CC BY
27
О. Г. Карманова (асп.), В. О. Козьминых (д.х.н., проф., зав. каф.), П. П. Муковоз (к.х.н., с.н.с.), Е. Н. Козьминых (д.фарм.н., проф.)
Современные достижения в области синтеза и изучения строения 1,3,4,6-тетракарбонильных систем
и их ближайших аналогов
Пермский государственный педагогический университет, кафедра химии 614990, г. Пермь, ул. Сибирская, 24; тел. (342) 2127019, e-mail: [email protected]
O. G. Karmanova, V. O. Kozminykh, P. P. Mukovoz, E. N. Kozminykh
Modern advances in the synthesis and structure studies of 1,3,4,6-tetracarbonyl systems and their close analogues
Perm State Pedagogical University 24, Sibirskaya Str, 614990, Perm, Russia; ph. (342) 2127019, e-mail: [email protected]
Представлен обзор основных методы получения 1,3,4,6-тетракарбонильных систем (ТКС) и некоторых исходных веществ для их синтеза, в том числе способы, используемые для препаративной наработки соединений. На приведенных схемах указаны ссылки на источники основных публикаций. Установлено, что бис-1,3-дикето-наты в твердом состоянии представлены (£,£)-изомером, а в растворах — преобладающим (Е,Е)- и минорным (2,2)-изомерами. Исследованы особенности строения и масс-фрагмента-ции 3,4-дигидрокси-2,4-гексадиен-1,6-дионов.
Ключевые слова: 1,3,4,6-тетракарбонильные системы и их аналоги; синтез; строение.
The overview of modern advances in the synthesis and studies for structure peculiarities of 1,3,4,6-tetracarbonyl systems and their analogues is presented. Bis-1,3-diketonates are presented in solid state by (£,£)-isomer, and in solutions by dominant (£,£)- and minor (Z,Z)-izomers. Structure peculiarities and mass fragmentation of 3,4-dihydroxy-2,4-hexadiene-1,6-diones are investigated.
Key words: 1,3,4,6-tetracarbonyl systems and their analogues; synthesis; structure.
1,3,4,6-Тетракарбонильные системы (ТКС) 1 (схема 1) представляют особый раздел своеобразных по строению и свойствам оксосоеди-нений, в которых присутствует уникальное сочетание сочлененных 1,3-диоксофункций с общим 1,2-дикарбонильным звеном, что существенно отличает их как от традиционных моно- -дикетонов, так и от дикарбонильных соединений с двумя и более изолированными 1,3-диоксофрагментами.
В обзоре современного состояния исследований химии ТКС нами излагаются результаты собственной работы, выполняемой на протяжении более двух десятилетий. На схеме 1 представлены основные методы получения ТКС 1 и некоторых исходных веществ для их синтеза, в том числе способы, используемые для препаративной наработки соединений 1. На схемах указаны ссылки на источники основных публикаций, в том числе по синтезу тетраоксосоединений.
Дата поступления 25.08.12
Нами разработаны новые и усовершенствованы известные способы получения ТКС 1 (схема 1, табл. 1), представлены семь современных путей их синтеза. Среди них для препаративной наработки разнообразных 1,6-дизамещенных 1,3,4,6-тетраоксогексанов 1 (R1=R2 = Alk, Ar, Het; Y=H), их ближайших производных и эфиров 3,4-диоксо-1,6-гексан-диовой (кетипиновой) кислоты (1) (X=OAlk, Y=H) наиболее часто используется сложноэ-фирная конденсация Кляйзена метилкетонов или алкилацетатов с диалкилоксалатами (метод А) при соотношении реагентов 2:11' 3 5' 8-17 или метилкетонов с эквимолярным количеством ацилпируватов 2 (метод Б) 3'9 в присутствии оснований (гидрид натрия, натрий, ме-тилат натрия и другие алкоголяты). Менее значимый в настоящее время, но перспективный метод В1'3 заключается в кислотно катализируемом присоединении воды к 2-оксоили-денпроизводным фуран-3(2Н)-онов 3, получаемым реакцией Виттига 2,3-фурандионов 4 с
>
II 3
О 1
т
о
+
о
Л1кО.
ОЛ1к
о
о
Я1(2)
оН
оо
о
РЬэР
о
=ен-(
Лс2О
К2( ^\/СН3 1 Naн MeONa) К1(2)
Т 2 н+ . А
О \ А
О (2 : 1) - Л1коД1' 3-5 8-17
3 , Л
5
- ЛсОН
О
Я1(2)( X)
+О
О (V = н) ОЛ1к
Г
Н2О (Н+) В 1' 3
(V = Н)
Я2(1)
УГ:
О
О
2 Б
ШН (Na)
Я1(2)( X)
(1 : 1) - Л1кОН (V = Н)
ОО
КзСО3 / КОН (Кт) +
т
О
Д 2' 3 Л1к—NH—NO2 (Х)К2(1)(1)--
у (V = Н) к1 (2)
О О
О
Н
ОО
/ 1 Л %
у
О
О
4
О
К1(2)( X)
(Х)Я 1(2)(2)
К1 (2)
ОО Н
V
1 В
Е
6, 8
РЬ3Р
V
О
=СН-(
О
К2(1)(Х)(1)(Х)
Ж7 К2(1)(1)
Я1 (2)
V
О (СОС1)2 ^ О 2 НС1
О
4
Таутомерия 1 5' 6' 9' 12-17
1: R1, R2 = Alk, Ar, Het; X = OAlk; Y = ^ ТО^, CONH2, COPh, CN
(формы: минорная 1Л, преобладающие 1В и 1С) Схема 1. Основные способы получения 1,3,4,6-ТКС (1)
ацилметилентрифенилфосфоранами (ссылки на Фурандионы 4 в результате альдольной кон-публикации — в соответствующем разделе по денсации с арилметилкетонами, циануксусным илиденоксогетероциклам). Отметим, что лак- эфиром или малонодинитрилом, протекающей тоны (4), имеющие значительный синтетичес- по лактонному карбонилу С(2) (методы Г2' 3, кий потенциал, легко образуются при циклоде- Е6'8), или реакции с алкилнитраминами (метод гидратации доступных ацилпировиноградных Д2'3), легко образуют ТКС 1 (И1(2) = Аг) с пре-кислот (5) или действии оксалилхлорида на паративными выходами. По методу Ж7 из ок-метиленкарбонильные соединения (схема 1). солактона 4 реакцией Виттига с фосфоранами
2, 3
3, 9
о
(Х)К2(1)(1)
0 0 У 1А: R1(2) = Л1к, ЛГ; Y = Н5' 9' 16' 17
К1(2)( X)
1 А
\
У
о
(ХЖ2(1)(1)
К1 (2)
К2(1)(1)
бис-окса-1,3-диеновый асПект 1В, 1С: R1(2) = Л1к, Лг, Не1; Y = Н [5, 9, 13, 14, 16, 17];
1В: X = ОЛ1к; Y = Н [12, 15]; ^(2) = ЛГ; Y = СО2Е1, СОКН2, СЫ6' 9; 1C: R1 = ЛГ; R2 = Л1к, 0Л1к; Y = Н, Y = РИСО7' 11
*Доминантные формы в твёрдом состоянии (1В: Y = Н) и растворах: неполярных (1В: Y = Н), полярных (1С: Y = Н, РИСО)5' 6' 9' 12-17
Ф / Ф ^(2)0
Ф 5 / Ф 6 П +
' М 1 •
о / о * II '
\ 11 I
2
\ / \
(Х)К2(1)(1)
о о (У)
Ф 1 / Ф 2
1: R1(2) = Л1к, ЛГ (X = 0Л1к); Y = Н, СОЫН,6' 26
Ф 1 / Ф 2 = R1(2)C0CH2C0 / R1(2)C0CH=C=0 ]+
Ф 3 / Ф 4 = R1(2)C0 / М - ^^СО ]+
?К2)Г
Ф 5 / Ф 6 = (X)R1(2)C0CH2 / (Х)^^СОСН3 / М - (Х)^^СОСН2 ]+
1(2)г
?!(2)г
Схема 2. Особенности строения, динамика кольчато-цепных равновесий и кольчато-кольчатых интеркон-версий в растворах и основные направления масс-фрагментации 1,3,4,6-тетракарбонильны1х систем (1)
образуется доступный бензоильный аналог ТКС 1 ^ = PhCO). Кроме результатов наших исследований, литературные данные по синтезу и строению ТКС приведены в источниках, цитируемых в сводных публикациях3, 8-10, 12 и диссертационных работах 18-23).
ТКС 1 (на схемах 1 и 2 представлены основные учитываемые равновесные структуры
1А, 1В, 1С) в твердом состоянии выделены в линейной 1,6-диоксо-3,4-диенольной форме (1В), стабилизированной внутримолекулярной водородной связью (ВВС) OH•••O=C< внутри двух сопряженных шестичленных OH-хелатов1-3,6,12-17. Таким образом, тетраке-тоны (1) фактически следует рассматривать как 1,6-дизамещенные 3,4-дигидрокси-2,4-гек-
садиен-1,6-дионы. В растворах ТКС кроме та-утомера 1В в заметном количестве проявляется равновесная кольчатая оксофурановая форма 1С5 6 9 12-17 (схемы 1, 2). В спектрах ЯМР 1Н обнаружены также минорные изомеры (номинальный 1А и его производные Ю, 1Е, 1F) в количестве, не превышающем 3—5 % 13,14,16,17. в неполярных растворах соединения 1 представлены, в основном, диоксодиеноль-ным таутомером 1В, содержание которого всегда превышает сумму остальных форм (при их наличии) и часто доходит до 100% 6'12-16. В полярных растворах у тетракетонов 1 обычно значительно возрастает содержание циклического таутомера 1С, стабилизированного ВВС О^-хелатного типа 13,14,16,17, а в некоторых случаях этот таутомер является единственным 7,11 (схема 2). Изучены качественные динамические прототропные кольчато-цепные превращения и кольчато-кольчатые интерконверсии (для соединений 1 с различающимися заместителями И1 и И2) в растворах ТКС13,14,16,17. Составлены рабочие базы данных на основе спектров ЯМР 1Н и масс-спектров 1,3,4,6-тетраок-сосистем, часть результатов представлена в публикациях 2011-2012 гг.16,17, 24-26.
Масс-фрагментация ТКС 1 в условиях электронного удара осуществляется преимущественно с распадом молекулы пополам на два более или менее равноценных звена -то есть с разрывом связи по скелетной оси симметрии С(3)-С(4) (фрагменты Ф! и Ф2), а также с элиминированием ацильного звена И1(2)СО (Ф3 и Ф4) или образованием соответствующих ионов метилкетонов Ф5 или Фб6,26 (схема 2). Молекулярный ион в спектрах соединений (1) всегда присутствует, его интенсивность заметно возрастает при переходе от алкильных заместителей И1(2) к арильным и, отчасти, сложноэфирным звеньям X.
В ходе однореакторной или выполняемой постадийно оксалильной конденсации щавелевых эфиров с двукратным избытком одноимённых метилкетонов или эквимолярными количествами различающихся заместителями И1 и И2 метилкетонов, или с алкилацетатами (X = ОА1к) в присутствии оснований первоначально образуются легко выделяемые и довольно устойчивые бис-натрий-1,3-дикетонаты (бис-еноляты кетипиновых эфиров: X = ОА1к) 6 10,12-14,27-33 (схема 3). Последние при под-кислении легко переходят в целевые диоксоди-енолы (или кетипинаты) (1). Спектральные данные (ИК, ЯМР) свидетельствуют о наличии у енолятов (6) ^^)-изомерной структуры
6А с «выровненными» п-связями за счет дело-кализации электронной плотности при сольватации в растворах. В твердом состоянии соединения (6) имеют структуру осесимметричного по связи С(3)-С(4) 3,4-диенолята (2Z,4Z)-6B и, возможно, изомерного 1,6-диенолята (1Z,5Z)-6C. В ряде случаев не исключена вероятность присутствия в растворах также 1,4-ОМя-диенолята (1Z,4Z)-6D12,29,32,33. В растворах соединений (6) отмечены также дополнительные равновесия с участием ^,Е)- и (Е,Е)-изомеров. Так источником таких равновесий является изомерная структура ^,Е)-6Е с де-локализованными двойными связями. В качестве конкретных структур здесь выступают наиболее вероятный (2Z,4E )-6F-изомер, а также возможные (^,5Е)-60 и (1E,4Z)-6H- геометрические формы12,29,32. В спектрах эфиров (X = ОА1к) и трикетоэфиров (И1 = Аг, X = ОА1к) отмечены как изомер 6Н, так и в значительном количестве енолят (2Е,4Е)-6129 (схема 3). Окончательный индивидуальный выбор в пользу того или иного изомера диенолятов в настоящее время довольно затруднителен, так как аморфные соединения 6 не удается очистить в достаточной степени с желаемым результатом, а их растворение сопровождается побочными процессами, например сольволиза. Исключение составляют некоторые динатрие-вые производные гексадиендиолятов и кетипи-натов, однозначно идентифицированные в виде (2Z,4Z)-6B, (1E,4Z)-6H и (2Е,4Е)-61-изомеров и описанные в работе 31.
Таким образом, 1,3,4,6-тетракарбониль-ные системы и их аналоги являются удобными и перспективными объектами для дальнейшего исследования.
Литература
1. Козьминых В. О., Игидов Н. М., Козьминых Е. Н., Коньшина Л. О., Семенова З. Н., Лядова Н. В. и др. // Хим.-фарм. журнал.- 1991.- Т.25, №12.- С.43.
2. Ко7штукЬ V. О., КотЫпа Ь. О., ^^у N. М. // J. ргаИ. СЬеш. (СЬеш.^.). 1993.- V.335, №8.- Р.714.
3. Игидов Н. М., Козьминых Е. Н., Софьина О. А., Широнина Т. М., Козьминых В. О. // ХГС.-1999.- №11.- С.1466.
4. Козьминых В. О., Игидов Н. М., Березина Е. С., Козьминых Е. Н., Касаткина Ю. С. // Изв. АН. Сер. хим.- 2000.- №9.- С.1564.
5. Широнина Т. М., Игидов Н. М., Козьминых Е. Н., Коньшина Л. О., Касаткина Ю. С., Козьминых В. О. // ЖОрХ.- 2001.- Т.37, №10.-С.1555.
6. Козьминых В. О., Игидов Н. М., Касаткина Ю. С. // ЖОрХ.- 2001.- Т.37, №11.-С.1604.
R Ч хк___,си
Т
O
O
AlkO
^И о O
+
R 2( х)^___,снз
Т
о
№И (N8, МеОКа) (2 : 1)
(Х^ 2(1)(1)
1: Я1(2) = А1к, Аг; X = ОА1к
R 1(2)( X)
(22'42)- о Ъ
N8
6 В
/У
о о 'г
6: Я1(2) = А1к, Аг, Не!; X = ОА1к;
10, 12-14, 29-32
(Х^ 2(1)(1) (1Z,5Z)-
R 1(2)( X) (1Z,4Z)- о
(X)R 2(1)(1)
N8
6 Э
изомеры
R 1(2)( X)
0
1 I
М
^ 2(1)(1)
о
(Z,E)- |! - ¡1
оо
N8+
о
,N8
R 1(2)( X) (2Z,4E)-
N8
+ 6 Е
(X)R 2(1)(1)(2Z,4E)- Rl(2)(
.N8
о
(X)R 2(1)(1)
о
о 6 К
N8
R 1(2)( X) (1E,4Z)-
,N8
(X)R 2(1)(1)
оо
N8 6 С
о
(1Z,5E)-
оо
N8
6 И
6 И, 6 I: Я1(2) = Аг; X = ОА1к 31
R 1(X)
(2E,4E)- "X
-
N8+
о
N8+
о
6 А-1 12 31
Схема 3. Синтез и строение натриевых бис-1,3-дикетонатов (диенолятов) (6)
7. Козьминых Е. Н., Гончаров В. И., Айткен Р. А., Козьминых В. О. // ЖОХ.- 2006.- Т.76, №8.- С.1276.
8. Козьминых В. О., Гончаров В. И., Козьминых Е. Н. // Вестн. Оренб. гос. ун-та.-2007.- Вып. 4 (68).- С.121.
9. Козьминых В. О., Гончаров В. И., Козьминых Е. Н. // Вестн. Оренб. гос. ун-та. - 2007.-Вып. 5 (69).- С.138.
10. Козьминых В. О., Гончаров В. И., Козьминых Е. Н., Муковоз П. П. // Вестн. Оренб. гос. ун-та.- 2007.- Вып.9 (73).- С.134.
11. Козьминых Е. Н., Гончаров В. И., Оборин Д. Б., Козьминых В. О. // ХГС.- 2007.- №5 (479).-С.782.
12. Козьминых В. О., Муковоз П. П., Кириллова Е. А. // Вестн. Оренб. гос. ун-та.- 2009.-Вып.5.- С.155.
13. Кириллова Е. А., Козьминых В. О. // Вестн. Южно-Уральского гос. ун-та. Серия «Химия». Вып. 2.- Челябинск, 2009.- №23 (156).- С.9.
14. Кириллова Е. А., Муковоз П. П., Виноградов А. Н., Козьминых В. О., Дворская О. Н.
//Изв. ВУЗов. Химия и хим. технология.-2011.- Т.54, №4.- С.18.
15. Муковоз П. П., Дворская О. Н., Козьминых В. О. // Изв. ВУЗов. Сер. Химия и хим. технология.- 2011.- Т.54, №5.- С.96.
16. Карманова О. Г., Козьминых В. О., Муковоз П. П., Козьминых Е. Н. // Изв. ВУЗов. Хим. и хим. технол.- 2012.
17. Карманова О. Г., Козьминых В. О., Муковоз П. П., Козьминых Е. Н. // Вестн. ЮжноУральского гос. ун-та. Серия «Химия». Челябинск.- 2012.
18. Касаткина Ю. С. 1,3,4,6-Тетракарбонильные соединения: синтез, строение и биологическая активность: Автореф. ... канд. фарм. н.Пермь: Пермская гос. фарм. акад., 2003.- 21 с.
19. Игидов Н. М. Синтез биологически активных веществ на основе взаимодействия 1,3,4,6-тет-ракарбонильных и некоторых 1,2,4-трикарбо-нильных систем с нуклеофильными реагентами. Автореф. ... докт. фарм. н.- Пермь: Пермская гос. фарм. акад., 2003.- 46 с.
20. Новикова О. А. Исследование взаимодействия поликарбонильных систем, содержащих сближенные а- и /3- диоксофрагменты, с некоторыми бифункциональными аминами. Автореф. ... канд. хим. н.- Пермь: Пермская гос. фарм. акад., 2004.- 17 с.
21. Гончаров В. И. Синтез, химические превращения биологически активных функционализован-ных (0,^)-гетеро-1,3-диенов и их кольчатых аналогов. Автореф. ... докт. хим. н.- Астрахань: Ставропольская гос. мед. акад., 2007.- 46 с.
22. Кириллова Е. А. Синтез, особенности строения и свойства три- и тетракарбонильных соединений. Автореф. ... канд. хим. н.- Ярославль: Оренбургский гос. ун-т., 2010.- 22 с.
23. Муковоз П. П. Синтез, строение и свойства эфиров 3,4-диоксо-1,6-гександиовой кислоты. Автореф. . канд. хим. н.- Ярославль: Пермский гос. пед. ун-т, 2010.- 24 с.
24. Карманова О. Г., Зыкова С. С., Муковоз П. П., Козьминых В. О. // Современные фундаментальные и прикладные исследования. Международное научное издание.- Кисловодск: изд-во УЦ «Магистр», 2011.- №3.- С.106.
25. Карманова О. Г., Зыкова С. С., Козьминых В. О., Муковоз П. П. Синтез и особенности строения 1,6-диалкилзамещенных 1,3,4,6-тетраоксогекса-нов // Научное творчество XXI века. Сборник статей по итогам V Международной науч.-практ. конф. Том 3.- Красноярск: изд-во «Научно-инновационный центр», 2012.- С.264.
26. Карманова О. Г., Козьминых В. О., Муковоз П. П. Синтез и хромато-масс-спектрометрия 1,6-диал-кил-3,4-дигидрокси-2,4-гексадиен-1,6-дионов / / Вопросы естественных наук: биология, химия, физика. Материалы Международной заочной науч.-практ. конф.- Новосибирск, 2012.
27. Козьминых В. О., Бердинский В. Л., Гончаров В. И., Муковоз П. П., Кобзев Г. И., Свиридов А. П., Макаров А. Г., Курдакова С. В., Кириллова Е. А., Щербаков Ю. В., Литвинова Е. С., Козьминых Е. Н., Ноздрин И. Н.// Вестн. Оренбургского гос. ун-та. Проблемы экологии Южного Урала. Часть 2.- Оренбург, 2007.- Спец. вып. 75.- С.171.
28. Козьминых В. О., Кириллова Е. А., Щербаков Ю. В., Муковоз П. П., Виноградов А. Н., Карманова О. Г., Козьминых Е. Н. // Вестн. Оренбургского гос. ун-та.- 2008.- Вып. 9 (91).- С.185.
29. Козьминых В. О., Муковоз П. П., Кириллова Е. А., Щербаков Ю. В., Виноградов А. Н., Соловьева Е. А., Мозгунова Е.М., Литвинова Е.С., Свиридов А. П., Нарбеков И. В., Гамбург Т. В., Федосеев С. А., Козьминых Е. Н. // Вестн. Оренбургского гос. ун-та.- 2009. Вып. 1 (95). -С.128.
30. Кириллова Е. А., Козьминых В. О. Синтез ди-натрий-(22,42)-1,6-диоксо-1-фенил-2,4-гепта-диен-3,4-диолята и его реакция с о-фенилендиа-мином // Вестник Оренбургского гос. ун-та.-2009.-Вып. 2.- С.163.
31. Кириллова Е. А., Муковоз П. П., Голоцван А. В., Козьминых В. О. Синтез поликарбонильных систем как лигандов для моно- и полиядерных металлокомплексов - перспективных полифункциональных наноматериалов // Фотоника молекулярных наноструктур. Материалы Международной конф.- Оренбург, 2009.- С.70.
32. Кириллова Е. А., Козьминых В. О. Синтез и особенности строения арилзамещенных натрий-оксоенолятов и бис-1,3-дикетонатов // Материалы Всерос. науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы химии и методики ее преподавания». — Нижний Новгород: Нижегородский гос. пед. ун-т, 2009.- С. 157.
33. Кириллова Е. А., Козьминых В. О. Синтез и изучение строения натриевых производных ено-лов с активированным моно- и бис-1,3-дикарбо-нильным звеном // Труды 10-й Международной конф. «Актуальные проблемы современной науки. Естественные науки».- Часть 8. Органическая химия.- Самара, 2009.- С. 15.
