Бициклические амидины и способ их получения

 

Изобретение относится к новым защищенным бициклическим амидинам формулы I, где А выбирают из группы -CR¹R²-CR³R⁴-CR⁵R⁶-; -CR¹R²-CR³R⁴-CR⁵R⁶-CR⁷R⁸ или -CR¹R²-CR³R⁴-CR⁵R⁶-CR⁷R⁸-CR⁹R¹⁰, где заместители в А соответственно пронумерованы, начиная от атома азота; В выбирают из группы: -CR¹¹R¹²-CR¹³R¹⁴-, -CR¹¹R¹²-CR¹⁵R¹⁶-CR¹⁷R¹⁸-CR¹³R¹⁴; R¹ и R¹⁴ соответственно независимо друг от друга обозначают водород, C₁-C₄-алкил; R¹⁵-R¹⁸ соответственно независимо друг от друга обозначают водород, C₁-C₄-алкил, или по крайней мере один из R¹⁵-R¹⁸ означает амино-, C₁-C₄-алкиламино-, или замещенный аминогруппой или C₁-C₄-алкиламиногруппой C₁-C₄-алкил; и способу их получения. Амидины по изобретению пригодны, в частности, в качестве катализаторов для получения полиуретанов и по сравнению с известными бициклическими амидинами обладают тем преимуществом, что прочно связываются с полиуретаном. Одностадийный способ заключается во взаимодействии лактона общей формулы (II), где А имеет вышеуказанное значение, с по меньшей мере эквимолярным количеством амина общей формулы H₂N-B-NH₂ (III), имеет вышеуказанное значение, при нагревании до по крайней мере 150^oС в присутствии кислого катализатора и полученную таким образом реакционную смесь без выделения промежуточного продукта подвергают фракционной перегонке. 2 с. и 8 з.п. ф-лы.

Настоящее изобретение относится к новому способу получения бициклических амидинов реакцией лактонов с первичными аминами. Оно относится также к новым бициклическим амидинам с функциональными группами, в частности, с аминогруппами. Бициклические амидины могут быть использованы, например, в качестве катализаторов для получения полиуретанов.

Бициклические амидины представляют собой сильные органические основания, которые из-за их высокой основности при незначительной нуклеофильности и их хорошей растворимости почти во всех растворителях находят многочисленное применение. Особенно известны обычно обозначаемые сокращениями DBN и DBU соединения: 1,5-диазабицикло[4.3.0] нон-5-ен (2,3,4,6,7,8-гексагидропирроло [1,2-а] пиримидин) и 1,8-диазабицикло[5.4.0] -ундец-7-ен (2,3,4,6,7,8,9,10-октагидропиримидо[1,2-а]азепин).

Обзор о применениях этих соединений в химических синтезах представлен, например, в "Synthetica Merck", том II. E.Merck, Дармштадт, 1974, с.118-119, 124.

В известном способе получения бициклических амидинов исходят из N-(ω- аминоалкил)лактамов, которые при нагревании с кислыми катализаторами циклизуются с отщеплением воды, образуя амидины (патент ФРГ 15 45 855).

N-(ω- аминоалкил)лактамы получают, например, из соответствующих цианосоединений путем гидрирования, так, в частности, получают N-(γ- аминопропил)пирролидон из N-(β- цианэтил)пирролидона (см., например, W.Reppe и др., Justus Liebigs Ann.Chem. 1955, 596, c.211). N-(ω- аминоалкил)лактамы также можно получать из соответствующих лактонов и α,ω- -диаминоалканов (патент ФРГ 730 182). Известные способы получения бициклических амидинов обладают тем недостатком, что они включают по меньшей мере две стадии синтеза с обработкой промежуточных продуктов.

Известно, что бициклические амидины могут быть использованы в качестве катализаторов для получения полиуретанов (патент Франции 1542058). Однако существенный недостаток заключается в том, что они не связываются прочно с полиуретаном и поэтому со временем выделяются из него при растворении или диффундируют из него. Это может приводить к повреждениям материалов в окружающей среде или даже к нанесению вреда людям, которые находятся в контакте с полиуретаном. В любом случае это причиняет вред окружающей среде.

Задачей настоящего изобретения поэтому является, с одной стороны, разработка улучшенного и упрощенного способа получения бициклических амидинов и, с другой стороны, получение новых соединений из этого класса соединений, которые при применении в качестве катализатора для получения полиуретанов настолько прочно связываются с полимером, что более не обладают никакой, достойной упоминания, тенденцией к миграции.

Согласно изобретению задача решается с помощью нового способа получения бициклических амидинов формулы I и благодаря новым соединениям формулы I.

Обнаружено, что бициклические амидины общей формулы
можно получать в одну стадию без выделения или очистки промежуточных стадий при нагревании соответствующего лактона общей формулы

с эквимолярным количеством амина общей формулы
H₂N - B - NH₂
в присутствии кислого катализатора при температуре до по крайней мере 150^oC и фракционной перегонке реакционной смеси.

Группа А в лактоне (II) и амидине (I) обозначает соответственно 3-,4-или 5-членную углеводородную цепь формулы -CR¹R²-CR³R⁴-CR⁵R⁶-; -CR¹R²-CR³R⁴-CR⁵R⁶-CR⁷ R⁸- или -CR¹R²-CR³R⁴-CR⁵R⁶-CR⁷R⁸-CR⁹R¹⁰-, причем R¹ и R² соответственно связаны с атомом углерода, соседним с гетероатомом (заместители в А пронумерованы, начиная от атома азота). Группа B в амине (III) и амидине (I) соответственно обозначает 2-, 3- или 4-членную углеводородную цепь формулы -CR¹¹R¹²-CR¹³R¹⁴-; -CR¹¹R¹²-CR¹⁵R¹⁶-CR¹³R¹⁴- или -CR¹¹R¹²-CR¹⁵R¹⁶-CR¹⁷R¹⁸-CR¹³ R¹⁴-.

Тем самым общая формула I охватывает бициклические амидины с 5-, 6-или 7-членными кольцами, причем оба кольца могут иметь одинаковое или разное число членов. Соответственно общая формула (II) охватывает лактоны с 5-7 членами в кольце, то есть γ-, δ- или ε- лактоны. Заместители R¹-R¹⁴ независимо друг от друга обозначают водород, C₁-C₄-алкил. Заместители R¹⁵-R¹⁸, соответственно, независимо друг от друга обозначают водород, C₁-C₄-алкил, или, по крайней мере, один из R¹⁵-R¹⁸ означает амино-, C₁-C₄-алкиламино-, или замещенный аминогруппой или C₁-C₄-алкиламиногруппой C₁-C₄-алкил. Под выражением "C₁-C₄-алкил" понимаются все первичные, вторичные и третичные неразветвленные или разветвленные алкильные группы с количеством атомов углерода до 4, то есть метил, этил, пропил, бутил, изопропил, изобутил, втор.-бутил и трет. -бутил. В качестве лактонов пригодны, например, γ- бутиролактон, γ- и β- валеролактон, ε- капролактон или замещенные лактоны. Функциональные группы в качестве заместителей, то есть амино- или алкиламиногруппы, находятся в остатке В амина формулы (III). В качестве аминов формулы (III) поэтому рассматриваются не только первичные диамины, но также и соединения с дополнительными первичными или вторичными аминогруппами. Пригодными аминами являются, например, 1,2-диаминоэтан, 1,2-диаминопропан, 1,3-диаминопропан, 1,2,3-триаминопропан, 1,1,1- трис(аминометил)этан или тетракис(аминометил)метан. Если используются амины с несимметричными первичными аминогруппами, как, например, 1,2- диаминопропан или 1,2,3-триаминопропан, то, при определенных условиях, могут образовываться смеси продуктов.

При преобразовании лактона (II) с амином (III) целесообразно соблюдать молярное соотношение по крайней мере 1 моль амина на 1 моль лактона. Предпочтительно используют 2-20 молей амина на 1 моль лактона. Избыток амина можно регенерировать при обработке реакционной смеси.

Реакцию целесообразно осуществлять при температуре по меньшей мере 150^oC. Предпочтительно температура реакции должна находиться между 200 и 300^oC. Можно добавлять инертный растворитель, как, например, толуол или ксилол, однако необязательно. Предпочтительно реакцию проводят без растворителя. Для достижения температуры реакции в общем случае необходимо поддерживать реакционную смесь при повышенном давлении, так как температуры кипения многих продуктов при нормальном давлении ниже, чем температура реакции. Для этого можно применять обычные автоклавы. Для ускорения реакции добавляют кислый катализатор. Для этой цели пригодны кислоты Бронштеда, как, например, соляная кислота, серная кислота, фосфорная кислота, или хлорид аммония или также кислые силикаты алюминия или кислые оксиды металлов, как, например, оксид олова (IV) или оксид сурьмы (III).

Реакционную смесь, полученную согласно изобретению, перегоняют без выделения промежуточного продукта. По практическим соображениям для этого обычно ее переводят из автоклава в устройство для перегонки. В случае, если в распоряжении имеется соответствующим образом оснащенная аппаратура, которая пригодна как для повышенного давления, так и для вакуума, то, естественно, что взаимодействие лактона с амином и перегонку можно осуществлять в одной и той же аппаратуре. При перегонке сначала отгоняется образовавшаяся при циклизации вода и избыточный амин, а затем амидин. В зависимости от температуры кипения продукта перегонку осуществляют при соответствующем пониженном давлении.

Согласно способу по изобретению можно получать не только упомянутые во вводной части известные бициклические амидины, как, например, DBN и DBU, но также новые соединения из этого класса веществ, свойства которых ранее также не были известны.

При этом обнаружено, что бициклические амидины формулы (I), в которых по крайней мере один из заместителей R¹⁵-R¹⁸ соответственно имеет первичную или вторичную аминогруппу, можно применять в качестве катализатора для получения полиуретанов, и они настолько прочно связываются с полимером, что ни при использовании, ни при обычном испытании на экстракцию не было обнаружено миграции. По всей вероятности, дополнительные функциональные группы при получении полиуретана реагируют с изоцианатными группами изоцианатной компоненты полиуретана с образованием ковалентных связей. Естественно, что дополнительные функциональные группы также могут принимать участие в других органических реакциях с полимерными или неполимерными изоцианатами, эпоксидами, карбоновыми кислотами, производными карбоновых кислот или другими соединениями. Предпочтительно дополнительными функциональными группами являются амино- или аминоалкильные группы, как, например, аминометильные группы.

Особенно предпочтительны соединения:
3-амино-2,3,4,6,7,8-гексагидропирроло[1,2-а]пиримидин формулы:

3-(аминометил)-2,5,6,7-тетрагидро-3H-пирроло[1,2-а]имидазол формулы:

как индивидуально, так и в виде смеси, и 3-(аминометил)-3- метил-2,3,4,6,7,8-гексагидропирроло[1,2-а]пиримидин формулы:

Нижеследующие примеры поясняют осуществление способа по изобретению, а также свойства при применении соединений по данному изобретению.

Пример 1.

Получение 2,5,6,7-тетрагидро-3H-пирроло[1,2-а] имидазола (1,4-диазабицикло[3,3,0]окт-4-ен)
Смесь из 129 г (1,5 моля) γ- бутиролактона, 8 г (0,15 моля) хлорида аммония и 360 г (6 моль) 1,2-диаминоэтана нагревают в автоклаве до 250^oC. Через 2,5 часа смесь охлаждают и отгоняют избыточный диаминоэтан и образовавшуюся воду. Остаток перегоняют при 200^oC/200 мбар. Путем нагревания дистиллята в вакууме удаляют остаточную воду.

Выход: 125 г (76%) бесцветного масла, которое постепенно затвердевает в воскообразную массу.

Пример 2.

Получение 3-амино-2,3,4,6,7,8-гексагидропирроло [1,2-а]пиримидина и 3-(аминометил)-2,5,6,7-тетрагидро-3H-пирроло[1,2-а]имидазола
Аналогично примеру 1 21,52 г (0,25 моля) γ бутиролактона в присутствии 1,34 г (25 ммоль) хлорида аммония взаимодействует с 83,43 г (0,94 моля) 1,2,3-триаминопропана. Оставшийся после отгонки избыточного амина и воды остаток перегоняют при 170-200^oC/0,1 мбар (температура бани).

Выход: 22,2 г (64%) желтоватого масла. T_кип. 95-97^oC/2 мбар.

Продукт состоит согласно ГХ примерно на 90% из изомера с пирроло[1,2-а] пиримидинового соединения и примерно на 10% из изомера - пирроло[1,2-а] имидазольного соединения.

3-амино-2,3,4,6,7,8-гексагидропирроло[1,2-а]пиримидин
¹H-ЯМР (CDCl₃, 400 МГц) δ: 1,96 (quint, 2Н, Н-7); 2,45 (t, 2Н, Н-8); 2,7-2,8 (m, 1Н, Н-4_a); 3,05 (t, 1H, H-2_a); 3,1-3,2 (m, 1H, H-3); 3,3 (t, 2Н, H-6); 3,35 (t, 1H, Н-4_b); 3,45-3,5 (m, 1H, H-2_b);
¹³H-ЯМР (100 МГц) δ: 160,5 (s, С-8_a); 52,88 (t, C-2); 51,4 (t, C-6); 50,9 (t, C-4); 43,0 (t, C-3); 30,9 (t, C-8); 20,0 (t, C-7).

3-(аминометил)-2,5,6,7-тетрагидро-3H-пирроло[1,2-a]имидазол
¹H-ЯМР (CDCl₃, 400 МГц) δ: 2,28-2,32 (m, 2Н, Н-6); 2,32-2,35 (m, 2Н, Н-7); 2,75 (m, 1H, CH_aNH₂); 2,85 (m, 2Н, H-5); 3,3 (m, 1H, CH_bNH₂); 3,4 (m, 1H, H-3); 3,8 (dd, 1H, Н-2_a); 4,15 (dd, 1H, H-2b);
¹³С-ЯМР (CDCl₃, 100 МГц) δ: 175,8 (s, C-7_a); 64,5 (t, C-2); 64,3 (d, C-3); 45,8 (t, CH₂NH₂); 44,3 (t, C-5); 25,4 (t, C-7); 22,6 (t, С-6).

Пример 3.

Получение 3-(аминометил)-З-метил-2,3,4,6,7,8-гексагидропирроло [1,2-a] пиримидина
Смесь из 21,03 г (0,24 моля) γ бутиролактона и 1,31 г (24 ммоля) хлорида аммония в 114,5 г (0,98 моля) 1,1,1-трис(аминометил)этана нагревают в автоклаве до 250^oC. Через 1,5 часа смесь охлаждают и отгоняют избыточный амин и образовавшуюся воду. Остаток перегоняют при 200-240^oC/18 мбар.

Выход: 22,0 г (54%) желтоватого масла.

T_кип.: 117-120^oC/1 мбар.

¹H-ЯМР (CDCl₃, 400 МГц) δ: 0,91 (s, 3H, CH₃); 1,95 (quint, 2H, Н-7); 2,45 (t, 2H, Н-8); 2,53 (dd, 2H, CH₂NH₂); 2,84 (dd, 1H, H-4_a); 3,0 (m, 2H, H-23, Н-4_b); 3,13 (dd, 1H, H-2_b); 3,28 (dt, 2H, H-6);
¹³C-ЯМР (CDCl₃, 100 МГц) δ: 160,1 (s, C-8_a); 53,5 (t, C-2); 51,5 (t, C-6); 51,3 (t, C-4); 48,5 (t, CH₂NH₂; 32,0 (s, C-3); 30,9 (t, C-8); 20,9 (q, CH₃); 19,9 (t, C-7).

Пример 4.

Получение 2,5,6,7-тетрагидро-3H-пирроло[1,2-а]имидазола
Смесь из 86 г (1 моль) γ- бутиролактона и 2 мл 98%-ной серной кислоты в 240 г (4 моля) 1,2-диаминоэтана нагревают в автоклаве до 250^oC. Через 4,5 часа реакционную смесь охлаждают и обрабатывают как описано в примере 1.

Выход: 90 г (82%); свойства см. в примере 1.

Пример 5.

Получение 2,3,4,6,7,8-гексагидропирроло[1,2-а] пиримидина (1,5-диазабицикло[4,3,0]нон-5-ен, DBN)
Смесь из 43 г (0,5 моля) γ- бутиролактона и 2,68 г (25 ммоль) хлорида аммония в 148 г (2 моля) 1,3-диаминопропана нагревают в автоклаве до 250^oC. Через 4,5 часа смесь охлаждают и отгоняют избыточный амин и образовавшуюся воду до давления 250 мбар. Остаток перегоняют в вакууме.

Выход: 47 г (75%) бесцветной жидкости.

T_кип. 98^oC/12 мбар.

Пример 6.

Получение 2,3,4,6,7,8,9,10-октагидропиримидо[1,2-а] азепина (1,8-диазабицикло[5,4,0]ундец-7-ен, DBU)
Поступают как в примере 5, с тем различием, что вместо γ- бутиролактона используют 57 г (0,5 моля) ε- капролактона.

Выход: 16 г (21%) бесцветной жидкости.

T_кип: 115^oC/8 мбар.

Примеры 7-9.

Получение полиуретанов с бициклическими амидинами в качестве катализатора
Общая методика:
При комнатной температуре 50 г ароматического полиизоцианата на основе дифенилметандиизоцианата (примерно 32% NCO) при перемешивании с помощью стеклянной палочки добавляют к раствору из 0,5 г амидина в 55 г трифункционального гидроксилсодержащего разветвленного простого полиэфира (Desmophen® 550 U, примерно 11,5% OH). Из смеси соответственно отливают пленку толщиной примерно 200 мкм. После отверждения определяют миграционную способность амидина методом экстракции. Для этого соответственно 10 г полученной таким образом пленки разрезают на маленькие кусочки и выдерживают в 40 мл метанола при комнатной температуре. Через различные промежутки времени в образцах метанола с помощью ГХ определяют содержание амидина.

Пример 7 (Сравнительный пример).

В качестве амидина используют 2,3,4,6,7,8-гексагидропирроло[1,2-а] пиримидин (DBN). Время желатинизации составило 3 минуты 15 секунд.

Содержание амидина в опыте по экстракции:
через 1 час примерно 0,012%
через 1 день примерно 0,06%
через 14 дней примерно 0,1%
Через 14 дней, таким образом, проэкстрагировалась большая часть общего амидина.

Пример 8.

В качестве амидина используют смесь из примерно 90% 3-амино-2,3,4,6,7,8-гексагидропирроло[1,2-а] пиримидина и из примерно 10% 3-(аминометил)-2,5,6,7-тетрагидро-3H-пирроло[1,2-а]имидазола (получено согласно примеру 2). Время желатинизации составило 3 минуты 30 секунд.

Содержание амидина:
через 1 час < 10 част./млн
через 1 день < 10 част./млн
через 14 дней < 10 част./млн
Пример 9.

В качестве амидина используют 3-(аминометил)-3-метил- 2,3,4,6,7,8-гексагидропирроло[1,2-а] пиримидин (получен согласно примеру 3). Время желатинизации составило 3 минуты. Содержание амидина:
через 1 час < 10 част./млн
через 1 день < 10 част./млн
через 14 дней < 10 част./млн
В амидинах по изобретению проэкстрагированное количество даже спустя 14 дней еще находится ниже предела обнаружения.

Примеры 10-12.

Общая методика:
При комнатной температуре 40 г алифатического триизоцианата (примерно 23% NCO) при перемешивании с помощью стеклянной палочки добавляют к раствору из 0,44 г амидина и 30 мг дибутилдилаурата олова в смеси из трифункциональных гидроксилсодержащих разветвленных простых полиэфиров Desmophen® 550 U, примерно 11,5% ОН и Desmophen® 1915 U, примерно 1,1% OH) каждого по 24 г. Смесь отливают в пленку толщиной примерно 200 мкм, с которой поступают также, как в примерах 7-9.

Пример 10 (Сравнительный пример).

В качестве амидина используют 2,3,4,6,7,8-гексагидропирроло[1,2-а] пиримидин (DBN). Время желатинизации составило 70 секунд. Содержание амидина в опыте по экстракции:
через 1 день < 10 част./млн
через 14 дней < 10 част./млн
через 2 месяца 0,03%
Пример 11.

В качестве амидина используют смесь из примерно 90% 3-амино-2,3,4,6,7,8-гексагидропирроло[1,2-а]пиримидина и примерно 10% 3-(аминометил)-2,5,6,7-тетрагидро-3H-пирроло[1,2-а]имидазола (получено согласно примеру 2). Время желатинизации составило 75 секунд.

Содержание амидина:
через 1 час < 10 част./млн
через 14 дней < 10 част./млн
через 2 месяца < 10 част./млн
Пример 12.

В качестве амидина используют 3-(аминометил)-3-метил-2,3,4,6,7,8- гексагидропирроло[1,2-а]пиримидин (получен согласно примеру 3). Время желатинизации составило 65 секунд.

Содержание амидина:
через 1 час < 10 част./млн
через 1 день < 10 част./млн
через 2 месяца < 10 част./млн
Примеры 10-12 показывают также, при более длительной продолжительности испытания (2 месяца), значительное уменьшение склонности к миграции.

Формула изобретения

1. Способ получения бициклических амидинов общей формулы I

где А выбирают из группы
-CR¹R²-СR³R⁴-СR⁵R⁶-;
-CR¹R²-СR³R⁴-СR⁵R⁶-СR⁷R⁸-;
или -CR¹R²-СR³R⁴-СR⁵R⁶-СR⁷R⁸-СR⁹R¹⁰-,
где заместители в А соответственно пронумерованы, начиная от атома азота;
В выбирают из группы
-СR¹¹R¹²-СR¹³R¹⁴-;
-СR¹¹R¹²-СR¹⁵R¹⁶-СR¹³R¹⁴-;
-СR¹¹R¹²-СR¹⁵R¹⁶-СR¹⁷R¹⁸-СR¹³СR¹⁴-,
R¹ - R¹⁴ соответственно независимо друг от друга обозначают водород, С₁-C₄-алкил;
R¹⁵ - R¹⁸ соответственно независимо друг от друга обозначают водород, С₁-C₄-алкил, или по крайней мере один из R¹⁵ - R¹⁸ обозначает амино-, С₁-C₄-алкиламино- или замещенный аминогруппой или С₁-C₄-алкиламиногруппой С₁-C₄-алкил,
отличающийся тем, что лактон общей формулы II

где А имеет вышеуказанное значение,
нагревают вместе с по меньшей мере эквимолярным количеством амина общей формулы III
H₂N - B -NH₂
где В имеет вышеуказанное значение,
до по крайней мере 150^oC в присутствии кислого катализатора и полученную таким образом реакционную смесь без выделения промежуточного продукта подвергают фракционной перегонке.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве кислого катализатора используют кислоту Бронстеда, такую, как, например, серная кислота и хлорид аммония.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что амин (III) используют в количестве 2 - 20 моль на 1 моль лактона (II).

4. Способ по одному или нескольким пп.1 - 3, отличающийся тем, что в качестве лактона (II) используют соединение из группы: γ-бутиролактон, γ-валеролактон, δ-валеролактон, ε-капролактон, пантолактон.

5. Способ по одному или нескольким пп.1 - 4, отличающийся тем, что в качестве амина (III) используют соединение из группы: 1,2-диаминоэтан, 1,2-диаминопропан, 1,3-диаминопропан, 1,2,3-триаминопропан, 1,1,1-трис(аминометил)этан, тетракис(аминометил)метан.

6. Бициклические амидины общей формулы I

где А, В и при определенных условиях содержащиеся в А и В заместители R¹-R¹⁸ имеют указанное в п.1 значение при условии, что по крайней мере один из заместителей R¹⁵-R¹⁸ обозначает амино-, С₁-C₄-алкиламиногруппу, и/или замещенный амино- или С₁-C₄-алкил,
а также их смеси.

7. Бициклические амидины по п.6, отличающиеся тем, что по крайней мере один из заместителей R¹⁵-R¹⁸ обозначает амино- или аминометильную группу.

8. Бициклические амидины по п.6, отличающиеся тем, что они представляют собой 3-амино-2,3,4,6,7,8,-гексагидропирроло[1,2-а]пиримидин формулы

9. Бициклические амидины по п.6, отличающиеся тем, что они представляют собой 3-(аминометил)-2,5,6,7-тетрагидро-3H-пирроло [1,2-a]имидазол формулы

10. Бициклические амидины по п.6, отличающиеся тем, что они представляют собой 3-(аминометил)-3-метил-2,3,4,6,7,8, -гекагидропирроло[1,2-a]пиримидин формулы
д