Синтез азотистых гетероциклов на основе 4-пиронов

4-Пироны (4#-пиран-4-оны, у-пироны) — кислородсодержащие гетероциклические соединения, обладающие плоским строением, и способные вступать в реакции с широким кругом нуклеофилов. Пироновое кольцо является сопряженной циклической системой: оно включает в себя в качестве структурных элементов две эндоциклические двойные С=С связи и одну экзоциклическую связь С-О, что делает 4-пиронсодержащие системы привлекательными объектами для использования в различных региоконтролируемых синтезах.

4-Пироны можно разделить на две группы: симметрично замещенные и несимметрично замещенные 4-пироны. С точки зрения региохимии, наиболее интересной является группа несимметрично замещенных 4-пиронов, так как пироновое кольцо в этих субстратах содержит три неэквивалентных электрофильных центра, атомы С-2, С-4 и С-6 цикла. о я3' к1 Ф я4 и/или П4, К2^ Я3 симметрично несимметрично замещенные замещенные у-пироны у-пироны элекгрофильные центры 2 и 6 эквивалентны) (три неэквивалентных электрофильных центра: 2,4 и 6).

Нуклеофильная атака по конкурирующим реакционным центрам пироновой системы приводит к принципиально отличающимся друг от друга результатам (продуктам). В тех случаях, когда взаимодействие с нуклеофилом протекает как сопряженное нуклеофильное присоединение (атака по атому С-2 или С-6), то образующиеся циклические интермедиаты-адцукты, как правило, не устойчивы и, претерпевая реакцию раскрытия цикла, переходят в открытоцепные структуры. Такие открытоцепные структуры могут являться либо конечными продуктами реакции, либо интермедиатами, циклизация которых может привести к получению новых гетероциклических соединений. Если в качестве реагента в реакции с каким-либо 4-пироном был выбран iV-нуклеофил, то в качестве продукта реакции можно ожидать как открытоцепное соединение, так и азотистый гетероцикл.

В реакциях 4-пиронов с бии полинуклеофилами способны принимать участие все три реакционных центра пиронового кольца, что может привести к образованию полиядерных гетероциклических систем.

Производные 4-пирона широко распространены в природе и обладают различными видами биологической активности. Представителями биологически активных 4-пиронов являются, например, хелидоновая кислота (содержится в Chelidonium majus), меконовая кислота (обнаружена в Papaver somniferum), койевая кислота (образуется в результате процессов метаболизма в грибах Aspergillus oryzae). Поэтому синтезу новых производных 4-пирона уделяется большое внимание как соединениям с высокой потенциальной биологической активностью и большими синтетическими возможностями.

Таким образом, данная работа посвящена синтезу новых высокореакционных производных 4-пирона, изучению влияния заместителей на региохимию взаимодействия 4-пиронов с нуклеофилами и применению 4-пиронов в синтезе разнообразных гетероциклических систем.

Актуальность работы. 4-Пироны (4#-пиран-4-оны) — кислородсодержащие гетероциклические соединения, которые распространены в природе и обладают разнообразными видами полезной биологической активности. Кроме того, они интересны в качестве высокоактивных субстратов для синтеза широкого ряда гетероциклов, однако это направление, несмотря на свою актуальность, до сих пор остается малоисследованным.

Пироновое кольцо представляет собой сопряженную циклическую систему и имеет три электрофильных атома углерода, что делает 4-пироны привлекательными объектами для использования в различных региоконтролируемых синтезах. В литературе основное внимание уделяется реакциям симметричных 4-пиронов с бинуклеофилами, тогда как реакции несимметрично замещенных 4-пиронов с бии полинуклеофилами практически не изучены. Так как данные соединения представляют собой скрытые 1,3,5-трикетоны, то использование их в качестве синтонов в реакциях с N-нуклеофилами приводит к новым подходам к получению широкого круга гетероциклических систем, что и легло в основу настоящей работы.

Введение

в пироновое кольцо электроноакцепторного заместителя увеличивает электрофильность циклической системы, а значит, и расширяет круг нуклеофилов, с которыми могут взаимодействовать эти соединения. Литературные данные свидетельствуют о том, что методы синтеза и химические свойства 4-пиронов с акцепторными заместителями (CN, CF3, СО2Н и др.) почти не изучены. Поэтому остаются недоработанными и вопросы, связанные с использованием таких субстратов в органическом синтезе.

Работа была выполнена при поддержке Федерального агентства по образованию (Государственный контракт № П1370), DFG (грант № RO 362/45−1), а также при финансовой поддержке молодых ученых УрФУ в рамках реализации программы развития УрФУ. у: Л.

Целью работы являлось развитие химии 4-пиронов в плане разработки методов синтеза их новых высокореакционных производных и изучения взаимодействия 4-пиронов с tV-moho-, бии полинуклеофилами для получения азотистых гетероциклов, представляющих интерес с точки зрения их биологической активности.

Научная новизна. Осуществлен синтез ряда ранее неописанных 6-замещенных 2-циано-4-пиронов: 2,6-дициано-4-пирона, 2-циано-4-пирона, 6-метил-2-циано-4-пирона, 6-трифторметил-2-циано-4-пирона и их производных.

Обнаружено, что 2-циано-4-пироны взаимодействуют с аминами и гидразинами с раскрытием пиронового кольца и замещением циано группы.

Впервые осуществлен на основе 4-пиронов синтез производных бензодиазепина. Показано, что направление протекания реакции производных 4-пирон-2-карбоновой кислоты с офенилендиамином сильно зависит от кислотности среды: в присутствии сильной кислоты происходит образование производных (2)-4-(2-оксопропшшден)-1,5-дигидро-1,5-бензодиазепин-2карбоновой кислоты, тогда как проведение реакции без добавления сильной кислоты приводит к производным (2)-3-[1Я-бензо[й][1,4]диазепин-4-ил)метилен]-3,4-дигидрохиноксалин-2(1//)-она.

Найдено, что направление взаимодействия производных 4-пирон-2-карбоновой кислоты с фенилгидразином сильно зависит, от природы растворителя, в котором проводится реакция: в протонных средах образуются производные Л^-фенилпиразолил-5-ацетальдегида, тогда как в апротонныхпроизводные А^-фенилпиразолил-З-ацетальдегида. Впервые показано, что на основе 4-пиронов можно осуществлять синтез региозомерных 3-(пиразолил)индолов.

Найдена реакция взаимодействия 4-пиронов с полинуклеофилами на примере реакции 6-фторметилированных 4-пирон-2-карбоновых кислот с аминогуанидином, которая приводит к образованию производных пйразоло[1,5-с]пиримидинов.

Практическая ценность работы. В работе разработаны препаративные методы синтеза 2-циано-4-пиронов, представляющие собой доступные и высокореакционноспособные синтетические блоки. Развита химия 4-пиронов и на основе 4-пиронов синтезирован широкий ряд новых гетероциклических соединений: пиридонов, бензодиазепинов, хиноксалинонов, пиразоло[1,5-с]пиримидинов, 3-(пиразолил)индолов. Найдены новые эффективые методы синтеза пиридон-3-карбоксамидов и региоизмерных 3-(пиразолил)индолов, представляющих интерес в качестве веществ с широким спектром полезной биологической активности.

Апробация работы и публикации. По теме диссертации опубликовано 6 статей в российских и международных журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий ВАК РФ, 7 тезисов докладов на международных и российских конференциях. Основные результаты были представлены на 15-м Европейском симпозиуме по химии фтора (Прага, 2007 г.), 21-м международном симпозиуме: Синтез в органической химии (Оксфорд, 2009 г.), конкурсе-конференции «Актуальные проблемы органического синтеза и анализа» (Екатеринбург, 2010 г.), конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Екатеринбург, 2010, 2011 гг.), на XIV Молодежной конференции по органической химии (Екатеринбург, 2011 г.), Всероссийской конференции «Органический синтез: химия и технология» (Екатеринбург, 2012 г.).

Объем и структура работы. Диссертация выполнена на 163 страницах, состоит из введения, трех глав: Литературный обзор (Глава 1), Обсуждение результатов (Глава 2), Экспериментальная часть (Глава 3) и выводов. Диссертация содержит 73 схемы, 3 таблицы, 4 рисунка. Библиографический список цитируемой литературы содержит 101 наименование. В главе 1 представлен аналитический обзор по методам синтеза и химическим свойствам 4-пиронов.

1. De Souza С., Hajikarimian Y., Sheldrake P. A Convenient method for the preparation of pyran-4-one // Synth. Commun. 1992. — V. 22, № 5. — P. 755−759.

2. Джоуль Дж., Миллс К. Химия гетероциклических соединений. М.: Мир, 2004. 728 с.

3. Гаркуша Г. А., Хуторенко Г. А., Куракина Н. А. Синтез комановой (4-пиронкарбоновой-2) кислоты и ее производных // Журнал органической химии. 1966.-т. 3, № 9. — С. 1699−1701.

4. Miles М. L., Harris Т. М., Hauser Н. R. Aroylations at the methyl group of benzoylacetone and related P-diketones with esters to form 1,3,5-triketones by sodium hydride. Other terminal condensations // J. Org. Chem. 1965. — V. 30, № 4.-P. 1007−1011.

5. Ячевский Д. С., Чижов Д. JL, Ратнер В. Г., Пашкевич К. И. Синтез бис (полифторалкил)-1,3,5-трикетонов // Изв. АН, Сер. Хим. 2001. — № 7. -Р. 1176−1180.

6. Yachevskii D. S., Chizhov D. L., Pashkevich К. I., Charushin V. N. Synthesis of 2, 6-bis-polyfluoroalkyl-4//-pyran-4-ones. // ARKIVOC. 2004. — V. 11. — P. 7176.

7. Mullock E. В., Suschitzky H. A Simple preparation of y-pyrones // J. Chem. Soc. ©. -1967.-P. 828−830.

8. Thomas A.D., Josemin, Asokan C.V. Vilsmeier-Haack reactions of carbonyl compounds: synthesis of substituted pyrones and pyridines // Tetrahedron. 2004. — V. 60, № 23. — P. 5069−5076.

9. Патент 212 381 ЗА Великобритании. // Chem. Abstr. 1981. — V. 94. N 121 322.

10. Tyvorskii V. I., Bobrov D. N., Kulinkovich O. G. New synthetic approaches to 2-perfluoroalkyl-4tf-pyran-4-ones // Tetrahedron. 1998. — V. 54, № 12. — P. 28 192 826.

11. Morgan T.A., Ganem B. A one-step synthesis of y-pyrones // Tetrahedron Lett. -1980. -V. 21, № 24. P. 2773−2774.

12. Koreeda M., Akagi H. A convenient synthesis of substituted y-pyrones // Tetrahedron Lett. 1980. V. 21, № 13. — P. 1197−1200.

13. Al-Kholy I. El-S., Marei M. G., Mishrikey M. M. Synthesis of acetylenic diketones and their conversion 4#-pyran-4-ones, pyrazoles and 1-hydroxy-pyridones // J. Heterocycl. Chem 1979. — V. 16, № 4. — P. 737−743.

14. Zawacki F. J., Crimmins M. T. A convenient synthesis of unsymmetrical, substituted y-pyrones from meldrum’s acid // Tetrahedron, lett. 1996. — V. 37, № 36.-P. 6499−6502.

15. Babu S., Pozzo M. J. Trifluoromethyl substituted 4-pyrones via self-condensation of trifluoroacetoacetates // J. Heterocycl. Chem. 1991. — V. 28, № 3. — P. 819 821.

16. Tajima K. Anomer-specificity in the degradation reaction of D-glucopyranuronic acid tetraacetate leading to comanic acid in the acetic-anhydride-base system // Tetrahedron Lett. 1986. — V. 27, № 50. — P. 6095−6098.

17. Leonard N. J., Choudhury D. y-Pyrones by isomerization. Substituted 3,5-dibenzyl-4#-pyran-4-ones // J. Am. Chem. Soc. 1957. — V. 79. № 1. — P. 156 160.

18. Ross W. J., Todd A., Clark B. P., Morgan S. E., Baldwin J. E. The synthesis and rearrangement of epoxypyrones // Tetrahedron Lett. 1981. — V. 22, № 23. — P. 2207−2208.

19. Mihovilovic M. D., Spreitzer H. Diastereoselective Synthesis of cis-2,6-disubstituted perhydro-4-pyranones using elevated pressure hydrogenation // Monatsh. Chem. V.136, № 7. — P. 1197−1203.1. 1″ «-.

20. Eiden F., Teupe E. G. Pyridon-, pyrazolund pyrimidin-derivate aus 3,5-diacyl-4-pyronen // Arch. Pharm. 1979. — V. 312, № 10. — P. 863−872.

21. Cavalieri L. F. The chemistry of the monocyclic 2- and 4-Pyrones // Chem. Rev. -1947. V. 41. № 3. — P. 525−584.

22. Adams R., Jonson J. Leucenol. VI. A total synthesis // Journal of the American Chemical Society. 1949. — V. 71, № 2. — P. 705−708.

23. Chou S.-Y., Chen S.-F. Synthesis of 2-hydroxymethyl-3,5-dimethyl-4-metoxypyridine: a key intermediate for omeprazole // Heterocycles. 1997 — V. 45, № 1. — P. 77−85.

24. Van Allen J. A., Reynoldsm G. A., Alessi J. T., Chie C. S. Reaction of 4-pyrones with primary amines. A new class of ionic associates // J. Heterocycl. Chem. -1971. V. 8, № 6. — P. 919−922.

25. Гаркуша Г. А. Производные 4-пирона. О лактаме N-(0-аминоэтил)хелидамовой кислоты // Журн. орган, химии. 1964. — Т. 3, № 9. — С. 2223−2225.

26. Schwab A. W. Lactam of N-(P-aminoethyl)-chelidamic acid-a pyridopiperazine ring // J. Am. Chem. Soc. 1954. V. 76, № 4. — P. 1189−1190.

27. Katritzky A.R., Murugan R., Sakizadeh K. The reacton of arylamines with chelidonic acid // J. Heterocyclic Chem. 1984. — V. 21. — P. 1465−1467.

28. Eiden F., Teupe E. G. Uber die reaktion von 2,6-dimethyl-4-pyron-3,5-dicarbonsaureeth ylester mit aminen // Arch. Pharm. 1979. — V. 312, № 7. — P. 591−597.

29. Markees D. G. The reaction of ethyl 4//-pyran-4-one-carboxylate with 1,2-diaminobezene // J. Heterocyclic Chem. 1990. — V. 27, № 6. — P. 1837−1838.

30. Morin C., Beugelmans R. Action de l’hydroxylamine, de l’hydrazine et de ses derives sur les y-pyrones // Tetrahedron. 1977. — V. 33, № 24. — P. 3183−3192.

31. Yates P. The reaction of 4-pyrones with hydroxylamines // Can. J. Chem. 1962. -V. 40, № 11.-P. 2146−2152.

32. Soliman G., El-kholy I. E. The pyrone series. Part I. 2,6-diaryl-4-pyrones // J. Chem. Soc. 1953. — P. 1755−1760.

33. Marei M.G., El-Ghanam M. Synthesis and reactiones of l-heteroaiyl-5-phenyl-4-pentyne-1,3-diones // Bull. Chem. Soc. Japan. 1992. — V. 65, № 12. — P. 35 093 511.

34. Al-Kholy I. El-S., Rafla F. K., Soliman G. Pyrones series. Part V. A synthesis of 6-phenyl-2,3-cyclopentano-4-pyrone, and a study of the action of carbonyl reagents on 2,6-diphenyl-4-pyrone // J. Chem. Soc. 1962. — P. 1857−1863.J-I!, I.

35. Ainsworth C., Jones R. G. Reactions of hydrazine with y-pyrones // J. Am. Chem. Soc. 1954. — V. 76, № 12. — P. 3172−3174.

36. Ainsworth C., Mann M.G. New Methods of synthesis of p-aminoethylpyrazoles // J. Am. Chem. Soc. 1953. — V. 75, № 16. — P. 4048−4052.

37. White R. L., Schwan T. J., Alaimo R. J. Rearrangement of a pyranone to a benzothiazole // J. Heterocycl. Chem. 1980. — V. 17, № 4. — P.817−818.

38. Harris T. M., Harris C. M. Condensation of 2,6-diphenyl-4-pyrone with carbanions // J. Org. Chem. 1967. — V. 32, № 4. — P. 970−975.

39. Marshall L. J., Karl M., Cable K. M., Botting N. P. The synthesis of substituted phenols from pyranone precursors // Tetrahedron. 2009. — V. 65, № 39. — P. 8165−8170.

40. Beyer J., Lang-Fugmann S., Muehlbauer A., Steglich W. A convenient synthesis11of 4-hydroxylC.benzoic acid and related ring-labelled phenolic compounds // Synthesis. 1998. -№ 7. — P. 1047−1051.

41. Vanallang J. A., Reynoldasn G. A., Maier D. P. The reactions of cyanoacetic acid with 2,6-diphenyl-4-pyrone // J. Org. Chem. 1968. — V. 33, № 12. — P. 44 184 421.

42. Andreu R., Galan E., Garin J., Herrero V., Lacarra E., Orduna J, Alicante R., Villacampa B. Linear and V-shaped nonlinear optical chromophores with multiple 4//-pyran-4-ylidene moieties // J. Org. Chem. 2010. — V. 75, № 5. — P. 16 841 692.

43. Luo S., Mi X., Xu H., Wang P. G., Cheng J.-P. Efficient Baylis-Hillman reactions of cyclic enones in methanol as catalyzed by methoxide anion // J. Org. Chem. -2004. V. 69, № 24. — P. 8413−8422.

44. Rudas M., Fejes I., Nyerges M., Szollosy А., Toke L., Groundwater P. L. Substituent effects on the 4п+2л cycloadditions of 4Z/-pyran-4-one derivatives // J. Chem. Soc., PerkinTrans. 1. 1999.-№ 24-P. 1167−1172.

45. Groundwater P.W., Hibbs D.E., Hursthouse M.B., Nyergesl M. An efficient synthesis of reduced flavones via diels-alder addition to 4#-pyran-ones // Heterocycles. 1996. — V. 43, № 4. — P. 745−749.

46. Усачев Б. И., Бизенков И. А., Сосновских В. Я. Трифторацетилирование этил 2,4-диоксопентаноата. Первый синтез 4-оксо-6-трифторметил-4Я-пиран-2-карбоновой кислоты и ее производных // Изв. АН. Сер. хим. -2007. № 3. -С. 537−538.

47. Willstatter R., Rudolf Pummeror R. Zur Kenntniss des Pyrons // Chem. Ber. -1904. V. 37, № 3.-3740−3752.

48. Borsche W., Peter W. Uber eine neue y-pyronsynthese // Justus Liebigs Ann. Chem. 1927.-V. 453.-P. 148−162.

49. Пат 4 936 121 США // Chem. Abstr. 1989. — V. 111, N 134 013.

50. Пат 4 744 819 США // Chem. Abstr. 1979. — V. 90, N 122 500.

51. Пат 4 946 497 США // Chem. Abstr. 1986. — V. 105, N 172 307.

52. Пат 4 844 732 США // Chem. Abstr. 1987. — V. 107, N 154 249.

53. Pierce J. В., Ariyan Z. S., Ovenden S. Preparation and antiinflammatory activity of 2- and 4-pyridones // J. Med. Chem. 1982 — V. 25, № 2. — P. 131−136.

54. Пат 2 010 133 973 WO // Chem. Abstr. 2010. — V. 154, N 45 911.

55. Stierle A. A., Stierle D. В., Patacini B. The Berkeleyamides, Amides from the Acid Lake Fungus Penicillum rubrum И J. Nat. Prod. 2008. — V. 71, № 5. — P. 856−860.

56. Parr R.G., Yang. W. Density functional theory of atoms and molecules. New York: Oxford University Press (1989).

57. Domingo L. R., Perez P., Contreras R. Reactivity of the carbon-carbon double bond towards nucleophilic additions. A DFT analysis // Tetrahedron. 2004. — V. 60, № 31.-P. 6585−6591.

58. Mondal P., Hazarica К. K., Deka R. Reactivity of a, P-unsaturated carbonyl compounds towards nucleophilic addition reaction: a local hard-soft acid-base approach // PhysChemComm. 2003. — V. 6, № 6. — P. 24−27.

59. Usachev B. I., Obydennov D. L., Sosnovskikh V. Ya. Regioselective synthesisof trifluoromethylated 3-(pyrazolyl)indoles on the basis of 6-(trifluoromethyl)comanic acid // Journal of Fluorine Chemistry. 2012. — V. 135. -P. 278−284.

60. H. Jiang, Y. Wang, W. Wan, J. Hao p-TsOH promoted Fischer indole synthesis of multi-substituted 2-trifluoromethyl indole derivatives // Tetrahedron. 2010. — V. 66,№ 14.-P. 2746−2751.

61. Abdel-Gawad H., Mohamed H. A., Dawood K. M., Badria F.A.-R. Synthesis and antiviral activity of new indole-based heterocycles // Chem. Pharm. Bull. 2010. -V. 58, № 11.-P. 1529−1531.

62. Dandia A., Sehgal V., Singh P. Synthesis of fluorine-containing 2-aiyl-3-pyrazolyl/pyranyl/isoxazolinyl-indole derivatives asantifungal and antibacterial agents // Ind. J. Chem., Sec. B. 1993. — V. 32, № 12. — P. 1288−1291.

63. Пат 20 090 111 799 США// Chem. Abstr.-2009.-V. 150, N494860.

64. Пат 200 544 130 WO // Chem. Abstr. 2006. — V. 144, N 390 911.

65. Wolff J., Taddei M. Some observation on the Brunner reaction // Tetrahedron. -1986. V. 42, № 15. — P. 4267−4272.

66. Горбунова В. П., Турчин К. Ф., Суворов Н. Н. Производные индола. LVIII. О взаимодействии Р-(индолил-3)акрилового альдегида с гидразинами // Химия гетероцикл. соед. 1970. — № 11. — С. 1508−1511.

67. Усачёв Б. И., Обыденнов Д. Л., Сосновских В. Я. Синтез региоизомерных 3-(ТУ-фенилпиразолил)индолов из комановой кислоты и фенилгидразина // Изв. АН. Сер. хим. 2010. — № 1. — С. 291−292.

68. Vicentini С. В., Manfrini М., Mazzanti М., Manferdini М., Morelli С. F., Veronese А. С. Chemoselective synthesis of 3- and 5-pyrazolylacetates // Heterocycles. 2000. — V. 53, № 6. — P. 1285−1292.

69. Usachev В. I., Obydennov D. L., Kodess M. I., Sosnovskikh V. Ya. Regioselective solvent-sensitive reactions of 6-(trifluoromethyl)comanic acid and its derivatives with phenylhydrazine // Tetrahedron Lett 2009. — V. 50, № 31. -P. 4446−4448.

70. Attenburrow J., Elks J., Elliott D. F., Hems B.A., Harris J. O., Brodrick С. 1. Experiments relating to the synthesis of patulin. Part I. A study of hydrogenated y-pyrones // J. Chem. Soc. 1945. — P. 571−577.

71. Усачёв Б. И., Усачёв С. А., Рошенталер Г.-В., Сосновских В. Я. Первый синтез 4-оксо-6-трифторметил-4#-тиопиран-2-карбоновой кислоты и ее производных // Изв. АН. Сер. хим. 2010. — № 4. — С. 827−829.

72. Беккер X. и др. Органикум: в 2 т. Т. 2. М.: Мир, 2008. — 488 с.

73. Y. Honma, Y. Sekine, Т. Hashiyama, М. Takeda, Y. Ono, and К. Tsuzurahara. Studies on antiallergic agents. I. Phenyl-substituted heterocycles with a 5-tetrazolyl or 7V-(5-tetrazolyl) carbamoyl group // Chem. Pharm. Bull. 1982. — V. 30.-P. 4314−4324.

74. Patel В. H., Barrett A. G. M., Mason A. M. Synthesis of 6-substituted-4-hydroxy-2-pyridinones via intramolecular ketene trapping of functionalized enamine-dioxinones // Organic Lett. 2011. — V. 13, № 19. p. 5156−5159.

75. Смоляр H. H., Ютилов Ю. M. Циклопревращение в ряду моноциклических 5-нитропиридин-2(1Я)-онов // Журн. орган, химии. 2008. — Т. 44, вып. 8. — С. 1218−1223.