Нефтехимия, 2019, T. 59, № 2, стр. 214-221

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Все обсуждаемые в статье синтезированные ацетиленовые соединения норборненового ряда являются новыми. Ниже представлены формулы этих соединений (см. таблицу) и методики их синтеза.

Таблица 1.  

Формулы синтезированных норборненов, содержащих ацетиленовый фрагмент и аминную группу (I–XII), и степень подавления ими сульфатвосстанавливающих бактекрий (СВБ)

№ пп	Бактерицид	Концентрация бактерицида, мг/л	Концентрация H2S, мг/л	Активность бактерицида, z, %
I		0	340	–
		50	46	86
		100	16	95
		200	0	100
		500	0	100
II		0	280	–
		50	44	84
		100	25	91
		200	0	100
		500	0	100
III		0	270	–
		50	61	77
		100	16	94
		200	0	100
		500	0	100
IV		0	270	–
		50	10	96
		100	0	100
		200	0	100
		500	0	100
V		0	260	-
		50	67	74
		100	43	83
		200	4	98
		500	0	100
VI		0	220	–
		50	13	94
		100	5	98
		200	0	100
		500	0	100
VII		0	220	–
		50	95	57
		100	81	63
		200	30	86
		500	0	100
VIII		0	260	–
		50	52	80
		100	19	93
		200	0	100
		500	0	100
IX		0	200	–
		50	75	63
		100	60	70
		200	19	91
		500	0	100
X		0	270	–
		50	67	75
		100	41	85
		200	4	99
		500	0	100
XI		0	280	–
		50	67	76
		100	36	87
		200	10	96
		500	0	100
XII		0	200	–
		50	76	62
		100	60	70
		200	13	94
		500	0	100

ИК-спектры синтезированных соединений снимали на спектрофотометрах UR‑10 и UR-20 в области 600–4000 см^–1. Спектры ЯМР ¹Н снимали на спектрометрах Tesla-487B (80 МГц) и Bruker WM-250 (250 МГц) в растворе четыреххлористого углерода с внутренним стандартом – гексаметилдисилоксаном.

Чистоту синтезированных соединений контролировали методами ТСХ и ГЖХ. ТСХ-анализы проводили на пластинах Silufol-254 с закрепленным слоем силикагеля с проявлением в парах иода. Элюентом служила двухкомпонентная система – бензол : эфир (3 : 2) и гептан : эфир (3 : 1). ГЖХ-анализы проведены на приборах Crom-3 и ЛХМ-8 МД с пламенно-ионизационным детектором и катарометром.

N-Пропаргилбицикло[2.2.1]гепт-5-ен-2-ил-метиламин (I). В реакционную колбу помещали 8.0 г (0.2 моль) едкого натра, 8 мл воды, 11.4 г (0.2 моль) бицикло[2.2.1]гепт-5-ен-2-ил-метиламина и при энергичном перемешивании прикапывали 6 г (0.05 моль) пропаргилбромида в течение 20 мин. Через 2 ч органический слой отделяли и перегонкой получали соединение (I): Т_кип 83–84°С, $n_{D}^{{20}}$ 1.4807, $d_{4}^{{20}}$ 0.9377, выходом 79.3%, R_f 0.36. ИК-спектр, ν, см^–1: 3325, 3295, 2125, 1615. Спектр ЯМР ¹Н, δ, м.д.: 2.60–2.80 м (Н¹, Н⁴), 5.75–6.15 м (Н², Н³), 2.85 м (Н⁵), 0.50 м (Н⁶), 2.05–2.30 м (Н^6'), 1.10–1.50 м (Н^7,7), 2.33–2.45 м (СН₂N), 1.70 с (NН), 3.41 д, 3.82 д (СН₂С≡), 2.25 т (≡СН).

Аналогичным способом из бицикло[2.2.1]гепт-5-ен-2-ил-метиламина и пропаргилбромида синтезировано соединение (II):

Из соединения (I) и 2-замещенных аллилхлоридов (или акрил- и метакрилоилхлоридов) получены вещества (III–V, X, XI), которые характеризуются следующими константами: $n_{D}^{{20}}$, $d_{4}^{{20}}$:

II. Т_кип 110–111°С (1 мм рт. ст.), 1.4932, $d_{4}^{{20}}$ 0.9457, R_f  0.68. ИК-спектр, ν, см^–1: 3330, 3305, 2835, 2120, 1605. Спектр ЯМР ¹Н, δ, м.д.: 2.65–2.90 м (Н¹, Н⁴), 5.70–6.15 м (Н², Н³), 2.80 м (Н⁵), 0.55 м (Н⁶), 2.00–2.25 м (Н^6'), 1.15–1.45 м (Н^7,7), 2.30–2.50 м (СН₂N), 3.40 д, 3.80 д (СН₂С≡), 2.20 т (≡СН);

III. Т_кип 92–93°С (1 мм), $n_{D}^{{20}}$ 1.4762, $d_{4}^{{20}}$ 0.8890, R_f  0.64. ИК-спектр, ν, см⁻¹: 3320, 3292, 2830, 2115, 1640, 1620. Спектр ЯМР ¹Н, δ, м.д.: 2.60–2.80 м (Н¹, Н⁴), 5.65–6.15 м (Н², Н³), 2.85 м (Н⁵), 0.50 м (Н⁶), 2.05–2.25 м (Н^6'), 1.15–1.40 м (Н^7,7), 2.32–2.55 м (СН₂N), 3.45 д, 3.75 д (СН₂С≡), 2.26 т (≡СН), 4.86–5.35 м (СН₂=С), 5.56–6.05 м (С=СН), 2.70–3.05 м (СН₂);

IV. Т_кип 98–99°С (0.5 мм рт. ст.), $n_{D}^{{20}}$ 1.4791, $d_{4}^{{20}}$ 0.8734, R_f 0.67; ИК-спектр, ν, см⁻¹: 3326, 3300, 2820, 2120, 1645, 1625. Спектр ЯМР ¹Н, δ, м.д.: 2.56−2.82 м (Н¹, Н⁴), 5.60–6.16 м (Н², Н³), 2.87 м (Н⁵), 0.62 м (Н⁶), 2.01–2.22 м (Н^6'), 1.12–1.37 м (Н^7,7), 2.34–2.52 м (СН₂N), 3.42 д, 3.73 д (СН₂С≡), 2.23 т (≡СН), 4.80 с, 4.95 с (СН₂=С), 1.86 с (СН₃), 2.86 с (СН₂);

V. Т_кип 119–120°С (0.5 мм рт. ст.), $n_{D}^{{20}}$ 1.4936, $d_{4}^{{20}}$ 1.0321, R_f 0.71; ИК-спектр, ν, см^–1: 3330, 3295, 2822, 2130, 1640, 1620. Спектр ЯМР ¹Н, δ, м.д.: 2.53–2.80 м (Н¹, Н⁴), 5.63–6.17 м (Н², Н³), 2.88 м (Н⁵), 0.60 м (Н⁶), 1.98–2.20 м (Н^6'), 1.10–1.35 м (Н^7,7), 2.31–2.50 м (СН₂N), 3.41 д, 3.72 д (СН₂С≡), 2.26 т (≡СН), 5.20 с, 5.56 с (СН₂=С), 3.10 с (СН₂);

X. Т _кип 118–119°С (0.5 мм рт. ст.), $n_{D}^{{20}}$ 1.4785, $d_{4}^{{20}}$ 0.8823, R_f 0.56; ИК-спектр, ν, см^–1: 3325, 3300, 2786, 2125, 1720, 1650, 1610. Спектр ЯМР ¹Н, δ, м.д.: 2.54–2.80 м (Н¹, Н⁴), 5.65–6.10 м (Н², Н³), 2.83 м (Н⁵), 0.65 м (Н⁶), 2.15–2.30м (Н^6'), 1.12–1.40 м (Н^7,7), 2.31–2.46 м (СН₂N), 3.38–3.75 м (СН₂С≡), 2.23 т (≡СН), 5.54–6.42 м (СН₂=С), 5.60–6.05 м (С=СН);

XI. Т _кип 123–124°С (0.5 мм рт. ст.), $n_{D}^{{20}}$ 1.4814, $d_{4}^{{20}}$ 0.8698, R_f 0.64. ИК-спектр, ν, см^–1: 3328, 3290, 2787, 2130, 1743, 1645, 1610. Спектр ЯМР ¹Н, δ, м.д.: 2.50–2.70 м (Н¹, Н⁴), 5.70–6.15 м (Н², Н³), 2.82 м (Н⁵), 0.63 м (Н⁶), 2.12–2.33 м (Н^6'), 1.11–1.30 м (Н^7,7), 2.30–2.42 м (СН₂N), 3.35 д, 3.70 м (СН₂С≡), 2.22 т (≡СН), 6.10 с, 5.70 с (СН₂=С), 1.90 с (СН₃).

Встречный синтез соединения (II). К смеси 35 мл абсолютного этилового спирта и 2 г КОН при интенсивном перемешивании в течение 30 мин. добавляли 4.5 г (0.048 моль) соединения (V). После кипячения в течение 6 ч реакционную смесь обрабатывали водой и эфиром, эфирный слой высушивали безводным сульфатом магния. После перегонки выделяли (II) с идентичными физико-химическими константами: Т_кип 110–111°С (1 мм рт. ст.), $n_{D}^{{20}}$ 1.4935, $d_{4}^{{20}}$ 0.9460, выход 75.6%.

N-Пропаргил-2-гидрокси-3-хлорбицикло[2.2.1]-гепт-5-ен-2-ил-метиламин (VI). Опыты проводили в термостатированной (с точностью ±0.2°С) установке, состоящей из колбы, снабженной гидрозатвором, холодильником и механической мешалкой. В колбу при заданной температуре (50–55°С) загружали 0.2–0.4 моль 6–10%-ного водного раствора HCl и 0.2 моль соединения (I). При перемешивании реакционной массы через капельную воронку вводили 0.22 моль 26–30%-ного водного раствора пероксида водорода (скорость подачи 10 г ч^–1). Перемешивание продолжали в течение 6–8 ч. Реакцию завершали после полного расхода H₂O₂, наличие HOCl контролировали перманганатометрическим и иодометрическим методами. Органический слой отделяли от водного, водный слой экстрагировали эфиром (2 × 50 см³). Эфирные вытяжки объединяли с органическим слоем, нейтрализовывали 10%-ным раствором Na₂CO₃, сушили сульфатом магния и после перегонки эфира выделяли индивидуальный галогенгидрин (VI): Т_кип 103–104°С (1 мм рт. ст.), $n_{D}^{{20}}$ 1.5411, $d_{4}^{{20}}$ 1.4486, выход 72.3%, R_f  0.32. ИК-спектр, ν, см^–1: 3326, 3300, 2819, 2135. Спектр ЯМР ¹Н, δ, м.д.: 1.53 т (Н¹), 2.13 д (Н²), 3.48 д (Н³), 2.31 м (Н⁴), 2.15 м (Н⁵), 0.80 м (Н⁶), 1.40–1.65 м (Н^6’), 1.12–1.35 м (Н^7,7), 2.31–2.42 м (СН₂N), 1.70 с (NН), 3.40 д, 3.81 д (СН₂С≡), 2.22 т (≡СН), 4.80 с (ОН).

Аналогичным способом из соединения (II) получали аддукт (VII) с Т_кип 150–151°С (0.5 мм рт. ст.), $n_{D}^{{20}}$ 1.5540, $d_{4}^{{20}}$ 1.4560, R_f 0.45. ИК-спектр, ν, см^–1: 3328, 3005, 2786, 2130. Спектр ЯМР ¹Н, δ, м.д.: 1.50 т (Н¹), 2.16 д (Н²), 3.40 д (Н³), 2.33 м (Н⁴), 2.15 м (Н⁵), 0.75 м (Н⁶), 1.42–1.61 м (Н^6'), 1.10–1.30 м (Н^7,7), 2.35–2.45 м (СН₂N), 4.75 с (ОН), 3.50 д, 3.85 д (СН₂С≡), 2.20 т (≡СН).

N-Пропаргил-2,3-эпоксибицикло[2.2.1]гепт-5-ен-2-ил-метиламин (VIII). К смеси 35 мл абсолютного этилового спирта и 2 г КОН при интенсивном перемешивании в течение 30 мин добавляли 10.2 г (0.048 моль) соединения (VI). После кипячения в течение 6 ч реакционную смесь обрабатывали водой и эфиром, эфирный слой высушивали безводным сульфатом магния. После перегонки выделяли соединение (VIII) с Т_кип 98–99°С (3 мм рт. ст.), $n_{D}^{{20}}$ 1.5032, $d_{4}^{{20}}$ 0.9872; выход 79.1%, R_f 0.34. ИК-спектр, ν, см^–1: 3330, 3295, 3065, 2789, 2125, 1255, 915. Спектр ЯМР ¹Н, δ, м.д.: 1.54 т (Н¹), 3.65 д (Н²), 3.88 д (Н³), 2.35 м (Н⁴), 2.75 м (Н⁵), 1.32 м (Н⁶), 2.09 т (Н^6'), 1.50–1.70 м (Н^7,7), 2.37−2.55 м (СН₂N), 1.85 с (NН), 3.55 д, 3.80 д (СН₂С≡), 2.19 т (≡СН).

Аналогичным способом из соединения (VII) был получен аддукт (IX) с Т_кип 132–133°С (1 мм рт. ст.), $n_{D}^{{20}}$ 1.5112, $d_{4}^{{20}}$ 0.9997; выход 76.5%, R_f 0.25. ИК-спектр, ν, см^–1: 3330, 3290, 3067, 2820, 2120, 1260, 915. Спектр ЯМР ¹Н, δ, м.д.: 1.55 т (Н¹), 3.63 д (Н²), 3.89 д (Н³), 2.35 м (Н⁴), 2.70 м (Н⁵), 1.30 м (Н⁶), 2.10 м (Н^6'), 1.50–1.65 м (Н^7,7), 2.38–2.60 м (СН₂N), 3.50 д, 3.75 д (СН₂С≡), 2.22 т (≡СН).

Встречный синтез соединения (VIII). К перемешиваемому раствору 0.185 моль соединения (III) в 25 мл абсолютного диэтилового эфира при 15–20°С добавляли 21.7 мл 45%-ной надуксусной кислоты. Через 3 ч в реакционную смесь добавляли 50 мл 5%-го водного раствора бикарбоната натрия, промывали водой, высушивали сульфатом натрия и отгоняли растворитель. Перегонкой в вакууме выделили 78.5% соединения (VIII) с идентичными данными.

N-Метилдигидропиранил-N-пропаргилбицикло[2.2.1]гепт-5-ен-2-ил-метиламин (XII). Смесь 8.5 г (0.05 моль) соединения (III), 2.8 г (0.05 моль) акролеина, 10 мл толуола в присутствии 0.05 г гидрохинона нагревали в запаянной ампуле при 175–180°С в течение 8 ч. После обработки и двукратной разгонки выделяли соединение (XII) с Т_кип 92–93°С (3 мм рт. ст.), $n_{D}^{{20}}$ 1.5032, $d_{4}^{{20}}$ 0.9872; выход 65.5%, R_f 0.36. ИК-спектр, ν, см⁻¹: 3330, 3295, 2786, 2125, 1615. Спектр ЯМР ¹Н, δ, м.д.: 2.53–2.69 м (Н¹, Н⁴), 5.60–6.16 м (4 Н, Н², Н³, СН=СН в цикле), 2.80 м (Н⁵), 0.65 м (Н⁶), 2.10–2.30 м (Н^6'), 1.10–1.26 м (Н^7,7), 2.28–2.45 м (СН₂N), 3.40–3.70 м (СН₂С≡), 2.21 т (≡СН), 2.85–3.05 м (СН в цикле), 3.12–3.38 м (4Н, СН₂СН₂).

Определение бактерицидной активности. Испытание полученных соединений норборненового ряда (I–XII) на бактерицидную активность против СВБ проводили по стандартной методике [7, 16]. Накопительные культуры СВБ выделяли из пластовой воды. Основу полученной накопительной культуры составляли бактерии вида Desulfovibrio desylfuricans. Исследуемую культуру многократными пересевами очищали от сопутствующих микроорганизмов и использовали в период наибольшей активности (после 3–4 сут). В качестве питательной среды использовали среду “Постгейта В”. Пробирки, содержащие исследуемые вещества, питательную среду и культуру СВБ, выдерживали в термостате при 32°C 10–12 сут. Для каждой концентрации проводили три параллельных опыта, после чего иодометрическим титрованием определяли количество образовавшегося биогенного сероводорода. В качестве контрольных использовали пробы без добавок бактерицида.

Бактерицидную активность оценивали по степени подавления роста СВБ по формуле: $z = \frac{{{{C}_{1}} - {{C}_{2}}}}{{{{C}_{1}}}} \times 100\% $, где C₁ и C₂ – содержание сероводорода соответственно в контролируемой и исследуемых пробах, мг/л.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В результате проведенных исследований показано, что при взаимодействии аминосодержащего норборнена с пропаргилбромидом в зависимости от мольного соотношении образуются соответствующие аддукты норборненового ряда, содержащие в боковой цепи терминальную ацетиленовую связь и аминную группу (соединения I, II). Строение синтезированных соединений подтверждены данными ИК- и ПМР-спектров. В ИК-спектрах соединений (I, II) имеются полосы поглощения при 1180, 2100, 3270−3290 и 3360 см^–1, характерные для терминальной ацетиленовой (≡СН, С≡С), вторичной N−Н- и С−N-связей. В спектрах ПМР соединений (I, II) пропаргильная группа проявляется в виде триплета при δ = 2.30 м.д. (1Н, ≡СН, J = = 2.5 Гц), дублетом при δ = 4.30 м.д. (2Н, NСН₂С≡, J = 2. 5 Гц) и синглета при δ =1.70 м.д. (1Н, NН).

Установлено, что синтезированный норборнен, содержащий в боковой цепи аминную группу и пропаргильный фрагмент (I), вступает в реакцию с аллил-, металлил- и 2,3-дихлорпропенами, с образованием соответствующих аминсодержащих норборненов (III–V), включающих в свой состав одновременно аллильную и пропаргильную группы.

В дальнейшем хлорзамещенное производное (V), подвергается дегидрохлорированию в присутствии едкого калия с образованием аминсодержащего норборнена с двумя терминальными ацетиленовыми фрагментами (II):

В ИК-спектрах соединений (III–V) наряду с полосами поглощения свойственными для терминальной ацетиленовой связи, обнаружены также полосы при 3090 и 1640 см^–1, харак-терные для CH₂=CX-групп. В спектрах ПМР соединений (III–V) аллильный фрагмент проявляется в виде мультиплета δ = 5.10 м.д. (2Н, СН₂), 5.85 м.д. (1Н, СН=), дублетом при δ = 4.30 м.д. (2Н, NСН₂ С≡, J = 2.5 Гц).

Установлено, что норборнены ацетиленового ряда (I, II) легко реагируют при 50–55°С с HOCl в момент их образования (in situ) в индуцированной системе HCl + H₂O₂ с образованием соответствующих хлоргидринов (VI, VII) по реакциям:

В ИК-спектрах соединений (VI, VII) обнаружены полосы поглощения в областях 3360–3460, 2235–2250, 760–600 см^–1, характерные для связей O–H, C≡C и C–Cl соответственно. Наряду с этим отсутствуют полосы поглощения валентных колебаний связи С=С в области 1635–1650 см^–1.

Установлено, что хлоргидрин норборнанового ряда (VI), содержащий в боковой цепи ацетиленовую связь и аминную группу, легко дегидрохлорируется в присутствии порошкообразного гидроксида кали, образуя при этом соответствующий эпоксид (VIII) с выходом 85.4%:

Строение полученного эпоксида (VIII), наряду с физико-химическими показателями, было доказано также встречным синтезом: эпоксидированием соответствующего норборнена (I) с помощью пероксиуксусной кислоты. Выход целевого продукта при этом составлял 78,8%.

В ИК-спектре соединения (VIII) присутствие оксиранового цикла подтверждается наличием полос поглощения при 915, 3065, 1260–1240 см⁻¹, обусловленных колебаниями связей C–H метиновой и метиленовой группы эпоксидного цикла. Протекание реакции по оксирановому циклу подтверждено исчезновением в ИК-спектрах соединения (VIII) полосы поглощения, характерной для оксиранового цикла. В ЯМР¹Н-спектре соединений (VIII) в области сильных полей проявляется мультиплетный сигнал с химическим сдвигом при δ 1.32 м.д., отвечающий эндо-протону при атоме C⁶, а в слабом поле при δ 2.09 м.д. проявляется триплетный сигнал протона C⁶Н_экзо. Протон C⁵Н_экзо дает мультиплетный сигнал при δ 2.75 м.д. Из значений констант спин-спинового взаимодействия (КССВ) (J_6,6' 12.2–12.5 Гц, J_{5,6 эндо} 5.0–5.3 Гц, J_{5,6 экзо} 9.5–9.7 Гц) следует об эндо-конфигурация полученного аддукта. В области сильных полей при δ 1.70 м.д. проявляются протоны ${\text{H}}_{{а н т и }}^{7}$ и ${\text{H}}_{{с и н }}^{7}$. Сигналы протонов при атомах С² и С³ проявляются при δ 3.65 м.д. и δ 3.88 м.д. Величина вицинальной КССВ этих атомов J_{2, 3} равна 4.5–4.7 Гц.

Установлено, что как хлоргидрин диацетиленового ряда, соединение (VII) легко дегидрохлорируется в присутствии порошкообразного едкого калия, образуя при этом соответствующий оксиран (IX) (85.5%) по реакции:

Присутствие оксиранового цикла в молекуле соединения (IX) подтверждается наличием в ИК-спектре полосы поглощения при 915, 3060 см^–1 и 1260–1235 см^–1, обусловленных колебаниями C–H-связей метиновой и метиленовой группы эпоксидного кольца.

При взаимодействии аминсодержащего норборнена (I) с акрил- и метакрилоил хлоридами реакция протекают по аминнной группе и образуются аминсодержащие непредельные кетоны норборненового ряда (IX, X):

В ИК-спектрах соединений (IX, X) наряду с полосами поглощения, принадлежащие для терминальной ацетиленовой (3300, 2125 см^–1) и двойной С=С-связи (1645 см^–1) обнаружены также полосы при 1220, 1743 см^–1, характерные для валентным колебаниям С–N- и C=О-связи соответственно.

Установлено, что N-аллил-N-пропаргилбицик-ло[2.2.1]гепт-5-ен-эндо-2-ил-метиламин (III), вступает в гетеродиеновую конденсацию с акролеином при 175–180°С с образованием дигидропиран производного (XII) с выходам 65.6% по схеме:

Чистота синтезированного соединения (XII) подтверждена данными ТСХ и ГЖХ, а строение – ЯМР ¹Н и ИК-спектроскопией. В ЯМР ¹Н-спектре соединений, найдены химические сдвиги при 4.93 с (1H, CH), 1.86 м (4Н, 2СН₂), 4.66 д (1Н, СН=С), 6.06 с (1Н, С=СН), свойственные атомами водорода дигидропиранового цикла.

Усредненные результаты бактерицидного действия синтезированных веществ (I−XII) в отношении СРБ представлены в таблице. Как видно из результатов испытаний все синтезированные реагенты обеспечивают полное подавления роста СВБ при содержании 500 мг/л. Наиболее интересен N-(2-метилпроп-2-ен-1-ил)-N-пропаргилбицикло[2.2.1]гепт-5-ен-эндо-2-ил-метиламин (IV) для которого полное подавление роста СВБ начинается при содержании 100 мг/л. Для соединений (I–III, VI, VIII) этот эффект проявляется при содержании 200 мг/л. Полученные данные показывают, что для синтезированных соединений сложно проследить корреляцию их строения с бактерицидными свойствами в отношении СВБ. По-видимому, их бактерицидная активность является результатом комплексного воздействия активных групп молекул на СВБ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработаны методики синтеза 11 функционально замещенных пропаргиламинов – производных норборнена. Полученные соединения обладают бактерицидным действием в отношении СВБ бактерий. Все синтезированные соединения при содержании в растворе 500 мг/л способны полностью подавлять деятельность этих микроорганизмов. Наиболее эффективный – N-(2-метилпроп-2-ен-1-ил)-N-пропаргилбицикло[2.2.1]гепт-5-ен-эндо-2-ил-метиламин (IV) проявляет этот эффект уже при 100 мг/л. Разработанные нами ацетиленовые соединения расширяют ассортимент бактерицидов для подавления роста сульфатвосстанавливающих бактерий и могут быть рекомендованы в качестве ингибиторов микробиологической коррозии металлов.