5-формил-замещенные индолиновые спиробензопираны и способ их получения

Изобретение относится к новым соединениям, а именно 5-формил-замещенным индолиновым спиробензопиранам общей формулы 1

где R₁, R₂ - Alk или c-Alk; R₃ - СНО или NO₂ группа (электронно-акцепторный заместитель), обладающие фотохромными свойствами. Изобретение также относится к способу получения 5-формилзамещенных производных индолиновых спиробензопиранов формулы 1, заключающемуся в том, что спиробензопираны, обладающие электронно-акцепторными заместителями в пирановой части молекулы, подвергают прямому селективному формилированию в положение 5 в среде трифторуксусной кислоты с уротропином (гексаметилентетрамином) при температуре кипения смеси в инертной атмосфере за 1-1.5 часа. Получаемые 5-формил-замещенные спиробензопираны являются фотохромными соединениями и могут быть использованы для создания новых фотохромных материалов (регистрирующих устройств или хранения информации; фотопереключение активности биологических объектов и полимерных матриц, комплексообразования; средств защиты информации, ГО-карты, спец. средств защиты документов) или в качестве наиболее перспективных исходных соединений для дальнейшего синтеза большого числа новых фотохромных объектов. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

 

Настоящее изобретение относится к удобному методу функциональной модификации классических фотохромных индолиновых спиропиранов (SP) по индолиновому фрагменту молекулы, с получением новых 5-формил-замещенных спиробензопиранов общей формулы SP-5-CHO

Реакция формилирования индолиновых спиробензопиранов

где R₁, R₂ - Alk или c-Alk,

R₃ - СНО или NO₂ группа (электронно-акцепторый заместитель).

К фотохромным соединениям относят вещества, способные к обратимому превращению из одного состояния в другое, происходящему хотя бы в одном направлении под действием света и сопровождающемуся изменением поглощения в видимой области спектра. На сегодняшний день основными направления применения фотохромных соединений и материалов являются: устройства хранения информации и регистрирующие устройства; фотопереключение активности биологических объектов и полимерных матриц, комплексообразования; средства защиты информации, ID-карты, спец. средства защиты документов; косметика, фотоокрашивание предметов одежды и искусства.

Индолиновые спиробензопираны - хорошо известный класс фотохромных соединений. Наиболее выраженными фотохромными свойствами обладают молекулы спиропиранов с акцепторными заместителями в пирановой части, увеличивающими время жизни окрашенной мероцианиновой формы [Захс Э.Р., Мартынова В.П., Эфрос Л.С. Синтез и свойства спиропиранов, способных к обратимому раскрытию пиранового кольца. / ХГС. 1979. №2. С.435-459]. Замещение по индолиновой части молекулы не приводит к существенным изменениям максимума поглощения окрашенной формы, условиям и параметрам фотохромной реакции, зачастую является прогнозируемым, что делает весьма перспективным модификацию индолинового фрагмента для введения в требуемые системы, среды или присоединения к субстрату [Панцырный В.И., Гальберштам М.А., Донская Н.А. О влиянии заместителей в положениях 5 и 8' на скорость реакции темнового обесцвечивания фотоокрашенных растворов 1,3,3-триметилспиро-[индолин-2,2′-[2Н-1]бензопиранов]. ХГС. 1973. №5. С.653-658. Панцырный В.И., Гальберштам М.А. О влиянии заместителей в положениях 5 и 8′ на спектры поглощения мероцианиновых форм спиропиранов. ХГС. 1973. №5. С.659-662].

Наличие формильной группы в индолиновой части позволяет осуществить большое число реакций с ее участием при сохранении остальной части молекулы спиропирана, например для присоединения линкеров/спейсеров различной природы.

Классический способ получения спиропиранов заключается в конденсации производных индоленина (1,3,3-триметил-2-метилениндолин, основание Фишера) или их четвертичных солей с замещенными салициловыми альдегидами. Процесс проводят нагреванием при кипении в инертной атмосфере растворов исходных реагентов в различных растворителях (спиртах, толуоле, диметилформамиде) [Ono H., Osada С. Photochromic compound. / Patent 3692800 (US). 1972]. Продукт выделяют кристаллизацией или хроматографией на небольшом слое сорбента. Однако подобный прямой синтез часто оказывается слишком дорогим, сложным или вообще невозможным для ряда замещенных спиропиранов из-за проблем с доступностью и/или стоимостью исходных веществ. Производные салицилового альдегида, как правило, доступны, достаточно стабильны при хранении, легко подвергаются очистке, получение их осуществляется модификацией самого салицилового альдегида или формилированием производных фенола. Поэтому оптимальным подходом получения требуемого заместителя пиранового фрагмента является синтез спиропиранов из производных салицилового альдегида, содержащего этот заместитель или группу-предшественник, легко преобразуемую в целевую. В отличие от салициловых альдегидов получение ряда призводных индоленина представляет огромные трудности, самым простым и доступным производным является 1,3,3-триметил-2-метилениндолин.

В литературе известен ряд реакций электрофильного замещения производных спиропиранов, проходящих по 5-му положению индолинового фрагмента [Захс Э.Р., Звенигородская Л.А., Лешенюк Н.Г., Мартынова В.П. Бромирование спиропиранов и восстановление их нитропроизводных. /ХГС. 1977. №10. С.1320-1326; Самойлова Н.П., Гальберштам М.А. О некоторых реакциях замещения в ряду фотохромных индолинспирохроменов./ ХГС. 1977. №8. С.1065-1068; Гальберштам М.А., Бондаренко Е.М., Хролова О.Р. и др. Синтез и фотохромные свойства 5-ацетилзамещенных индолинспирохроменов].

Однако также было показано, что при формилировании по Вильсмайеру или ацилировании системами: уксусный ангидрид в присутствии эфирата трехфтористого бора в хлороформе; хлористый бензоил с треххлористым алюминием в сероуглероде или хлористый бензоил в среде диметиланилина, формильная или ацильная группа вводится в положение 3′ [Гальберштам М.А., Артамонова Н.Н., Самойлова Н.П. Синтез 3′-ацилзамещенных индолиновых спиропиранов. / ХГС. 1975. №2. С.197-203].

Техническим результатом изобретения является получение 5-формил-замещенных индолиновых спиробензопиранов, которые могут быть использованы в качестве наиболее перспективных исходных соединений для дальнейшего синтеза большого числа новых фотохромных объектов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является метод региоселективного введения формильной группы по 5-му положению индолинового ядра молекулы спиропиранов. Мы установили, что в условиях реакции Даффа прямое формулирование фотохромных спиропиранов, имеющих электронно-акцепторные заместители в пирановой части молекулы, преимущественно проходит по 5-му положению индолинового ядра молекулы. Оптимальными условиями проведения процесса являются нагревание в трифторуксусной кислоте при кипении смеси исходного спиропирана и избытка 2-4 экв. уротропина (гексаметилентетрамин, НМТ) в инертной атмосфере. Нагревание реакционной массы при температурах ниже температуры кипения приводит к увеличению времени проведения реакции, необходимости увеличения избытка уротропина и в целом не влияет на общий выход реакции. Трифторуксусная кислота - коммерчески доступный реагент, легко удаляется отгонкой в вакууме, отлично смешивается с водой, делая тем самым выделение продукта реакции простым, а проведение процесса - относительно дешевым. Для повышения температуры проведения подобных реакций в качестве среды также применяют полифосфорную и метансульфоновую кислоты, однако для данного класса соединений необходимости применения этих реагентов нет. Присутствие следов кислорода заметно снижает выход реакции, увеличивает содержание побочных продуктов, вызывает осмоление и окисление реакционной массы, поэтому необходимо проводить реакцию формилирования в инертной атмосфере. Величина избытка уротропина зависит от структурных особенностей исходного спиропирана, недостаточное количество формилирующего агента может привести к низкой степени превращения исходного спиропирана, большие избытки же его - к увеличению доли побочных продуктов, вторичное замещение по положениям 3′ и 7 имеют место быть при больших избытках уротропина.

Указанные спиробензопираны SP-5-CHO являются фотохромными соединениями и могут быть использованы для дальнейшего получения новых фотохромных материалов.

Для иллюстрации настоящего настоящего изобретения ниже рассмотрены следующие примеры экспериментальных процедур формилирования производных спиропиранов.

Пример 1. Методика синтеза 6′-нитро-1,3,3-триметил-5-формилиндолин-2-спиро-2′-2Н-хромена (I). К раствору 5.0 г (15.5 ммоль) 1,3,3-триметил-6'-нитроспиро(индолино-2,2'-[2H]хромена) в 30 мл трифторуксусной кислоты прибавили 8.7 г (62.0 ммоль) гексаметилентетрамина и нагревали при кипении в течение 1 часа в атмосфере аргона. Затем реакционную массу вылили на 200 мл льда. Выпавший осадок отфильтровали. Для выделения целевого продукта использовали флеш-хроматографию на силикагеле, элюент - петролейный эфир (т.кип. 40-70°С) - хлористый метилен (1:3, по объему). Дополнительно продукт очищали кристаллизацией из спирта. Получили 4.6 г (13.1 ммоль) продукта (I) (85%), с т.пл. 168-170°С. R_f 0.35 ("Silufol" UV-254, Kavalier, Чехия, детекция пятен - воздействием на проявленную пластинку естественного света). Масс-спектр, m/z: 351, [М]⁺. Спектр ЯМР ¹Н (ДМСО-d₆, δ, м.д., J/Гц): 1.15 (3Н, с.3а-СН₃), 1.27 (3Н, с, 3b-СН₃), 2.82 (3Н, с, 1-СН₃), 6.04 (1Н, д, J 10.4, 3′-Н), 6.81 (1Н, д, J 8.3, 7-Н), 6.93 (1Н, д, J 9.0. 8′-Н), 7.28 (1Н, д, J 10.3, 4′-Н), 7.65 (1Н, д, J 1.5, 4-Н), 7.76 (1Н, дц, J 8.1/1.5, 6-Н), 8.02 (1Н, дд, J 9.0/2.9, 7′-Н), 8.25 (1Н, д, J 2.9, 5′-Н), 9.77 (1Н, с, 5-СНО).

Найдено (%): С, 67.98; Н, 5.33; N, 8.02; O, 18.67. C₂₀H₁₈N₂O₄. Вычислено (%): С, 68.56; Н, 5.18; N, 8.0; О, 18.27. Спектрально-кинетические характеристики (I) см. в табл.1.

Пример 2. 8′-Нитро-1,3,3-триметил-5-формилиндолин-2-спиро-2′-2Н-хромен (II). Соединение (II) получали, выделяли и очищали аналогично (I) (пример 1) из 5 г (15.5 ммоль) и 1,2,3-триметил-8'-нитроспиро(индолино-2,2'-[2H]хромена) и 8.7 г (62.0 ммоль) гексаметилентетрамина. Получили 4.3 г (12.3 ммоль) продукта (II) (79%), с т.пл. 197-199°С. R_f 0.25 (детекция пятен - воздействием на проявленную пластинку естественного света). Масс-спектр, m/z: 351, [М]⁺. Спектр ЯМР ¹Н (ДМСО-d₆, δ, м.д., J/Гц): 1.16 (3Н, с, 3а-СН3), 1.31 (3Н, с, 3b-СН3), 2.81 (3Н, с, 1-СН3), 6.03 (1Н, д, J 10.4, 3′-Н), 6.80 (1Н, д, J 8.3, 7-Н), 7.05 (1Н, m, J 8.0, 6′-Н), 7.22 (1Н, д, J 10.3, 4′-Н), 7.58 (1Н, дд, J 7.6/1.5. 6-Н), 7.64 (1Н, д, 1.5, 4-Н), 7.74 (1Н, дд, J 8.0/1.7, 5′-Н), 7.76 (1Н, дд, J 8.0/1.7, 7′-Н), 9.77 (1Н. с, 5 - СНО). Найдено (%): С, 68.38; Н, 5.23; N, 8.07; O, 18.32. С₂₀Н₁₈N₂O₄. Вычислено (%): С, 68.56; Н, 5.18; N, 8.0; О, 18.27. Спектрально-кинетические характеристики (II) см. в табл.1.

Пример 3. 5,6′-Диформил-1,3,3-триметилиндолин-2-спиро-2′-2Н-хромен (III).

Соединение (III) получали аналогично (I) (пример 1) из 5 г (15.5 ммоль) 1,2,3-триметил-6'-формилспиро(индолино-2,2'-[2H]хромена) и 4.6 г (32.8 ммоль) гексаметилентетрамина в течение 1.5 часа. Выпавший осадок отфильтровали. Маточный раствор медленно подщелачивали 1 М раствором гидроксида калия до pH 7, затем проводили экстракцию продукта хлористым метиленом 2 раза. Органические фазы сушили над сульфатом натрия, затем растворитель удаляли в вакууме. Далее объединенные экстракты и фильтрат хроматографировали на небольшом слое силикагеля, элюент - петролейный эфир (т.кип. 40-70°С) - хлористый метилен (1:3, по объему). Получили 4.2 г (12.6 ммоль) продукта (III) (77%), с т.пл. 164-166°С. R_f 0.20 (детекция пятен - воздействием на проявленную пластинку естественного света). Масс-спектр, m/z: 334, [М]⁺. Спектр ЯМР ¹H (ДМСО-d₆, δ, м.д., J/Гц): 1.15 (3Н, с, 3а-СН3), 1.27 (3Н, с, 3b-СН3), 2.81 (3Н, с, 1-СН3), 5.95 (1Н, д, J 10.3, 3′-Н), 6.79 (1Н, д, J 8.3, 7-Н), 6.91 (1Н, m, J 8.3, 8′-H), 7.22 (1Н, д, J 10.3, 4′-H), 7.64 (1Н, д, J 1.7, 4-H), 7.71 (1Н, дд, J 8.6/2.1, 7′-H), 7.76 (1Н, дд, J 8.1/1.7, 6-H), 7.82 (1Н, д, 2.0, 5′-H), 9.77 (1Н, с, 5-СНО), 9.83 (1Н, с, 6′-СНО). Найдено (%): С, 75.35; H, 5.83; N, 4.07; O, 14.75. C₂₁H₁₉NO₃. Вычислено (%): С, 75.66; Н, 5.74; N, 4.2; О, 14.40. Спектрально-кинетические характеристики (III) см. в табл.1.

Таблица 1.
Спектрально-кинетические характеристики производных спиропиранов (I-III) в растворе.
Соединение	Растворитель	λA, нм	λB, нм	ΔDфот	kBA то, с-1	t1/2, c
I	Этанол	328	570	0.85	0.12	40
Толуол	318	585 пл., 625	0.90	0.24	13
II	Этанол	325	580	0.7	0.48	50
Толуол	317	600 пл., 640	0.45	0.84	5
III	Этанол	325	57	0.9	0.39	60
Толуол	317	580 пл., 620	0.23	1.64	2

1. 5-Формил-замещенные формулы индолиновые спиробензопираны общей формулы

где R₁, R₂ - Alk или c-Alk;
R₃ - СНО или NO₂ группа (электронно-акцепторный заместитель), обладающие фотохромными свойствами.

2. Способ получения 5-формил-замещенных индолиновых спиробензопиранов, отличающийся тем, что спиропираны общей формулы

где R₁, R₂ и R₃ имеют вышеуказанные значения, подвергают прямому селективному формилированию в положение 5 в среде трифторуксусной кислоты с уротропином (гексаметилентетрамином) при температуре кипения смеси в инертной атмосфере за 1-1,5 ч.