DE10206366A1

DE10206366A1 - Cyclische Verbindungen und ihre Verwendung als Komplexliganden

Info

Publication number: DE10206366A1
Application number: DE10206366A
Authority: DE
Inventors: Erich Tauer
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2002-02-15
Filing date: 2002-02-15
Publication date: 2003-08-28
Also published as: AU2003205767A1; US20050159596A1; EP1476447A1; JP2005525343A; WO2003068779A1

Abstract

Cyclische Verbindungen der allgemeinen Formel (I) DOLLAR F1 mit der Bedeutung DOLLAR A X-Y-Z N=C-O, NH-C=N, N=C-NH DOLLAR A R·1·, R·2·, R·3· H, C¶1-6¶-Alkyl DOLLAR A und der allgemeinen Formel (III) DOLLAR F2 mit der Bedeutung DOLLAR A X-Y-Z N=C-O DOLLAR A R·1·, R·2·, R·3· H, C¶1-6¶-Alkyl, DOLLAR A können als Komplexliganden eingesetzt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft cyclische Verbindungen, Verfahren zu ihrer Herstellung, ihre Verwendung als Komplexliganden und diese enthaltende Komplexe.
Als multidentale Komplexbildner können sogenannte Kronenether eingesetzt werden. Es handelt sich dabei um eine Klasse von planar gebauten makrocyclischen Polyethern. Dabei sind häufig die Sauerstoffatome durch Ethylenbrücken verbunden, wobei vielfach ein oder mehrere Benzol- oder Cyclohexanringe ankondensiert sind. Die Sauerstoffatome der Kronenether können dabei auch teilweise oder ganz durch andere Heteroatome wie Stickstoff, Phosphor oder Schwefel ersetzt sein. Hierdurch erhält man beispielsweise Aza-, Phospha- oder Thia-Kronenether. Ferner können polare Gruppen vorliegen, die die Donor- Position übernehmen können.
Die bislang bekannten Kronenether weisen nicht für alle Komplexierungsaufgaben ein durchweg geeignetes Eigenschaftsprofil auf. Es besteht daher weiterhin Nachfrage nach cyclischen Komplexliganden, die neue Eigenschaftsprofile zeigen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von cyclischen Verbindungen, die vorzugsweise als Komplexliganden eingesetzt werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine cyclische Verbindung der allgemeinen Formel (I)

mit der Bedeutung
X-Y-Z N=C-O, NH-C=N, N=C-NH
R¹, R², R³ H, C_1-6- Alkyl.

Die Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß gelöst durch eine cyclische Verbindung der allgemeinen Formel (III)

mit der Bedeutung
X-Y-Z N=C-O
R¹, R², R³ H, C_1-6-Alkyl.

Sofern X-Y-Z die Bedeutung NH-C=N oder N=C-NH hat, ist zu beachten, daß es sich um tautomere Strukturen handelt.

Die Reste R¹, R² und R³ können so gewählt werden, daß sie die Cyclisierungsreaktion zur Herstellung der Verbindungen der allgemeinen Formel (I) nicht behindern. Vorzugsweise handelt es sich bei den Resten jeweils unabhängig um Wasserstoffatome oder C_1-3- Alkylreste, besonders bevorzugt um Wasserstoffatome oder Methylreste, insbesondere um Wasserstoffatome.

Dabei weisen X-Y-Z und R¹, R², R³ für alle Positionen dieselben Bedeutungen auf.

Die cyclischen Verbindungen der allgemeinen Formel (I) können hergestellt werden durch Cyclisierung von Verbindungen der allgemeinen Formel (II)

mit der Bedeutung
R⁴ -COOH oder Derivat davon,
n jeweils 1 oder 2, zum Erhalt der Stöchiometrie,
R¹, R², R³ H, C_1-6-Alkyl.

Der Rest R⁴ ist dabei ein Carbonsäurerest oder ein Derivat davon. Bei dem Derivat handelt es sich vorzugsweise um ein Säurechlorid, einen Ester, ein Amid oder ein anderes entsprechendes Carbonsäurederivat. Ester sind dabei vorzugsweise Ester von niederen Alkanolen wie C_1-4-Alkanolen. Amide leiten sich dabei vorzugsweise von Ammoniak oder primären Alkylaminen ab.

Die Cyclisierung wird dabei vorzugsweise durch Erhitzen in Polyphosphorsäure durchgeführt. Dabei wird in der Regel unter Schutzgasatmosphäre (Stickstoff) gearbeitet.

Die Verbindungen der allgemeinen Formel (III) werden vorzugsweise durch photochemische Umsetzung von kleineren Vorläuferverbindungen hergestellt. Dies ist nachstehend anhand einer bevorzugten Verbindung näher erläutert.

Die cyclischen Verbindungen der allgemeinen Formeln (I) und (III) können für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Vorzugsweise werden sie als Komplexliganden eingesetzt. Die Erfindung betrifft auch entsprechende Komplexe, enthaltend ein komplexiertes Metallion und mindestens eine cyclische Verbindung der allgemeinen Formeln (I) und (III), als Komplexliganden.

Bevorzugte zu komplexierende Metallionen leiten sich ab von Alkalimetallen.

Neben den erfindungsgemäßen cyclischen Verbindungen können dabei noch weitere Liganden vorliegen, die auf dem Gebiet der Komplexchemie üblich sind.

Die Verbindung (5) hat die Form eines steifen und flachen Rings und ähnelt einem 16- Krone-4-Ether. Die Verbindung (8) ähnelt es auf dem ersten Blick einem Porphyrin- System. Die Imidazole sind jedoch tautomer, so daß das Wasserstoffatom am Stickstoff von Position 1 zu Position 3 und zurück wechseln kann. Dies bedeutet, daß ein Metallatom im Zentrum der Verbindung (8) durch 4, 3, 2 oder eine kovalente Bindungen oder ohne kovalente Bindungen gebunden werden kann. Im Unterschied dazu liegen in Porphyrin, Phthalocyanin oder ähnlichen Systemen immer nur zwei delokalisierte kovalente Bindungen vor.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen cyclischen Verbindungen wird anhand der folgenden Reaktionsschemata näher erläutert.

Das allgemeinste Verfahren zur Herstellung von 2-R-Benzoxazolen beinhaltet die Kondensation eines 2-Aminophenols mit einer geeigneten Carbonsäure, Säurechlorid, Ester, Amid oder einem anderen Derivat der Carbonsäure. Beispielsweise kann die cyclische Quaternisierung von 3-Amino-2-hydroxybenzamid (4) durchgeführt werden, um zum gewünschten Produkt (5) zu gelangen. Das Amid (4) läßt sich dabei aus dem Vorläufer 2-Hydroxy-3-nitrobenzamid (3) herstellen. Durch Erhitzen von (4) in Polyphosphorsäure (ppa) unter Stickstoff kann die gewünschte Verbindung (5) in akzeptablen Ausbeuten erhalten werden. Im Falle dieser speziellen Verbindung (5) betrug die Ausbeute 32%, wobei die Verbindung farblose Kristalle mit einem unerwartet hohen Schmelzpunkt von 520°C bildet. Die Substanz ist in allen organischen Lösungsmitteln sehr wenig löslich. Die Verbindung weist dabei das erwartete UV-Spektrum auf, bei dem ein Maximum für die langen Wellenlängen bei 364 nm in CHCl₃ auftritt.

Die Herstellung von Cyclo-2,4':2',7":2"4''':2''',7-quaterbenzimidazol (8) kann in ähnlicher Weise wie die Herstellung von (5) ausgeführt werden. Dazu kann beispielsweise 2-Amino- 3-nitrobenzoesäure (6) in verdünntem Ammoniak katalytisch mit H₂/Pd reduziert werden, wobei ein Ammoniumsalz von 2,3-Diaminobenzoesäure (7) erhalten wird. Diese Säure (7) kann dann in Polyphosphorsäure erhitzt werden, um die cyclische Verbindung (8) zu erhalten. Für die spezielle Verbindung (8) wurde eine nicht optimierte Ausbeute von 14,5% gefunden. Die Verbindung (8) bildet ein gelbes mikrokristallines Pulver, das eine noch geringere Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln aufweist als die Verbindung (5). Die Verbindung (8) kann bei 630°C und 6 × 10^-3 hPa sublimiert werden. Bei Normaldruck unter Stickstoff verfärbt sich die Verbindung von gelb nach braun bei einer Temperatur zwischen 700°C und 750°C. Dabei wird ein teilweises Sublimieren, jedoch kein Schmelzen beobachtet.

Das ¹H-NMR-Spektrum erlaubt die zweifelsfreie Zuordnung der aromatischen Protonen, die der Struktur (8) entsprechen. Das Maximum für lange Wellenlängen im UV-vis- Spektrum liegt bei 393 nm (in DMSO) für die Verbindung (8).

Benzoxazol kann symmetrisch photodehydrodimerisiert werden, wobei 2,2' Dibenzoxacolyl gebildet wird. Diese Umsetzung erfolgt bei einer Bestrahlung in durchlüfteten polaren Lösungsmitteln.

7,7':2',2":7",7'''-Quaterbenzoxazol (13) kann durch Bestrahlen einer Lösung von (12) in Methanol mit Licht einer Wellenlänge von 245 nm hergestellt werden. Die Verbindung (13) fällt aus der Lösung in Form von farblosen Kristallen mit analytischer Reinheit aus. Die Löslichkeit der Verbindung (13) in Methanol, Ethanol und Acetonitril ist dabei < 10^-6 mol/l. Eine verbesserte Löslichkeit ist in Chloroform und Dimethylformid gegeben.

Die vorstehend beschriebene Synthese der Verbindung (5) erlaubt eine Verbindung der einzelnen Benzoxazol-Einheiten zwischen den Positionen 2 und 7. Durch entsprechende synthetische Verfahren unter Verwendung unterschiedlicher Ausgangsmaterialien können auch isomere Moleküle in der Form der Verbindung (5) hergestellt werden, in der eine oder mehrere Einheiten zwischen den Positionen 2 und 4 verbunden sind. Dies führt dazu, daß die Stickstoffatome gegen das Zentrum des Moleküls gerichtet sind. Die Verbindungen (5) und (13) können auch durch entsprechende Verbindungen ersetzt werden, in denen die Benzoxazoleinheiten durch andere Benzo-x-azole ersetzt (8) sind.

Die Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele näher erläutert.

Beispiele

Folgende Analysegeräte wurden eingesetzt:
UV: Perkin-Elmer Modell 320
¹H NMR: Bruker WP 80 CW, Varian Unity Plus 500 [interner Standard TMS und CDCl₃].
MS: Varian MAT CH 17
Schmelzpunkte: Unkorrigiert.

2-Hydroxy-3-nitrobenzamid (3)

19,7 g (0,1 mol) 2-Hydroxy-3-nitrobenzoesäuremethylester (2) wurden in 250 ml Ammoniak (25% in Wasser) suspendiert und bei Raumtemperatur für 3 Tage gerührt. Nach 30 Stunden war die gesamte Verbindung (2) gelöst. Das Lösungsmittel wurde verdampft, und zwei 20,9 g eines roten Rückstandes - das Ammoniumsalz von (3) - wurden zurückbehalten. 200 ml Wasser und 9 g (0,15 mol) Essigsäure wurden zugefügt, und das Gemisch wurde für 5 Stunden gerührt. Das ausgefällte Produkt wurde über eine Nutsche abfiltriert und mit Wasser gewaschen und getrocknet. Die Ausbeute betrug 17,2 g (94,5%) der Verbindung (3), deren Schmelzpunkt 149 bis 150°C betrug. Das Produkt wurde ohne weitere Reinigungsschritte eingesetzt.
Die eingesetzte Verbindung (2) kann aus der freien Säure hergestellt werden, wie es in J. Het. Chem. 1971, 8, Seiten 989 bis 91 beschrieben ist. An dieser Stelle sind sowohl die Herstellung von Estern als auch von Amiden beschrieben. Ferner ist beschrieben, wie die Nitroverbindung in die Aminoverbindung überführt werden kann. Damit sind in dieser Literaturstelle auch weitere mögliche Analoga der Verbindungen (2), (3) und (4) beschrieben.

3-Amino-2-hydroxybenzamid (4)

17,2 g (94,5 mmol) der Verbindung (3) wurden in 350 ml Ethylacetat gelöst. 1.7 g Pd (10% auf Kohle) wurden eingebracht, und die Nitrogruppe wurde mit Wasserstoff bei Normaldruck und Raumtemperatur reduziert. Der Katalysator wurde abfiltriert, mit Ethylacetat gewaschen, und das Filtrat wurde eingedampft. Die Ausbeute betrug 14,5 g (98%) der Verbindung (4), die einen Schmelzpunkt von 127 bis 129°C hatte und sauber genug für die nächste Umsetzungsstufe war. Eine analytische Probe wurde chromatographiert (SiO₂-Ethylacetat) und aus Toluol rekristallisiert. Es wurden farblose Kristalle mit einem Schmelzpunkt von 134 bis 135°C erhalten.
UV (2-Propanol): λ_max(1 g ε) = 330 nm (3.55), 266 (3.44), 260 (3.53), 253 (3.59).
¹H NMR ([D₈]THF: δ = 4.2 (br.s, 2H, amine-H), 6.4-6.95 (m, 3H, arom. H), 7.15 (br.s, 2H, amide H), 13.1 (br.s, 1H, OH).
Molekulargewicht 152 (MS).
C₇H₈N₂O₂ (152.15): berechnet C 55.26, H 5.30, N 18.41; bestimmt C 55.56, H 5.24, N 18.11.

Cyclo-2,7':2',7":2''',7''':2''',7-quaterbenzoxazol (5)

4 g (26 mmol) der Verbindung (4) in 120 g Polyphosphorsäure (ppa) wurden unter Stickstoff auf 220°C erhitzt und für 24 Stunden gerührt. Nach Abkühlen wurde das Reaktionsgemisch auf etwa 1 kg Eis gegossen und mit Ammoniak (25% in Wasser) auf einen pH-Wert von 6 bis 7 neutralisiert. Nach Stehenlassen über Nacht wurde das Präzipitat abgesaugt, gut mit Wasser gewaschen und getrocknet. Das Produkt (3,22 g) wurde in einem Soxhlet-Extraktor, der ummantelt war, mit 250 ml Pyridin für 9 Tage extrahiert. Die Verbindung (5) trennte sich von der Lösung als grau-weißes Pulver, wobei die Ausbeute 0,98 g (32%) betrug. Eine Rekristallisation aus Chinolin und nachfolgende Sublimation (490°C, 5 × 10^-3 hPa) ergab die reine Verbindung (5), farblose Mikrokristalle mit einem Schmelzpunkt von 517 bis 520°C (ohne Zersetzung). Der Schmelzpunkt wurde in versiegelten Kapillaren mit einem Innendruck von 200 hPa Stickstoff bestimmt.
UV (CHCl₃): λ_max((1 g ε) = 346 nm (4.51), 328 (4.75), 315 (4.73), 302 (4.76), 276 (4.58).
¹H NMR (CDCl₃, 50°C): δ = 7.57 (tr, J = 8,4H), 8.00 (d, J = 8,4H), 8.54 (d, J = 8,4H) Molekulargewicht 468 (MS).
C₂₈H₁₂N₄O₄ (468.42): berechnet C 71.79, H 2.58, N 11.96; gefunden C 71.59, H 2.68, N 11.90.

Cyclo-2,4':2',7":2",4''':2''',7-quaterbenzimidazol (8)

9,1 g (50 mmol) 2-Amino-3-nitrobenzoesäure (6) wurden in 300 ml Ammoniak (5% in Wasser) gelöst. 1 g Pd (10% auf Kohlenstoffträger) wurden zugefügt, und die Substanz wurde mit Wasserstoff bei Raumtemperatur und Normaldruck reduziert. Der Katalysator wurde abgesaugt, und die Lösung wurde zur Trockenheit verdampft. Das erhaltene Ammoniumsalz von 2,3-Diaminobenzoesäure (7,8.28 g, 98% Ausbeute) wurde ohne weitere Reinigung eingesetzt.
4 g (24 mmol) der Verbindung (7) in 125 g Polyphosphorsäure (ppa) wurden unter Stickstoff auf 220°C erhitzt und für 20 Stunden gerührt. Nach Abkühlen wurde das Produkt auf etwa 1 kg Eis gegossen und mit Ammoniak (25% in Wasser) auf einen pH- Wert von 7 bis 8 neutralisiert. Das sehr feine Präzipitat wurde abgesaugt, gut mit Wasser gewaschen und getrocknet. Die Ausbeute betrug 2,8 g. Das Produkt wurde in einem ummantelten Soxhlet-Extraktor mit 250 ml Pyridin für 12 Tage extrahiert. Die Verbindung (8) trennte sich vom Lösungsmittel als grün-graue Mikrokristalle, die Ausbeute betrug 396 mg (14,5%). Das Produkt wurde durch Sublimation bei 630°C und 6 × 10^-3 hPa sublimiert, um ein gelb-grünes Produkt zu erhalten. Die Substanz wurde bei einer Temperatur zwischen 700 und 750°C langsam dunkel, ohne zu schmelzen (beim Erhitzen unter Stickstoff und bei Normaldruck), das Verfahren war von teilweiser Sublimation begleitet.
UV (DMSO): λ_max (1 g ε) 393 nm (3.99), 372 s (4.24), 356 s (4.78), 349 (4.82), 340 (4.87), 284 (4.66).
¹H NMR ([D₆]-DMSO, 120°C): δ = 7.51 (tr, 2H, J = 8), 7.53 (tr, 2H, J = 8), 7.79 (d, 2H, J = 8), 7.96 (d, 2H, J = 8), 8.23 (d, 2H, J = 8), 8.40 (d, 2H, J = 8). Es konnte keine Signale von NH-Protonen detektiert werden.
Molekulargewicht 464 (MS).
C₂₈H₁₆N₈ (464,48): berechnet C 72.40, H 3.47, N 24.12; gefunden C 72.51, H 3.56, N 24.05.
2-Amino-3-nitrobenzoesäure kann wie in J. Med. Chem. 1990, 33, Seiten 814 bis 819 beschrieben, hergestellt werden. In dieser Schrift ist auch die weitere Umsetzung zu substituierten Benzimidazolen beschrieben, siehe die Reaktionsschemata auf Seite 815. Substituierte 2,3-Diaminobenzoesäuren sind auf Seite 816 im Schema II beschrieben. Mögliche Substituenten sind auch in der Tabelle II genannt, so daß diese Schrift auch die Herstellung ähnlicher, substituierter Verbindungen beschreibt.

7,7'-Bibenzoxazolyl (12)

6,85 g (32 mmol) 3,3'-Diamino-biphenyl-2,2'-diol (11) 46 g (1 mol) Ameisensäure wurden für 3 Stunden unter Rückfluß erhitzt. Die Säure wurde abdestilliert, und der Rückstand wurde für zwei Stunden unter Stickstoff auf 180°C erhitzt. Nach Abkühlen wurde das Produkt mit Wasser gewaschen und getrocknet. Eine chromatographische Reinigung (SiO₂, Ethylacetat) und Rekristallisation aus Methanol ergab 2,77 g (37%) reine Verbindung (12) in Form schwach ockerfarbenener Kristalle, die einen Schmelzpunkt von 226 bis 228°C hatten.
UV (2-Propanol): λ_max (1 g ε) = 265 nm (4.27).
¹H NMR (CDCl₃): δ = 7.4-8.0 (m, 6H, arom. H), 8.2 (s, 2H, CH).
Molekulargewicht 236 (MS).
C₁₄H₈N₂O₂ (236.22): berechnet C 71.18, H 3.41, N 11.86; gefunden C 71.12, H 3.56, N 11.78.
3,3'-Diamino-biphenyl-2,2'-diol kann wie in Ber. 1902, 35, Seiten 302 bis 313 beschrieben hergestellt werden. Auch anders substituierte Verbindungen dieses Typs und ihre Herstellung sind in dieser Literaturstelle beschrieben.

7,7':2',2":7''',7'''-Quaterbenzoxazol (13)

1 g (4,25 mmol) der Verbindung (12) in 1,3 l belüftetem Methanol wurden mit Licht aus einer 30 W Niedrigdruck-Quecksilberlampe bestrahlt (Original Hanau, NN 30/89, Wellenlänge 254 nm, die als Eintauchlampe verwendet wurde). Die Bestrahlung wurde für 2 Tage durchgeführt. Die Verbindung (13) setzte sich während der Bestrahlung ab, wurde abfiltriert, gewaschen und getrocknet. Die Ausbeute betrug 180 mg (18%) an farblosen Kristallen, die einen Schmelzpunkt von 358 bis 362°C hatten.
UV (CHCl₃): λ_max (1 g ε) = 347 nm (4.29), 330 (4.49), 320 (4.47)
¹H NMR (C₂D₂Cl₄, 120°C): δ = 7.6-8.1 (m, 12H, arom. H), 8.2 (s, 2H, CH).
Molekulargewicht 470 (MS).
C₂₈H₁₄N₄O₄ (470.44); berechnet C 71.49, H 3.00, N 11.91); gefunden C 71.39, H 2.93, N 11.93.

Claims

1. Cyclische Verbindung der allgemeinen Formel (I)

mit der Bedeutung
X-Y-Z N=C-O, NH-C=N, N=C-NH
R¹, R², R³ H, C_1-6-Alkyl.

2. Cyclische Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß R¹, R², R³ H oder C_1-3-Alkyl bedeuten.

3. Cyclische Verbindungen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß R¹, R², R³ Wasserstoff bedeuten.

4. Verfahren zur Herstellung von cyclischen Verbindungen der allgemeinen Formel (I) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 durch Cyclisierung von Verbindungen der allgemeinen Formel (II)

mit der Bedeutung
R⁴ -COOH oder Derivat davon,
n jeweils 1 oder 2, zum Erhalt der Stöchiometrie,
R¹, R², R³ H, C_1-6-Alkyl.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Cyclisierung durch Erhitzen in Polyphosphorsäure durchgeführt wird.

6. Verwendung von cyclischen Verbindungen, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 3 definiert sind, als Komplexliganden.

7. Komplex, enthaltend ein komplexiertes Metallion und mindestens eine cyclische Verbindung, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 3 definiert ist, als Komplexliganden.

8. Cyclische Verbindung der allgemeinen Formel (III)

mit der Bedeutung
X-Y-Z N=C-O
R¹, R², R³ H, C_1-6-Alkyl.