Исследование реакции метилирования сульфамидов и гетероциклизация полученных соединений

УДК 547.541.521.621

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕАКЦИИ МЕТИЛИРОВАНИЯ СУЛЬФАМИДОВ И ГЕТЕРОЦИКЛИЗАЦИЯ ПОЛУЧЕННЫХ СОЕДИНЕНИЙ

С.А.Мамедов, В.М.Фарзалиев, Н.П.Ладохина, Л.С.Алиева, З.Н.Новрузова

Институт химии присадок им. А.М.Кулиева Национальной АН Азербайджана

Исследована реакция трехкомпонентной конденсации арилсульфамидов, параформа и соединений, имеющих в своем составе активный водород, в присутствии каталитического количества щелочи. Установлено, что с увеличением количества последней, выход продукта конденсации увеличивается, достигая 86.4 % при 0.1 моля щелочи. Так как синтезированные вещества являются 1,3-диполярами, они были использованы в реакции гетероциклизации с полярофилами. Таким путем были синтезированы новые гетарилсульфамиды: пиррол-, пиримидон-, имидазол-, дигидропиримидонпро-изводные. Синтезированные соединения были исследованы в качестве присадок к смазкам. Установлено, что они обладают высокой антикоррозионной и противоиз-носной активностью. Содержание морфолинового и ацетамидного фрагментов в ме-тиленсульфамидах, а также пирролового цикла придают им большую эффективность по сравнению с другими производными.

Ключевые слова: арилсульфамиды, диполярофилы, трехкомпонентная конденсация, параформ, ацетилацетон, трибологические свойства.

Наши предыдущие исследования [1, 2] показали, что для синтеза широко используемых гетарилсульфамидов требуется получение новых К-замещенных производных сульфамидов, содержащих различные метиленактивные функциональные группы (аминные, карбонильные и др.) Для создания таких структур нами была использована реакция трехкомпонентной конденсации арилсульфамидов с параформом и соединениями, содержащими активный водород. Получение такого рода соединений, имеющих в 1,2- и 1,3-положениях полярные группы, позволит более полно раскрыть механизм внутри- и межмолекулярного взаимодействия сульфамидной и других функциональных групп, а также выявить закономерности синтеза труднодоступных гетарилсульфамидов при помощи реакций с диполярофилами.

Трехкомпонентная конденсация сульфамидов с параформом и другими соединениями является малоизученной реакцией. В некоторых имеющихся литературных источниках показано, что она может быть использована для синтеза гетероциклических соединений. Так, при реакции трифторметансульфамида с параформом и метансульфамидом образуется триазин [3], а в присутствии малонамида - спироциклические сульфамиды [4]. При проведении таких реакций в качестве катализатора используют комплексы иттербия [5], трихлорида индия [6], фосфазиновые основания в условиях микроволнового нагрева [7].

Как следует из литературных данных, систематические исследования реакции трехкомпонентной конденсации сульфамидов с параформом и соединениями, имеющими в своем составе активный водород, не проводились.

В этом аспекте нами изучена реакция метилирования арилсульфамидов соединениями, содержащими легкозамещаемый водород:

aki05@mail.ru Поступила в редакцию 25.10.2013

2=-ШСЫ,СООН 0),-ШСОСЫз (II), -гаМ(СН3)2(Ш), -С

"МЫ

(IV), О (V),

/ / П

М \ (VI), —N \

со-1 С6Н5

(VII),

С4Н9 С4Н9

(VIII) .

На примере соединений II и VII исследовано влияние количества катализатора -щелочи на выходы продуктов реакции.

Концентрация КаОН, моль

Рис.1. Зависимость выхода продукта реакции от количества щелочи.

Как видно из данных рис.1, с увеличением количества молей щелочи, рассчитанного по сульфамиду, выход соединения II плавно увеличивается, доходя до 86.1%. Выход соединения VII при концентрации КаОН в 0.03 моля (~60%) резко повышается, достигая 72.9 % при концентрации щелочи в 0.1 моля. Сравнительно меньший выход соединения VII можно объяснить стерическим фактором пиразолидона. Таким образом, оптимальным количеством КаОН является 0.1 моля на 1 моль сульфамида.

В синтезированных соединениях !-ГУ, кроме сульфамидной группы, в положении -3 и -4 имеются аминогруппы. Наличие электроотрицательной карбонильной группы в аминах приводит к увеличению напряженности молекулы, что сильно влияет на значение энергии активации и на замыкание цикла в синхронных реакциях. Поэтому указанные вещества так же, как и 1,3-диполярные соединения, вступают в реакцию синхронной гете-роциклизации с диполярофилами, например, с ацетилацетоном, образуя пирролпроизвод-ные в присутствии каталитического количества щелочи:

(Г-ГУ) +

О О

Я

СНзЛ /Ъ^-М

СЫ

СН

Я=-МНСН2СООН (IX), -МНСОСН3 (X), -СОМ(СН3)2 (XI), — СОМН2 (XII).

В спектре ПМР соединения X содержание протона КН-карбонила при 5.85 м.д. (дуплет) и протона пирролового фрагмента в слабом поле после водородов 1,4-замещенного бензола (7.5 м.д.) доказали получение пирролсульфамидов. Протоны четырех метильных групп в зависимости от их расположения в системе находятся в разных областях: при 1.3, 1.5, 1.8 и 3.2 м.д. Интегральная интенсивность спектра соответствует ожидаемому количеству атомов водорода.

В ИК-спектре КН-группа находится в области 3380 см-1, а сульфамидная группа -при 1410 и 1150 см-1.

Среди синтезированных соединений только продукт II вступает в реакцию гетеро-циклизации с ацетоуксуноэтиловым эфиром (с получением дигидропиримидонсульфами-да) и с бензоином (получен имидазолсульфамид):

II

O O

СИ,

O

С6И5

ОС2И5

ОН

С6И5

-N

СОСИ,

СИ^ /) SO—N

O

СИ

XIII

СИ^ />— SO2"N.

-N-СОСИ,

\

СбИ5 С6И5

XIV

Благодаря наличию в соединении IV в 4-положении аминогруппы оно легко гетеро-циклизуется с хлорацетонитрилом, образуя дигидропиримидон:

,_^-0

аенск

СИ3^ /»-S«^-^-С-N^

И

-НС1

O

СИ

14Q>-SO2-NW

XV

OИ-

И

+

СИ

^И

N

Соединение XV при взаимодействии с КаОН переходит в форму псевдосоли, а в кислой среде принимает кетоформу.

В ИК-спектре соединения XV наличие полос поглощения в области 1710 см-1 для кетогрупп, а также при 3395 и 3350 см-1 для -КН2- и -КН-групп, 1430 и 1170 см-1 для БО2К-группы подтверждает предполагаемую структуру.

В спектре ПМР соединения XV протоны метильной группы у ароматического фрагмента проявляются в области 1.65 м.д. (триплет), протоны СН2-групп пиримидона - при 2.3 м.д. (дуплет), КН2-группы - при 5.6 м.д. (дуплет), КН-группа - при 7.8 м.д. (синглет), а протоны 1,4-замещенного ароматического фрагмента - при 7.3 м.д.

Гетероциклизация соединений V-VIII с полярофилами проходит очень трудно. Вероятно, это связано с нахождением около реакционного центра метиленовой группы объемных функциональных радикалов, таких как морфолин, малонимид, пиразолидон, дибу-тиламин, что затрудняет реакцию. Скорее всего увеличение объема этих групп существенно сказывается на напряженности переходного состояния. Несмотря на это, нам удалось провести реакцию гетероциклизации морфолин- и дибутиламинопроизводных мети-ленсульфамида (соединения V и VIII) с ацетилацетоном, используя большее (по сравнению с каталитическим) количество щелочи. В результате реакции получены пирролсуль-фамиды с выходом в интервале 46-49%:

2

О О

Я

СН,

СН,

V, VIII

СН

Я = -м' О (XVI), -М^4"9 (XVII).

СН

4Н9

Отличительной особенностью гетарилсульфамидов независимо от циклического фрагмента (пиррол или пиразин) является то, что в спектрах ПМР соединений X, XV и XVII (рис.2, а-в) протон пирролового фрагмента находится в более слабом поле при 6.5 м.д., около 1,4-ароматических протонов (соединение XV) и при 7.5 м.д. (соединения X, XVII), а протон КН- и -ЫН2-групп проявляется в области 5.6-5.8 м.д.

б

7

6

5

4

3

2

Рис.2. Спектры ПМР 1-(4-метилфенилсульфонил)-2-ацетамидо-3,5-диметилпиррола X (а), 1-(4-метил-фенилсульфонил)-3-аминодигидропиразин-5-она XV (б), 1-(4-метилфенилсульфонил)-2-дибутиламино-3,3-диметилпиррола XVII (в).

3

7

6

5

4

3

2

1

7

6

5

4

3

2

1

Синтезированные соединения были исследованы в качестве антикоррозионных и противоизносных присадок к смазкам, определены также их бактерицидные свойства.

При исследовании в качестве присадок были использованы пластическая уплотни-тельная смазка АЮ-141/Ь и резьбовая смазка АЮ-141/охм, полученные нами [8]. Результаты исследования некоторых сульфамидов в качестве присадок приведены в табл.1. Для сравнения в таблице приведены данные для промышленных смазок - уплотнительной Арматол-238 и резьбовой Я-416.

Таблица 1. Влияние Ы-2-метилен-/?-толилсульф;шидов на качества уплотнительных и резьбовых смазок

Смазки и 3 %-ные сульфамиды Коррозия, г/м2 Трибологические свойства

критическая нагрузка, Р, Н нагрузка сваривания, Рс, Н индекс задира, Из

Арматол-238 46.5 780-1000 3180 -

АКЫ41/Ь 58.5 760 2960 34

АЫ-141/Ь + I 5.9 1180 3400 58

АКЫ41/Ь + II 6.1 980 3200 53

АКЫ41/Ь + III 8.2 - - -

АКЫ41/Ь + У 4.8 950 3000 55

АКЫ41/Ь + VII 5.1 1080 3350 61

АКЫ41/Ь + IX 2.3 1100 3400 65

АКЫ41/Ь + XIV 5.2 - - -

АКЫ41Ь + XV 6.8 1050 3450 66

АКЫ41/Ь + XVI 6.2 - - -

Я-416 39.9 750 -1000 3160 -

АЫ-141/охм 42.9 870 2900 55

АЫ-141/охм + I 5.4 1150 3400 64

АЫ-141/охм + II 4.9 1000 3350 60

АЫ-141/охм + V 5.5 - - -

АЫ-141/охм + VII 2.3 1000 3380 62

АЫ-141/охм + VIII 6.5 - -

АЫ-141/охм + IX 4.5 1080 3420 66

АЫ-141/охм + XIII 5.6 1000 3280 58

АЫ-141/охм + XV 7.1 1050 3420 65

АЫ-141/охм + XVII 7.3 980 3250 56

Как видно из данных табл.1, антикоррозионные свойства синтезированных соединений не зависят от их структуры и состава. Все они являются эффективными антикоррозионными присадками к смазкам. Однако трибологические свойства соединений 1-ХУ11 проявляют зависимость от структуры и состава. Среди испытанных сульфамидов наиболее высокой противоизносной эффективностью отличаются ацетамид- (II), морфолин- (У), пиразолидон- (VII) метиленсульфамиды.

Эффективность гетероциклических производных сульфамидов зависит не только от функциональных групп, присоединенных к гетероциклическим фрагментам, но также и от природы гетеросистем. Так, пирроловый фрагмент (соединения IX, XIII, XIV) придает соединениям более высокую антикоррозионную и противоизносную эффективность. Пира-зинонсодержащий сульфамид XV оказался более эффективной присадкой, чем пиррол- и пиразолонсодержащие сульфамиды. Это можно объяснить его амфотерным характером и вступлением в реакцию с литиевым ионом, имеющимся в составе смазок. Полученные псевдолитиевые соли участвуют в образовании пластических структур смазок. Вероятно, аналогичным механизмом действия обладают сульфамиды, содержащие карбоксиметило-

вый фрагмент (соединения I, IX). Они легко образуют литиевые соли и участвуют в создании новых кристаллических структур пластических смазок.

Таким образом, синтезированные сульфамиды I, II, VII, IX, XIII, XV по антикоррозионной и противоизносной эффективности превосходят промышленные смазки - уплот-нительную Арматол-238 и резьбовую Я-416. Предложенные нами присадки универсальны и могут использоваться в составах обеих пластичных смазок.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Спектры ПМР некоторых синтезированных сульфамидов регистрировали на спектрофотометре "Те81а-467" с рабочей частотой 90 МГц, ИК-спектры - на приборе "№со1е1 К-10".

В ИК-спектрах соединений наблюдается отдельный набор сигналов, подтверждающих валентные колебания функциональных групп: БО2К - 1380-1410 и 1140-1160 см-1, С=О - 1650-1670 см-1, КН - 3350-3400 см-1.

N-Z-Метиленсульфонамиды (I—VIII). Общая методика. 0.1 моля и-толилсуль-фамида, 0.1 моля параформа, 0.1 моля соединения, содержащего активный водород, 0.01 моля КаОН, 50 мл бензола или толуола смешивали и кипятили до полного выделения воды в ловушке Дина-Старка. Затем добавляли 20-30 мл гексана. Полученные кристаллы отфильтровывали и перекристаллизовывали из этанола.

^2-К-3,5-Диметил-(4-метилфенилсульфонил)пирролы (ЕХ-ХП). Общая методика. 15 ммолей соединения из !-ГУ, 16 ммолей ацетилацетона и 10 капель 1н раствора КаОН растворяли в 20 мл абсолютного этанола. Реакционную массу кипятили 2 ч, охлаждали, выпавшие кристаллы отфильтровывали и перекристаллизовывали из этанола.

1-(4-Метилфенилсульфонил)-2-метил-3-ацетилпиридино-4-он (XIII). 20 ммолей соединения II, 22 ммоля ацетоуксусноэтилового эфира и 20 капель 1н раствора КаОН растворяли в 50 мл этанола, кипятили 3.5-4 ч, охлаждали, и к смеси добавляли 3-5 мл уксусной кислоты. Полученный осадок отфильтровывали и перекристаллизовывали из 7 0%-ного этанола.

1-(4-Метилфенилсульфонил)-2,3-дифенил-4-^ацетилдигидроимидазол (XIV).

Методика получения аналогична методу синтеза соединения XIII, однако вместо щелочи использовали 1 мл морфолина.

1-(4-Метилфенилсульфонил)-3-аминопиразин-4-он (XV). 0.05 моля 4-метилфе-нилсульфонил-К-метиленформила IV растворяли в алкоголяте натрия, полученного из 0.07 моля КаОН и 50 мл этанола. Смесь нагревали до 600С и при этой температуре прикапывали 0.06 моля хлорацетонитрила. Реакционную массу кипятили 3-4 ч, охлаждали и нейтрализовывали уксусной кислотой (по фенолфталеину), после чего добавляли 20 мл воды. Полученный осадок отфильтровывали, промывали водой, сушили и перекристалли-зовывали из этанола.

1-(4-Метилфенилсульфонил)-2-морфолил- (XVI) или 2-дибутиламино- (XVII) -3,5-диметилпирролы. Методика синтеза этих соединений аналогична методу получения соединений ГX-XII с той лишь разницей, что здесь брали в 1.5 раза больше щелочи (15 капель) и нагрев проводили в течение 7-8 ч. После окончания реакции проводили нейтрализацию соляной кислотой, полученный осадок отфильтровывали, промывали водой, сушили и перекристаллизовывали из смеси бензола и гексана.

Физико-химические свойства синтезированных соединений I-XVII приведены в табл.2.

Таблица 2. Физико-химические характеристики N-Z-метилен-и-толилсульфамидов I-XVII

Шифр соединения Выход, % Т 0С Брутто-формула Найдено % Вычислено

N S

I 83.7 235 -238 C10H14N2O4S 11.3 9.3 -

II 81.2 120 -121 C12H18N2O4S 10.83 10.40 12.45 12.03

III 86.1 170 -172 QQHM^OSS 11.56 10.97 12.39 12.51

IV 79.3 245 -248 C12H12N2O4S 10.68 10.03 11.12 11.43

V 72.9 198 - 200 C17H17N3O3S 12.67 12.21 9.59 9.28

VI 81.3 180 - 181 CnH^OsS 11.41 10.97 12.79 12.50

VII 71.3 175 -176 C9H12N2O3S 13.05 12.72 14.28 13.99

VIII 69.9 58 -60 C16H28N2O2S 9.61 9.01 10.49 10.26

IX 69.8 176 - 178 C15H18N2O4S 9.11 8.72 10.26 9.94

X 73.6 209 - 212 QsH^OsS 9.42 9.16 10.71 10.44

XI 71.2 196 - 198 C16H20N2O3S 9.13 8.78 10.32 10.00

XII 61.8 189 - 191 CMH^OSS 9.93 9.62 11.28 10.96

XIII 59.9 214 - 216 C:4HJ6N2O4S 9.29 9.12 10.51 10.39

XIV 68.9 169 - 171 C24H22N2O3 S 6.95 6.72 7.85 7.66

XV 73.2 221 - 223 C11H13N2O3S 11.29 11.10 12.93 12.65

XVI 69.5 76 - 78 C17H22N2O3S 8.63 8.41 9.76 9.58

XVII 63.2 158 - 161 C21H32N2O2S 7.65 7.47 8.90 8.51

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Мамедов С.А., Мамедова С.И, Гусейнов И.Ш. и др. // Азерб. хим. журн. 2012. № 1. С. 68-73.

2. Фарзалиев В.М., Мамедов С.А., Ладохина Н.П. и др. // Азерб. хим. журн. 2006. № 2. С.103-106.

3. Мещеряков В.И., Данилевич Ю.С., Москалик М.Ю. и др. // Журн. орган. химии. 2007. Т. 43. № 6. С. 799-805.

4. Мещеряков В.И., Шаинян Б.А., Заводник В.Е., Бельский В.К. // Журн. орган. химии. 2006. Т. 42. № 8. С.1271-1272.

5. Zhu Zie, Zhang Mingjie, Lio Bo et al. // Chem. Lett. 2009. V. 38. No 1. P. 56-57.

6. Chen Cong Xi, Liu Li, Yang Dong-Peng et al. // Synicti. 2005. No 13. P. 2047-2051.

7. Baxendale J.R., Ley S.V., Martinelli M. // Tetrahedron. 2005. V. 61. No 22. P. 5323-5341.

8. Pat. I. 2013 0011 Az.R.

SULFAMiDLORiN METELL9§M9 REAKSiYASININ TODQiQi VO ALINMI§ BiRL9§M9L9RiN HETEROSiKLASiYASI

S.O.Mammadov, V.M.Farzaliyev, N.P.Ladoxina, L.S.lsayeva, Z.N.Novruzova

Arilsulfamidlarin, paraform va tarkibinda aktiv hidrogen olan birla§malarla, katalizator kimi qalavi i§tiraki ila ufkomponentli kondensasiya reaksiyasi oyranilmi§dir. Muayyan edilmi§dir ki, 0.1 mol qalavi i§tirakinda kondensasiya mahsulunun fiximi 86.4%-a fatir. Alinmi§ birla§malar 1,3 dipolyar birla§malar olub, polyarofillarin heterosiklasiyasi reaksiyalarinda istifada olunur. Bu yolla funksional qari§iqli pirrol toramali sulfamidlar sintez olunmu§dur. Bazi sintez olunmu§ birla§malarin surtkulara a§qar kimi tasiri oyranilmi§dir. Onlarin arasinda yuksak effektli a§qarlar tapilmi§dir.Hamfinin muayyan olunmu§dir ki, pirrol toramali sulfamidlar ba§qalarindan daha effektlidir

Agar sozldr: arilsulfamidlsr, dipolyarofilbr, ug komponentli kondensasiya, paraform, asetilaseton, triboloji xassdhr.

THE INVESTIGATION OF METHYLATION REACTION OF SULFAMIDES AND HETEROCYCLIZATION OF THE OBTAINED COMPOUNDS

S.A.Mamedov, V.M.Farzaliyev, N.P.Ladokhina, L.S.Isaeva, Z.N.Novruzova

It is established that with increase in alkali amount yield of condensation product increases reaching 86.4 % at 0.1 mol of alkali. As synthesized substances are 1,3-dipolars, they have been used in the reaction of heterocyclization with polarofils. In this way there have been synthesized the new tretarylsulfamides: pirrol-, piramidon-, imidazol-, dihydropirimidon derivatives. Synthesized compounds were investigated az an additive to oils. It is established that they posses high anti corrozion and waste proof activity. Content of morpholine and acetamide fragments in methyl sulfamides as well az pyrrol cycle attaches greater efficicency to them in comparison with ofher derivatives.

Keywords: arylsulfamides, dipolarophils, three-component condensation, paraform, acetilaceton, tribological properties.