Синтез 1,5-бензодиазепина из o-фенилендиамина и ацетона
Вестник Томского государственного университета. Химия. 2018. № 12. С. 6–15
УДК 542.97
DOI 10.17223/24135542/12/1
Ю.В. Курченко1, 2, Г.О. Калашникова3, К.И. Шефер2, Е.А. Мельгунова2,
В.Н. Панченко1, 2, Е.А. Селиванова3, А.И. Николаев3, М.Н. Тимофеева1, 2
1 Новосибирский государственный технический университет (г. Новосибирск, Россия)
2 Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН (г. Новосибирск, Россия)
3 Центр наноматериаловедения ФИЦ КНЦ РАН (г. Апатиты, Россия)
Синтез 1,5-бензодиазепина из o-фенилендиамина и ацетона
в присутствии титаносиликата АМ-4,
модифицированного HNO3
Изучено влияние кислотной активации азотной кислотой (0,0625–
0,25 моль/л) на физико-химические и каталитические свойства каркасного
титаносиликата (АМ-4), синтетического Na-аналога минералов семейства
линтисита. Показано, что скорость и селективность реакции конденсации
1,2-фенилендиамина с ацетоном зависят от концентрации HNO3 кислоты.
Максимальный выход 1,5-бензодиазепина (75,1%) достигается при 50оС в присутствии
АМ-4, модифицированного 0,25 М HNO3.
Ключевые слова: 1,5-бензодиазепин, 1,2-фенилендиамин, ацетон, титаносиликат,
линтисит, кислотная активация.
Введение
Бензодиазепины – азотсодержащие гетероциклические соединения –
находят широкое применение в современной медицинской химии и занимают
лидирующее положение среди лекарственных препаратов. Они
используются в качестве противосудорожных, анксиолитических, анальгетических,
седативных, антидепрессивных и снотворных средств [1]. Одним
из методов получения соединений данного класса является реакция циклоконденсации
1,2-фенилендиамина с кетонами. В качестве катализаторов
могут быть использованы как бренстедовские, так и льюисовские кислоты.
Например, в качестве гетерогенных катализаторов применяют цеолиты
[2, 3], цеолитоподобные материалы [4–6], системы на основе глин [7] и др.
Стоит отметить, что природа активных центров катализатора является
важным параметром, влияющим на скорость реакции и выход продуктов
реакции. Так, в работе [8] показано, что модифицированием природной
монтмориллонитовой глины кислотами (HNO3, H2SO4, HOAc и HCl) можно
регулировать скорость и селективность реакции циклоконденсации 1,2фенилендиамина
(I) с ацетоном (рис. 1). В связи с этим каркасный титаносиликат
(АМ-4), синтетический Na-аналог минералов семейства линтисита,
может быть интересен как катализатор данного типа реакций.
6
Стр.1
Ю.В. Курченко, Г.О. Калашникова, К.И. Шефер и др.
H
CH3-C-CH3
O
NH2
NH2
(I)
CH3-C-CH3
O
(II)
N=C
NH2
CH3
CH3
N
N
(III)
H
H
CH3
CH3
CH3
N
N CH3
(IIa)
Рис. 1. Реакция циклоконденсации 1,2-фенилендиамина (I) с ацетоном
АМ-4 представляет собой структуру, состоящую из двумерных титаносиликатных
наноблоков Ti2Si4O10(OH)4, объединенных в единый каркас
сшивающими катионами Na, с образованием широких каналов, занятых
внекаркасными катионами Na и молекулами воды. Следует ожидать, что
кислотная активация данного материала будет приводить к изменению
природы активных центров, что может позволить управлять его каталитическими
свойствами. В данной работе изучено влияние активации азотной
кислотой (0,0625–0,25 моль/л) на физико-химические и каталитические
свойства АМ-4 в реакции циклоконденсации (I) с ацетоном (см. рис. 1).
Экспериментальная часть
В работе использовали 1,2-фенилендиамин (99,0%, Sigma-Aldrich),
ацетон (Sigma-Aldrich), метанол (Acros Organics). АМ-4 был получен по
методике, описанной в [9]. Модифицирование АМ-4 проводили азотной
кислотой с концентрацией 0,0625, 0,125 и 0,25 моль/л в течение 30 мин при
комнатной температуре. Обозначение образцов приведено в табл. 1.
Т а б л и ц а 1
Основные характеристики систем на основе АМ-4
Содержание, (мас. %)
Na/Si
Na
AM-4
0,0625M
AM-4
0,125M
AM-4
0,25M
AM-4
Si
Ti
32,3 0,2 29,5 0,2 34,3 0,2
8,8 0,1 33,1 0,2 54,2 0,2
4,8 0,1 35,9 0,2 54,4 0,2
0,7 0,03 37,2 0,2 54,5 0,2
0,31
0,16
0,02
SБЭТ
(моль/моль) (м2/г)
1,28
V
(см3/г)
20,1 0,070
26,7 0,082
28,7 0,088
30,2 0,095
РАа
(кДж/моль)
1 019
–
–
797
а РА – сила оснóвных центров в единицах протонного сродства.
Поверхностную кислотность образцов (pHТНЗ, точка нулевого заряда)
определяли методом массового титрования (методом Зёренсена–де Брюина)
[10]. Измерение проводили на комбинированном pH-метре / кондуктометре
Mettler Tolledo Multi S47.
Природа оснóвных центров была исследована методом ИК-спектроскопии
с использованием CDCl3 в качестве молекулы-зонда. ИК-спектры реги7
CH3
Стр.2
Синтез 1,5-бензодиазепина из o-фенилендиамина и ацетона
стрировали на приборе Shimadzu FTIR-8400S с использованием приставки
DRS-8300S в области 400–7 000 см–1 с разрешением 4 см–1.
Реакцию конденсации (I) с ацетоном проводили в стеклянном термостатированном
реакторе, снабженном мешалкой и обратным холодильником.
В реактор загружали 0,1 ммоль (I), 0,1–0,4 ммоль ацетона, 4,0 мл метанола;
смесь нагревали до 50оС. В реактор добавляли 5–40 мг катализатора.
Момент прибавления катализатора считали за начало реакции. Через
определенные интервалы времени отбирали пробы и анализировали методом
ГЖХ. Хроматографический анализ проводили на хроматографе
Agilent 7820 с пламенно-ионизационным детектором (капиллярная
колонка HP-5 25 м).
Результаты и их обсуждение
1. Исследование модифицирования АМ-4 азотной кислотой
Используя растворы азотной кислоты с концентрацией 0,0625, 0,125 и
0,25 моль/л, нами было приготовлено 3 образца. Химический состав полученных
образцов приведен в табл. 1. Хорошо видно, что Na/Si мольное
отношение получаемых материалов зависит от концентрации азотной кислоты.
Отношение Na/Si снижается с 1,28 до 0,02 с увеличением концентрации
кислоты до 0,25 моль/л. Это может указывать на вымывание «сшивающих»
катионов натрия из Si- и Ti-слоев. Обработка АМ-4 кислотой также
влияет и на структурные характеристики получаемых образцов. По данным
РФА в рентгенограмме АМ-4 после его обработки 0,25М кислотой
наблюдается смещение рефлекса d200 c 6,0 до 7,50 (2), что указывает на
уменьшение параметров решетки.
12
pHТНЗ
(AM-4)
A
9
pHТН З
pHТН З
6
pHТН З
3
0,00 0,25 0,50 0,75 1,00
Количество вещества в растворе, масс.%
Количес во вещества в растворе, мас. %
а
(0.25M AM-4)
3
0,0
0,1
0,2
Концентрация HNO3, моль/л
Концентрация HNO3,ìîëü/ë
б
Рис. 2. Зависимости изменения рН суспензий от массы образца в водном растворе (а)
и корреляция между pHТНЗ и концентрацией используемой для модифицирования
АМ-4 кислоты (б)
Результатом модифицирования АМ-4 кислотой является не только изменение
химического состава и текстурных свойств, но и изменение природы
активных центров. Оснóвные свойства образцов были изучены мето8
0,3
(0.0625M
AM-4)
(0.125M AM-4)
6
12
Б
9
pH
pHТНЗ
Стр.3