3,5-динитро-4-гидрокси-пиридиноксид. Получение и свойства

3,5-динитро-4-гидрокси-пиридиноксид. Получение и свойства

Содержание

1. Методика синтеза 3,5-динитро-4-гидрокси-пиридиноксида

.1 Получение 4-оксипиридона из γ-пирона

.2 Получение 4-гидроксипиридиноксида из 4-гидроксипиридина

.3 Получение 3,5-динитро-4-гидроксипиридиноксида

. Химические свойства 3,5-динитро-4-гидроксипиридиноксида

Список использованной литературы

1. Методика синтеза 3,5-динитро-4-гидрокси-пиридиноксида

На основе анализа литературных источников можно сделать вывод, сто наиболее рациональный метод получения 3,5-динитро-4-гидрокси-пиридиноксида осуществляется с помощью достаточно сложного многостадийного синтеза. Можно выделить три ключевые стадии синтеза. На первой происходит образование 4-оксипиридона, который, посредством таутомеризации в неполярных растворителях образует 4-гидроксипиридин. Электронодонорный гидроксильный заместитель в положении 4 активирует ароматическую -систему 4-гидроксипиридина, вследствие чего упрощается электрофильное замещение [1]. Второй стадией синтеза является нитрование 4-гидроксипиридина по положениям 3- и 5-. На третьей, заключительной, стадии происходит образование 3,5-динитро-4-гидрокси-пиридиноксида при взаимодействии 3,5-динитро-4-гидрокси-пиридина с надкислотами. Рассмотрим перечисленные стадии более подробно [2, c.140].

.1 Получение 4-оксипиридона из γ-пирона

Как известно из литературных данных, получение 4-оксипиридонов возможно только из ациклических соединений, в отличие от 2-алкилоксипиридонов, которые возможно получать гидроксилироваться под воздействием K3[Fe(CN)6]. [3, с.586]

Следовательно, первой стадией синтеза 3,5-динитро-4-гидрокси-пиридиноксида является получение 4-оксипиридона. Получение 4-оксипиридона можно проводить несколькими способами.

Первый способ заключается в получении 4-оксипиридона из γ-пирона. Пирон, относящийся к шестичленным кислородосодержащим гетероциклам, получают конденсацией щавелевой кислоты и ацетона в присутствии HCl и последующей декарбонизации над медной проволокой по реакции (1) [4, c.296]:

γ-пирон

пиридиноксид синтез водород нуклеофильный

Далее проводится аминолиз γ-пирона и образование 4-оксипиридона. Следует отметить, что пироны состоят в близком родстве с пиридинами, и при реакции с аммиаком легко замещают свой кольцевой атом азота на иминогруппу, образуя соответствующие пиридоны, в неполярных растворителях таутомеризующиеся в 4-гидроксипиридины [4, c.365]:

-оксопиридон 4-гидроксипиридин

С учетом потерь веществ, возникающих на первой стадии данного синтеза, выход 4-гидроксипиридина составляет 40-50%.

Следует отметить, что получение 4-гидроксипиридина конденсацией диальденидов чревато образованием множества побочных продуктов и малым выходом целевого соединения. [5, c. 95]. Наиболее рациональным способом получения 4-оксипиридина является гидролиз хлористого 4-пиридилпиридиния при кипячении его водного раствора в течение 60 минут:

Учитывая, что исходный хлоргидрат хлористого 4-пиридилпиридиния получается с выходом 60%, то общий выход 4-оксипиридина из пиридина по реакции (3) составляет 35-40%. [4, c.412]

Таким образом, в рассмотренных методиках синтеза первого промежуточного продукта используются доступные для практически любой лаборатории реактивы, а реакции протекают с приемлимыми выходами конечного продукта.

.2 Получение 4-гидроксипиридиноксида из 4-гидроксипиридина

Следующей стадией приведенной цепочки реакций является получение 4-гидроксипиридиноксида из 4-гидроксипиридина. Пиридин N-оксиды получают окислением пиридинов надкислотами. В качестве окислителя обычно используется перуксусная кислота, но во многих случаях используются пербензойная и пероксифталевая кислоты, позволяющие получать пиридин N-оксиды в неполярных растворителях и в более мягких условиях. Реакция проводится в слабокислой среде, так как в сильнокислой среде реакция не идет из-за протонирования азагруппы (и разложения перекисного соединения), а в щелочной среде перкислота депротонируется и превращается в малоактивный анион. [2, c.140]

Достаточно распространена методика синтеза пиридин N-оксидов при помощи смеси перекиси водорода и уксусной кислоты. [6] 3,5-динитро-4-гидроксипиридиноксид получали взаимодействием 3,5-динитро-4-гидроксипиридина с 30% переоксидом водорода в среде уксусной кислоты. Выход реакции (6) составил 80% [7]

.3 Получение 3,5-динитро-4-гидроксипиридиноксида

Заключительной стадией синтеза конечного продукта: 3,5-динитро-4-гидроксипиридиноксида из 4-оксипиридиноксида. Указанную стадию необходимо проводить после получения замещенного пиридиноксида, так как кислородный атом в пиридиноксиде облегчает электрофильное замещение в ароматическом кольце. [1]

В литературе приводятся аналогии между распределением электронной плотности в N-оксиде пиридина и фенолят ионе: [9, с.33]

Тем не менее, для оксидов пиридинов, электрофильное замещение протекает в достаточно жестких условиях. При протонировании N-оксида по кислороду электрофильное замещение приемущественно протекает по положению 3 (за счет вклада предельных структур D и Е, приведенных на схеме (5). [9, с.33]

Наличие электродонорных заместителей (в данном случае - гидроксигруппы в положении 4-) также облегчает протекание процесса электрофильного замещения в ароматическом кольце за счет повышения электронной плотности в π-системе. Гидрокси-группа не только существенно облегчает электрофильное замещение, но и ориентирует его в орто- и пара- положения по отношению к этим заместителям. [9, с.32] Получение 3,5-динитро-4-гидроксипиридин-N-оксида из 4-оксипиридин-N-оксида осуществляется посредством нитрования 4-гидроксипиридин-N-оксида смесью 100%-серной и дымящей азотной кислот. Промежуточным продуктом реакции является 3-динитро-4-гидроксипиридин-N-оксид с выходом 60%, а при дальнейшем нитровании превращающийся в 3,5-динитро-4-гидроксипиридин-N-оксид с выходом 40%. [4, c.421]

На первой стадии нитрования образуется сопряженная кислота пиридона, которая, являясь производным фенола, достаточно легко вступает в реакцию электрофильного замещения. [10, c.268]

При дальнейшем нитровании образуется динитрозамещенное производное:

,5-динитро-4-гидроксипиридин

Полученное вещество представляет собой желтые кристаллы с температурой плавления около 100-110 оС. [7] Таким образом, согласно изложенной выше методике возможно получать 3,5-динитро-4-гидроксипиридиноксид с выходом (по всем сталиям), порядка 0,4*0,4*0,8 = 0,128 (т.е. 10 - 15%).

2. Химические свойства 3,5-динитро-4-гидроксипиридиноксида

На основе литературных данных, а также знаний из курса органической химии, опишем химические свойства 3,5-динитро-4-гидроксипиридиноксида, исходя из структуры данного соединения.

1) Таутомерия

,5-динитро-4-гидроксипиридиноксид, как и все оксипиридины склонен к таутомерным превращениям (8). Причем в полярных растворителях (воде, спиртах) преобладает 3,5-динитро-4-оксопиридон-N-оксид, а в неполярных - 3,5-динитро-4-гидроксипиридин-N-оксид. Кроме того, достаточно высокие температуры плавления, свойственные всем оксипиридинам являются следствием их амфотерного характера. Как видно из представленной ниже структуры (9) биполярного иона, между различными молекулами 3,5-динитро-4-гидроксипиридиноксид возможно образование водородны связей типа О-H-O: [4, c.409]

) Кислотно-основные свойства

Как уже было сказано в данной работе, 3,5-динитро-4-гидроксипиридиноксид является амфотерным соединением.

Две нитрогруппы, расположенные в положениях 3- и 5- являются акцепторными заместителями, и смещают в свою сторону электронную плотность ароматического кольца. Как известно из курса органической химии, при наличии в ароматическом соединении одновременно нитро- и гидрокси групп, под воздействием нитрогруппы возникает дефицит электронной плотности в ароматическом кольце, который компенсируется за счет смещения электронной плотности с донорного атома кислорода гидрокси-группы. Вследствие чего связь О-Н ослабевает и протон становится более подвижным - усиливаются кислотные свойства соединения.

Основные свойства 3,5-динитро-4-гидроксипиридиноксид проявляются за счет притяжения протона атомом килорода, непосредственно связанным с пиридиновым азотом. На схеме (10) указаны формы соединения в кислой и щелочной средах.

) Реакции нуклеофильного замещения

Соединение не вступает в реакции электрофильного замещения, так как является электронодефицитным, однако реагирует с сильными нуклеофилами, находясь в пиридоновой форме. К примеру, в результате реакции 3,5-динитро-4-гидроксипиридиноксида с оксохлоридом фосфора образуется 3,5-динитро-4-хлорпиридиноксид. [10, c.269] При дальнейшем протекании реакции в избытке POCl3 возможно восстановление пиридинового атома азота за счет внедрения атома галогена в ароматическую систему с образованием 3,5-динитро-4-хлорпиридиний хлорида. [5, c.25]

В некоторых случаях, например при реакции с избытком хлористого сульфурила (SOCl2) происходит также замещение нитрогрупп на атомы хлора с образованием 2,3,4,5-тетрахлорпиридинийхлорида. [5, c.25]

Возможно протекание реакций гидроксиденитрования 3,5-динитро-4-гидроксипиридиноксида в кислой среде (13), а в щелочной среде процесс сопровождается побочной реакцией образования азосоединения (14). [5, c.25]

) Окислительно-восстановительные свойства

,5-динитро-4-гидроксипиридиноксид не проявляет ярко-выраженных окислительных и восстановительных свойств, однако под воздействием сильных восстановителей 3,5-динитро-4-гидроксипиридиноксид восстанавливается до 3,5-динитро-4-гидроксипиридина, а в избытке восстановителя и в соответствующих условиях нитрогруппы восстанавливаются до аминогрупп (15).

,5-динитро-4-гидроксипиридин 3,5-диамино-4-гидроксипиридин

В заключение отметим, что на основе анализа данных литературных источников в данной работе нами была составлена наиболее рациональная схема синтеза 3,5-динитро-4-гидроксипиридиноксида, а также рассмотрены важнейшие химические свойства данного соединения. Таким образом, задачи, поставленные перед данной работой, можно считать выполненными.

Список использованной литературы

1.      Аксельрод Ж.И., Березовский В.М. Электрофильное замещение в ряду шестичленных азотсодержащих гетероароматических соединений и их N-окисей. // Успехи химии, т. 39, №7, М., 1970. - С. 1337 - 1353.

.        Гауптман З., Грефе Ю., Ремане Х. Органическая химия, М.: "Химия", 1979. - 832с.

.        Эльдерфилд Р. (ред.) Гетероциклические соединения. Т.1. Перевод с англ. под ред. Ю. К. Юрьева. М.: Изд-во иностранной литературы, 1953. - 556 с.

.        Бартон Д., Оллис У.Д. Общая органическая химия. Том 8. Азотсодержащие гетероциклы. М.: Химия, 1985. - 752 с.

6.      Shaker Y. Recent trends in the chemistry of pyridine N-oxide // ARKIVOC Volume part I, 2001. P. 242 - 268.

.        Albini, A, Pietra, S. Heterocyclic N-oxides // CRC Press: Boca Ration. 1991. - P. 263.

.        Katritzky A.R., Lam J.N. Heterocyclic N-oxides and N-imides. Heterocyclicles, 33, 1992. - P. 1011 - 1023.

9.      Юровская М.А., Куркин А.В., Лукашёв Н.В. Химия ароматических гетероциклических соединений. М.: Издательство МГУ им. Ломоносова, 2007. - 50 стр.

.        Иванский В.И. Химия гетероциклических соединений. М.: Высшая школа, 1978. - 559 с.