Синтез и свойства производного – N,N'-гексаметилен бис-[(орто-крезолило) -карбамата] и его применение

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассматривается методы получения гексаметилен бис-[(орто-крезолило) -карбамата] и их химические свойства, и на этой основе предлагаются их ростостимулирующая активность.

ABSTRACT

In this paper, methods of obtaining hexamethylene bis - [(ortho-cresolilo) -carbamate] and their chemical properties are considered, and on this basis, their growth-stimulating activity is proposed.

Ключевые слова: орто-крезол, гексаметилендиизоцианат диметилформамид, триэтиламин, биостимулятор, N,N'-гексаметилен- бис [(орто-крезолило) -карбамат].

Keywords: ortho-crezol, hexamethylenediisocyanate, dimethylformamide, trimethylamine, biostimulant, N,N'-hexamethylene bis [(ortho-crezolilo) carbamate].

Сегодня большинство производных препаратов карбаматов, поиск на их основе новых высокоэффективных малотоксичных биологически активных соединений постоянно продолжается, о чем можно судить по большому количеству публикаций в мировой научной и патентной литературе [1-4].

Поэтому развитие этой отрасли органической химии является высочайшей актуальной задачей, требующей новых разработок синтеза, технологии и научно обоснованных подходов.

Интенсивно развивающаяся в настоящее время химия производных карбаматных соединений привлекает внимание многих исследователей, как у нас в Узбекистане, так и за рубежом [5-12].

Сегодня в сельском хозяйстве производные карбаматов (уретанов) используются в качестве гербицида, пестицида, фунгицида, дефолианта и биоудобрений. В органическом синтезе на основе уретанов с другими реагентами получены труднодоступные гетероциклические соединения (барбиталы, фенобарбитал, мединал и др.). Этот список может быть продолжен, так широка область использования производных уретанов, бис-уретанов и полиуретанов [13-18].

Исходя из выше указанного мы начали поиск синтеза и технологий получения производных уретанов, которые являются малоизученными, новыми направлениями в мировом органическом синтезе и технологиях получения. Продолжая исследования по синтезу ранее неизвестных новых производных бис-уретана и изучению их химических свойств и активности, а также систематические исследования редких производных уретан, мы считали интересным разработать безотходные технологии синтеза и реакции гексаметилендиизоцианата (ГМДИ) с НN< или Н₂N- содержащими соединениями ароматического ряда.

Это связано с одной стороны с теми богатыми возможностями разнообразных химических превращений, которые представляют собой бис-карбаматные группировки в молекулах органических соединений, а с другой стороны, ценными для практического использования свойствами самых органических соединений бис-крезол карбаматных групп [33]. Имеются много примеров, когда введение бис-карбаматных крезольная группировок приводило к появлению гаммы различного ряда биологической, физиологической и фармакологической активности, а также способности ингибировать коррозию металлов, образовывать олигомеры и многое другое [19-26].

Из литературных данных [27] известно, что существенное влияние на активность изоцианатной группы оказывает строение радикала R в группировке –N=C=O. При этом электроноакцепторные заместители увеличивают реакционную способность диизоцианатов в реакциях присоединения к нуклеофильному реагенту, электронодонорные ^__ уменьшают. Ряд зарубежных авторов считают, что эта закономерность объясняется соответственно увеличением и уменьшением положительного заряда на углероде -N=C=O группировки. Так, например, С.Г. Энтелисом с сотрудниками [27] показано, что в случае замещения арилизоцианатов плотность заряда на углеродном атоме (С^δ+) коррелирует с δ-константами заместителя. Увеличение доли положительного заряда δ⁺ на этом углеродном атоме, при введении в ядро электроноакцепторных заместителей, согласуется с изменениями реакционной способности арилизоцианатов при изменении заместителя. Возрастание дефицита электронной плотности на углеродном атоме группы  приводит к увеличению константы скорости присоединения нуклеофильного реагента к диизоцианатам. Однако в ряде работ для изоцианатной группы в статическом состоянии применяется и жесткая структура. На основании квантово-химических расчетов полагается, что зарядовая плотность на атомах –N=C=О группы не меняется при замене заместителя в молекуле R–N=C=О. Влияние же заместителей на реакционнную способность изоцианатов объясняется либо изменением длины связей в изоцианатной группе, либо различной стабилизацией переходного состояния в реакциях нуклеофильного присоединения (А_N) к диизоцианатам. Химическое поведение диизоцианата наиболее полно согласуется с таким распределением электронной плотности в группе, которое описывается сопряжением следующих структур (I-III):

Азот и кислород в –N=C=O группе несут, в основном, отрицательный заряд и обладают электронодонорными свойствами, поэтому эта группа подвержена как нуклеофильным, так и электрофильным атакам. В некоторых случаях диизоцианаты также могут играть роль электрофильных агентов. Наиболее типичны для них реакции нуклеофильного присоединения с участием кислород- и азотсодержащих веществ. группа, например, о-крезола, имея свободную электронную пару, атакует электрофильный центр в молекуле ГМДИ с образованием промежуточного продукта (В), который перегруппировывается в бис-уретану. Поэтому на основании литературных данных вероятный механизм взаимодействия ароматических содержащих с гексан-1,6-диизоцианатом, по нашему мнению, можно представить следующей схемой:

где RN: -растворитель; ROH – ароматических гидроксил содержащих.

Для окончательного решения вопроса о механизме присоединения ароматических гидроксил содержащих к ГМДИ необходимо дополнительное изучение кинетики реакции [28].

C целью установления оптимальных условий синтеза производных бис-уретанов изучено влияние продолжительности реакции, температуры, природы растворителя на выход целевых продуктов.

Для изучения влияния природы растворителя помимо диметилформамида использовали ряд электронодонорных растворителей (ТГФ, пиридин, диоксан, ацетонитрил), поддерживающих ионизацию реагирующих компонентов, что, видимо, существенно интенсифицировало реакцию.

Так, с увеличением дипольных моментов, апротонных биполярных растворителей выход целевого продукта менялся в следующем порядке: ДМФА (3,8) > Py (2,19) > ТГФ (1,7) > Диоксан (0). Согласно принципу растворения «подобное в подобном» взаимодействие ДМФА с гетероциклами протекает особенно региоселективно, что, видимо, способствовало образованию прочных стабильных устойчивых комплексов между -N=C=O и Н-О< группами гидроксилов ароматического ряда. Таким образом, установлено, что биполярные апротонные растворители с большими дипольными моментами и высокой диэлектрической проницаемостью способны образовывать прочные донорно-акцепторные комплексы, которые способствуют увеличению выхода целевых продуктов.

Установлено, что в процессе реакции специфической сольватации с карбонильным углеродом изоцианатной группы основность Н-О< группы усиливается за счет донорно-акцепторного комплексообразования. Так, в ТГФ и диоксане реакция идёт с более низким выходом целевого продукта А_N присоединения, чем в ДМФА. Сольватация же с ДМФА и пиридином идет легче, чем с ТГФ и диоксаном, поэтому выход увеличивается [28].

В связи с этим нами были представлены ранее проводимых исследования в области синтеза новых производных N,N'-гексаметилен-бис [(орто-крезолило)-карбамата (уретана)] (1) и выполнено изучение их химических свойств, по реакционным центрам.

Так, взаимодействием орто-крезола с диизоцианатом были получены производные препарата (1) по следующей схеме реакции:

Таким образом, установлено, что оптимальными условиями реакции образования N,N'-гексаметилен-бис [(орто-крезолило)-карбамата] (1) являются: температура 27-40⁰С; растворитель^__ ДМФА, продолжительность реакции 3-3,5 часов.

В результате реакции образуется препарат (1) представляющий собой беловатой порошок. Труднорастворимый в воде и других неполярных легких доступных растворителях, что подтверждает наличие двух () карбаматных, а также полиметиленовых (СН₂)₆  фрагментов углеводородов.

Физико-химические параметры препарат (1) приведены в табл.1.

Таблица 1.

Физико-химические параметры препарата (1)

Как видно из таблицы (1) выход препарат (1) довольно высок. Высокий выход полученного производного бис [(орто-крезолило)-карбамата], обусловлено, по-видимому, высокой плотностью и легкой подвижностью электронного облака сопряженной () группы, что приводит к увеличению положительного заряда на атоме углерода изоцианатной группы, облегчая атаку этого нуклеофильным агентом, а также отсутствием стерических препятствий.

Строение синтезированного соединения (1) установлено методами ИК-и ПМР спектроскжопии и данными элементного анализа (табл.2).

Таблица 2.

ИК- и ПМР спектральные данные соединений (1) 

Для выявления реакционной способности по N-Н реакционным центрам препарат (1), нами проведены реакции N,N' –динитрозозирования, диметаллирования, диалкилирования и дигалогенирования [29-38]. 

Экспериментальная часть.

Ход реакции и индивидуальность соединений контролируется методом ТСХ на окиси алюминия (II) степени активности с проявлением пятен парами йода. ИК-спектры записаны на спектрометре UR-20.

 Синтез N,N' – гексаметилен бис [(орто-крезолило) - карбамата] (1)

К 8,40 г (0,1 моль) орто-крезола добавляют, 10 мл триэтиламина, 35 мл ДМФА, при перемешивании добавляют по каплям при комнатной температуре 8,42 мл (0,05 моль) гексаметилендиизоцианата растворенного 20 мл ДМФА. Реакционную смесь перемешивают в течение 3,0 часов при температуре 35-48⁰С по истечении время содержимое колбы переносят в стакан, добавляют воды. Выпавший осадок промывают ТСХ. После сушке получается снежнобелого цвета порошок, выход продукта(1) - 16,41 г (97,6% от теоретического); Т.пл=127-129⁰С; R_f =0,77.

Ростостимулируюшая активность препарата (1)

Для выявления ростостимулирующей активности соединений (1) испытания проведены в лаборатории института химии растительных веществ АН РУз в лабораторных условиях, биотестами служили семена овощных культур и хлопчатника. В опытах использовались огурцы сорта «Узбекистан-740», томаты сорта «Темп» и средневолокнистый хлопок сорта «С-6524». Препараты растворяли в ДМФА и применяли методом предпосевной замочки семян в течение 18-20 часов. Были использованы концентрации 0,1; 0,01; 0,001; 0,0001 и 0,00001%.

Повторность опытов 4^х кратная. Учеты проводили по измерению длины стебля и корня у 10-ти дневных проростков хлопчатника.

Результат опытов фиксируется через 3,5,7 и 10 дней после инокуляции (табл.3-5).

Таблица 3.

Влияние препаратов (1) на всхожесть семян и рост проростков хлопчатника сортов «С-6524»

Сравнительные испытания также показывает, что испытуемый препарат (1), т.е. АСА-1 - 7,5 до 75000 раз менее низкой концентрации проявил более высокую ростостимулирующую активность, чем ныне применяемый во многих отраслях сельского хозяйства Республики препарат «Рослин».

Препарат (1) АСА-1 на культуре хлопчатника проявил биологическую активность, при концентрации 0,00001% (в разведении в 75000 раз) стимулировал рост корня 132,5%, а рост стебля 122,3% выше контроля и известного препарата «Рослин» (концентрации 0,75-1,0%). На томатах аналогично предыдущим культурам проявил очень высокую биологическую активность 164,8% выше контроля при концентрации 0,00001% (даже в разведении в 75000 раз) (табл.4). Препарата (1) АСА-1 на культуре огурца также проявил биологическую активность при концентрации 0,00001% (разведены в 75000 раз), способствовал росту корня 154,7%, несколько ниже росту стебля на 127,3% выше контроля и известного препарата «Рослин» (концентрации-0,75-1,0%) (табл.5).

Таблица 4.

Влияние препарата (1) АСА-1 на всхожесть семян и рост проростков томата сорта «Темп»

Таблица 5.

Влияние препарата (1) АСА-1 на всхожесть семян и рост проростков огурцов сорта “Узбекистан-740”

Таким образом, малотоксичный (LД₅₀ -3466 мг/кг) препарат АСА-1 проявил высокие стимулируюшие свойства на семена томата, огурцов и хлопчатника при 0,00001%-концентрации.

Выводы

Производные препарат (1) обладают биостимулирующей активностью для овощных культур при низких концентрациях 0,001%, испытан в полевых условиях с получением большого экономического эффекта.

Список литературы:

1. Патент 6204409 США, МПК⁷ С 07 271/20. Uretane compound and process for producting policytic aliphatic diisocyanate/ Mitsui Chemicals, also Shinji, Noguchi Takeshi, Ogawa shinji // США-1999, №2.
2. Заявка Франции № 2843750. Получение арилкарбаматов, применение и использование / Motile Magati, Saniere Laurent, Nicolai Eric, Potin Dominique // МПК⁷ С07С 405/12; К 31/45 № 0210542. Заявл. 23.08.2002, опубл. 27.02.2004.
3. Mao Fulin, Wu Ting-hua и др. Синтез метилкарбамата посредством алкоголиза мочевины//Univ.Natur.Sci.2005. 28, WI. – C. 54-56.
4. Larionov O.V., Kozhushkov C.I., De Meijere Armin. Новая методика эффективного N-хлорирования амидов и карбаматов // Synthesis, 2003. -№12. -С.1916-1919.
5. Вязьмин С.Ю., Березина С.Е., Ремизова Л.А. Дамнин И.Н. Гляйтер Р. Синтез новых сопряженных диинов, содержащих карбаматные группы, и изучение их свойств // Ж. Органическая химия, Mосква - 2002, Т. 38, № 6. - С. 817-829.
6. Tang Wei-Fang, Lu Tao, Ni Pei-Zhon, Zhang Yu- Mer  Синтез  и диуретические и антигипертензивные активности новых производных анилинопиридалсульфонилмочевины // J. Chim. pharm. Univ. 2003, 34, ^__ №3 ^__ С. 208-213.
7. Joshua Chittoor P., Thomas Saramma K. Синтез 1,3,5-тризамещенных 2,4-дитиобуретов: их превращение в 4-алкил-3,5-ди(замещенные имино)-1,2,4-дитиазолидины и в родственные бензотиазолилтиомочевины // J.Chem. Англия, 1982. 35, № 2. -С. 405-409.
8. Штамбург В.Г., Клоц Е.А., Сердюк В.Н., Плешкова А.П., Ивонин С.П. Образование N-ацелокси - N-алкоксикарбаматов и N,N¹-диалкоксикарбаматов при нуклеофильном замещении хлора в N-хлор -N-алкоксикарбаматах // Ж. Украин.химия. 2001, №11(67).- С.94-97.
9. Черных В.П., Зименсковский Б.С., Гриценко И.С Органическая химия. В 2-х т.-Украина, Харков, 1998.- С. 127.
10. Штамбург В.Г., Клоц Е.А., Плешкова А.П. Синтез и алкоголиз N-алкокси-ɴ-ацилокси производных мочевин, карбаматов// Изв.АН.Сер.Хим., 2003, №10. - С.2132-2140.
11. Hopkins Thomas R., Stiekler Paul D. Process of produsing 4-hydroxy-2-butynyl N-(3-halophenyl) karbamates //пат.США, кл.260-471, №3155713 1965.
12. Debbabi K., Beji M., Baklouti A., Guittardd F. Синтез неионных ароксилсульфонилкарбаматов // Phosph., Sulfur and Silicon and Relat. Elem. 2002.177, №4. - С.933-940.
13. Makhsumov A.G., Valeeva N.G., Nabiev U.A., Ismailov B.M. Synthesis of new bromine acetylene dithiocarbamates derivatives and their growth-stimulating activity // J.: Journal of Critical Reviews, ISSN-2394-5125, DOI: http://dx.doi.org/10.31838/jcr.07.04.20, Vol 7, Issue 4, 2020- PP.113-119.
14. Arimitsu Коg, Ishimura Kumihiro. Нелинейные органические реакции 9-флоренилметил-карбаматов с получением разветвленных алифатических аминосоединений и их применение фотополимерных системах // J. Master. Chem, 2004, 14, №3. -P. 336-343.
15. Махсумов А.Г., Исмаилов Б.М. Синтезы на основе 4,4’-дипропаргилового диэфира азобензола, строение и их свойства // Ж. Life Sciences and Agriculture электронный научн.-практ. ж. ISSN:2181-0761, DOI: 10.24411/2181-  0761/2020-10038. Выпуск: №2.2-2020.- С.15-19.
16. Хайитов Ж.К., Махсумов А.Г., Валеева Н.Г., Шапатов Ф.У. N,N¹ –гексаметилен бис-[(1-аминодифенил)-мочевины] и его механизм образования // Международная онлайн конференция «Инновации в нефтегазовое промышленности, современная энергетика и их актуальные проблемы», г. Ташкент, 26 мая 2020 г. -C.378-379.
17. Патент США № 6204409. Uretane compounds and process for producing polycyclic aliphatic izocyanate/ Mitsue chemicals, Aso Shinji, Noguchi Takeshi, Ogawa Shingi // МПК⁷ С 07 27/20. Заявл. 03.03.1999, опубл. 20.03.2001.
18. Исмаилов Б.М., Рахматуллаев А.Х., Валеева Н.Г., Махсумов А.Г. Алифатик ва ароматик иккиламчи аминлар билан пропаргил эфирларини аминометиллаш реакциялари жараёнида  ҳосил бўладиган аминоацетилен эфирлари // Техник ва ижтимоий-иқтисодий фанлар соҳаларининг муҳим масалалари Республика Олий ўқув юртлараро ИИТ, г.Ташкент-2020, май. - C.73-74.
19. А. Г. Махсумов, Б. М. Исмаилов, Г. М. Абсалямова, М. А. Мирзаахмедова. Ацетиленовые изотиоцианаты: синтез, свойства и их биологическая активность  // Узбекский химический журнал. Ташкент-2019. -№6. - С.59-70.
20. Вязьмин С.Ю., Березина С.Е., Ремизова Л.А., Домнин И.Н., Гляйтер Р. Синтез новых сопряженных диинов, содержащих карбаматных группы, и изучение их свойств // Журнал органический химии.- Москва. 2002.-№6.- С.817-829.
21. Абсалямова Г. М., Махсумов А.Г., Холикова С.Ж., Хакимова Г., Усканов И.И., Сайдахметова Ш.Р. Экологический чистый метод получения N,N¹-дихлорзамещенного бис-карбамата // Международная онлайн конференция «Инновации в нефтегазовое промышленности, современная энергетика и их актуальные проблемы», г. Ташкент, 26 мая 2020 г. - С.382-383.
22. Махсумов А.Г., Хайдаров З.Г., Лутфуллаев С.Ш., Рахматов Х., Сулаймонов Б.С. Янги бўёқларни олиш технологияси ва уларнинг хоссалари // Кимёвий технология. Назорат ва бошқарув.-Тошкент,2007,-№ 1.- C.22-26.
23. Исмаилов Б.М., Абсалямова Г.М., Махсумов А.Г. Методы окрашивание с новыми красителями полиэтиленов и полистиролов общего назначения и ударопрочного // Ўзбекистон Республикаси ФА академиги, т.ф.д., проф. Т.М.Миркомилов таваллудининг 80–йиллик хотираларига бағишланган Табиий ва синтетик полимерлар кимёси ва технологиясининг ривожланиш истиқболлари ИТК 2019 й. 25 сентябрь Тошкент. - C.79-81.
24. Mahsumov A.G., Ibragimov A.A., Valeeva N.G., Ismailov B.M., Saidahmetova Sh.R. Synthesis and properties of the 2-chlorophenyl-azotymol-4 derivative, and its application // International Scientific Journal Austria-science, 2018, №14.- Р.45-50.
25. Коржа И.Д., Барба Н., Шур А.М., Маноле С.Ф. Синтез некоторых производных п-винилфенилизоцианата // Изв. АН Молдов. ССР, Сер. биол. и хим. наук, 1975. - №3. - С.74-77
26. Рўзматов Б.Ф., Исмаилов Б.М., Абсалямова Г.М., Рахматов У.Д., Махсумов А.Г. Синтез производного {1,7,7-триметилбицикло[2,2,1]-гептан-2-ола} и его свойства // XXVIII-ИТА «Умидли кимёгарлар-2019», Ташкент, 2019. – С.214-215.
27. Энтелис С.Г., Нестеров О.В. Забодин В.Б “Комплексы реагентов с катализаторами как промежуточные продукты реакции” // Кинетика и катализ-1966. вып.4.- С.627-632.
28. Холбаев Ю.Х. Махсумов А.Г. Инаков Т.К., АбдурахмановУ.К., Урмонов А.А. Синтез производного бис-аминоароилмочевины и его вероятный механизм образования // Ж.: "Химия и химическая технология", Ташкент, 2013, № 4. - С. 40-42.
29. Махсумов А.Г., Холикулов Б.Н., Хайдаров К.Х., Рахимов И.Ф. Получение N,Nʹ-динитрозо- N,Nʹ-гексаметилен бис-[2-бромфенокси)-карбамата] и его свойства // “Товарлар кимёси ҳамда халқ табобати муаммолари ва истиқболлари” мавзусидаги VII Халқаро ИАА, 2020 йил 18-19 сентябрь кунлари, Андижон ш.– C. 245-247.
30. B. Ismailov, A. Makhsumov, N.Valeeva - Synthesis of derivative pyrazols based on 2,2¹-diproparghyl ether azobenzene, structure and its coloring properties // “Proceedings of the international conference on integrated innovative development of zarafshan region achievements, challenges and prospects” International conference on integrated innovative development of Zarafshan region: Achievements, challenges and prospects // Navoi-2019 y., 27-28 November.- PP.361-366.
31. Хайитов Ж.К., Махсумов А.Г., Валеева Н.Г., Шапатов Ф.У. N,N¹ –гексаметилен бис-[(1-аминодифенил)-мочевины] и его механизм образования // Международная онлайн конференция «Инновации в нефтегазовое промышленности, современная энергетика и их актуальные проблемы», г. Ташкент, 26 мая 2020 г. - C.378-379.
32. Махсумов А.Г., Набиев У.А., Шомуратова Ш.Р. «Синтез, свойства и применение непредельного эфира фенола // РИАА: «Кимё саноатида инновацион технологиялар ва уларни ривожлантириш истикболлари», маколалар туплами, 2-жилд, Урганч ш. 2017. - C.52-53.
33. Махсумов А.Г., Абдукаримова С.А. Синтез и строения N,Nʹ-гексаметилен бис-[(о-крезолило)-карбамата] // “Товарлар кимёси ҳамда халқ табобати муаммолари ва истиқболлари” мавзусидаги VII Халқаро ИАА, 2020 йил 18-19 сентябрь кунлари, Андижон ш.– C.97-99.
34. Махмудходжаева Ж.Б., Рустамбаева Ф.Х., Саидахметова Ш.Р., Махсумов А.Г. Синтез производных галогенозамещенных фенилкарбаматов. // Междун.НТК: «Актуальные проблемы инновационных технологий в развитии химической, нефтегазовой и пищевой промышленности», Ташкент, 2016, т.1 -C.80.
35. Нурмухамедова У.Н., Махсумов А.Г., Валеева Н.Г. “Исследование ингибиторных свойств некоторых производных пропаргиловых эфиров на коррозию стали-10 в соляной кислоте” // РИАК : “Ўзбекистоннинг иқтисодий ривожланишида кимёнинг ўрни”, СамДУ, 2018, том 1. - C.50-52.
36. Махсумов А.Г., Набиев У.А., Исмаилов Б.М. Борнеоилбутилкарбамат олинишини ишлаб чиқариш ва биостимуляторлик хоссаси// МеждК: «Современные инновации: Химия и химическая технология ацетиленовых соединений. Нефтехимия, Катализ.»Ташкент, 2018.- С.32-34
37. Мухиддинов Б.Ф., Махсумов А.Г., Исматов Д.Н. Тетраметилкарбамат ҳосиласи ва унинг биостимуляторлик хоссаси// Mатер. РНТК. “Современные проблемы и переспективы химии и химико металлургического производства”, Навоий, 2018, - C.9.
38. Умарова М.Б., Махсумов А.Г., Жўраева Ш.Д., Эргашев Ё.Т. Селективный, переспективный, эффективный способ получения производного N,Nʹ–триметилен-диацетонилакарбамата и его применение. // International symposium on innovative scientific conference “Integration and integration of science and education”, МеждНТК, Ташкент, 2018, - C.67-69.