ПРОИЗВОДНЫЕ 7H(7R)-ТРИС[1,2,5]ОКСАДИАЗОЛО[3,4-b:3',4'-d:3",4"-f]АЗЕПИНА И СПОСОБ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ

Область изобретения

Изобретение относится к области химии полициклических конденсированных гетероциклических соединений, более конкретно к области химии производных азепина, в которых азепиновый цикл конденсирован с тремя 1,2,5-оксадиазольными циклами, а именно к способу синтеза 7R-замещенных производных 7H-трис[1,2,5]оксадиазоло[3,4-b:3′,4′-d:3″,4″-f]-азепина (1). Предлагаемые соединения могут найти применение в качестве компонентов взрывчатых составов, твердых ракетных топлив и в энергоемких составоах различного назначения, эксплуатируемых при повышенных температурах. Также соединения (1) путем известных в органической химии типичных трансформаций функциональных групп, входящих в состав 7R заместителей боковой цепи, могут служить полупродуктами для синтеза ряда прочих производных 7H-трис[1,2,5]оксадиазоло[3,4-b:3′,4′-d:3″,4″-f]азепина и могут найти применение в органическом синтезе.

Описание известного уровня техники

Известно значительное число конденсированных с различными гетероциклическими системами производных азепина, однако из возможных четырех типов сочленения 1,2,5-оксадиазольного и азепинового циклов описаны только немногочисленные производные 1,2,5-оксадиазоло[3,4-с]азепина [А.Б. Шереметев. Усп. химии, 1999, 68 (2), 154-166]. Взаимодействием β-дикарбонильных соединений с 3,4-диаминофуразаном получен ряд производных 4H-фуразано[3,4-b][1,4]диазепина [A. Gasco, G. Rua, E. Menziani, G.М. Nano, G. Tappi. J. Heterocycl. Chem., 7 (1), p.131-133, 1970]. Информация о синтезе азепиновых гетероциклических систем, содержащих несколько аннелированных с азепиновым циклом 1,2,5-оксадиазольных цикла, в настоящее время отсутствует.

С точки зрения специалиста в области создания перспективных энергоемких соединений производные 1,2,5-оксидиазола представляют явный интерес [J.P. Agraval, R.D. Hodgson. Organic Chemistry of Explosives, John Wiley & Sons Ltd, Chippenham, Wiltshire 2006, p.297-302], обусловленный не только связанной с ароматическим характером рассматриваемой гетероциклической системы повышенной термической устойчивостью, но и наличием в ее структуре атома «активного кислорода», который не связан с атомами углерода или водорода, а следовательно, способен к их окислению с высвобождением энергии [см., например, Philip F. Pagoria, Gregory S. Lee, Alexander R. Mitchell, Robert D. Schmidt. - A review of energetic materials synthesis // Thermochimica Acta, 384, 187-204 (2002)]. Также было показано, что замена нитрогруппы на фуразановое кольцо приводит к увеличению плотности энергоемкого соединения на 0,06-0,08 г·см^-3 и к увеличению в свою очередь скорости детонации на 300 м·с^-1 [Sheremetev А.В., Kulagina V.O., Batog L.V., Lebedev O.V., Yudin I.L., Pivina T.S., Andrianov V.G., Starchenkov I.B. Furazan derivatives: high energetic materials from diaminofurazan // Proc. 22^th International Pyrotechnics Seminar, Fort Collins, Colorado, USA, 15-19 July, 1996, p.377-388; Ou Y.X. Synthesing Chemistry of Modern Explosivives, Weapon Industry Publishing, Beijing, 1998, p.192]. Использование в химическом дизайне новых высокоэнергетических соединений конденсированных гетероциклических систем приводит к прогнозируемому увеличению их плотности [Котомин А.А., Козлов А.С. Метод расчета плотности органических соединений по вкладам фрагментов молекул // Журнал прикладной химии, 79 (6), 966-977 (2009)] и, следовательно, к увеличению их мощности.

Ближайшими структурными аналогами простейшего представителя предлагаемых в настоящей публикации четырехядерных конденсированных гетероциклических систем - 7H-трис[1,2,5]оксадиазоло[3,4-b:3′,4′-d:3″,4″-f]-азепина являются следующие производные 1,2,5-оксадиазола:

- производные 7H-трис[1,2,5]оксадиазоло[3,4-b:3′,4′-d:3″,4″-f]оксепин-1-оксида (представляет собой аналог указанного выше соединения, отличающийся от последнего заменой азепинового цикла на оксепиновый, а также наличием N-оксидной группы при центральном 1,2,5-оксадиазольном цикле) [Zhou Y., Wang В., Wang X., Zhou С., Huo Н., Zhang Y. Synthesis of Bifurazano[3,4-b:3′,4-f]furoxano[3″,4″-d]oxacyclohetpatriene // Chinese Journal of Energetic Materials (CJEM), 20 (1), 137-138 (2012); Zhou Yan-shui, Wang Bo-zhou, Wang Xi-jie, Zhou Cheng, Ning Yan-li, Lian Peng, Li Jian-kang, Zhang Ye-gao. Synthesis and Quantum Chemistry Study of Novel Bifurazano [3,4-b□3′,4′-f]furoxano[3″,4″-d]oxacyclo-hetpatriene // Chinese Journal of Synthetic Chemistry, 20 (2), 147-152 (2012)], для которого заявлены следующие энергетические характеристики: Т_пл. 93,5°C; ρ 1,866 г/см³ (·H₂O); V_D 8256 м/с (1,850); Q_взp. 6162 Дж/г (1,870); ΔH⁰ _f+275,2 кДж/моль; чувствительность к механическим воздействиям: к удару 12% (10 кг, 25 см); к трению 4600 кг/см²; 0% (3,92 МПа, 90°);

- 3,4-бис(4-аминофуразан-3-ил)фуроксан (представляет собой аналог указанного выше соединения линейного строения, отличающийся от последнего отсутствием сочленения двух боковых 1,2,5-оксадиазольных циклов мостиковой аминогруппой, а также наличием N-оксидной группы при центральном из 1,2,5-оксадиазольном цикле) [Wang J., Li J., Liang Q., Huang Y., Dong, H. A Novel Insensitive High Explosive 3,4-Bis(Aminofurazano)Furoxan // Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 33, 347-352 (2008)], для которого заявлены следующие энергетические характеристики: Т_пл 168,2°C; ρ 1,794 г/см³; V_D 8100 м/с; Q_взр. 6162 Дж/г; чувствительность к механическим воздействиям: к удару 24% (10 кг, 25 см); к трению 4300 кг/см²; 8% (3,92 МПа, 90°), рассматриваются для использования в качестве мощных термостойких энергоемких соединений с температурами начала интенсивного разложения 280°C и 230°C, соответственно.

Сущность изобретения

Предложены гетероциклические соединения - производные 7R-7H-трис[1,2,5]оксадиазоло[3,4-b:3′,4′-d:3″,4″-f]азепина общей формулы (1)

,

где R представляет собой H, NH₂ группу, алкильный заместитель: метил, замещенный алкильный заместитель: 2-гидроксиэтил, бензил, фурфурил, тетрагидрофурфурил, гомовератрил.

Предложен способ получения производных 7R-7H-трис[1,2,5]оксадиазоло[3,4-b:3′,4′-d:3″,4″-f]азепина формулы (1) путем взаимодействия 3,4-бис(4-нитрофуразан-3-ил)фуразана с соединением, выбранным из группы: аммиак, гидразин, соединение, содержащее первичную аминогруппу: метиламин, 2-гидроксиэтиламин, бензиламин, фурфуриламин, тетрагидрофурфуриламин, гомовератриламин.

3,4-Бис(4-нитрофуразан-3-ил)фуразан (2) легко вступает в реакции нуклеофильного замещения нитрогрупп на N- и O-содержащие нуклеофильные агенты.

Результат реакции (2) с соединениями, содержащими аминогруппу, зависит от строения используемого амина. В случае использования вторичных аминов (диметиламина, диэтиламина, морфолина, пиперидина, 4-метилпиперазина и т.п.) образуются дизамещенные производные тримера фуразана, описываемые структурной формулой (3). Реакция (2) с первичными аминами, аммиаком и гидразином приводит к формированию аннелированной азепиновой гетероциклической системы, описываемой структурной формулой (1).

Необходимое для синтеза соединение (2) может быть получено окислением известного соединения 3,4-бис(3-аминофуразан-4-ил)-фуразана (3,4-бис(4-амино-1,2,5-оксадиазол-3-ил)-1,2,5-оксадиазола)) [П.B. Анокина, Т.В. Романова, С.Ф. Мельникова, И.В. Целинский. - Журн. Орг. Химии, 2011, 47 (10), 1575-1575] пероксидом водорода в кислой среде согласно общему методу синтеза нитрозамещенных производных фуразана [Novikova T.S., Mel'nikova Т.М., Kharitonova O.V., Kulagina V.O., Aleksandrova N.S., Sheremetev A.V., Pivina T.S., Khmel'nitskii L.I. and Novikov S.S. - Mendeleev Commun., 1994, 4, 138-140].

Структура предлагаемых соединений (1) доказана методами физико-химического анализа, а также рентгеноструктурным анализом соединения (1), где R=H (фиг.1).

Заявленные соединения структурной формулой (1) обладают высокой потенциальной энергоемкостью, что подтверждается следующими взрывчатыми характеристиками:

а) R=H

Т_пл. 192°C; ρ 1,87 г/см³; ΔH⁰ _f+600,0 кДж/моль; чувствительность к механическим воздействиям - к удару 0% (10 кг, 25 см), к трению 4840 кг/см²;

б)R=NH₂

Т_пл. 214°C; ρ 1,85 г/см³; ΔH⁰ _f+721,9 кДж/моль; чувствительность к механическим воздействиям - удару 60% (10 кг, 25 см), трению 2500 кг/см², и, с этой точки зрения, представляют собой высокоплотные термостойкие энергоемкие соединения с расчетными скоростями детонации V_D=8200-8300 м/с.

Производные, полученные с другими заместителями, также имеют высокую температуру плавления в диапазоне от 125 до 222°C, расчетную плотность выше 1,5 г/см³, низкую чувствительность к механическим воздействиям и трению, что позволяет их рассматривать в качестве потенциальных компонентов энергетических материалов.

Специалисту в данной области техники должно быть понятным, что энергонасыщенность соединений структурной формулы (1) может быть увеличена за счет введения в боковую цепь типичных эксплозофорных групп, например нитрогрупп, нитроэфирных групп, а также азидогрупп.

Примеры конкретного исполнения

Для иллюстрации предлагаемых в изобретении методов нами были включены следующие примеры. Приведенные примеры иллюстрируют типичные синтетические приемы в лабораторной практике. В свете настоящего раскрытия предмета изобретения следует иметь в виду, что изложенные ниже примеры предназначены служить только образцами и что многочисленные изменения, модификации и внесение изменений возможно использовать без отклонения за рамки изобретения.

Пример 1

Соединение 4-бис(4-нитрофуразан-3-ил)фуразан (2) (0.01 моль, 2.96 г) растворяют в 20 мл ацетонитрила. Полученный раствор охлаждают до 5-10°C и при этой температуре прибавляют при перемешивании по каплям раствор 0.04 моль морфолина в 10 мл ацетонитрила. По окончании дозировки амина смесь нагревают до 30-40°C и перемешивают 2-3 часа. Полученный раствор выливают в 150 мл холодной воды и экстрагируют метиленхлоридом (2×25 мл). Органический слой отделяют, промывают несколько раз водой и сушат над Na₂SO₄. После отгонки растворителя в вакууме остаток перекристаллизовывают из CCl₄. Выход 4,4″-диморфолино[3,3′,4′,3″]трис[[1,2,5]оксадиазола] (3,R',R'=морфолин) 50-70%. t_пл. 87°C.

ЯМР-¹Н (ДМСО-d⁶), δ, м.д., 3,20-3,17, t, (8H, C1, C6-N(CH₂)₂); 3,63-3,60, t, (8H, 2 O(CH₂)₂). ЯМР¹³C (ДМСО-d⁶), δ, м.д.: 159.5; 144.1; 137.2. Масс-спектр, m/z: M 376(1,6); 359(17), (M-OH); 346(4), (M-NO); 233(12); 86(44), O(CH₂CH₂)₂N; 66(26); 56(98); 45(100). Найдено, %: C 44,83; H 4,41; N 29,54. C₁₄H₁₆N₈O₅. Вычисл., %: C 44,68; H 4,25; N 29,79.

Пример 2

Соединение (2) (2.96 г, 0.01 моль) растворяют в 20 мл ацетонитрила. Полученный раствор охлаждают до 5-10°C и при этой температуре прибавляют при перемешивании по каплям раствор не менее 0.03 моль гидразингидрата в 10 мл ацетонитрила. По окончании дозировки амина смесь нагревают до 30-40°C и перемешивают 2-3 часа. Полученный раствор разбавляют в 2-3 раза водой. Выпавший осадок отфильтровывают и перекристаллизовывают из уксусной кислоты.

Выход 7-амино-7H-трис[1,2,5]оксадиазоло[3,4-b:3′,4′-d:3″,4″-f]азепина (1, R=NH₂) 1,5 г (66%), t_пл. 214°C (ДМФА-изопропанол).

ЯМР¹H (ДМСО-d⁶), δ, м.д., 6,0 (2H, с., NH₂). ЯМР¹³C (ДМСО-d⁶), δ, м.д.: 157,0; 155,8; 144,6; 136,2. Масс-спектр, m/z: [M]⁺ 234(100); 219(0,8), [M-NH]⁺; 204(26), [M-NO]⁺; 189(2), [M-NO-NH]⁺; 174(9), [M-2NO]⁺; 147(11), [М-2NO-HCN]⁺; 68(68) [C₂N₂O]⁺; 38(37), [C₂N₂O-NO]⁺. ИК- спектр, см^-1: 3310 (ν_asNH₂); 3260 (ν_sNH₂); 1620; 1580; 1490; 1360; 1210; 1000; 990; 970; 790. Найдено, %: C 28,65; H 1,05; N 44,46. C₆H₂N₈O₃. Вычисл., %: С 28,80; Н 0,80; N 44,71.

Пример 3

Соединение (2) (2.96 г, 0.01 моль) растворяют в 20 мл ацетонитрила. Полученный раствор охлаждают до 5-10°C и при этой температуре прибавляют при перемешивании по каплям 3 мл (0.04 моль) 28%-го водного раствора аммиака. По окончании дозировки амина смесь перемешивают 2-3 часа. Полученный раствор разбавляют в 2-3 раза водой и отгоняют ацетонитрил в вакууме. Выпавший осадок отфильтровывают и перекристаллизовывают из уксусной кислоты.

Выход 7H-трис[1,2,5]оксадиазоло[3,4-b:3′,4′-d:3″,4″-f]азепина (1, R=Н) 1,3 г (60%), t_пл. 192°C (H₂O).

ЯМР¹Н (ДМСО-d⁶), δ, м.д., 12,4 (с, NH). ЯМР¹³С (ДМСО-d⁶), δ, м.д.: 152,8; 144,9; 137,7. Масс-спектр, m/z: [M] 219(100); 189(56), [М-NO]⁺; 159(7), [М-2NO]⁺; 129(0,5), [M-3NO]⁺; 121(18); 69(37); 53(35), [C₂HN₂]⁺, 41(53), [HNCN]⁺. ИК спектр, см^-1: 3300, 3190, 3080, 2940, 2760 (ассоц. NH); 1620, 1600, 1500, 1470 (фуразан); 1340; 1270; 1000; 970; 900; 870. Найдено, %: C 32,61; H 0,65; N 44,51. C₆H₁N₇O₃. Вычисл., %: С 32,88; H 0,46; N 44,75.

Пример 4

Соединение (2) (2.96 г, 0.01 моль) растворяют в 20 мл ацетонитрила. Полученный раствор охлаждают до 5-10°C и при этой температуре прибавляют при перемешивании по каплям 3.5 мл (0.04 моль) 40%-го водного раствора метиламина. По окончании дозировки амина смесь перемешивают 2-3 часа. Полученный раствор разбавляют в 2-3 раза водой и отгоняют ацетонитрил в вакууме. Выпавший осадок отфильтровывают и перекристаллизовывают из уксусной кислоты.

Выход 7-метил-7H-трис[1,2,5]оксадиазоло[3,4-b:3′,4′-d:3″,4″-f]азепина (1, R=CH₃) 1,5 г (65%), t_пл. 161°C (EtOH-ДМФА).

ЯМР¹Н (ДМСО-d⁶), δ, м.д., 3,72 (с., CH₃). ЯМР¹³C (ДМСО-d⁶), δ, м.д.: 150,7; 144,5; 139,5; 22,9 (CH₃). Масс-спектр, m/z: [М] 233(100); 203(25), [М-NO]+; 173(1), [M-2NO]⁺; 143(2,5), [M-3NO]⁺; 83(28); 67(30). ИК-спектр, см^-1: 3430; 1590; 1550; 1500; 1420; 1200; 1000; 980; 900; 880. Найдено, %: C 35,95; H 1,34; N 41,88. C₇H₃N₇O₃. Вычисл. %: C 36,05; H 1,29; N 42,06.

Пример 5

Соединение (2) (0.01 моль, 2.96 г) растворяют в 20 мл ацетонитрила. Полученный раствор охлаждают до 5-10°C и при этой температуре прибавляют при перемешивании по каплям 0,03 моль бензиламина. По окончании дозировки амина смесь нагревают до 30-40°C и перемешивают 2-3 часа. Полученный раствор разбавляют в 2-3 раза водой и отгоняют большую часть ацетонитрила под уменьшенным давлением. Выпавший осадок отфильтровывают и перекристаллизовывают из смеси этанол-уксусная кислота 1:1 по объему.

Выход 7-бензил-7-H-трис[1,2,5]оксадиазоло[3,4-b:3′,4′-d:3″,4″-f]азепина, (1, R=CH₂Ph), 2,3 г (75%), t_пл. 144°C (EtOH-ДМФА).

ЯМР-¹H (ДМСО-d⁶), δ, м.д., 7,53-7,51 и 7,38-7,27m (5H, C₆H5); 5,41s (2H, CH₂). ЯМР¹³С (ДМСО-d⁶), δ, м.д., атомы фуразановых циклов: 154.4; 144.5; 137.1; Ar: 134.4(C1′); 128.9(C3′); 128.2(C4′); 127.6(C2′); 55.16(CH₂). Масс-спектр, m/z: [M] 309(6); 91(100), [PhCH₂]⁺; 65(26). ИК спектр, см-1: 3070; 3020 (Ar-H); 2990; 2920 (CH₂); 1630 (N→O); 1600; 1590; 1570; 1520; 1480; 1430; 1370; 1220; 1160; 1000; 980; 900; 600. Найдено, %: C 50,27; H 2,48; N 31,53. C₁₃H₇N₇O₃. Вычисл., %: C 50,48; H 2,26; N 31,71.

Пример 6

Синтез проведен аналогично Примеру 5, но второй компонент 2-амино-этанол(2-гидроксиэтиламин) (0,03 моль).

Выход 7-(2-гидроксиэтил)-7H-трис[1,2,5]оксадиазоло[3,4-b:3′,4′-d:3″,4″-f]азепина, (1, R=CH₂CH₂OH), 1,8 г (69%), t_пл. 139°C (МеОН).

ЯМР-¹H (ДМСО-d⁶), δ, м.д., 6.66 (s, 1H, OH); 4.86 (m, 2H, т., Het-CH₂); 4.72 (m, 2H, CH₂). ЯМР¹³C (ДМСО-d⁶), δ, м.д., сигналы атомов углерода гетероциклической системы: 154.4; 144.5; 137.1; заместитель: 58.91; 50.01. Масс-спектр, m/z: [M] 263(3); 246(5), M-OH; 232(6), M-NO-H; 68(5); 55(7); 54(7); 53(6); 45(7), [CH₂CH₂OH]⁺; 44(19), [CH₂CH₂O]⁺; 43(13); 42(7); 41(5); 31(6); 30(100); 29(8). ИК- спектр, см^-1: 3550 (OH); 2980 (ν_asCH₂); 2920 ((ν_sCH₂); 1610; 1590; 1570; 1520; 1480; 1350; 1200; 1160; 1070 (ν_asC-C-O); 1020; 980; 970; 900; 840. Найдено, %: C 36,08; H 2,92; N 37,04. C₈H₅N₇O₄. Вычисл., %: C 36,50; H 2,6; N 37,26.

Пример 7

Синтез проведен аналогично Примеру 5, но второй компонент - фурфуриламин.

Выход 7-фурфурил-7H-трис[1,2,5]оксадиазоло[3,4-b:3′,4′-d:3″,4″-f]-азепина, (1, R=CH₃C₄H₃O), 1,1 г (35%), t_пл. 125-126°C (этанол), реакция протекает с образованием смол, продукт дополнительно осветляли углем.

ЯМР-¹H (ДМСО-d₆), δ, м.д., 7.68 (m, 1H, C4′H); 6.61 (m, 1H, C3′H); 6.47 (m, 1H, C4′H), 5.39 (s, 2H, CH₂). ЯМР¹³C (ДМСО-d₆), δ, м.д.: 154.1; 144.8; 137.3 (атомы гетероциклической системы); 148.0 (C5′); 111.1 (C3′); 111.0 (C4′); 48.00 (CH₂)) (атомы бокового заместителя). Масс-спектр, m/z: 299(0.5)[M]+; 82(6); 81(100)[C₄H₃OCH₂]⁺; 53(35)[C₂HN₂]⁺; 52(7); 51(8); 39(6); 32(16); 30(32).

Пример 8

Синтез проведен аналогично Примеру 5, но второй компонент - тетрагидрофурфуриламин (0,03 моль).

Выход 7-(тетрагидрофуран-2-ил-метил)-7H-трис[1,2,5]оксадиазоло[3,4-b:3′,4′-d:3″,4″-f]азепина, (1, R=CH₂C₄H₇O, тетрагидрофурфурил), 1,9 г (65%), очень вязкое масло, температура стеклования минус 20°C.

ЯМР-¹H (ДМСО-d⁶), δ, м.д., 4.45 (m, 1H, C2′H); 4.38-4.31, 4.21-4.16 (m, 2xH, С5′H); 3.85, 3.70 (m, 2H, N-CH₂); 2.07-1.95 (2H), 1.91-1.88 (1H), 1.80-1.76 (m, 2:1:1H, C3′-H, C4′H). Масс-спектр, m/z: 303(1.00) [M]⁺; 71(100) [C₄H₇O]₊; 43(57) [CH₂CHO]₊; 41(30) [CH₂CH=CH₂]⁺; 39(11) [CH₂C≡CH]⁺; 32(11); 30(39) [NO]⁺; 29(20) [CHO]⁺.

Пример 9

Синтез проведен аналогично Примеру 5, но второй компонент - гомовератриламин (0,03 моль).

Выход 7-(2-(3,4-диметоксифенил)-этил)-7H-трис[1,2,5]оксадиазоло[3,4-b:3′,4′-d:3″,4″-f]азепина, (1, R=CH₂C₆H₃(2,4-OCH₃)₂, гомовератрил), 2,5 г (60%), t_пл. 221-222°C (этанол).

ЯМР-¹H (ДМСО-d⁶), δ, м.д., Ar: 6.94 (s, 1H, C2′H+d, J9Hz, 0.5H, C5′H); 6.92 d, J9Hz, 0.5H, C5′H), 6.89, 6.87 (d, 1H, J9Hz, C6′H); 4.31 (t, 2H, J8Hz, NCH₂); 3.03 (t, 2H, J8Hz, ArCH₂); 3.79, 3.74 (2s, 6H, 2OCH₃). Масс-спектр, m/z: 384(3.8)[M+1]⁺; 383(20.02)[M]⁺; 164(30); 152(11); 151(100) [CH₂C₆H₃(OCH₃)₂]⁺; 107(9); 91(7); 78(6); 77(9); 65(6); 32(21); 30(19).