Этот же подход использован в синтезе нитроксил-меченного стероида (схема 21). Взаимодействие активированного метилированием андролактама с аллилмагнийбромидом позволяет ввести пару объемных заместителей в альфа-положение к атому азота [24]. Спиновая метка в таком соединение встроена прямо в основной скелет молекулы, это открывает путь к синтезу меченных аналогов природных стероидов, которые затем могут принимать участие в метаболических процессах организма.

СХЕМА 21. Получение НР-меченного стероида.

1.2.2 Способы получения циклических пространственно-затрудненных гидроксиаминов

1.2.2.1 Синтезы с использованием реакции конденсации

Стерически-затрудненные гидроксиамины могут быть получены конденсацией 1,2- и 1,3-гидроксиаминооксимов, гидроксиаминокетонов, аминооксимов, аминоспиртов или бис-гидроксиаминов , уже содержащих объемные заместители, с кетонами [2].

К примеру, синтез, ключевой стадией которого является конденсация 1,2-гидроксиаминокетона с кетоном в присутствие ацетата аммония, был описан в публикациях [25,1]. 2,2,5,5-тетраэтил-4-метил-2,5-дигидро-имидазол-1-ол был получен этим способом в инертной атмосфере с хорошим выходом (схема 22 I) [1]. Однако для других субстратов и более жестких условий проведения реакции наблюдается образование значительного количества продукта самоконденсации гидроксиаминокетона - дигидропиразина 12 (схема 22 II), особенно если реакция не завершается в течение 5 часов. В случае если R1=Ph, практически с любыми субстратами образуется только пиразин [25] Другой проблемой для этого подхода является получение исходных гидроксиаминокетонов, содержащих нужные заместители.

СХЕМА 22. Пример получения гидроксиаминов конденсацией.

1.2.2.2 Синтезы с использованием металлорганических соединений

Стерически затрудненные гидроксиамины образуются также посредством взаимодействия циклических нитронов с металлорганическими соединениями. Этот подход имеет огромное синтетическое значение, т.к. позволяет ввести два разных заместителя в уже сформированную циклическую систему. Известно большое число подходов к синтезу исходных циклических нитронов [26].

По данным для ациклических нитронов, реактив Гриньяра легко присоединяется альдонитронам по 1,3-положениям (схема 23, I), но при взаимодействии с кетонитронами образуются, как правило, имины (схема 23, II) [27].

СХЕМА 23. Взаимодействие реактивов Гриньяра с альдо- и кетонитронами.

Необычно высокая устойчивость к восстановлению, обнаруженная для имидазолидиновых нитроксильных радикалов с четырьмя этильными группами в положениях 2 и 5 имидазолидинового цикла, делает весьма актуальным исследование влияния ближайшего окружения нитроксильной группы на окислительно-восстановительные свойства нитроксильных радикалов. Первоочередной задачей данного исследования было получение разнообразного набора нитроксильных радикалов имидазолина и имидазолидина, различающихся по стерической затруднённости нитроксильного фрагмента, для последующего исследования их свойств. Рациональным решением этой задачи представлялось использование реакции нитронов с реактивами Гриньяра (см. главу 1). Хотя этот метод имеет существенные ограничения и в ряде случаев даёт невысокие выходы целевых нитроксильных радикалов, он позволяет использовать единый подход для синтеза набора различных производных.

К сожалению, согласно предварительным (неопубликованным) данным, полученым в ЛАС НИОХ, реакция 3-имидазолин-3-оксидов с металлоорганическими соединениями не позволяет получать пространственно-затруднённые имидазолидиновые нитроксильные радикалы в одну стадию:

СХЕМА 27.

Поэтому, для синтеза имидазолиновых нитроксильных радикалов, содержащих объёмные заместители в положениях 2 и 5 гетероцикла, нами был выбран подход, включающий присоединение магнийорганического соединения по атому углерода нитронной группы 2Н-имидазол-1-оксидов (схема 28).

СХЕМА 28.

Для выбора именно этого пути имелись следующие предпосылки:

1) 2Н-имидазол-1-оксиды получают в одну стадию из доступных изонитрозокетонов, причём метод их синтеза позволяет легко вводить объёмные алкильные заместители в положение 2 гетероцикла [30].

2) Присоединение металлоорганических соединений к 2Н-имидазол-1-оксидам ранее уже было успешно использовано в синтезе нитроксильных радикалов [29,31].

3) В отличие от ранее разработанного метода [1], этот поход принципиально пригоден для введения разнообразных заместителей в положение 5 и позволяет избежать необходимости синтеза набора различных 1,2-гидроксиаминооксимов.

По аналогии с литературными данными [30] конденсация изонитрозокетонов 15 с диэтилкетоном и ацетатом аммония приводит к образованию соответствующих 2Н-имидазол-1-оксидов 16с,d.

СХЕМА 29.

Следует отметить, что диэтилкетон труднее вступает в реакцию, чем циклогексанон, а конденсации с участием изонитрозоацетона дают меньшие выходы, чем конденсации изонитрозоацетофенона. Спектральные характеристики полученных соединений подобны характеристикам известных 2,2-диалкил 2Н-имидазол-1-оксидов. В ИК спектрах полученных соединений имеются характерные полосы симметрических и асимметрических колебаний связей C=N при 1510-1520 и 1570-1590 см-1 и связи С-Н альдонитронной группы при 3050-3015 см-1, в УФ-спектрах - характерная полоса поглощения при 270-285 нм, положение которой мало зависит от заместителя в положении 4, а в спектрах ПМР - сигнал протона альдонитронной группы при 7.1-8.1 м.д. Сигналы альдонитронного атома углерода в спектре ЯМР 13С находятся в обычной для альдонитронов области 125-130 м.д., а сигнал иминного атома углерода смещен на 5 м.д. в сильное поле по сравнению с изолированной фенилиминовой группой. Интересно отметить, что метиленовые протоны заместителей в положении 2 гетероцикла не эквивалентны. В ПМР-спектрах 16c,d их сигналы представляют собой АВ-систему в области 1.66-2.08 м.д. (J=14-20 Гц), каждый сигнал которой расщепляется в квартет на соседней метильной группе (J=7.2-7.4 Гц). В спектрах соединений 16a,b,e сигналы протонов спироциклогексанового фрагмента представляют собой три мультиплета интенсивностью 3Н, 5Н и 2Н.

Взаимодействие фенил-замещенных 2Н-имидазол-1-оксидов 16a,c с этилмагнийбромидом проходит с преимущественным образованием целевых продуктов 17а,b (57 и 45 % соответственно) вне зависимости от порядка прибавления реактива Гриньяра.

СХЕМА 30.

Причиной невысокого выхода имидазолинов 17a,b в этой реакции, по-видимому, является их легкая дегидратация в щелочной среде [32,33,34], которая может происходить при обработке реакционной массы. Спектральные характеристики полученных соединений типичны для 1-гидрокси-3-имидазолинов (ср., например, [35]). В ИК-спектрах продуктов присутствуют сигналы ОН-группы при ~3170, а также единственная полоса колебаний связи C=N при 1620-1630 см-1. В УФ-спектрах наблюдается поглощение фенилиминного фрагмента при ~240 нм, В ПМР спектрах - сигнал метинового протона при С2 выходит в виде дублета дублетов при ~ 4.4 м.д. с константами СТВ 6-10 и 3.6-4 Гц, что очевидно связано с диастереотопностью протонов соседнего СН2-фрагмента.

Взаимодействие 2Н-имидазола 16а с аллилмагнийбромидом проходит неоднозначно и приводит к образованию сложной смеси продуктов, из которой, однако, после обработки выпадает осадок целевого имидазолина 17c. Подобно описанному для имидазолинов 17a,b в ИК-спектре этого соединения присутствуют полосы 3185 см-1 для ОН и 1619 см-1 для колебания С=N-связи. Характерная для фенилиминов полоса при 241 нм наблюдается в УФ-спектре. В ЯМР 1Н присутствуют мультиплеты при 2.35 и 2.59 м.д. 2-х протонов в аллильном положении, при 5.02 и 5.06 - для =СН2 и 5.93 м.д. - для =СН-; сигнал протона при С2 выходит в виде дублета дублетов при 4.64 м.д. с константами СТВ 5.8 и 2.5 Гц. В ЯМР 13С фрагменты СН2= и =СН- проявляются при 116.77 и 135.23 м.д. соответственно.

Окисление гидроксиаминов 17a-c избытком двуокиси свинца в хлороформе с хорошим выходом приводит к образованию 2Н-имидазол-1-оксидов 18a-c. Спектральные характеристики их подобны приведённым для 2Н-имидазолов 16, но в ПМР-спектрах исчезает сигнал протона при С5 имидазольного цикла и появляются сигналы этильной группы, а в спектрах ЯМР 13С сигнал С5 имидазольного цикла смещается в область, характерную для кетонитронов ~140 м.д.

Аналогичным образом при обработке 2Н-имидазол-1-оксида (16a) трет-бутилмагнийхлоридом с последующим окислением был получено соединение 18d. В этом соединении р-система имидазольного цикла выведена из сопряжения с фенильным заместителем, что обусловлено стерическим напряжением, создаваемым третбутильной группой, поэтому спектральные характеристики его отличаются от характеристик соединений 18a-c. Так в УФ-спектре отсутствует промежуточный максимум при 240 нм, в спектрах ПМР наблюдается сильнопольный сдвиг о-протонов фенильного цикла на 0.4 м.д. по сравнению со спектрами соединений 18a-c.

РИСУНОК 3

Помимо 2Н-имидазола 18d из реакционной смеси был выделен минорный продукт 19 с выходом 1.67 %. Подобно описанному для имидазолинов 17, в УФ-спектре этого соединения наблюдается поглощение фенилиминного фрагмента при 238 нм. В спектрах ПМР присутствуют синглетные сигналы от протонов двух трет-бутильных групп: при атоме углерода и при кислороде с химсдвигами 1.02 и 1.29 м.д. соответственно. В спектрах ЯМР 13С трет-бутильным заместителям соответствуют сигналы 28.19 и 30.92 м.д. для СН3-групп и 34.61 и 77.56 м.д. для узловых атомов углерода. Кроме того синглетный сигнал при 4.52 м.д. в ПМР и сигнал при 87.82 м.д. в ЯМР 13С свидетельствуют о присутствии протона в 5-м положении гетероцикла. На основании приведенных данных, а также данных элементного анализа выделенному соединению присвоена структура 2-трет-бутил-1-трет-бутокси-3-фенил-1,4-диаза-спиро[4.5]дека-3-ена (19) (см. рис. 3)

Взаимодействие 2Н-имидазол-1-оксида 16e с 2-(диоксолан-2-ил)этилмагнийбромидом происходит более сложно. Малая нуклеофильность этого магнийорганического соединения приводит к замедлению реакции, для её завершения требуется длительное кипячение реакционной массы. После разложения реакционной массы нами были выделены 2 соединения с выходом 5.4 и 1.1 %. Одному из них (основному) на основании спектральных данных и данных элементного анализа приписано строение 2Н-имидазол-1-оксида 18e. Спектры второго соединения 20 не содержат указаний на наличие в молекуле как 2-(диоксолан-2-ил)этильного заместителя, так и альдонитронного (альдиминного) фрагмента. В масс-спектре этого соединения имеется молекулярный ион массой 490,17123, что с хорошей точностью соответствует брутто-формуле C28H28N4Сl2. Следует отметить, что по данным элементного анализа соединение не содержит кислорода. Таким образом, это соединение является продуктом димеризации исходного 2Н-имидазол-1-оксида по положению 5 имидазольного цикла с потерей кислорода (см. рис. 4).

РИСУНОК 4.

Образование подобных продуктов ранее наблюдали при взаимодействии 2Н-имидазол-1-оксидов с диизопропиламидом лития [36], образование их происходит при металлировании альдонитронной группы и нуклеофильном присоединении образующегося аниона по нитронной группе неметаллированной молекулы.

Нитроны 18а,b снова обрабатывали реактивом Гриньяра, реакция проходила также гладко, как и при получении соединений 17а,b, но образующиеся гидроксиамины 21а,b частично окислялись кислородом воздуха. Поэтому их окисляли без выделения избытком диоксида марганца в хлороформе. При этом образовывались 3-имидазолиновые НР 22a,b. В УФ-спектрах этих соединений снова наблюдаются полосы поглощения фенилиминной группы соответственно 245 и 244 нм, в ИК-спектрах наблюдается полоса колебаний С=N, характерная для имидазолинов, при 1599 см-1 для 22а и 1601 см-1 для 22b.

СХЕМА 31.

Следует отметить, что суммарный выход НР 22а (9 % на 4 стадии) может быть существенно повышен (до 40 %), если на первой стадии использовать уксусную кислоту для гашения реакционной массы и проводить синтез без выделения промежуточных продуктов.

В отличие от соединений 18а,b при обработке 2Н-имидазол-1-оксида 18d c этилмагнийбромидом помимо ожидаемого НР 22c образующегося в качестве минорного продукта, было выделено бесцветное кристаллическое соединение, спектр ПМР которого очень близок к спектру исходного соединения. В УФ спектре этого соединения отсутствует характерный для 2Н-имидазол-1-оксидов длинноволновый максимум, в ИК-спектре полосы в области колебаний С=N малоинтенсивны, а в спектре ЯМР 13С имеются 2 сигнала при 166.60 и 172.82 м.д., соответствующие атомам углерода двух разных иминных групп. На основании этих данных и данных элементного анализа соединению приписана структура 2-трет-Бутил-3-фенил-1,4-диаза-спиро[4.5]дека-1,3-диена 23 (см. схему 32).

СХЕМА 32.

Дезоксигенирование нитронной группы при обработке стерически затруднённых нитронов реактивами Гриньяра ранее уже упоминалось нами в Главе 1 и в разделе 2.1. Известно, что литийорганические соединения более реакционноспособны и менее склонны к реакциям восстановления, чем реактивы Гриньяра [44]. Действительно, при обработке 2Н-имидазол-1-оксида 18d бутиллититием с высоким выходом был получен единственный продукт - НР 24, спектральные характеристики которого очень близки к характеристикам НР 22с.

При взаимодействии 2Н-имидазол-1-оксидов 16b,d, содержащих метильную группу в 4 положении цикла, с этилмагнийбромидом количество продуктов и их соотношение существенно зависит от порядка прибавления реагентов. Соединения 17b,d образовывались лишь в случае, когда 2Н-имидазолы 16b,d вводили в эфирный раствор реактива Гриньяра, но не наоборот. В отличие от 16а,c 16b,d способны металлироваться по метильной группе в основных средах. Такая металлированная частица может конденсироваться с исходным 2Н-имидазолом, а продукт присоединения реактива Гриньяра - гидроксиамин, может подвергаться дегидратации в сильноосновной реакционной среде. По-видимому, попадая в избыток магнийорганческого соединения, 2Н-имидазолы 16b,d сначала целиком металлируются, что частично подавляет побочные процессы самоконденсации.

СХЕМА 33.

Синтез имидазолинов 26a,b проводили без выделения промежуточных продуктов.

СХЕМА 34.

Характеристики соединения 26а, полученного по этому методу, совпадают с характеристиками заведомого образца, полученного конденсацией 3-гидроксиамино-3-этилпентан-2-она с диэтилкетоном и ацетатом аммония [1], а соединение 26b обладает сходными характеристиками. Окисление 1-гидрокси-3-имидазолинов 26а,b аналогично описанному в работе [1] приводит к образованию соответсвующих НР 27а,b.

Для получения НР имидазолидинового ряда соединения 22a,b и 27a,b обрабатывались диметилсульфатом, по методу, описанному в [2], в результате образовывались иминиевые соли 28. Алкилирование НР 27a,b проходит значительно легче, чем алкилирование их фенил- замещенных аналогов (22a,b), что обусловлено влиянием фенильного заместителя, понижающего нуклеофильность иминного атома азота. Следует отметить, что алкилирование производных 22а и 27b, содержащих спиро-циклогексановый фрагмент, проходит медленнее, чем алкилирование соответствующих 2,2-диэтильных производных 22b и 27а, что, по-видимому вызвано пространственным затруднением, создаваемым спироциклогексановым фрагментом. Иминиевые соли без выделения восстанавливали боргидридом натрия.

СХЕМА 35.

Спектральные характеристики полученных НР имидазолидинового ряда близки к характеристикам известных описанных в литературе аналогов [1].

СХЕМА 36.

НР 22a был использован для синтеза алкоксиаминов по методу Матьяшжевского [37]. При обработке этого НР (1-бромэтил)бензолом или трет-бутил--бромизобутиратом в присутствии комплексов одновалентной меди были получены соединения 30а,b. Вследствие затруднённой инверсии у атома азота в положении 1, соединение 30b является неразделимой смесью диастереомеров, в его спектрах ЯМР имеется удвоенный набор сигналов. Следует также отметить, что сигналы этильных групп в спектрах ЯМР соединений 30а,b неэквивалентны, что указывает на неплоское строение обеих молекул.

Полученные соединения 22a,b; 27b; 29b-d и 30a,b были переданы для изучения в ИХКиГ и МТЦ СО РАН. Предварительные данные по восстановлению НР 29с,d и 1,2,3,4,5,5-гексаметилимидазолидин-1-оксила (HMI) приведены в таблице 2.

ТАБЛИЦА 2. Константы скорости восстановления НР аскорбатом в фосфатном буфере (рН 7.4)

2.2 Синтез нитроксильных радикалов ряда пирролидина

ИК спектры записаны на спектрометре Bruker Vector 22 FT-IR в KBr при концентрации 1 : 150. УФ спектры записаны на приборе HP Agilent 8453 в EtOH (10-4 М растворы). Спектры ЯМР 1Н записаны на спектрометрах Bruker AC 200 (200.132 МГц), WP 200 (200.132 МГц), AV 300 (300.132 МГц) в 5-10 % растворах СDCl3, CD3OD. В качестве стандарта использовали сигнал растворителя. Спектры ЯМР 13С записаны на спектрометрах Bruker AM 400 (100.614 МГц), AC 200 (50.323 МГц), AV 300 (75.467 МГц) при температуре 300К. Масc-спектры высокого разрешения были записаны на спектрометре Finnigan 8200. Температуры плавления определены на микронагревательном столике Кофлера. Элементный анализ синтезированных соединений был выполнен в лаборатории микроанализа НИОХ. Контроль за ходом реакции осуществлялся с помощью тонкослойной хроматографии (ТСХ) на пластинках Sorbfil UV-254, DC-Alufolien (элюент - хлороформ, хлористый метилен, трет-бутил-метиловый эфир, диэтиловый эфир, гексан, этилацетат, четыреххлористый углерод). Для очистки полученных веществ использовали методы перекристаллизации и хроматографии (силикагель для колоночной хроматографии Kieselgel 60, “Merck”, окись алюминия для хроматографии). Изонитрозоацетон и изонитрозоацетофенон получали по литературным методикам [41,42]. Магнийорганические соединения получали по методикам, описанным в работах [43,44], литийорганические соединения - по методикам, описанным в работе [45].

2Н-Имидазол-1-оксиды 16а-e. Общая методика. 2H-имидазол-1-оксиды получали по методике, приведённой в работе [30]. Условия проведения реакции, соотношения реагентов, методы очистки и выходы приведены в таблице 3 (с. 32). Смесь изонитрозокетона (изонитрозоацетофенона, изонитрозоацетона, парахлоризонитрозоацетофенона), ацетата аммония, уксусной кислоты и кетона (диэтилкетона, циклогексанона) перемешивали при температуре, указанной в таблице 3, контролируя ход реакции с помощью ТСХ (Sorbfil, элюент - гексан : диэтиловый эфир = 2 : 1). После исчезновения исходного соединения реакционную массу разбавляли водой в 10 раз и экстрагировали этилацетатом или хлороформом. Экстракт сушили MgSO4, осушитель отфильтровывали, растворитель и остатки кетона отгоняли на ротационном испарителе. Остаток далее обрабатывали как указано в таблице 3.

ИК спектры 3-фенил-1,4-диаза-спиро[4.5]дека-1,3-диен-1-оксида (16a) и 3-метил-1,4-диаза-спиро[4.5]дека-1,3-диен-1-оксида (16b) соответствуют спектрам заведомых образцов [30].

ТАБЛИЦА 3. Синтез 2Н-имидазол-1-оксидов: условия реакции, соотношение реагентов, способы очистки и выходы.

2,2-Диэтил-4-фенил-2H-имидазол-1-оксид (16c) Розоватые кристаллы, Тпл.=45-47оС. (Найдено: С, 72.05; Н, 7.30; N, 13.03. Рассчитано для C13H16N2O: C, 72,19; H, 7,46; N, 12,95 %); нmax (KBr)/см-1 3077 (N=C-H), 2974, 2935, 2881 (CH3, CH2), 1605, 1590, 1563, 1514 (C=N, C=C); лmax (EtOH)/нм 233 (lg е 4.27), 277 (lg е 4.20); дH (400 МГц; CDCl3)/м.д. 0.59 (6H, т, J 7.2 Гц, 2CH3, 2 Et), 1.92, 2.08 (оба 2H, ABк JAB 14 Гц, Jк 7.2 Гц, 2 CH2, 2 Et), 7.40 (3H, м, м-, п-H, Ph), 7.70 (1H, с, H-C5), 7.82 (2H, м, o-H, Ph); дC (100 МГц; CDCl3)/м.д. 6.55 (CH3, 2 Et), 29.93 (CH2, 2 Et), 107.31 (C2), 126.49 (C5), 127.02 (o-C, Ph), 128.76 (м-C, Ph), 131.09 (и-C, Ph), 131.39 (п-C, Ph), 165.94 (C4).

2,2-Диэтил-4-метил-2H-имидазол-1-оксид (16d) Желтое масло. (Найдено: С, 61.67; Н, 9.17; N, 17.67. Рассчитано для C8H14N2O: C, 62,31; H, 9,15; N, 18,17 %); нmax (в тонком слое)/см-1 3078 (H-C=N), 2975, 2937, 2882 (CH3, CH2), 1596, 1512 (C=N); лmax (EtOH)/нм 283 (lg е 3.92); дH (200 МГц; CDCl3)/м.д. 0.41 (6H, т, J 7.4, 2CH3, 2 Et), 1.66, 1.84 (оба 2H, ABк JAB 20 Гц, Jк 7.4 Гц, 2 CH2, 2 Et), 2.10 (3H, с, CH3-С4), 7.04 (1H, с, H-C5); дC (50 МГц; CDCl3)/м.д. 5.97 (СН3, 2 Et), 16.97 (Н3С-C4), 28.97 (СН2, 2 Et), 106.32 (С2), 128.75 (С5), 166.45 (С4).

3-(4-Хлорфенил)-1,4-диаза-спиро[4.5]дека-1,3-диен-1-оксид (16e) Бесцветные кристаллы, Тпл.=140-142 оС. (Найдено: С, 63.87; Н, 5.56; Cl 13.50; N, 10.80. Рассчитано для C14H15ClN2O: C, 64.00; H, 5.75; Cl, 13.49; N, 10.66 %); нmax (KBr)/см-1 3067(N=C-H), 2935, 2859 (CH3, CH2), 1602, 1587, 1558, 1508 (C=N, С=С); лmax (EtOH)/нм 243 (lg е 4.19), 278 (lg е 4.19); дH (400 МГц; CDCl3)/м.д. 1.40 (3H, м, (СН2)5), 1.85 (5H, м, (СН2)5), 2.07 (2H, м, (СН2)5), 7.41, 7.79 (оба 2Н, AA'BB', J 8.5 Гц, Ar), 7.67 (1H, c, H-C2); дC (100 МГц; CDCl3)/м.д. 23,19, 23.05, 34,88 ((СН2)5), 104.71 (C5), 124.75 (C2), 128.26 (o-C, Ar), 129.01 (м-C, Ar), 129.78 (и-C, Ar), 137.52 (C-Сl), 163.36 (C3).