (0,048 моль) децилбромида в течение 12 часов. Для выделения использовали 140 мл 4 %-го раствора аммиака. Очистку продукта проводили отмывкой примесей на фильтре гексаном.
Выход: 536 мг (11 %). Порошок бледно-желтого цвета, растворимый в большинстве органических растворителей.
ИК-спектр (КРС), V, см'1: 3308, 3169 (-№), 2950, 2918, 2850 (С-Н, а1к), 1638, 1549, (С=К). ЭСП, Хтах, нм (^е) (с = 10-4 г-моль/л, этанол): 241,5 (5,04). Найдено, %: С 60,39; Н 10,88; N 26,02. Cl2H25N5. Вычислено, %: С 60,21; Н 10,53; N 29,26. ММ 239,21. ГХ/МС (СН2С12), т^: 239 [М]+.
1Н ЯМР 5н ^СЬ, 300 МГц) м.д.: 4,92 (-№, 4Н, с.); 3,73 (N-CH2-, 2Н, тр.); 1,79 (№ СН2-СН2-, 4Н, с.); 1,29 (-СН2-, 12Н, с.); 1,33 (-СН2-СН3, 2Н, с.); 0,99 (-СН3, тр.).
3.5-Диамино-1-додецил-1,2,4-триазол (4). Был получен из 2 г (0,02 моль) 1, растворенного в растворе метанолята натрия, приготовленном из 200 мл МеОН и 1,013 г (0,044 г-экв) натрия, и 11,96 г (0,048 моль) додецилбромида в течение 4 часов. Для выделения использовали 140 мл 4 %-го раствора аммиака. Очистку продукта проводили отмывкой примесей на фильтре гексаном.
Выход: 2,41 г (45 %). Порошок светло-бежевого цвета, растворимый в большинстве органических растворителей.
ИК-спектр (КРС), V, см’1: 3312, 3164 (-№), 2922, 2851 (С-Н, а1к),1640, 1583, 1547 (С=К). ЭСП, Хщах, нм (^е) (с = 10-4 г-моль/л, хлороформ): 240 (5,15). Найдено, %: С 63,53; Н 10,64; N 25,92. ^^N5. Вычислено, %: С 62,88; Н 10,93; N 26,19. ММ 267,24. ГХ/МС (СН2С12), т^: 267 [М]+.
1Н ЯМР 5и ^СЬ, 300 МГц) м.д.: 4,93 (-№, 4Н, с.); 3,73 (N-CH2-, 2Н, тр.); 1,79 (№ СН2-СН2-, 4Н, с.); 1,29 (-СН2-, 16Н, с.) 1,33 (-СН2-СН3, 2Н, с.); 0,96 (-СН3, тр.).
Список литературы
1. Исляйкин М. К., Данилова Е. А., Кудрик Е. В. // Успехи химии порфиринов / отв.
ред. О. А. Голубчиков. СПб. : Изд-во НИИ Химии СПбГУ, 1999. Т. 2. С. 300 -
319.
2. Данилова Е. А., Исляйкин М. К. // Успехи химии порфиринов / отв. ред. О. А. Голубчиков. СПб. : Изд-во НИИ Химии СПбГУ, 2004. Т. 4. С. 356 - 375.
3. Исляйкин М. К., Данилова Е. А. // Изв. АН. Сер. хим. 2007. № 4. С. 663 - 679.
4. Соколов А. В., Базанов М. И., Смирнов Р. П., Данилова Е. А., Исляйкин М. К. //
Изв. вузов. Сер. хим. и хим. технол. 1989. Т. 32. Вып. 3. С. 38 - 40.
5. Данилова Е. А., Исляйкин М. К., Бородкин В. Ф. // Изв. вузов. Сер. хим. и хим.
технол. 1990. Т. 33. Вып. 1. С. 37 - 40.
6. Гетероциклические соединения / под ред. Р. Эльдерфильда. М. : Мир, 1965. Т. 7.
С. 205 - 207. С. 325 - 351.
7. Пат. 53-27933 Япония / Н. Тору, Н. Киёси // РЖХим., 1979. 2 Н 306 П.
8. Пат. 76089 ГДР // РЖХим., 1971. 10 С 364 П.
9. Пат. 3431251 США / H. Martin // РЖХим., 1970. 12 Н 373 П.
10. Граник Г. В., Григорьев Н. Б. Оксид азота (NO): Новый путь к поиску лекарств.
М. : Вузовская Книга, 2004. 237 с.
11. Dunstan A. R., Weber H.-P., Rihs G. et al. // Tetrahedron Lett. 1998. Vol. 39. №. 43. P. 7983 - 7986.
12. Berecz G., Reiter J., Argay G., Kalman A. // J. Heterocyclic Chem. 2002. Vol. 39. № 2. P. 319 - 325.
13. Fuentes Jose J., Lenoir J. A. // Can. J. Chem. 1976. Vol. 54. P. 3620 - 3625.
14. Gema de la Torre, Torres T. // J. Org. Chem. 1996. Vol. 61. P. 6446 - 6449.
15. ЯгодароваЛ. Д., ДаниловаЕ. А., Смирнов Р. П. // ЖОХ. 2003. Т. 73. Вып. 2. С. 331 - 335.
16. WangM., WudlF. // J. Mater. Chem. 2010. Vol. 20. P. 5659 - 5663.
17. Ferrera-Escudero S., Perozo-Rondon E., Calvino-Casilda V. et al. // Applied Catalysis A: General. 2010. Vol. 378. P. 26 - 32.
18. DierkingI. Textures of Liquid Crystals. Wiley-VCH, Weinheim, 2003. 213 p.
Поступила в редакцию 2.09.2011 г.
