Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
ℹ️Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
Введение 4
1. Литературный обзор 9
1.1. Синтез и химические свойства хромон-3-карбоновой кислоты и ее амида 9
1.1.1. Методы синтеза хромон-3-карбоновой кислоты и ее амида 10
1.1.2. Химические свойства хромон-3-карбоновой кислоты и ее амида 14
1.1.2.1. Реакции с Ы-, О- и С-мононуклеофилами 14
1.1.2.2. Реакции с бинуклеофилами 22
1.2. Хромон-3-карбоновая кислота и ее функциональные производные в реакциях
циклоприсоединения 31
1.2.1. Хромон-3-карбоновая кислота в реакциях циклоприсоединения 31
1.2.2. Эфиры хромон-3-карбоновой кислоты в реакциях циклоприсоединения 35
1.2.3. Хромон-3-карбонитрил в реакциях циклоприсоединения 38
2. Обсуждение результатов 44
2.1. Хромоны в реакциях 1,3-диполярного циклоприсоединения 44
2.1.1. Реакции хромонов с нестабилизированными азометин-илидами из
саркозина/формальдегида и пролина/формальдегида 44
2.1.2. Особенности взаимодействия хромон-3-карбонитрила с нестабилизированными
азометин-илидами 49
2.1.3. Перегруппировки бис-аддуктов хромон-3-карбонитрила и нестабилизированных
азометин-илидов 53
2.1.4. Другие реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения в хромоновом ряду 61
2.1.5. Некоторые химические свойства бензопиранопирролидинов 65
2.1.6. Квантово-химическое изучение реакции циклоприсоединения азометин-илида из
саркозина и формальдегида к хромонам 68
2.2. Хромон-3-карбоновая кислота и ее амид в реакциях с С- и Ы-нуклеофилами 71
2.2.1. Взаимодействие хромон-3-карбоновой кислоты с индолами 71
2.2.2. Взаимодействие хромон-3-карбоновой кислоты с гидразидом циануксусной
кислоты 75
2.2.3. Взаимодействие амида хромон-3-карбоновой кислоты с гидразидом циануксусной
кислоты 78
2.2.4 Взаимодействие амида хромон-3-карбоновой кислоты с цианацетамидами 80
3. Экспериментальная часть 84
Заключение 105
Список литературы 106
Приложение 1. Спектр 1H-15N HMBC 1-амино-2,5-диоксо-9-метил-2,5-дигидро-Ш-
хромено[4,3-^]пиридин-3-карбонитрила 40b 121
Приложение 2. Спектр 1H-13C HMBC 1-амино-2,5-диоксо-9-метил-2,5-дигидро-Ш-
хромено[4,3-^]пиридин-3-карбонитрила 40b 122
Приложение 3. Спектр 1H-1H COSY 5-(2-гидроксифенил)-1,5-диоксо-2-(пиридиний-1-ил)-1- фенил-4-цианопент-3-ен-2-ида 23а 123
Приложение 4. Спектр 1H-13C HMBC 5-(2-гидроксифенил)-1,5-диоксо-2-(пиридиний-1-ил)- 1-фенил-4-цианопент-3-ен-2-ида 23а
📖 Введение
Актуальность темы исследования. Хромон (4Н-1-бензопиран-4-он) является родоначальником самого распространенного в растительном мире класса кислородсодержащих гетероциклических соединений - флавоноидов. Многие флавоноиды, а также производные хромона, выделенные из растений и низших грибов, обладают различными видами биологической активности: противоопухолевой, фунгицидной, антиоксидантной, Р-витаминной и др.
Богатые синтетические возможности хромонов связаны, прежде всего, с наличием двух электрофильных центров (С2 и С4), низкой ароматичностью пиронового кольца и возможностью его раскрытия в реакциях с нуклеофилами благодаря фенольному фрагменту, являющемуся хорошей уходящей группой. Введение в положение 3 хромона электроноакцепторных заместителей (СО2Н, СОМН2, СМ) приводит к усилению пуш-пульной активации С=С связи пиронового кольца, в результате чего общая реакционная способность таких систем существенно повышается. Это обстоятельство, а также возможность внутримолекулярной циклизации с участием заместителей, открывают путь для синтеза на основе 3-замещенных хромонов новых гетероциклов, в том числе имеющих фармакофорные фрагменты.
1,3-Диполярное циклоприсоединение представляет собой широко распространенный метод синтеза пятичленных гетероциклов, главным образом благодаря возможности его применения в синтезе природных соединений. Простота генерации 1,3-диполей и высокая регио- и стереоселективность процесса делают [3+2] циклоприсоединение удобным инструментом получения сложных веществ с несколькими стереоцентрами. Так, использование азометин-илидов позволяет в одну стадию синтезировать замещенные пирролидины путем реакции [3+2] циклоприсоединения с электронодефицитными алкенами. Пирролидины, как и хромоны, являются важным структурным элементом ряда природных веществ и фармацевтических препаратов, а объединение в одну молекулу бензопиранового и пирролидинового фрагментов представляет несомненный интерес в плане поиска новых перспективных биоактивных веществ и определяет актуальность работы.
Степень разработанности темы исследования. Хромоны уже не одно десятилетие привлекают внимание исследователей и в целом являются хорошо изученным классом соединений. Особое внимание уделялось реакциям с нуклеофильными реагентами, а определенные трудности в установлении региохимии взаимодействия с бинуклеофилами и амбифилами являются одной из причин, по которой в литературе иногда встречаются сомнительные или противоречивые данные. Реакции циклоприсоединения с участием 3-замещенных хромонов также описаны, однако нам удалось найти лишь две статьи, в которых имеются сведения о взаимодействии хромонов с нестабилизированными азометин-илидами.
Цели диссертационной работы: изучение реакций циклоприсоединения нестабилизированных азометин-илидов к хромонам и разработка методов синтеза новых алкалоидоподобных пирролидинохроманонов и индолизидинохроманонов; разработка методов получения азотистых гетероциклов с потенциальной биологической активностью на основе нуклеофильных реакций хромон-3-карбоновой кислоты и ее функциональных производных.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи: получение и изучение свойств моно- и бис-аддуктов из нестабилизированных азометин-илидов и 2(3)-замещенных хромонов; изучение взаимодействия некоторых 3-замещенных хромонов со стабилизированными азометин-илидами, бензонитрилоксидом и илидами фенацилпиридиния; изучение реакций хромон-3-карбоновой кислоты и ее амида с гидразидом циануксусной кислоты, цианацетамидами и индолами; установление структуры и физико-химических свойств полученных соединений.
Научная новизна и теоретическая значимость работы:
1. Посредством реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения хромонов и
нестабилизированных азометин-илидов осуществлен синтез ранее неизвестных 3а/9а- замещенных 1-бензопирано[2,3-с]пирролидинов. Показана необходимость присутствия электроноакцепторных заместителей в положении 2 или 3 хромонов для успешного протекания данной реакции.
2. Впервые обнаружена и исследована реакция двойного циклоприсоединения азометин- илидов по С=С и С=О связям хромонов и получены 2,3,3а,9а-тетрагидро-1Н- спиро[хромено[2,3-с]пиррол-9,5'-оксазолидины], которые под действием кислот перегруппировываются в 1-бензопирано[2,3-с:3,4-сг| дипирролидины.
3. Показано, что при взаимодействии с гидразидом циануксусной кислоты хромон и хромон-3-карбоновая кислота образуют 6-(2-гидроксифенил)-Ш-пиразоло[3,4- &]пиридин-3(2Н)-он, в то время как хромон-3-карбоксамиды в тех же условиях дают 1-амино-2,5-диоксо-2,5-дигидро-Ш-хромено[4,3-^]пиридин-3-карбонитрилы.
4. Установлено, что в реакции с индолами хромон-3-карбоновая кислота образует траис-индолилхалконы.
5. Показано, что при действии этилата натрия в этаноле хромон-3-карбоксамиды реагируют с амидами циануксусной кислоты, давая 2-амино-5-ароил-6-оксо-1,6- дигидропиридин-3-карбоксамиды.
6. Установлено, что в реакции хромон-3-карбонитрилов с илидами фенацилпиридиния образуются продукты с илидной структурой - 4-циано-5-(2-гидроксифенил)-1-(4- фенил)-1,5-диоксо-2-(пиридиний-1-ил)пент-3-ен-2-иды.
Практическая значимость работы. На основе легкодоступных 3-замещенных хромонов разработаны препаративные методы синтеза новых гетероциклических соединений с различными фармакофорными фрагментами - пирролидиновым, индолизидиновым, пиридоновым и индольным. Некоторые из полученных гетероциклов имеют алкалоидоподобную структуру и являются перспективными объектами для поиска новых биологически активных веществ.
Объекты исследования. Хромон-3-карбоновая кислота, ее метиловый эфир, амиды и нитрил, а также другие 2- и 3-замещенные хромоны.
Методология и методы диссертационного исследования основаны на анализе литературных данных и направленном органическом синтезе. Все вновь полученные соединения охарактеризованы необходимым набором физико-химических (температуры плавления, элементный анализ) и спектральных данных (спектры ЯМР, включая двумерные корреляционные спектры, масс-спектры электронного удара и ИК-спектры). Для анализа реакционной способности в некоторых случаях использовались квантово-химические расчеты.
Достоверность полученных данных обеспечивалась использованием современных методов исследования и хорошей воспроизводимостью экспериментальных результатов. Анализ состава, структуры и чистоты полученных соединений осуществлялся на сертифицированных и поверенных приборах Центра коллективного пользования Уральского федерального университета, Лаборатории комплексных исследований и экспертной оценки органических материалов и Лаборатории спектральных методов исследования ИОС УрО РАН.
На защиту выносятся следующие результаты исследований:
1. Однореакторный метод синтеза 1-бензопирано[2,3-с]пирролидинов из хромонов и получаемых in situнестабилизированных азометин-илидов.
2. Метод синтеза 2,3,3а,9а-тетрагидро-Ш-спиро[хромено[2,3-с]пиррол-9,5'-
оксазолидинов], заключающийся в двойном присоединении нестабилизированных азометин-илидов к хромонам, и их перегруппировка под действием соляной кислоты, приводящая к 1-бензопирано[2,3-с:3,4-сг|дипирролидинам.
3. Реакции хромон-3-карбоновой кислоты, хромон-3-карбоксамида и незамещенного хромона с гидразидом циануксусной кислоты.
4. Метод синтеза mpawc-индолилхалконов, заключающийся в реакции хромон-3- карбоновой кислоты с индолами.
5. Реакции хромон-3-карбоксамидов с цианацетамидом и ^метилцианацетамидом в присутствии этилата натрия в этаноле, приводящие к 2-амино-5-ароил-6-оксо-1,6- дигидропиридин-3-(метил)карбоксамидам.
6. Синтез 4-циано-5-(2-гидроксиарил)-1-(4-фенил)-1,5-диоксо-2-(пиридиний-1-ил)пент-3- ен-2-идов из хромон-3-карбонитрилов и фенацилпиридиний бромида при действии оснований.
Личный вклад автора состоял в сборе, систематизации и анализе литературных данных по синтезу и свойствам производных хромон-3-карбоновой кислоты, непосредственном проведении экспериментальных исследований, включая синтез исходных реагентов и квантово-химические расчеты, обработке и обсуждении полученных результатов, участии в написании и оформлении публикаций по результатам исследования.
Апробация работы. Основные результаты были представлены на Российской молодежной научной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Екатеринбург, 2013, 2014), Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием по химии и наноматериалам «Менделеев» (Санкт- Петербург, 2013, 2014), Международном молодежном научном форуме «Ломоносов» (Москва, 2013), Междисциплинарном симпозиуме по медицинской, органической и биологической химии «МОБИ-Хим» (Новый Свет, Крым, Россия, 2014), Международной молодежной школы- конференции по органической химии «Современные проблемы в органической химии» (Екатеринбург, 2014).
Финансирование диссертационной работы проводилось при поддержке Российского научного фонда (проект № 14-13-00388), Правительства Российской Федерации (постановление № 211, контракт № 02.A03.21.0006) и Министерства образования и науки России в рамках государственного задания, а также при финансовой поддержке молодых ученых УрФУ в рамках реализации программы развития УрФУ.
Публикации. Основное содержание исследования опубликовано в 14 научных работах, в том числе 6 научных статьях и 1 обзоре в рецензируемых научных журналах, которые рекомендованы ВАК РФ для публикации результатов диссертационных исследований, а также в 7 тезисах докладов научных конференций международного, российского и регионального уровней.
Структура диссертации. Диссертационная работа включает в себя введение, обзор литературы, результаты и их обсуждение, экспериментальную часть, выводы, список цитируемой литературы из 159 наименований и приложения. Работа изложена на 124 страницах машинописного текста и включает 88 схем, 7 таблиц, 26 рисунков, 4 приложения.
Благодарности. Автор выражает благодарность и признательность своему научному руководителю, д.х.н., профессору Сосновских Вячеславу Яковлевичу за чуткое руководство, постоянное внимание, помощь в выборе направления и всестороннее содействие в выполнении этой работы, к.х.н., доценту Вшивкову Александру Акиндиновичу, к.х.н., доценту Мошкину Владимиру Сергеевичу, к.х.н., доценту Обыденнову Дмитрию Львовичу и ассистенту Усачеву Сергею Александровичу за множество ценных советов и рекомендаций, а также всем сотрудникам и аспирантам кафедры органической химии Института естественных наук УрФУ. Автор благодарен к.х.н., доценту Лировой Белле Ивановне и д.х.н., профессору Русиновой Елене Витальевне за выполнение ИК спектроскопических исследований, к.х.н., Баженовой Людмиле Николаевне и сотрудникам Группы элементного анализа ИОС УрО РАН, к.х.н., Кодессу Михаилу Исааковичу и сотрудникам Лаборатории спектральных методов исследования ИОС УрО РАН, а также к.х.н., доценту Ельцову Олегу Станиславовичу и сотрудникам лаборатории Комплексных исследований и экспертной оценки органических материалов за выполнение ЯМР и ИК спектроскопических исследований.
✅ Заключение
1. Разработан метод синтеза алкалоидоподобных гетероциклических систем, сочетающих в себе хроманоновый и пирролидиновый фрагменты - 1-бензопирано[2,3-с]пирролидинов, заключающийся в реакции циклоприсоединения нестабилизированных азометин-илидов по связи С2=С3 замещенных хромонов. Изучено влияние природы заместителей в положениях 2 и 3 хромоновой системы на протекание данной реакции.
2. Впервые обнаружена характерная только для 3-цианохромонов особенность, заключающаяся в возможности протекания реакции циклоприсоединения нестабилизированных азометин-илидов по карбонильной группе и образования 2,3'- диметил(бензил)-2,3,3а,9а-тетрагидро-1Н-спиро[хромено[2,3-с]пиррол-9,5'-оксазоли-дин]-9а- карбонитрилов. Показано, что в кислой среде последние претерпевают раскрытие оксазолидинового цикла, деметиленирование и рециклизацию в 3-имино-2,5-диметил(бензил)- 1,2,3,4,5,6,6а,11Ь-октагидрохромено[2,3-с:3,4-с']дипиррол-11Ь-олы.
3. Установлено, что реакция 3-цианохромонов с илидом фенацилпиридиния протекает путем нуклеофильной атаки с последующим раскрытием пиронового кольца и приводит к образованию устойчивых при обычных условиях высокостабилизированных илидов - 4-циано- 5-(2-гидроксиарил)-1-(4-фенил)-1,5-диоксо-2-(пиридиний-1-ил)пент-3-ен-2-идов.
4. Установлено, что взаимодействие хромон-3-карбоновой кислоты с индолами может служить новым способом получения транс-индолилхалконов. Реакция этой кислоты с гидразидом циануксусной кислоты ведет к образованию не 1,2-диазепинового продукта, как считалось ранее, а к 6-(2-гидроксифенил)-1Я-пиразоло[3,4-^]пиридин-3(2Я)-ону.
5. Впервые показано, что, в отличие от хромона и хромон-3-карбоновой кислоты, которые при взаимодействии с гидразидом циануксусной кислоты дают 6-(2-гидроксифенил)-1Н- пиразоло[3,4-^]пиридин-3(2Н)-он, хромон-3-карбоксамиды в тех же условиях образуют с этим реагентом 1-амино-2,5-диоксо-2,5-дигидро-Ш-хромено[4,3-^]пиридин-3-карбонитрилы.
6. Показано, что при действии этилата натрия в абсолютном этаноле хромон-3- карбоксамиды реагируют с амидами циануксусной кислоты, давая 2-амино-5-ароил-6-оксо-1,6- дигидропиридин-3-карбоксамиды.
Перспективы дальнейшей разработки темы. Результаты данной работы позволяют определить дальнейшие исследования в области химии 3-замещенных хромонов, в частности, получение циклоаддуктов хромонов с другими диполями; использование хромон-3-карбоновой кислоты и ее функциональных производных для получения гетероциклов, содержащих другие фармакофорные фрагменты; исследование границ применимости хромон-3-карбоновой кислоты как синтетического эквивалента незамещенного хромона; исследование биологической активности полученных в данной работе соединений.