Способ получения 2,2,4-триалкил-2,3-дигидро-1Н-1,5-бензодиазепинов

Предлагаемое изобретение относится к области органической химии, в частности, к способу получения 1,5-бензодиазепинов общей формулы:

Производные 1,5-бензодиазепина (БДА) относятся к классу важных азотсодержащих гетероциклов с широким спектром биологической активности. Они нашли применение в качестве психотропных [Aastha Р, Navneet K, Anushu A, Pratima S, Dharma K. 1,5-Benzodiazepines: Overview of properties and synthetic aspects. Res J Chem Sci. 2013; 3:90-103], противосудорожных [Salve PS, Mali DS. 1,5-benzodiazepine: A versatile pharmacophore. Int J Pharma Bio Sci. 2013; 43(11):345-370], противоэпилептических [Bariwal JB, Upadhyay KD, Manvar AT, Trivedi JC, Singh JS, Jain KS et al. Eur J Med Chem. 2008; 43(11):2279-2290], противораковых [Chen Y, Le V, Xu X, Shao X, Liu J, Li Z. Bioorg Med Chem Lett 2014; 24(16):3948-3951], противовирусных [Ilango SS, Remya PU, Ponnuswamy S.. Indian J Chem. 2013; 52B:136-140], противогрибковых, антибактериальных [Kumaraswamy MN, Vaidya VP, Chandrashekhar C, Parthima-Mathias DA, Shivakumar H, Mahadevan KM. International Journal of pharmaceutical, chemical and biological Sciences. 2013; 3(2):281-287], обезболивающих, противовоспалительных, жаропонижающих и противоязвенных средств [Nikas Р, Gatta Е, Cupello A, Di Braccio М, Grossi G, Pellistri F et al. Neuroscience. 2013; 243:158-164]. Кроме того, производные 1H-1,5-бензодиазепинов используются в качестве красителей для акриловых волокон [Harris, R.С.; Straley, J.М. U.S. Pat. 1,537,757, 1968].

Одним из основных методов синтеза производных БДА является конденсация 1,2-фенилендиамина с α,β-ненасыщенными карбонильными соединениями, кетонами, β-галокетонами. Реакция катализируется различными гомогенными катализаторами, например, BF₃^⋅OEt₂ [Herbert, J. A.L.; Suschitzky, H. J Chem. Soc, Perkin Trans 1 1974, 2657], NaBH₄ [Morales, H.R.; Bulbarela, A.; Contreras, R. Heterocycles 1986, 24, 135], Ga(OTf)₃ [Pan, X.-Q.; Zou, J.-P.; Hauang, Z.-H.; Zhang, W. Tetrahedron Lett 2008, 49, 5302], L-пролином [Sivamurugan, V.; Deepa, K.; Palanichamy, M.; Murugesan, V. Synth Commun. 2004, 34, 3833], молекулярным йодом [Chen, W.Y.; Lu, J. Synlett. 2005, 1337], уксусной кислотой в условиях микроволнового излучения [Minothora, P.; Julia, S.S.; Constantinos, А.Т. Tetrahedron Lett 2002, 43, 1755], ионных жидкостей [Jarikote, D.V.; Siddiqui, S.A.; Rajagopal, R.; Thomas, D.; Lahotiands, R.J.; Srinivasan, K.V. Tetrahedron Lett. 2003, 44, 1835]. Многие из этих способов характеризуются длительным временем реакции, образованием побочных продуктов, жесткими условиями реакции, низким выходом и многостадийной процедурой отделения катализатора и выделения продукта.

Для разработки новых эффективных способов синтеза бензодиазепинов более перспективно использовать гетерогенные катализаторы.

Один из примеров гетерогенно-каталитического осуществления циклоконденсации 1,2-фенилендиамина с карбонильными соединениями описан в [Raquel G. Jacob, Catia' S. Radatz, Mariele B. Rodrigues, Diego Alves, Gelson Perin,¹ Eder J. Lenardao, and Lucielli Savegnago^// Heteroatom Chem. V. 22, N 2, p. 180-185, 2011]. Авторы синтезировали производные БДА реакцией о-фенилендиамина с алкил-, арил- и циклическими кетонами в присутствии катализатора SiO₂/ZnCl₂ (схема 1), без растворителя при комнатной температуре или при микроволновом облучении (мощность облучения - 200 Вт) и 50°С. Мольное соотношение кетон : фенилендиамин = 2,5:1, количество катализатора - 30%. Выход бензодиазепинов составлял 79-95%.

Схема 1

К основным недостаткам данного метода можно отнести использование специального оборудования для микроволнового облучения и большой избыток катализатора.

В работе [ A., Hell, Z., & Potor, A. A simple environmentally-friendly method for the selective synthesis of 1,5-benzodiazepine derivatives using zeolite catalyst. Catalysis Letters, 2005, V. 105. N 3-4, 229-232.] 1,5-бензодиазепин 1 получали реакцией фенилендиамина с ацетоном в присутствии природного алюмосиликата Е4а с выходом до 97%. Алюмосиликат Е4а представляет собой обработанный кислотой природный цеолит Е4 с узкими порами. Реакцию проводили при кипении реакционной массы в растворе этанола или ксилола в течение 2-6 ч. Катализатор использовали в большом количестве (380% в расчете на о-фенилендиамин), что значительно ухудшает показатели эффективности способа. Кроме того, природные алюмосиликаты отличаются нестабильностью минералогического и химического состава, пористой структуры, показателей прочности, термостойкости и др. важных характеристик. Природные цеолиты, кроме основного минерала, содержат еще сопутствующие материалы, такие, как песок, глина, кварц. Состав и количество катионов металлов, присутствующих в них, могут существенно отличаться.

Циклоконденсация о-фенилендиамина и ацетона в присутствии природного цеолита TNZ описана в [Maulidan Firdaus, Meyta Dyah Prameswari. Synthesis of 2,2,4-Trimethyl-2,3-dihydro-1H-1,5-benzodiazepine using Treated Natural Zeolite Catalyst // Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis. 2019. 14 (1), p. 9-16]. Цеолит предварительно обрабатывали раствором соляной кислоты при 50°С в течение 1 ч с последующим выдерживанием в растворе хлорида аммония в течение 5 дней. Количество катализатора в опытах изменяли от 15% до 60% мас., мольное соотношение фенилендиамин : ацетон составляло 1;4, температура реакции 50°С. Бензодиазепин 1 получали с выходом 73%.

Недостатками данного метода являются недостаточно высокий выход бензодиазепина, сложная многостадийная обработка катализатора, нестабильность состава природных цеолитов.

Предложен способ [Sheikh Abdul Majid, Waheed Ahmad Khanday, and Radha Tomar / Journal of Biomedicine and Biotechnology. 2012. Volume 2012, P. 1-5] синтеза бензодиазепинов реакцией о-фенилендиамина и циклических или ациклических кетонов в присутствии цеолита Н-МСМ-22. Реакцию проводили при комнатной температуре в растворе ацетонитрила в течение 1 -3 ч. Выход 1.5-бензодиазепина 1, образующегося при взаимодействии о-фенилендиамина с ацетоном - 30-88%). Максимальные выходы получены при использовании катализатора в количестве 80% мас. в расчете на реакционную массу.

Недостатками данного метода являются недостаточно высокий выход бензодиазепина, большой избыток катализатора.

Авторами [Mahmood Tajbakhsh, Majid М. Heravi, Bagher Mohajerani, Amir N. Ahmadi / Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. 2006 V. 247. N1-2. P. 213-215] разработан метод циклоконденсации о-фенилендиамина и ацетона с образованием БДА 1 в присутствии природного цеолита гейландита HEU (Si/Al=5) и синтетических цеолитов H-ZSM-5 (Si/Al=28) и H-Y (Si/Al=2,5). Мольное соотношение реагентов - фенилендиамин : кетон = 1:4, реакцию проводили в течение 3-7 ч при кипячении при 50-55°С. Выход БДА 1 на цеолите HEU составляет 81%, на цеолите H-Y - 82%, на цеолите Н-ZSM-5 - 52%. При взаимодействии о-фенилендиамина с 2-бутаноном получали БДА 2 с выходом 79% (цеолит H-Y) и 77% (цеолит HEU).

К недостаткам данного метода можно отнести небольшой выход целевого продукта.

Авторы [Mariappan Jeganathan and Kasi Pitchumani. Solvent-Free Syntheses of 1,5-Benzodiazepines Using HY Zeolite as a Green Solid Acid Catalyst. ACS Sustainable Chem. Eng., 2014, 2 (5), pp 1169-1176] синтезировали 1.5-бензодиазепины реакцией фенилендиамина и его производных с кетонами в присутствии цеолита H-Y при 50-75°С без растворителя с выходами 75-93%.

Единственный пример применения мезопористого катализатора для синтеза 1.5-бензодиазепинов приведен в [K. Sucheta, В. Vittal Rao. Microwave induced solvent-free synthesis of substituted 1,5-benzodiazepine derivates. // Indian J. of Chem. 2005. Vol. 44В, р, 2152-2154]. Авторы синтезировали бензодиазепины взаимодействием о-фенилендиамина с производными хинолинонов в присутствии мезопористого материала МСМ-41 как под действием микроволнового излучения, так и без него. В первом случае использовали порошкообразную смесь мезопористого материала МСМ-41 с силикагелем, время реакции составляло 5-10 мин. Выход продуктов реакции достигает 90-98%. Во втором случае реакцию осуществляли в растворе этанола при кипении в течение 8 ч. Выход бензодиазепинов составляет 50-63%.

К недостаткам способа можно отнести высокую стоимость мезопористого материала МСМ-41, при синтезе которого используют большие количества дорогих темплатов.

Задачей настоящего изобретения является разработка простого селективного гетерогенно-каталитического способа синтеза 2,2,4-триалкил-2,3-дигидро-1Н-1,5-бензодиазепинов 1,2.

Решение этой задачи достигается тем, что синтез 1,5-бензодиазепинов (1,2) осуществляют реакцией о-фенилендиамина с кетоном (ацетон, бутан-2-он) в присутствии аморфного мезопористого алюмосиликата ASM.

Реакцию проводят в присутствии 5-30% мас. катализатора (ASM) при 25-80°С в растворе метанола в течение 5 ч при мольном соотношении о-фенилендиамин : кетон = 1:1-5.

Конверсия о-фенилендиамина составляет 79-98%. Основным продуктом реакции является 1,5-бензодиазепин (1,2), образующийся с селективностью до 100% (схема 2).

Схема 2

Мезопористый алюмосиликат ASM (Si/Al=40 и 100), получен двухстадийным золь-гель синтезом при переменном рН из простых и доступных соединений: в качестве источников кремния использовали тетраэтилортосиликат (ТЭОС, 98%, Acros Organics), в качестве источника алюминия - (Al(NO₃)₃⋅9H₂O, 99%, Merck), в качестве растворителя применяли этиловый спирт (98%). Темплаты при синтезе алюмосиликата ASM не применяют.

Применение мезопористого алюмосиликата ASM в реакциях синтеза производных бензодиазепина из 1,2-фенилендиамина и кетонов неизвестно.

Использование предлагаемого способа имеет следующие преимущества перед известными:

1. Не требуется использование дорогостоящих и сложных в приготовлении катализаторов.

2. Не требуется использование дорогостоящего оборудования, в том числе микроволнового излучения.

3. Мезопористый алюмосиликат ASM позволяет эффективно, с высокой конверсией фенилендиамина селективно синтезировать 1,5-бензодиазепины.

Предлагаемый способ синтеза 1,5-бензодиазепинов осуществляют следующим образом.

Используют о-фенилендиамин и кетоны (ацетон, бутан-2-он).

В качестве катализатора используют аморфный мезопористый алюмосиликат ASM, синтезированный по методу, приведенному в [Аглиуллин М.Р., Григорьева Н.Г., Данилова И.Г., Магаев О.В., Водянкина O.B. // Кинетика и катализ. 2015. Т. 56. №4. С .507. Agliullin M.R., Danilova I.G., Faizullin A.V., Amarantov S.V., Bubennov S.V., Prosochkina T.R., N.G., Paukshtis E.A., Kutepov B.I. // Micropor. Mesopor. Mat. 2016. V. 230. P. 118]. Образец ASM характеризуется узким распределением мезопор от 2 до 5 нм с объемом 0.70 см³/г.

Реакцию взаимодействия о-фенилендиамина и кетонов (ацетона, бутан-2-она) проводят в автоклавах с перемешиванием. В автоклав загружают о-фенилендиамин, кетон (ацетон или бутан-2-он), катализатор и растворитель-метанол, герметично закрывают и помещают в термостатируемый шкаф, где автоклав непрерывно вращается при выбранной температуре. По окончании реакции реакционную массу охлаждают, отфильтровывают от нее катализатор. Состав продукта анализируют методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Условия ВЭЖХ-анализа: хроматограф Shimadzu LC-20AT, пламенно-ионизационный детектор, Колонка - Agilent С18 (4,6*250 мм), элюент - CH3CN:H2O/80:20, скорость подачи элюента - 1 мл/мин.

Идентификацию продуктов реакции осуществляли с помощью 1D и 2D методик ЯМР ¹H и ¹³С спектроскопии, рентгеноструктурного анализа для соединения (1,2), их брутто-состав подтвержден регистрацией пика молекулярного иона в ГХ-МС спектре.

Изобретение иллюстрируется следующим примером:

Пример 1. В автоклав загружают 0.1 г (0,93 ммоль) о-фенилендиамина, затем 0,35 мл (4,8 ммоль) ацетона, 1 мл метанола и 0,04 г (10% мас. в расчете на исходную смесь) катализатора ASM (Si/Al=40), автоклав герметично закрывают и помещают в термостатируемый шкаф. Реакцию проводят при температуре 55°С, 5 ч при непрерывном вращении автоклава. После окончания реакции реакционную массу охлаждают до комнатной температуры, отфильтровывают от нее катализатор и хроматографируют на колонке (SiO₂, элюент гексан → смесь гексан-этилацетат). Конверсия 1,2-фенилендиамина 90%, селективность образования 1,5-бензодиазепина (1) 98%.

Пример 2. В автоклав загружают 0,1 г (0,93 ммоль) о-фенилендиамина, затем 0,4 мл (4,5 ммоль) бутан-2-она, 1 мл метанола и 0,04 г (10% мас. в расчете на исходную смесь) катализатора ASM (Si/Al=40), автоклав герметично закрывают и помещают в термостатируемый шкаф. Реакцию проводят при температуре 80°С, 5 ч при непрерывном вращении автоклава. После окончания реакции реакционную массу охлаждают до комнатной температуры, отфильтровывают катализатор и хроматографируют на колонке (SiO2, элюент гексан → смесь гексан-этилацетат). Конверсия 1,2-фенилендиамина 98%, селективность образования 1,5-бензодиазепина (2) 86%.

Другие примеры осуществления способа приведены в таблице.