New Chemistry of N´-Arylbenzamidines
Total Page:16
File Type:pdf, Size:1020Kb
DEPARTMENT OF CHEMISTRY NEW CHEMISTRY OF N΄-ARYLBENZAMIDINES Mirallai DOCTOR OF PHILOSOPHY DISSERTATION I. STYLIANA IOANNIS MIRALLAI Styliana 2015 Mirallai I. Styliana DEPARTMENT OF CHEMISTRY NEW CHEMISTRY OF N΄-ARYLBENZAMIDINES STYLIANA IOANNIS MIRALLAIMirallai I. A Dissertation Submitted to the University of Cyprus in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy Styliana AUGUST 2015 Mirallai I. Styliana © Styliana Ioannis Mirallai, 2015 VALIDATION PAGE Doctoral Candidate: Styliana Ioannis Mirallai Doctoral Thesis Title: New Chemistry of N΄-Arylbenzamidines The present Doctoral Dissertation was submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy at the Department of Chemistry and was approved on the ………………. by the members of the Examination Committee. Examination Committee: 1. Dr. Panayiotis A. Koutentis, University of Cyprus (Research Supervisor) Mirallai…………..…………….. 2. Prof. Rainer Beckert, Friedrich-SchillerI. University of Jena (External Examiner) …………..…………….. 3. Dr. Fawaz Aldabbagh, National University of Ireland, Galway (External Examiner) …………..…………….. 4. Dr. Athanassios Nicolaides, University of Cyprus (Internal Examiner) Styliana …………..…………….. 5. Dr. Nikos Chronakis, University of Cyprus (Committee Chairman) …………..…………….. i Mirallai I. Styliana ii EXPERIMENTAL PROCESSES ACCOMPLISHMENT STATEMENT The present doctoral dissertation was submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy of the University of Cyprus. The work described within this thesis has been carried out exclusively by Styliana I. Mirallai at the Organic Chemistry Research Laboratory, Department of Chemistry, University of Cyprus under the supervision of Dr. Panayiotis A. Koutentis (September 2009-June 2015). The exceptions include: the elemental analysis of all compounds performed by Stephen Boyer at London Metropolitan University and the single crystal X-ray crystallography studies performed by Dr. Maria Manoli and Dr. Manolis J. Manos. Mirallai I. Date ………………………. Name/Signature …………………………………………. Styliana iii Mirallai I. Styliana iv “Always choose the hard way” Mirallai I. Styliana v Mirallai I. Styliana vi ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα διδακτορική διατριβή αρχίζει με μια σύντομη εισαγωγή (Κεφάλαιο 1) στην ετεροκυκλική χημεία, η οποία στη συνέχεια επικεντρώνεται στο άζωτο ως ετεροάτομο σε αρωματικά συστήματα, καθώς επίσης και στην χρήση των αμιδινών ως πρόδρομα μόρια για τη σύνθεση ιμιδαζολών και πυριμιδινών. Στο Κεφάλαιο 2, γίνεται αρχικά διερεύνηση της κλασικής σύνθεσης των N'- αρυλοβενζαμιδινών 126, χρησιμοποιώντας ως πρόδρομα μόρια ανιλίνες και βενζονιτρίλια υπό την παρουσία του AlCl3. Ακολούθως, παρουσιάζεται μια βελτιωμένη σύνθεση των N'-αρυλοβενζαμιδινών 126, η οποία απαιτεί τον σχηματισμό του συμπλόκου βενζονιτρίλιο-AlCl3 πριν από την προσθήκη της ανιλίνης. Έχοντας συνθέσει μια μικρή βιβλιοθήκη από 2-αμινοφαινυλο-N'-αρυλοβενζαμιδίνες 75 διερευνήσαμε την αντίδρασή τους με τα ηλεκτρονιόφιλα 4,5-διχλωρο-1,2,3-διθειαζολικό χλωρίδιο (74) (Appel salt) και τετρακυανοαιθένιο (TCNE): Η επεξεργασία των 2- αμινοφαινυλο-N'-αρυλοβενζαμιδινών 75 με το Appel salt 74 έδωσε τα καινούρια 3-αρυλ- 4-ιμινο-3,4-διυδροκιναζολινο-2-καρβονιτρίλια 103Mirallai (Κεφάλαιο 3). Αντιθέτως, η επεξεργασία των 2-αμινοφαινυλ-N'-αρυλβενζαμιδινών 75 με το TCNE αναφέρεται ότι, οδηγεί στον σχηματισμό των ισομερών 4-αρυλoκιναζολινο-2-καρβονιτριλίων 76. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται η επαναδιερεύνI.ηση της αντίδρασης η οποία οδήγησε στην εύρεση τριών διαφορετικών συνθηκών οι οποίες δίνουν ως κύρια προϊόντα τα [4H- ιμιδαζολο-4-υλιδενο]μαλονονιτρίλια 106, τα 4-αρυλoκιναζολινο-2-καρβονιτρίλια 76 ή τις ιμινοκιναζολίνες 103, αντίστοιχα. Στο Κεφάλαιο 5, η προαναφερθείσα αντίδραση με το TCNE απλουστεύθηκε για την αποφυγή του σχηματισμού των κιναζολινών 76 ή 103. Επομένως, η αντικατάσταση των 2- αμινοφαινυλο-N'-αρυλοβενζαμιδινών 75 με τις N'-αρυλοβενζαμιδίνες 126 οδήγησε στον σχηματισμό των (1,2,2-τρικυανοβινυλο)βενζαμιδινών 156 σε καλές αποδόσεις, οι οποίες μπορούνStyliana να υποστούν κυκλοποίηση 5 -exo-dig και να αποδόσουν τα ισομερή [1H- ιμιδαζολο-4(5H)-υλιδενο]μαλονονιτρίλια 157 σε ψηλές αποδόσεις. Τα μαλονονιτρίλια 157 με τη σειρά τους μπορούν να υποστούν αναδιάταξη Dimroth για να δώσουν τα [1H- ιμιδαζολο-5(4H)-υλιδενο]μαλονονιτρίλια 158 σε ψηλές αποδόσεις, ενώ η θερμόλυση των μαλονονιτριλίων 158 οδηγεί στον σχηματισμό των 2-φαινυλο-3H-ιμιδαζολο[4,5- vii Mirallai I. Styliana viii b]κινολινο-9-καρβονιτριλίων 159. Στο Κεφάλαιο 6, παρουσιάζεται η επεξεργασία των άμεσα διαθέσιμων κιναζολιμινών και 4-ανιλινοκιναζολινών με μια πληθώρα από καταλύτες Pd και Cu η οποία δίνει πρόσβαση, μέσω οξειδωτικών και μη οξειδωτικών συζεύξεων, στα βενζο[4,5]ιμιδαζο[1,2-c]κιναζολινο-6-καρβονιτρίλια 215 σε ψηλές αποδόσεις. Η διδακτορική διατριβή ολοκληρώνεται με την παρουσίαση των πειραματικών διαδικασιών και της βιβλιογραφίας. Mirallai I. Styliana ix Mirallai I. Styliana x ABSTRACT The Thesis begins with a brief introduction (Chapter 1) on heterocyclic chemistry, which then focuses on nitrogen heteroaromatics and the use of amidines in the synthesis of imidazoles and pyrimidines. In Chapter 2, the classical synthesis of N'-arylbenzamidines 126, starting from anilines and benzonitriles in the presence of AlCl3, is reinvestigated. Herein, an improved synthesis of N'-arylbenzamidines 126 is presented, that involves preforming the AlCl3 complex of benzonitrile prior to the addition of the aniline. Having in hand a small library of 2-aminophenyl-N'-arylbenzamidines 75 their reaction with electrophiles, 4,5-dichloro-1,2,3-dithiazolium chloride (74) (Appel salt) and tetracyanoethene (TCNE) was investigated: The treatment of 2-aminophenyl-N'-aryl- benzamidines 75 with Appel salt 74 gave novel 3-aryl-4-imino-3,4-dihydroquinazoline-2- carbonitriles 103 (Chapter 3). In contrast, treatment of 2-aminophenyl-N-arylbenzamidines 75 with TCNE was reported to afford the isomeric 4-arylquinazoline-2-carbonitriles 76. In Chapter 4 a reinvestigation of this reaction leads toMirallai three sets of conditions that give as major products the [4H-imidazol-4-ylidene]malononitriles 106, the 4-arylquinazoline-2- carbonitriles 76 or the iminoquinazolines 103I., respectively. In Chapter 5, the latter reaction with TCNE was simplified to avoid the formation of either quinazolines 76 or 103. As such, by replacing 2-amino-N'-arylbenzamidines 75 with N'- arylbenzamidines 126 a series of (1,2,2-tricyanovinyl)benzamidines 156 prepared in good yields that can undergo a 5-exo-dig cyclization to yield the isomer [1H-imidazol-4(5H)- ylidene]malononitriles 157 in high yields. These can then Dimroth rearrange to give the [1H-imidazol-5(4H)-ylidene]malononitriles 158 in high yields, thermolysis of which formed the 2-phenyl-3H-imidazo[4,5-b]quinoline-9-carbonitriles 159. In Chapter 6, treatment of the readily available quinazolinimines and 4- anilinoquinazolinesStyliana with a variety of Pd and Cu catalysts gave access, via oxidative and non oxidative coupling routes, to the biologically important benzo[4,5]imidazo[1,2- c]quinazoline-6-carbonitriles 215 in variable yields. The Thesis finishes with a detailed Experimental section and a References section. xi Mirallai I. Styliana xii ACKNOWLEDGEMENTS The years spent on my PhD were the most valuable and fruitful journey of my life. However, I could not travel and accomplish this journey without the tremendous support of my PhD supervisor, Dr. P. A. Koutentis. Thus, I thank him for providing me the opportunity to work on the projects described herein, for the knowledge I gained and for his help and support all these years. I thank the Cyprus Research Promotion Foundation (CRPF) (Grant No ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΕΙΣ/ΕΦΑΡΜ/0308/19 and NΕΑ ΥΠΟΔΟΜΗ/ΝΕΚΥΠ/0308/02) and University of Cyprus (YPOTROFIES UCY/09-2013 - 09-2014) for financial support. I thank the A. G. Leventis Foundation and the CRPF (Grant No. NΕΑ ΥΠΟΔΟΜΗ/ΝΕΚΥΠ/0308/02) respectively, for helping establish the 300 MHz and the 500 MHz NMR facilities in the University of Cyprus. I also thank Stephen Boyer for elemental analysis (London Metropolitan University) and the laboratory technicians Savvas Savva and Panicos Andreou for their technical support (University of Cyprus). Within the team I thank Andreas Kalogirou, Maria KoyioniMirallai and Georgia Zissimou for their friendship, encouragement, support and knowledge exchange all these years. I would also like to thank a former member of the team, Hearklidia Ioannidou, for her friendship and support. I. Finally, I would like to thank my family for their love, patience and support through the years of my PhD. Styliana xiii Mirallai I. Styliana xiv CONTENTS Sections Page Abstract in Greek vii Abstract in English xi Acknowledgements xiii Contents xv Abbreviations xix Brief Contents Chapter 1. Introduction 1 Chapter 2. Reinvestigating the synthesis of N-arylbenzamidines from benzonitriles and anilines in the presence of AlCl3 24 Chapter 3. The one-step conversion of 2-amino-N'-arylbenzamidines into 3-aryl-4-imino-3,4-dihydroquinazoline-2-carbonitrilesMirallai using 4,5-dichloro-1,2,3-dithiazolium chloride I. 31 Chapter 4. The reaction of 2-amino-N'-arylbenzamidines with tetracyanoethylene reinvestigated: Routes to imidazoles, quinazolines and quinolino[2',3':4,5]imidazo[1,2-c]quinazoline-8-carbonitrile 41 Chapter 5. Reactions of tetracyanoethylene with N'-arylbenzamidines: A short route to 2-phenyl-3H-imidazo[4,5-b]quinoline-9-carbonitriles 61 Chapter 6. The conversion of 4-anilinoquinazoline- and 3-aryl-4-imino-