Synthese en stabiliteit van Pyrazol-5-ON azomethine kleurstoffen

SYNTHESE EN STABILITEIT

VAN RAZ0L-5-0N AZOMETHINE KLEUF

TR dis:

'

• '

, J

\

SYNTHESE EN STABILITEIT

VAN PYRAZ0L-5-0N AZOMETHINE KLEURSTOFFEN

Proefschrift

ter verkrijging van de graad van doctor aan de Technische Universiteit Delft, op gezag van de rector magnificus, prof.dr. J.M. Dirken, in het openbaar te verdedigen ten overstaan van een commissie aangewezen door het College van Dekanen op dinsdag 26 januari 1988 te 14.00 uur.

door

Hans Marcel Brand, geboren te Gouda, scheikundig ingenieur.

1988

Druh D-sseflaliWoWujfii WfcfO. HH*>o«<J

Dit proefschrift is goedgekeurd door de promolor prof.dr.ir. H.C.A. van Beek

Droga do suksesu jest wyktedana brukiem wzajemnego zaufania i powazania

Aan Elzbieta Aan mijn moeder

wanneer je gaat, waarheen je gedreven wordt, je doet, watje moet doen,

jegaat zien, watje moet zien,

dan raakt het gereedschap waarmee je schrijft, stomp en afgesleten.

maar Oever krom en afgesleten te zien worden en te weten dat je het weer scherp moet maken,

het weer in de vorm moet hameren en het op de slijpsteen te moeten leggen en te weten, datje niets meer heet om over te schrijven,

dan het keurig en gaaf te houden omdat je niets te zeggen hebt of het in de studeerkamer te laten, blinkend en goed onderhouden, maar ongebruikt.

Dankbetuiging.

Langs deze weg wil ik graag iedereen bedanken, die op enigerlei wijze heeft bijgedragen aan de totstandkoming van dit proefschrift.

In het bijzonder wil ik Prof.dr.ir.H.CA.van Beek bedanken voor het vertrouwen, dat hij in mij heeft gesteld, en voor alles wat ik van hem heb mogen leren.

Ook wil ik graag de mensen van het laboratorium voor chemische tech­ nologie van de T.U.Delft bedanken voor de vele analyses, die zij voor mij hebben uitgevoerd. In het bijzonder wil ik de heer den Os mijn dank betuigen. Mijn dank gaat ook uit naar de mensen van de glasbla­ zerij, de fijnmechanische werkplaats en de elektronische dienst.

Ik zou ook graag de mensen van de vakgroep van Organische Chemie mijn dank betuigen, in het bijzonder mevrouw Knol-Kalkman voor de

massaspec-troscopische analyses.

Zeker niet in de laatste plaats wil ik de heer van Holst bedanken voor het vele, vaak lastige, tekenwerk.

Tenslotte wil ik mijn vrouw bedanken voor de vele aanmoedigingen en geestelijke steun, die zij mij heeft gegeven, als ik weer eens 'vast' zat. Zonder haar was dit proefschrift zeker niet gereed gekomen.

INHOUDSOPGAVE

I. Inleiding. 5 II. De synthese van pyrazol-5-on azomethine kleurstoffen. 8

i . Inleiding. 8 2. De synthese van gesubstitueerde arylhydrazines. H

3. De synthese van gesubstitueerde pyrazol-5-cner..

A. De synthese van pyrazol-5-on azonethine kleurstoffen. 27

5. Literatuuroverzicht. 36 III Spectroscopie van pyrazol-5-on azomethine kleurstoffen. 39

1. Massaspectroscopie van pyrazol-5-on derivaten. 39 2. Massaspectroscopie van pyrazol-5-on azomethine kleur­

stoffen. 43 3. NMR-spectroscopie van pyrazol-5-on azomethine kleur­

stoffen. 52 i. UV/Vis-spectroscopie van pyrazol-5-on azomethine

kleurstoffen. 53 5. I n t e r a c t i e s van p y r a z o l - 5 - o n azomethine k l e u r s t o f f e n

met p o l a i r e p r o t i s c h e o p l o s m i d d e l e n . 63

6 . L i t e r a t u u r o v e r z i c h t . 72 IV. De h y d r o l y s e van p y r a z o l - 5 - o n azomethine k l e u r s t o f f e n .

1. I n l e i d i n g 75 2 . De a l k a l i s c h e h y d r o l y s e . 76 3 . De zure h y d r o l y s e 4 . C o n c l u s i e s . 101 5 . E x p e r i m e n t e e l g e d e e l t e . 6. L i t e r a t u u r o v e r z i c h t . , o l v a t a t i e 3._. h y d r o l y s e van p y r a z o l - 4 , 5 - d i o n e n . ' . I n l e i d i n g . 2. Resultaten. 3. Discussie. '22 4. Concluies. 5. Experimenteel gedeelte. 125 6. Literatuuroverzicht. "26 VI. Oxidatie en reduktie van pyrazol5on azomethine kl(

-stoffen. '28 1. Inleiding "28 2. Resultaten. 134 3. Discussie. U 6 &. Conclusies. 150 5. Experimenteel gedeelte. "51 6. Literatuuroverzicht. 153 Appendices Appendix I Appendix I I . 159 Samenvatting 161 Summary 163

INLEIDING

I. Inleiding.

Kleurenfotografie is een belangrijk hulpmiddel voor het vastleggen en overdragen van informatie. De eisen, waaraan een film moet voldoen worden steeds zwaarder, en er worden ook steeds betere films ontwik­ keld. Dit alles onder invloed van de concurrentiestrijd.

De criteria, waaraan een systeem voor kleurenfotografie moet voldoen blijven daarbij overigens ongewijzigd. Deze eisen werden door Thirtle (1,2) als volgt geformuleerd:

- De gevoeligheid van het materiaal moet zodanig zijn, dat van objecten met verschillende kleuren en verschillende mate van helderheid latente beelden kunnen worden gevormd, die gediffe­ rentieerd kunnen worden.

- Het chemische of fysische proces, dat het latente beeld zicht­ baar moet maken, moet in staat zijn om de verschillen in hel­ derheid en kleur te handhaven, en te vertalen in een materieel beeld, dat voor de waarnemer een waarheidsgetrouwe weergave is van wat hij heeft gezien en heeft willen vastleggen.

De chemische vertaling van deze twee eisen heeft er in de afgelopen honderd jaar toe geleid, dat fotografie zich heeft ontwikkeld tot een op zichzelf staande wetenschap, waarin verschillende disciplines wor­ den bestudeerd.

Ten grondslag aan het fotografische proces ligt de gevoeligheid van zilverhalogeniden voor licht. Zilverbromide wordt fotochemisch ont­ leed door licht met een golflengte tot 470 nm, en het jodobromide tot 530 nm. Het menselijk oog heeft daarentegen een maximale gevoeligheid voor licht met golflengte van 550 nm, in een traject van 400 tot 700 nm. Om de gevoeligheid van het zilverhalogenide voor licht zoveel mo­ gelijk in overeenstemming te brengen met de gevoeligheid van het oog is sensitisatie van het zilverhalogenide noodzakelijk. Sensitisering van het zilverhalogenide kan gebeuren door middel van cyanine kleur­ stoffen. Voor panchromatische zwart-wit films wordt gebruik gemaakt van combinaties van sensitisers, en kan de spectrale gevoeligheid van het oog nauwkeurig worden gesimuleerd. Het gesensitiseerde zilverha­ logenide wordt tenslotte gedispergeerd in gelatine. Daarbij wordt op­ gemerkt, dat ook nog desensitisering van het zilverhalogenide voor kortgolvig licht, waar het oog niet gevoelig voor is, dient plaats te vinden.

Een kleurenfilm is in principe opgebouwd uit vier lagen: een blauw-gesensitiseerde laag, die gevoelig is voor licht met een golflengte tussen 400-500 nm, een geelfilter, een groen gesensitiseerde laag, die gevoelig is voor licht met een golflengte tussen 500-600 nm, en een rood-gesensitiseerde laag, die gevoelig is voor licht met een golflengte tussen 600-700 nm; deze vier lagen zijn aangebracht op een dragermateriaal. Per laag wordt een enkele sensitiser gebruikt, die aktief is in het gebruikte golflengtegebied. De koppelaars voor de later te vormen kleurstoffen zijn reeds in de drie gesensitiseerde lagen aangebracht.

Bij belichting van de foto zal licht met een golflengte van 400-500 nm in de blauw-gesensitiseerde laag in sommige zilverhalogenide kor­ rels atomen metallisch zilver vormen; licht met een golflengte groter dan 500 nm wordt vrijelijk doorgelaten. Op dezelfde manier zal licht

INLEIDING

met een golflengte tussen 500 en 600 nn in de groen-gesensitiseerde ■ r.en metallisch zilver vormen, en kan licht met een golflengte groter dan 600 nm vrijelijk passeren en in de roodgesensitiseerde laag atomen metallisch zilver vormen.

Bij ontwikkeling van de foto wordt de belichte film in contact ge­ bracht met een ontwikkeloplossing, waarvan het voornaamste bestand­ deel een gesubstitueerd p-phenyleendiamine is. Dit wordt door het zilverhalogenide geoxideerd tot het diimine. De reactie wordt gekata­ lyseerd door het bij de belichting gevormde metallische zilver. Be­ lichte zilverhalogenide korrels worden daardoor volledig omgezet tot metallisch zilver; onbelichte korrels worden niet omgezet. He'- bij de oxidatie gevormde diimine condenseert vervolgens met de kleurkoppe-laar tot de leuco-kleurstof, die vervolgens wordt geoxideerd tot de kleurstof.

In het fixatieproces wordt daarna het ontstane zilver geoxideerd en gelijktijdig met het onbelichte zilverhalogenide omgezet net natrium-thiosulfaat en uitgewassen.

Voor de kleurstofvorming zijn mininaal vier zilveratomen benodigd; er kunnen versterkingsfactoren worden gehaald van 1 08; de grootte van de

versterkingsfactor maakt, dat fotografie nog steeds de meest gevoeli­ ge reproductietechniek is.

basisstructuren van de kleurstoffen zijn afgeleid van acetoaceet-Ides (geel), pyrazol-5-onen (magenta) en naftolen (blauw .

PSMTVC' ^ < l « i O

-H /

C = 0

N

"geel" "magenta" "cyaan" ..".-'.effen, die thans door de producenten van fotografisch

oate-lal worden gebruikt, zijn allen van deze basisstructuren afgeleid; de gebruikte substituenten zijn niet bekend gemaakt.

De eisen, die aan de kleurstoffen gesteld moeten worden zijn, dat zij 1. snel en eenduidig worden gevormd binnen de randvoorwaarden

van het zilverhalogenide proces,

2. stabiel zijn onder de condities waarbij het ontwikkelings-en fixatieproce3 wordontwikkelings-en uitgevoerd,

3. een goede kleurreproductie kunnen bewerkstelligen, 4. stabiel zijn op lange termijn, en

5. geen filterwerking vertonen.

Tot nu toe is het niet mogelijk gebleken, een set kleurstoffen te ontwikkelen, die aar. deze eisen voldoet. Met name de stabiliteit op lange termijn laat te wensen over. Vervanging van de kleurstoffen door een type, dat stabieler is, is niet zonder meer mogelijk bij handhaving van het hierboven omschreven zilverhalogenide proces. Er zijn ir. 'net verleden wel oplossingen aangedragen, waarbij stabielere kleurstoffen worden gebruikt, maar deze systemen zijn nimmer

-6-INLEIDING

rerend gebleken met normale kleurenfotografie (Cibachroom: ongevoe­ lig; instantfotografie: duur, en een lage resolutie).

Tot dusverre heeft empirisch onderzoek geleid tot de ontwikkeling van kleurstoffen, die aanvaardbare resultaten opleverden. De ontwikkeling van nieuwe, betere kleurstoffen gaat nog steeds door, en inzicht in de degradatiemechanismen van de kleurstoffen is zeker nuttig.

Dit onderzoek is toegespitst op het onderzoek naar de stabiliteit van de magenta kleurstoffen, de pyrazol-5-on azomethines. Hoe deze kleur­ stoffen worden afgebroken is nimmer uitgebreid onderzocht, ondanks dat de afbraak leidt tot een sterke verstoring van het kleurenbeeld. De afbraak vindt zowel plaats onder invloed van licht als in een donkerreactie. Onder invloed van licht kan de afbraak zowel direct als indirect plaatsvinden; de directe afbraak van de kleurstof, waar­ bij de kleurstof licht absorbeert en vervolgens wordt omgezet in een verbinding ca..verbindingen met andere spectrale eigenschappen, is niet waarschijnlijk. De indirecte afbraak, waarbij licht wordt geab­ sorbeerd door substraten, die in de geactiveerde toestand in staat zijn afbraak van de kleurstoffen te kunnen bewerkstelligen, is veel kansrijker. Dit soort reacties zijn vaak oxidatief of reduktief van aard (3,4). Het is niet bekend, wat de donkerreactie is. Nochtans kunnen pyrazol-5-on azomethine kleurstoffen gekarakteriseerd worden als Schiffse basen, en naar analogie daarmee is hydrolyse een poten­ tieel afbraakmechanisme van de kleurstoffen.

De kleurstoffen zijn in fotografisch materiaal als pigmenten aanwe­ zig naast een veelheid van andere verbindingen. Om te kunnen onder­ zoeken, langs welke wegen de afbraak van de kleurstoffen plaatsvindt, is het beter om de afbraak in oplossing te onderzoeken. Dan kunnen structurele invloeden ook beter worden bestudeerd, en worden neven­ effecten zoals de invloed van de deeltjesgrootte, de deeltjesgrootte-verdeling en diffusie zoveel mogelijk vermeden.

Literatuuroverzicht.

1. C.E.K.Mees, T.H.James 'The Theory of the Photographic Process', 4th ed., McMillan, New York, 1977.

2 . J . R . T h i r t l e Chemtech, 1 9 7 9 . 2 5 .

3 . K.Schaafsma D i s s e r t a t ü F D ë l f t ( 1 9 7 3 ) . i,. A.A.M.Rutges D i s s e r t a t i e D e l f t ( 1 9 7 4 ) .

DE SYNTHESE VAN PYRAZ0L-5-0N AZOMETHINE KLEURSTOFFEN.

II. De synthese van pyrazol-5-on azomethine kleurstoffen. II-1. Inleiding.

I I - 1 - 1 . R e a c t i e s , die leiden t o t de vorming van pyrazol-5-on azome­ thine k l e u r s t o f f e n .

I I - 1 - 1 - 1 . Oxidatieve condensatie van N,N-dialkyl-p-phenyleendianines met pyrazol-5-onen ( 1 , 2 , 3 ) .

De kleurstoffen in f o t o ' s en d i a ' s worden volgens deze r e a c t i e s e q u e n -t i e gevormd, waarbij zilverbromide he-t oxidans i s ( r e a c -t i e s II—1 -t/m 11-35. R2 R2

i

R

2

N

- 0 "

N H

" V ^ R

3 OH o

::-z

II-3

Zowel de oxidatie van het N,N-dialkyl-p-phenyleendiamine tot het di­ imine als de oxidatie van de leuco-kleurstof tot de kleurstof vragen twee moleculen zilverbroraide.

Dit is ook de meest toegepaste en best beschreven methode voor syn­ these van pyrazol-5-on azomethine kleurstoffen. Een nadeel is echter, dat ten gevolge van nevenreacties een complex reactiemengsel ont­ staat; de zuivering van de verkregen kleurstoffen is bijzonder tijd­ rovend.

Belangrijke nevenreacties zijn deaminering van het gevormde diimine (4,5), en oxidative dimerisatie van het pyrazol-5-on (o).

Indien 4-halogeen gesubstitueerde pyrazol-5-on derivaten worden ge­ bruikt, is de tweede oxidatiestap overbodig; de azomethine band wordt dan gevormd door uitsplitsing van HHal (7):

o o

DE SYNTHESE VAN PYRAZ0L-5-ON AZOMETHINE KLEURSTOFFEN.

Als variatie in het substitutiepatroon van de koppelaar moet worden aangebracht (de 1- en de 3-positie van de pyrazol-5-on ring), is deze methode niet bruikbaar, omdat 4-halogeen gesubstitueerde pyrazol-5-on derivaten preparatief moeilijk toegankelijk zijn. Deze methode is evenwel bijzonder waardevol wanneer kleurstoffen gewenst worden, af­ geleid van verschillende ontwikkelaars.

Voor de bereiding van de kleurstoffen kunnen zilverchloride en bromi­ de als oxidans worden gebruikt, maar de gevoeligheid van deze zilver-zouten voor licht is een nadeel. Nevenreacties, die verantwoordelijk zijn voor de complexe productsamenstelling, zouden mede worden ver­ oorzaakt door de inwerking van licht op het oxidans. Voor een opti­ maal synthese resultaat dient het reagens kort voor het gebruik te worden gemaakt.

Zilvercarbonaat, geprecipiteerd op celiet (9), is nauwelijks gevoelig voor de inwerking van licht. Nevenreacties, zoals die bij het gebruik van zilverbromide worden waargenomen, treden niet op; de opbrengsten zijn in het algemeen hoger dan bij het gebruik van zilverbromide als oxidans. Voor de bereiding van de kleurstoffen worden aan een suspen­ sie van zilvercarbonaat op celiet achtereenvolgens het N,N-dialkyl-p-phenyleendiamine en het pyrazol-5-on toegevoegd, en na afloop van de reactie wordt de kleurstof door extractie uit het reactiemengsel geïsoleerd. Behoudens de bereiding van het oxidans en de (soms tijd­ rovende) extractie kent deze methode voor synthese van pyrazol-5-on azomethine kleurstoffen geen nadelen.

Ook oxidatiemiddelen als kaliumferricyanide en kaliumdichromaat kun­ nen worden gebruikt. Deze oxidatiemiddelen zijn niet gevoelig voor licht, maar de verkregen kleurstoffen hebben altijd een hoog restge-halte aan het betreffende metaalion (10). De zuivering van de kleur­ stoffen wordt bemoeilijkt doordat het metaalion complex wordt gebon­ den aan de kleurstof, en de stabiliteitsconstante van het complex groot is (11). Een aantal gemetalliseerde pyrazol-5-on azomethine kleurstoffen zijn in de literatuur beschreven (12).

II-1-1-2. Base-gekatalyseerde condensatie van een gesubstitueerd py-razol-5-on met een p-nitroso-N,N-dialkylaniline (13.14,15).

Me Me

NO

* > c L s — ^ " O ^ ^ , *

H

'°

n

-

6

Voor deze reactie worden stikstofbasen als piperidine of 1,4-diaza-bicyclo-(2,2,2)-octaan (triethyleendiamine) als katalysator gebruikt. Haensel (15) geeft aan, dat triethyleendiamine te prefereren is boven piperidine; de katalytische activiteit van aromatische stikstofbasen als pyridine, chinoline en isochinoline is gering.

De methyleengroep op de 4-positie van het pyrazol-5-on heeft (zwak) zure eigenschappen (16), en onder invloed van de base wordt het door resonantie gestabiliseerde anion van het pyrazol-5-on gevormd:

DE SÏHTHESE VAN PYRAZ0L-5-0N AZOMETHINE KLEURSTOFFEN.

Me Me

Me

II-7

Nucleofiele aanval van dit anion op de sterk gepolariseerde nitroso-groep van p-nitroso-N,N-dimethylaniline resulteert in de vorming van het anion van p-dimethylaminophenyl-(3-methyl-1-phenylpyrazol-5-yl)-hydroxylamine. Na neutralisatie wordt de kleurstof gevormd door dehy-dratatie van het hydroxylamine.

Me2N —- Me2

Me

: [-8

Wanneer een nitroso verbinding wordt gebruikt, die op de p-positie een substituent heeft met een sterk +I-effect (C00R, CHO, N02. CN), treedt geen dehydratatie van het hydroxylamine op, maar oxidatie tct het corresponderende N-oxide (13,14). Bij de reactie van nitrosoben-zeen met 3-methyl-1-phenylpyrazol-5-on onder invloed van triethyleen-diamine worden zowel het dehydratatie- als het oxidatieproduct naast elkaar waargenomen.

Me

Me

-"-O+yrO

I01

Me2N

IQ' 0

::-■•

Ten gevolge van oxidatiereacties kunnen in het reactieoengsel nog verschillende andere producten worden teruggevonden. Een der belang­ rijkste daarvan is het bispyrazol-5-on (pyrazoolblauw; 15):

(1 0 Me

Een t w e e t a l a n d e r e p r o d u c t e n , d i e worden gevormd, z i j n ( 1 6 , 1 7 ) :

Me

YH

C

V

0 0 ( 2 ) Me Me

owro

( 3 )

Verbinding (3) kan ook worden gemaakt door dimerisatie van 3-methyl-1-phenylpyrazol-5-on onder reduktieve omstandigheden; azobenzeen kan bij 1800C in anaëroob milieu als oxidans worden gebruikt.

-10-DE SYNTHESE VAN PYRAZ0L-5-0N AZOMETHINE KLEURSTOFFEN.

Voor preparatieve doeleinden is deze reaktie uitsluitend geschikt voor de omzetting van gesubstitueerde pyrazol-5-onen met nitrosoben-zenen, die op de p-positie gesubstitueerd zijn met een groep met een sterk negatief inductief effect (NR2. OR).

II-1-1-3. Condensatie van gesubstitueerde anilines met pyrazol-4,5-dionen in zwak alkalisch milieu (18).

De benodigde pyrazol-4,5-dionen worden gemaakt door zure hydrolyse van de corresponderende pyrazol-5-on azomethine kleurstoffen (20). Dat heeft tot gevolg, dat deze methode vooral bruikbaar is als kleur­ stoffen worden gewenst, afgeleid van verschillende ontwikkelaars, en oxidatieve reactieomstandigheden ongewenst zijn (11-10 en 11-11).

Me Me

Me . Me

Me

2

N^N^!l - -^^Me

2

N-^-NH

2

*

O^I^yi-Condensatie met de carbonylgroep op de 5-positie van de pyrazol ring is nooit waargenomen (19). Via deze route is het mogelijk om 4-(p-ni-trophenyl)-imino-3-methyl-1-phenylpyrazol-5-on te bereiden (20); voor deze kleurstof zijn geen andere bereidingswijzen bekend.

H-1-1-4. Uitwisselingsreakties.

Twee reactiesystemen, die leiden tot de vorming pyrazol-5-on azome­ thine kleurstoffen, werden beschreven door Vittum en Sawday (21,22). Zij gingen uit van een i-azophenylpyrazol-5-on of een 4-benzalpyra-zoï-5-on (23-25), dat werd behandeld met een geoxideerd N,N-dialkyl-p-phenyleendiamine:

•

H 0 kj^i) NMe2

Or

O-

nm

-NMe2 NMe2 S ^ Ö

♦ MeO-/~Vc=0

11-13

DE SYNTHESE VAN PÏRAZ0L-5-0N AZOMETHINE KLEURSTOFFEN.

Deze route is voor synthetische toepassing nauwelijks bruikbaar, om­ dat ten gevolge van optredende nevenreacties veel bijproducten ont­ staan, die de opwerking van het reactiemengsel bemoeilijken.

Uit de experimenten van Vittum, ea. bleek, dat de kleurstoffen alleen werden gevormd, als de substituent op de 3-positie van de pyrazol-5-on ring een Cl-, Br-, SO3H-, of een OR-groep was. Wanneer de substi­ tuent een CHO-, CO2R-1 NRj-. of OH-groep was, werd geen kleurstofvor­ ming waargenomen. Een verklaring werd hiervoor niet gegeven.

II-1-2. De keuze van de syntheseroute en de te maken kleurstoffen. II—1—2—1. De syntheseroute.

Voor de bereiding van pyrazol-5-on azomethine kleurstoffen dient die syntheseroute te worden gekozen, waarvoor de grondstoffen beschikbaar zijn, en waarmee zo zuiver mogelijke kleurstoffen worden verkregen. Daarom komen de werkwijzen, zoals in I1—1—1—3 en II—1—1—4 beschreven, niet in aanmerking. De benodigde uitgangsproducten zijn niet beschik­ baar of vragen teveel voorbereidende synthese en er zijn onvoldoende gegevens beschikbaar over de zuiverheid van de verkregen kleurstof­ fen.

De oxidatieve route is het meest algemeen; er is veel informatie over beschikbaar en de uitgangschemicalien zijn in zuivere vorm voorhan­ den. Een belangrijk nadeel is echter, dat de zuivering erg bewerke­ lijk is, omdat contaminatie optreedt van de verkregen kleurstoffen met complex gebonden metaalionen; sporen metaalionen hebben een be­ langrijke invloed op de stabiliteit van de kleurstoffen (26). Dat impliceert, dat bij het beschikbaar zijn van een alternatieve route, deze bereidingswijze beter niet gebruikt kan worden voor de synthese van zeer zuivere kleurstoffen.

De basegekatalyseerde condensatie van gesubstitueerde pyrazol-5-onen met 4.-X-nitrosobenzeen, waarbij X een substituent met een sterk nega­ tief inductief effect (NR2. OR), heeft als belangrijke voordeel, dat zeer zuivere kleurstoffen worden verkregen. De eis, die gesteld moet worden aan de substituent X vormt geen belemmering, omdat de prak­ tisch in gebruik zijnde kleurstoffen een soortgelijke substituent in het ontwikkelaarsgedeelte bezitten (NMe,, NEt^ , of verwante substitu­ enten). Een nadeel is echter, dat weinig informatie over deze berei­ dingswijze beschikbaar is. Veel kleurstoffen, die langs oxidatieve weg wel zijn gemaakt, zijn niet eerder op deze manier gesyntheti­ seerd. De zuiverheid van de verkregen kleurstoffen was evenwel een voldoende zwaarwegend argument oir, deze methode te selekteren.

II-1-2-2. De keuze van de kleurstoffen.

Voor alle geselekteerde kleurstoffen werd de p-dimethylaminophenyl-groep gekozen als de substituent van het azomethine stikstofatoora. De uitgangsverbinding, p-nitroso-H,N-dinethylaniline kan worden gemaakt door nitroaering van N,N-dimethylaniline (8).

De kleurstoffen uit de praktijk zijn op de 3-positie van de pyrazol-5-on ring gesubstitueerd met een alkyl/acyl-amino groep. Door aanwe­ zigheid van dergelijke substituenten in het kleurstofmolecuul kunnen echter fotolytische reacties een kans krijgen, die niet specifiek be­ trekking hebben op het chromofore systeem, en die dus ook geen

-12-DE SYNTHESE VAN PYRAZ0L-5-0N AZOMETHINE KLEURSTOFFEN.

matie over de eigenschappen daarvan verschaffen. Daarom werd gekozen voor kleurstoffen, afgeleid van pyrazol-5-on derivaten, die op de 3-positie van de pyrazol-5-on ring gesubstitueerd zijn met een meer stabiele alkyl- of aryl-groep. Weliswaar wordt de informatie over de invloed van de substituent op de 3-positie van de pyrazol-5-on ring dan beperkt, maar er wordt wel specifieke informatie verkregen over de eigenschappen van het chromofore systeem.

Het verkrijgen van informatie over de invloed van het substitutie­ patroon van de phenylgroep op de 1-positie van de pyrazol-5-on ring kan wel vrijelijk worden onderzocht, mits ook hier rekening gehouden wordt met mogelijke nevenreacties, die kunnen worden veroorzaakt door de toegepaste substituenten.

Gesubstitueerde pyrazol-5-onen zijn in het algemeen niet te koop. Een goede methode voor synthese ervan is weergegeven in de reactieverge­ lijkingen II-U t/m 11-16.

£ y

N H 2

^ £ _ JQ4U-ÜÜ- £>N-NH

2

H_

U

V u -_{N-NH2 ♦ )} H 0 < r-\ H \ = 0 0=C OEt CH3 Et0\ C=0 u» TH ,CH2 - * — \Aj-\Jn'L • EtOH n_l 6 3

Een tweede bereidingswijze van gesubstitueerde pyrazol-5-onen is door nitrerlng van 3-methyl-1-phenylpyrazol-5-on, gevolgd door reduktie van de nitrogroep (27). Het daarbij gevormde 1-U-aminophenyl)-3-rae-thylpyrazol-5-on kan als uitgangsproduct worden gebruikt voor synthe­ se van gesubstitueerde pyrazol-5-onen (Sandmeyer-, Schiemann-, Gat-termann-reactie). De mogelijkheden van deze route zijn beperkt.

Het werk benodigd voor de synthese van de kleurstoffen valt uiteen in drie stukken:

II-2. Synthese van gesubstitueerde arylhydrazines.

II-3. Synthese van gesubstitueerde pyrazol-5-on derivaten. II-4. Synthese van de pyrazol-5-on azomethine kleurstoffen.

Aan de synthetische aspecten werd bijzonder veel waarde gehecht, om­ dat het welslagen van het onderzoek naar de stabiliteit van de kleur­ stoffen mede wordt bepaald door de zuiverheid van de gebruikte kleur­ stoffen. Een tweede reden is, dat veel kleurstoffen niet eerder zijn gemaakt met de methode, waarvoor hier werd gekozen.

DE SYNTHESE VAN PYRAZ0L-5-0N AZOMETHINE KLEURSTOFFEN

II-2 De synthese van gesubstitueerde arylhydrazines. II-2-1. Inleiding

II—2—1 —1. Enige eigenschappen van arylhydrazines.

Er is veel gepubliceerd over arylhydrazines (9.28,29). Arylhydrazines zijn bijzonder gevoelig voor oxidatie; dit wordt veroorzaakt door de verschillende geaardheid van de beide stikstofatomen.

Het 6-stikstofatoom is de drager van de basische eigenschappen; de Kb-waarden van arylhydrazines zijn vergelijkbaar met de Kb-waarden van de cor­ responderende anilines.

Het o.-stikstofatoom stof atoom heeft daarentegen zwak zure eigenschappen (11-17).

Q J Ü H a - ^ -

<>N

H

-NH

2

« L Q.8-NH2 ::_

17

De redoxreacties, die betrekking hebben op de afbraak van arylhydra­ zines worden geïllustreerd door de reactiesequentie 11-18:

Q-^NHa —► Q - t f *

NH

3

n

"

1 8 a

Q_^ . Q^N%H

2

0-NH3 ♦ Q-N-N 11-18 b

^-N=N Q ♦ N

2

I I "

1 8 c De afbraak wordt bevorderd door substituenten met een -I effect; de stabiliteit van p-aminophenylhydrazine is zo gering, dat de vrije base niet geisoleerd kan worden, Arylhydrazines met substituenten met een >l effect zijn wel stabiel (p-N02, p-S03Na, p-CN, etc,). Onder reduktieve omstandigheden wordt nauwelijks degradatie waargenomen. De hydrazine groep is bijzonder reactief, en kan met een grote ver­ scheidenheid aan substraten reageren. Met name condensatie met de carbonylgroep moet worden genoemd. Deze reactie wordt onder andere gebruikt voor de gravimetrische bepaling van aldehyden en ketonen als 2,4-dinitrophenylhydrazon (30).

Slechts enkele arylhydrazines zijn te koop: phenylhydrazine, 4-nitro-phenylhydrazine, 2 ,4-dir.itrophenylhydrazine en phenylhydrazine-4-sul-fonzuur.

II-2-1-2. De synthese van arylhydrazines.

Arylhydrazines kunnen worden genaakt door diazotering van het corres­ ponderende aniline, gevolgd door reduktie van de diazoniumverbinding:

R ' ^

a

f)

U)

-14-DE SYNTHESE VAN PYRAZ0L-5-0N AZOMETHINE KLEURSTOFFEN

Q.^^^LQ.U-^* ( > %

_11-19

De diazotering wordt doorgaans uitgevoerd met natriumnitriet of met ethyl- of amylnitriet in ethanol/zwavelzuur (31); soms kunnen ook nitrosoniumzouten zoals nitrosonium tetrafluoroboraat worden gebruikt

(32). De diazotering is een der best beschreven organische reacties en behoeft hier verder geen bespreking.

Voor de synthese van arylhydrazines wordt de diazoniumverbinding niet geisoleerd, maar direct gereduceerd tot het arylhydrazine. Als redu­ cerende agentia worden vooral tin(II)chloride/zoutzuur (tinchloruur) en natriumsulfiet in alkalisch milieu gebruikt. Soms worden ook ammo-niumsulfiet, zwaveldioxide, metallisch zink of natriumdithioniet ge­ bruikt.

De reduktie met natriumsulfiet in alkalisch milieu verloopt via de vorming van het hydrazine disulfonaat. De sulfonzure groepen worden in sterk zuur milieu bij verhoogde temperatuur gemakkelijk afge­ splitst.

° 2

N

" C 3 ~

N H 2

~02N-/^N»NI-^%2N-/3"-l[l-N-S03

I

SOf

AT qecHCI | 11-20 rf~\ H NaAc ff-%. H HCI jff~\ H H e 02N-^=J>-N-NH2—02N-^=JhN-NH3- O2N-<^J-N-N-S03

De reduktie met natriumsulfiet in alkalisch milieu is algemeen toe­ pasbaar (B-naftylhydrazine kan alleen op deze wijze gemaakt worden), maar de opbrengsten zijn in het algemeen wat lager dan bij reduktie met tinchloruur (33). De reduktie met natriumsulfiet is minder ge­ schikt voor de synthese van arylhydrazines gesubstitueerd met groepen met een -I effect (34) ten gevolge van de gevoeligheid van deze ver­ bindingen voor oxidatie in alkalisch milieu. Daarom wordt meestal de voorkeur gegeven aan de reduktie met tinchloruur, die ook wat minder bewerkelijk is. De kwaliteit van het te gebruiken tin(II)chloride is erg belangrijk; de reduktiereactie is niet goed uitvoerbaar wanneer naast tin(II)chloride ook tin(IV)hydroxide aanwezig is (35). Het is niet bekend, waar dit door wordt veroorzaakt.

In enkele gevallen is ook directe hydrazinolyse toepasbaar, zoals bij de omzetting van 1-chloor-2,4-dinitrobenzeen en 2-chloorpyridine tot respectievelijk 2,4-dinitropnenylhydrazine en 2-hydrazinopyridine (36) .

II-2-2. Resultaten.

Alle arylhydrazines werden gemaakt door reduktie van de diazonium­ verbinding met tinchloruur of met natriumsulfiet in alkalisch milieu. Voor deze twee bereidingswijzen is een algemene receptuur beschikbaar (9; zie II-2-4).

De verkregen arylhydrazines werden niet gezuiverd (bijvoorbeeld door kristallisatie of destillatie), maar direct ingezet voor de volgstap, de condensatie van het hydrazine met een acylazijnzure ethylester tot

DE SYNTHESE VAN PYRAZ0L-5-0N AZOMETHIKE KLEURSTOFFEN

het corresponderende pyrazol-5-on. De verliezen ten gevolge van de zuivering van het hydrazine zijn groot en de aanwezige verontreini­ gingen storen niet bij de vervolgsynthese. Bovendien kunnen pyrazol-5-onen goed worden gezuiverd door kristallisatie (37).

De gemaakte arylhydrazines zijn vermeld in tabel 11-1. In drie geval­ len werden ook de benodigde anilines genaakt: D-amir.obenzcnitril, 2,4,6-trichloor- en 2,4,6-tribroomaniline (38,39.40).

R

o-Cl m-Cl P-Cl 3,4-diCl 2,4,6-triCl o-Br m-Br p-Br 2,4,6-triBr p-CN P-C1J o-HO 2 p-NOj a-Me p-Mo p-OMe Reduktiemethode Tinchloruur Tinchloruur Tinchloruur Tinchloruur Tinchloruur Tinchloruur Tinchloruur Tinchloruur Tinchloruur Tinchloruur Natriumsulfiet Natriumsulfiet Natriumsulfiet Tinchloruur Tinchloruur Tinchloruur Opbrengst 53 % 73 % 84 % 82 $ 93 % 41 % 18 % 60 % 95 % 1 7 % 39 $ 65 % 72 t 60 ï 43 t 49 i Lit. 41 41.42

43

41 34..., 41 41 42 45,46,47 54

—

57.58 36 48.4 ••.■• .52,53 53.55.56 Tabel II-1: Synthese van enige gesubstitueerde phenylhydrazir.es.

De opbrengsten van 2,4,6-triCl-, 2,4.6-tri3r- er. p-CH-phenylhydrazine zijn betrokken op de volledige synthese.

De hydrazines, waarvoor R = m-Me, p-Me en p-OMe, zijn erg gevoelig voor oxidatie. In deze gevallen was het voordelig de hydrazines te extraheren eet ether of chloroform, en het verkregen extract na dro­ ging direct te gebruiken voor de volgreactie. De verliezen van het hydrazine ten gevolge van oxidatie blijven daardoor beperkt. Voor de beschrijving van de gecombineerde hydrazine en pyrazol-5-on synthese wordt verwezen naar II-3-2-2.

II-2-3. Conclusies.

De synthese van arylhydrazines kan met recht een 'klassieker' worden genoemd. De synthese door reduktie van een diazoniumverbinding met tinchloruur gaf de be3te resultaten. Vanwege de oxidatiegevoeligheid werden de de verkregen arylhydrazines niet gezuiverd, maar direct ingezet voor de synthese van het pyrazol-5-on. Het achterwege laten van de zuiveringsstap heeft geen nadelig effect op het rendement van het pyrazol-5-on.

Voor sterk oxidatiegevoelige hydrazines verdient het de voorkeur om na neutralisatie het hydrazine door extractie te isoleren, er. het ex­ tract te gebruiken voor de synthese van het overeenkomstige pyrazol-5-on.

-16-DE SYNTHESE VAN PYRAZ0L-5-0N AZOMETHINE KLEURSTOFFEN

II-2-4. Experimenteel gedeelte.

Evenals bij anilines, moet bij het werken met arylhydrazines altijd rekening worden gehouden met de toxische eigenschappen ervan. Arylhy­ drazines zijn zeer zware bloedgiften!!

II-2—4-1. Voorbeeldprocedure voor de reduktie van een aryldiazonium verbinding met tinchloruur.

Aan een suspensie van 6.35 g (0.05 Mol) p-chlooraniline in 20 ml ge­ concentreerd zoutzuur en 50 ml water werd bij 0°C langzaam 3.45 g (0.05 Mol) natriumnitriet in 5 ml water toegevoegd. Het reactiemeng­ sel werd na afloop van de toevoeging gecontroleerd op de aanwezigheid van nitriet, en de eventuele overmaat nitriet werd met ureum vernie­ tigd. De diazoniumoplossing werd uitgegoten in een oplossing van 35 g (0.155 Mol) tin(II)chloride dihydraat in 35 ml geconcentreerd zout­ zuur. De temperatuur werd bij de reduktie op O^C gehouden. Daarbij precipiteerde p-chloorphenylhydrazinium hexachlorostannaat als een geelwitte kristallijne massa.

Na filtratie werd het precipitaat in 50 ml heet water (T=80°C) opge­ lost. De oplossing werd na afkoelen met ammonia (25?) of natriumace-taat geneutraliseerd waarbij p-chloorphenylhydrazine neersloeg, dat na filtratie onder vacuum werd gedroogd. Het product werd uit water gekristalliseerd; er werd 6.0g p-chloorphenylhydrazine (84?) als lichtgele naaldvormige kristallen verkregen.

II-2-4-2. Voorbeeldprocedure voor de reduktie van een aryldiazonium verbinding met natriumsulfiet in alkalisch milieu.

Op analoge wijze als in II-2-4-1 werd 6.9 g (0.05 Mol) p-nitroaniline gediazoteerd. De diazoniumoplossing werd uitgegoten in een oplossing van 28.5 g (0.11 Mol) natriumsulfiet heptahydraat en 2.75 g (0.07 Mol) natriumhydroxide in 75 ml water. Na toevoeging werd nog 15 minu­ ten geroerd, en de oplossing werd gedurende 24 uur bij 4°C bewaard. Hierbij ontstond een oranjegeel precipitaat van p-nitrophenylhydra-zine-N,N'-dinatriumsulfonaat. Aan dit reactiemengsel werd 50 ml gec. zoutzuur toegevoegd, waarna de oplossing helder werd; daarbij werd de sulfonzure groep op de a-positie afgesplitst en p-nitrophenyl-hydrazine-6-sulfonaat precipiteerde als het natriumzout. Na filtra­ tie werd dit zout in aanwezigheid van 15 ml gec. zoutzuur verwarmd. Nadat alles was opgelost werd de resulterende oplossing afgekoeld en kristalliseerde p-nitrophenyl-hydrazine als het zoutzure zout. De vrije base werd verkregen door neutralisatie van het zoutzure zout met behulp van natriumacetaat. De opbrengst bedroeg 5.5 g (72?).

II-3. De synthese van gesubstitueerde pyrazol-5-onen. II-3-1. Inleiding.

Na de ontdekking van 3-methyl-1-phenylpyrazol-5-on, en de ontdekking van de koortswerende werking van 2,3-dimethyl-1-phenylpyrazol-5-on

(antipyrine), is veel onderzoek verricht naar pyrazol-5-on derivaten (59). Thans worden pyrazol-5-onen toegepast in de pharmacie en de kleurenfotografie, en als intermediairen voor de bereiding van tex­ tiel en levensmiddelkleurstoffen (tartrazine).

DE SYNTHESE VAN PYRAZ0L-5-0N AZOMETHINE KLEURSTOF:-"?.:;

In de pharmacie worden meestal 3-alkyl gesubstitueerde pyrazol-5-onen toegepast (antirheumatica, antiphlogistica, antipyretica). Meestal zijn deze verbindingen op de 2-positie gealkyleerd (naar analogie met antipyrine), en op de i-positie gesubstitueerd net een alkylamino of dialkylaminogroep. De substituent op de 1-positie is vrijwel altijd een ongesubstitueerde phenylgroep.

Pyrazol-5-on is tautomeer met 5-hydroxypyrazool. Dit verklaart het zure karakter van de methyleengroep op de ï-po3itie (23-25).

CH3 CH3

9

GL*s

n

"

21

0 ' ^ OH

Evenals fenolen zijn onen oplosbaar In alkali; pyrazol-5-onen worden in alkalisch milieu echter gemakkelijk geoxideerd. Ook onder invloed van Fe(IIl)-zouten vindt oxidatie plaats, waarbij bis-pyrazol-5-onen worden gevormd.

Er treedt ook tautomerie op, betrokken op de amidegroep. Dit heeft een verhoging van de elektronendichtheid op zowel het zuurstofatoom van de carbonylgroep als op het stikstofatoom op de 2-posi*ie tot ge­ volg. Ten gevolge van deze negatieve polarisatie kan het stikstof­ atoom op de 2-positie worden gequaterr.iseerd (antipyrine).

9

Pyrazol-5-onen slecht oplosbaar zijn in oplosmiddelen met een lage dielektrische constante. In polaire oplosmiddelen als water en lagere alcoholen zijn zij daarentegen redelijk oplosbaar. Bijproducten, die ontstaan bij de reactie van hydrazines met acylazijnzure esters, kun­ nen door wassen met ether worden verwijderd omdat deze verontreini­ gingen goed oplosbaar zijn in ether.

11—3—1 — 1. Algemene aspecten van de synthese.

Pyrazol-5-on derivaten kunnen het beste worden gemaakt door condensa­ tie van een B-keto ester met een (gesubstitueerd) arylhydrazine (60). De condensatie reactie verloopt in twee stappen; in de eerste stap wordt een hydrazon gevormd, gevolgd door de ringsluiting van het hy­ drazon, waarbij het pyrazol-5-on wordt gevormd.

^

0

J"2 ^ ^ U Ï

n

-

23

OEt O-C

^OEt

De snelheid, waarmee de hydrazonvorming plaatsvindt, wordt bepaald

-18-DE SYNTHESE VAN PYRAZ0L-5-0N AZOMETHINE KLEURSTOFFEN *

door het substitutiepatroon van het hydrazine. Wanneer het hydrazine op de o- en/of p-positie is gesubstitueerd met een groep met een +1 effect (N02F CN), dan verloopt de hydrazonvorming erg snel, maar als een substituent met een -I effect (Me, OMe) aanwezig is, dan verloopt de hydrazonvorming slechts langzaam. De vorming van het hydrazon van acetylazijnzuur ethylester en p-nitrophenylhydrazine verloopt kwanti­ tatief en momentaan, maar de vorming van het hydrazon van acetyl-azijnzuur ethylester en p-methoxyphenylhydrazine verloopt vrijwel niet.

De invloed van de substituent op de snelheid van de ringsluiting is echter tegengesteld als voor de hydrazonvorming; wanneer het gebruik­ te hydrazine een substituent met een -I effect draagt, is de ring­ sluiting snel, maar verloopt langzaam als een substituent met een *I effect aanwezig is.

Zowel de hydrazonvorming als de ringsluiting worden door zuur gekata­ lyseerd. Weliswaar wordt ook de hydrolyse van het hydrazon door zuur gekatalyseerd, maar de snelheid daarvan is laag (61).

CH3 CH3 CH3 OH

CH2 ^ — CH2 H2C « N - N - O 11-24

C=0 ,C»0 C-0

EtO EK)

E H 5

Het mechanisme van de zure katalyse van de hydrazonvorming is niet bekend. Waarschijnlijk vindt protonering van het hydrazine plaats en wordt het inductieve effect van de substituent van het arylhydrazine op de vormingssnelheid van het hydrazon volledig teniet gedaan. Wan­ neer de basiciteit van het arylhydrazine wordt verlaagd door het in­ voeren van een elektronenzuigende groep (P-NO2), wordt een zelfde re­ sultaat verkregen als bij zure katalyse waar het betreft de hydrazon­ vorming.

Om de ringsluiting snel en aflopend te doen plaatsvinden is ook een zure katalyator noodzakelijk.

CH3 CH3 CH3

J--0 ,L OH ^ J ^

Et(T

EtO OH

OH ^

EtOH n_2 5

De ethoxygroep van de ester is een goede 'leaving-group1 als het ver­ schil in ladingsdichtheid van het a-stikstofatoom en het koolstof­ atoom van de estergroep groot is. Door het inductieve effect van de methoxygroep in de ethylester van acetylazijnzuur-3-(4-methoxyphe-nyl)-hydrazon is dit verschil groot en de ringsluiting tot 1-(4-ne-thoxyphenyl)-3-methylpyrazol-5-on is dan ook snel.

Anderzijds wordt door het invoeren van een elektronenzuigende groep U-N02) in de phenylgroep het verschil in ladingsdichtheid zo klein, dat ringsluiting van de ethylester van acetylazijnzuur-4-nitrophe-nylhydrazon tot 3-methyl-1-(4-nitrophenyl)-pyrazol-5-on niet plaats­ vindt. Voor volledige omzetting van dit hydrazon naar het pyrazol-5-on moet een aantal uren met 1 N zwavelzuur gekookt worden (61).

DE SYNTHESE VAN PYRAZ0L-5-0N AZOMETHINE KLEURSTOFFEN

Ten gevolge van de tegengestelde invloed van de aanwezige substituent op de snelheid van de twee afzonderlijke reacties is het vaak proble­ matisch om zuivere eindproducten te verkrijgen. Door het hydrazon te isoleren en te zuiveren voordat dit met zwavelzuur wordt behandeld kunnen evenwel aanzienlijke rendementsverbeteringen gerealiseerd wor­ den. De ringsluiting van de ethylester van acetylazijnzuur-2,A-dini-trophenylhydrazon verloopt echter zelfs niet in geconcentreerd zwa­ velzuur.

De eindstandige substituent van de B-keto-ester heeft, in tegenstel­ ling tot het substitutiepatroon van arylhydrazine, geen merkbare in­ vloed op de snelheid van zowel de hydrazonvorming als de ringslui­ ting.

Terecht kan worden opgemerkt, dat zure katalyse in alle gevallen noodzakelijk is. Is het niet voor de hydrazonvorming, dan is het wel nodig voor de ringsluiting (en vice versa).

II-3-"-2. Substitutie van 1-phenylpyrazol-5-onen.

Ten gevolge van de oxidatiegevoeligheid van sommige arylhydrazines is de synthese van de overeenkomstige pyrazol-5-onen soms niet uitvoer­ baar, met name wanneer de vormingssnelheid van het hydrazon erg laag is. In een aantal gevallen kan een reeds beschikbaar pyrazol-5-on ge-derivatiseerd worden door elektrofiele aromatische substitutie (r.i-trering, halogenering of sulfonering).

CH3 CH3

11-26

Nitrering van 3-n>ethyl-1-phenyipyrazol-5-on resulteert in de vorming van 3-methyl-l-(p-nitrophenyl)-pyrazol-5-on (62), dat door reduktie met ijzer/azijnzuur wordt omgezet in 1-(4-aminophenyl)-3-methylpyra-zol-5-on. Dit product kan niet worden gemaakt door condensatie van 4-aminophenylhydrazine en acetylazijnzuur ethylester, omdat het hy-drazine bijzonder snel wordt geoxideerd.

3-Methyl-1-(2,i-dinitrophenylT-pyrazol-5-on wordt op analoge wijze verkregen door nitrering van 3-methyl-1-(2-nitrophenyl)-pyrazol-5-on. II-3-1-3. Pyrazol-5-onen, toegepast in de kleurenfotografie.

In de kleurenfotografie gebruikte 3-(alkyl,aryl,acyl)-amino gesubsti-eerde pyrazol-5-onen worden gemaakt door condensatie van nitrilo-azijnzuur ethylester met (gesubstitueerde) hydrazines (63).

NH2

Q

ftH2

. ;„, j _ oft

OEt

EfOH n_2 7

Alkylering of acylering van de vrije amino groep leidt tot het ge­ wenste product. De in de kleurenfotografie toegepaste alkylgroepen zijn in het algemeen niet bekend.

-20-DE SYNTHESE VAN PYRAZ0L-5-0N AZOMETHINE KLEURSTOFFEN

II-3-2. Resultaten.

Behalve de route, die verloopt via de condensatie van een gesubsti­ tueerd hydrazine eet een P-keto ester, zijn twee andere, niet eerder gerapporteerde, methoden gebruikt voor de synthese van pyrazol-5-on derivaten (II-3-2-2 en II-3-2-3).

II-3-2-1. Synthese van pyrazol-5-on derivaten door condensatie van een 6-keto ester net een hydrazine.

In tabel II-2 zijn de pyrazol-5-onen opgenomen, die werden gemaakt door condensatie van een arylhydrazine met een B-ketoester.

R1 Me Me Me Me Me Me Me Me Me Me Me Me Me Me Me Ph Ph Ph Ph Ph Ph Ph Ph Ph R2 H o-CIPh m-ClPh p-CIPh 3*,4-diClPh 2 , 4 , 6 - t r i C l P h o-BrPh n-BrPh p-BrPh 2 , 4 , 6 - t r i B r P h o-N0,Ph ta-MePh p-MePh p-CNPh p-MeOPh H Ph o-CIPh p-CIPh O-BrPh p-BrPh o-N02Ph p-N02Ph p-llePh Opbrengst 92 % 44 % 15 $ 76 f 41 % 98 % 53 % 8 t 92 t 98 % U % 23 * 85 i 51 % 13 i 52 % 90 % 61 % 99 t 70 % 99 i 5 f 99 2 90 $ Smpt (°C) 215 182 131 172 164 184.-186

ontleedt

134 186

192-194

51 104

91-92

172-174

122 244 136 168 164

ontleedt

154

ontleedt

207-208

112

L i t .

64

33,65

66 65 65

3,68

33,65

67 65 3

69.70

71 72 3 56

75,76

75,77-80

33,65

65

33,65

3,65,81

69,70

82,83

72 Tabel II-2: De gesynthetiseerde pyrazol-5-onen

Naast de pyrazol-5-onen, die in tabel II-2 zijn verzameld, werd ook 1-(4-aminophenyl)-3-methylpyrazol-5-on gemaakt, door reduktie van 3-methyl-1-(4-nitrophenyl)-pyrazol-5-on met Fe/azijnzuur (73.74). De reduktie had een kwantitatieve opbrengst. Deze verbinding had geen concreet smeltpunt, maar ontleedde voordat het smeltpunt werd be­ reikt.

De synthese is in de literatuur goed beschreven. Daarom werd de ana­ lyse van de in tabel II-2 omschreven verbindingen beperkt tot een elementanalyse. De resultaten daarvan waren overeenkomstig de theore­ tisch berekende waarden. Het smeltpunt is eveneens een indicatie voor de zuiverheid. Indien de afwijking van het smeltpunt te groot werd

DE SYNTHESE VAN PYRAZ0L-5-0N AZOMETHIME KLEÖHSl

geacht, ten opzichte van het in de literatuur vermelde - of als de gemeten C,H,H verhouding teveel afweek van de berekende C-H-N

verhouding, werd het product uit ethanol/water (75:25! gekristalli­ seerd. Na itristallisatie bleken alle genaakte pyrazol-5-onen aar. specificaties te voldoen, en voor geen van de gemaakte pyrazol-5-onen was eer. tweede kristallisatie nodig.

In die gevallen, waarbij het pyrazol-5-on een of meerdere halogeer. atomen bevatte, werd een halogeen-analyse volgens Schoeniger uitge­ voerd. De gemeten gehaltes waren overeenkomstig het berekende gehal­ te.

Aan massaspectroscopie van pyrazol-5-onen werd veel aandacht besteed. Hiervoor wordt verwezen naar hoofdstuk III—1.

II-3-2-2. Eenstapssynthese van pyrazol-5-onen door middel van extrac­ tie van het hydrazine.

In eer. aantal gevallen waren de opbrengsten van het verkregen pyra-zol-5-on laag tengevolge van de lage vormingssnelheid var. ."

zon. Dit La het geval voor hydrazines, die gesubstitueerd zijn met een groep met een -I effect. Het bleek mogelijk om de c bting var. het aniline tot het hydrazine, en de daarop volgende condensatie met acetylazijnzuur ethylester te combineren. Dit heeft als voordeel, dat het hydrazine niet behoeft te worden geisoleerd, er. er kunnen voorzorgsmaatregelen tegen oxidatie worden genomen waardoor het ver­

van hydrazine door oxidatie beperkt blijft. Deze methode voor synthese van pyrazol-5-onen is niet eerder gerapporteerd.

Het arylhydrazine werd na neutralisatie van het arylhydrazinium hexa-chlorostannaat, zoals verkregen door reduktie van de diazoniunverbin-ding met tinchloruur, door extractie met chloroform gewonnen. Aan het extractiemiddel werd een antioxidant (2,6-di-t-butyl-i-methyiphenol, BHT; 2,6-di-tert-butyl-i-methylanisool, BHA) toegevoegd. Het verkre­ gen extract werd na droging direct gebruikt voor de synthese van het pyrazol-5-on door aan het hydrazine extract een oplossing var, acetyl-azijnzuur ethylester en een zure katalysator toe te voegen

(boortri-r.anol) in chloroform toe te voegen. Het hydrazcr. is op­ losbaar in chloroform maar het pyrazol-5-on niet. De vorming van het pyrazol-5-on werd gedurende de reactie waargenomen door troebeling van het reactiemengsel.

In tabel II-3 worden voor een drietal oxidatiegevoelige :. --s de opbrengsten vergeleken volgens de extractieve methode en ie methode, zoals beschreven in II-3-2-1.

R1 He Me Me R2 p-HeOPh p-MePh p-Me2NPh Opbr.klassiek 41* 53* Opbr.extrac­

ts

83*

Tabel 11-3: Vergelijking van de extractieve methode met de

volgens II-3-2-1 voor de bereiding van pyrazol-5-onen.

De opbrengsten van pyrazol-5-onen, afgeleid van oxidatiegevoelige hy­ drazines was met behulp van deze methode aanmerkelijk groter dan met

-22-DE SYNTHESE VAN PYRAZ0L-5-0N AZOMETHINE KLEURSTOFFEN

de klassieke synthese. Voor pyrazol-5-onen, afgeleid van niet-oxida-tiegevoelige hydrazines, werd geen uitgesproken toename van het ren­ dement waargenomen. Deze methode was niet bruikbaar als de reduktie van de diazonium verbinding werd uitgevoerd met natriumsulfiet in alkalisch milieu. De reden daarvan is niet bekend.

Met behulp van de klassieke methode, zoals beschreven in 11-3—2-1, is het niet mogelijk om 1-(p-dimethylaminophenyl)-3-methylpyrazol-5-on te maken. Voorheen moest deze verbinding worden gemaakt door methyle-ring van 1-U-aminophenyl)-3-methylpyrazol-5-on met dimethylsulfaat. Deze synthese verloopt in drie stappen, en de opbrengst is laag omdat ook methylering op de 2- en de i-positie van de pyrazol-5-on ring plaatsvindt.

II-3-2-3. Bereiding van 1-aryl gesubstitueerde pyrazol-5-on derivaten door arylering van 3-methylpyrazol-5-on.

Naar analogie van de Sandmeyer reactie en de Ullmann diaryl synthese zou het mogelijk moeten zijn om door arylering van 3-methylpyrazol-5-on 1-aryl gesubstitueerde pyrazol-5-3-methylpyrazol-5-onen te maken (85).

Voor de uitvoering van de arylering werd 3-methylpyrazol-5-on in alkalisch milieu eerst omgezet in het koper(I)-complex, en aan een kokende oplossing van dit complex werd een diazoniumoplossing toege­ voegd. In alkalisch milieu wordt de diazonium verbinding ontleed, waarbij het 1-aryl-3-methylpyrazol-5-on wordt gevormd.

Omdat arylering en azokoppeling op de 4-positie competitief zouden kunnen plaatsvinden met arylering op de 1-positie, werd 3-methyipy-razol-5-on op de i-positie beschermd door het aanbrengen van een benzalgroep. Zowel in zuur als in alkalisch milieu kan deze gemakke­ lijk weer worden afgesplitst.

Deze route is in beeld gebracht in de vergelijkingen 11-28 en 11-29

CH3 CH3 CH3

t s j 0 ° ^ ^ C H3 * N2

De arylering van 3-methylpyrazol-5-on met p-tolyldiazonium chloride leidde echter niet tot de vorming van uitsluitend 3-methyl-1-(4-me-thylphenyl)-pyrazol-5-on. Uit het chromatogram (fig.II-1) blijkt, dat een groot aantal producten worden gevormd; behalve de reacties 11-28 en 11-29 treden kennelijk ook nog verschillende nevenreacties op. De vorming van deze producten wordt toegelicht in reactieschema 11-30.

Met behulp van preparatieve HPLC werden zeven producten uit het reac­ tiemengsel geisoleerd; de identiteit werd vastgesteld met behulp van massaspectroscopie.

DE SYNTHESE VAN PYRAZ0L-5-0N AZOMETHINE KLEURSTOFFEN CH3 H3C CH3

CH

3

I

H

2

V

'O'

(81 CH3 112) CH3 _C,H3

-c

\V

C u

'

0 * = ^ 0

C

£

3

H

2V

0 N

H

'

=N

0

CH3 CH3 CH3

" 3 ^ C H 3

0

'

1 0

'

er

H , C ^ ^ | 7 | 100 50 0 7

)

l/WJ

1 1

1

•

\

1

\

.

.

1 1 1 12 15 18 2 ' lijd Imin I r i g . 1 1 - 1 : H.; ' r e n g s e l , z s a l s verkrege.-. - i n g van 4 - b e n z a l - 3 - ~ . r a z o l - 5 - o n . 2 4

-DE SYNTHESE VAN PYRAZ0L-5-0N AZOMETHINE KLEURSTOFFEN

Identificatie op basis van de massaspectra werd bemoeilijkt omdat niet van alle verbindingen de massaspectra bekend zijn en omdat ver­ schillende in het reactiemengsel aanwezige verbindingen een gelijk molecuulgewicht hebben. Dit is onder andere van het geval voor de verbindingen 5 en 6. Ook 3-methyl-1-(p-tolyl)-pyrazol-5-on en 4-ben-zal-3-methyl-pyrazol-5-on hebben een gelijk molecuulgewicht, maar Ln dit geval is onderscheid mogelijk, omdat voor beide verbindingen : renties beschikbaar zijn. Omdat de verbindingen 11, 12 en 13 slechte En geringe hoeveelheden worden gevormd, is identificatie ervan moeilijk. Onder de gebruikte condities wordt 3-methyl-1-(p-tolyl)-pyrazol-5-on wel gevormd, doch de opbrengst is laag (15$); de azoverbindingen 5,6 en 7 vertegenwoordigen het grootste gedeelte van het productenmengsel en er ziln ook nog aanzienlijke hoeveelheden

4-benzal-3-methylpyrazcl-5-on (b%) en 3-methylpyrazol-5-on (HiO in het productenmengsel aanwe­ zig.

Het is belangrijk, dat het Cu(l)-complex van 4-benzal-3-methylpyra-zol-5-on zo volledig mogelijk wordt gevormd. Wanneer dat niet zo is, wordt het uitgangsproduct, 4-benzal-3-methylpyrazol-5-on, weer terug-gevormd. De keuze van de benzalgroep voor bescherming van de methy-leengroep op de 4-positie van de pyrazol-5-on ring was geen goede keuze omdat door tussentijdse afsplitsing van de benzalgroep het reactiemengsel aanzienlijk gecompliceerder wordt.

II-3-3. Conclusies.

Gedurende het onderzoek werden vijfentwintig verschillende 3-alkyl (aryl)-1-arylpyrazol-5-onen gemaakt door condensatie van een gesub­ stitueerd arylhydrazine met acetyl- of benzoylazijnzuur ethylester. Deze synthese is goed beschreven en levert in het algemeen goede resultaten op. De voornaamste beperking is, dat de opbrengst van de pyrazol-5-onen laag is als het gebruikte hydrazine gesubstitueerd is met een groep met een -I effect.

De opbrengsten kunnen aanzienlijk worden verbeterd door het hydrazine na neutralisatie met chloroform te extraheren, en het extract te ge­ bruiken voor de synthese van het pyrazol-5-on. Met behulp van deze methode is het mogelijk 1-(4-dimethylaminophenyl)-3-methylpyrazol-5-on te maken, dat in 34% opbrengst werd verkregen. De extractieve syn­ these van pyrazol-5-onen is te prefereren boven de klassieke synthese omdat hij sneller en eenvoudiger is, en algemeen toepasbaar is.

De arylering van 3-methylpyrazol-5-on naar een reeks verschillende 3-methyl-1-arylpyrazol-5-onen naar analogie met de Sandmeyer reactie leidde niet tot het gewenste resultaat. Bij de arylering van 3-me-thylpyrazol-5-on met p-tolyldiazonium chloride werden naast 15? van het gewenste 3-methyl-1-(4-methylphenyl)-pyrazol-5-on, een groot aan­ tal bijproducten gevormd (voornamelijk azoverbindingen). Omdat schei­ ding van het productenmengsel niet goed mogelijk was, is deze route op dit moment voor preparatieve doeleinden (nog) niet geschikt.

II-3-4. Experimenteel gedeelte.

Alle chemicaliën (Merck, Fluka, Eastman Kodak) werden in zo zuiver mogelijke vorm gebruikt, en indien nodig vooraf gekristalliseerd of gedestilleerd. De smeltpunten zijn alle ongecorrigeerd.

DE SYNTHESE VAN PÏRAZ0L-5-0N AZOMETHINE KLEURSTOFFEN

11—3—4—1 - Voorbeeldprocedure voor de synthese van een pyrazol-5-on: 1-U-chloorphenyl)-3-methylpyrazol-5-on.

Onder roeren werd 7.1 g (0.05 Mol) 4-chloorphenylhydrazine, opgelost In 25 ml ethanol, toegedruppeld aan een oplossing van 6.5g (0.05 Mol) acetylazijnzuur ethylester in 50 ml ethanol en 1 ml geconcentreerd zoutzuur. Het reactiemengsel werd op O^C gehouden. Nadat 4-chloorhy-drazine geheel was toegevoegd wordt nog 10 minuten geroerdi waarna het reactiemengsel een uur onder terugvloeikoeling werd gekookt. Het reactiemengsel werd afgekoeld en na filtratie en wassen met ether werd 7.9g (76?) 1-U-chloorpher.yl)-3-methylpyrazol-5-on verkregen. Het product werd gekristalliseerd uit ethanol/water (75:25).

De verontreinigingen zijn goed oplosbaar in ether en worden bij het wassen van het ruwe product al voor het grootste gedeelte verwijderd. II-3-4-2. Voorbeeldprocedure van de extractieve pyrazol-5-on synthese:

3-methyl-1-(4-methylphenyl)-pyrazol-5-on.

p-Toluidine (10.7g; 0.1 Mol) werd op de gebruikelijke manier gediazo-teerd, en gereduceerd met tinchloruur tot 4-methylhydraziniura hexa-chlorostannaat. Na het vrijmaken van de vrije base met behulp van r.a-triumacetaat werd het hydrazine met chloroform (3x50 ml) geëxtra­ heerd, waaraan 100 mg/l BHT was toegevoegd. De gecombineerde extrac­ ten werden gedroogd net watervrïj magnesiumsulfaat.

Aan de oplossing van 4-methylphenylhydrazine werd H.3 g (0.11 Mol) acetylazijnzuur ethylester in 100 ml chloroform toegevoegd, waaraar. 2 ml boortrifluoride/methanol complex was toegevoegd (de ester moet in overmaat aanwezig zijn). Het reactiemengsel werd gedurende een uur gekookt, waarbij het gevormde pyrazol-5-on precipiteerde. Ha afloop van de reaktie werd chloroform onder verlaagde druk afgedampt.

Voor het verwijderen van de overmaat acetylazijnzuur ethylester werd het ruwe reaktieproduct gedurende twee uur gekookt met een overnaat kaliumcarbonaat. Daarbij werd stikstof doorgeleid om oxidatie van het pyrazol-5-on te voorkomen. Na aanzuren van het reaktiemengsel sloeg 3-methyl-l-U-methylphenyl)-pyrazol-5-on kwantitatief neer en werd afgefiltreerd. Het product werd gekristalliseerd vanuit ethanol en de opbrengst was 15.6 g (83$).

II—3—4-—3- De synthese van 4-benzal-3-methylpyrazol-5-on.

Bij 0°C werd onder roeren aan een oplossing van 32.5 g (0.25 Mol) acetylazijnzuur ethylester in 100 ml absolute ethanol 12.5 g (0.25 Mol) hydrazinehydraat toegevoegd. Aan dit reactiemengsel werd 2 ml ijsazijn toegevoegd. 3-Methylpyrazol-5-on werd onder grote warmte-ontwikkeling momentaan gevormd. Het reactiemengsel werd vervolgens 30 minuten onder terugvloeikoeling gekookt. Na afkoelen kristalliseerde 3-methylpyrazol-5-on uit, dat na filtratie en drogen kwantitatief als naaldvorrnige kristallen werd verkregen.

Vervolgens werd 29.5 g (0.25 Mol) 3-methylpyrazol-5-on opgelost in een mengsel van 100 ml water en 150 ml 96$-ethanol en 86 g natrium-carbonaat. De verkregen oplossing had een briljante gele kleur.

Onder roeren werd aan deze oplossing 26.5 g (0.25 Mol) benzaldehyde toegevoegd (T=0°C). Na afloop van de toevoeging werd nog 30 minuten geroerd en werd 1 N zoutzuur toegevoegd, totdat het reactiemengsel zuur reageerde. Daarbij sloeg i-benzal-3-methylpyrazol-5-on als een

-26-DE SYNTHESE VAN PYRAZ0L-5-0N AZOMETHINE KLEURSTOFFEN

vlokkig geel precipitaat neer. Nadat onder verlaagde druk ethanol was afgedestilleerd, werd het precipitaat afgefiltreerd en gedroogd boven kaliumhydroxide/norit. Na kristallisatie uit ethanol werd 42.4 g

(91.2$) i-benzalpyrazol-5-on verkregen.

II-3-4-4. Synthese van het Cu(I)-complex van 4-benzal-3-methylpyra-zol-5-on (84).

Dit complex is niet eerder in de literatuur beschreven. Het complex werd bereid naar analogie met de bereiding van koper(I)-zouten, zoals die voor de Sandmeyer reaktie worden gebruikt (85).

Aan een oplossing van 9.9 g (0.075 Mol) amnoniumsulfaat in 200 ml am­ monia werd langzaam 2.58 g (0.025 Mol) koper(I)oxide toegevoegd. De oplossing werd helder, en de kleur veranderde van rose naar blauw. Onder roeren werd aan deze oplossing 9.3 g (0.05 Mol) 4-benzal-3-me-thylpyrazol-5-on toegevoegd. Na afloop van de toevoeging werd het reactiemengsel vier uur gekookt totdat geen vrij Cu(lJ meer aange­ toond kon worden.

Aan deze kokende oplossing werd in vier gelijke porties 5.35 g (0.05 Mol) gediazoteerd p-toluidine toegevoegd, en het reactiemengsel werd gelijktijdig met stoom gedestilleerd. Daarbij ontweek benzaldehyde. Na afloop van de toevoeging werd doorgegaan met de stoomdestillatie totdat geen benzaldehyde meer overdestilleerde. Na afkoeling werd een bruin precipitaat afgefiltreerd, dat twee maal met 50 ml ether werd gewassen.

Het precipitaat werd gekristalliseerd uit ethanol/water (50:50). Er werd 8.5 g product verkregen, dat een lichtbruine kleur had. Het pro­ duct had geen concreet smeltpunt, maar ontleedde voordat het smelt-punt werd bereikt. In het reactieproduct was koper niet aantoonbaar. II—3-4-5 - Analyse van het reactiemengsel zoals dat werd verkregen bij

bij de reactie volgens II-3-4-4.

De HPLC-analyse werd uitgevoerd met een Waters pomp (type 6000; Sol-vent Delivery System), en de gebruikte kolom was een RP-18 kolom. De vloeistofsnelheid bedroeg 1.5 ml/min. Als elutievloeistof werd een methanol/water mengsel gebruikt. Detectie vond plaats met behulp van UV-detectie (254 nm).

Voor identificatie waren een viertal referentiemonsters beschikbaar: 3-methyl-1-(methylphenyl)-pyrazol-5-on, 3-methylpyrazol-5-on, 4-benzal-3-methylpyrazol-5-on en 4-benzal-3-methyl-1-(4-methylphenyl)-pyrazol-5-on. Behalve de reeds gerefereerde verbindingen waren ook nog een aantal verbindingen in het reactiemengsel aanwezig, waarvan geen referentie beschikbaar was (zie fig.II-1). De identiteit daarvan werd met behulp van massaspectroscopie vastgesteld. Massaspectrosco-pische analyse werd uitgevoerd met behulp van een Varian Matt 311-A, al dan niet bij variabele verdampingstemperatuur. De spectra werden opgenomen bij 70 eV.

II-4. De synthese van pyrazol-5-on azomethine kleurstoffen. II-4-1. Inleiding.

DE SYNTHESE VAN PÏRAZ0L-5-ON AZOMETHINE KLEURSTOFFEN

p-nit.roso-N.N-dimethylaniline met een pyrazol-5-on volgens:

Me Me

Me

2

NHQ-N0 * H ^ J 1 U M e

2

N ^ - N ^ ♦ H

2

0 H-31

0 U ° U

Wanneer de c o n d e n s a t i e wordt u i t g e v o e r d met A n i t r o s o N . N d i m e t h y l -a r . i l i n e of i - n i t r o s o -a n i s o o l wordt u i t s l u i t e n d de k l e u r s t o f gevormd

( 3 5 ) . Wanneer n i t r o s o b e n z e e n voor de c o n d e n s a t i e wordt g e b r u i k t , wordt een complex p r o d u c t e n m e n g s e l v e r k r e g e n . In hun onderzoek r.aar de p r o d u c t v e r d e l i n g van de r e a c t i e t u s s e n 3 m e t h y l 1 p h e n y I p y r a z o l 5 -on en n i t r o s o b e n z e e n v-onden T a c c o n i , Desim-oni, R i g h e t t i en Marin-oni

■. .. ' e n m i n s t e v i e r p r o d u c t e n , welke i n een r e d e l i j k e h o e v e e l h e i d ■ ■ • i e m e n g s e l aanwezig w a r e n :

115) (16) 1171 en Desimoni geven geen uitgewerkt reactiemechanisme voor de ..Tg van de productverdeling. Zij veronderstelden, da', nitroso­ benzeen verantwoordelijk is voor de (door oxidatie gevormde) verbin­ dingen U en 16. De oxidatie van 3-oethyl-l-phenylpyrazol-5-on tot het corresponderende bispvrazol-5-on onder invloed van Fe(III)zouten is reeds lang bekend ( 8 6 ) . Het N-oxide zou ontstaan door oxidatie van 4-phenylimino-3-methyl-1-phenylpyrazol-5-on (verbinding 1 5 ) . De idei titelt van verbinding 17 is onzeker.

Haensel (15) heeft ook gebruik gemaakt van deze methode voor de b e ­ reiding van pyrazol-5-on azonethine kleurstoffen, maar ook hij heeft geen mechanisme geformuleerd.

II-i-2. Resultaten.

II-4.-2-1. De synthese van de kleurstoffen.

Door condensatie van p-nitroso-N.N-dimethylaniline met een gesubsti­ tueerd pyrazol-5-on werden vijfentwintig verschillende pyrazol-5-on azonethine kleurstoffen gemaakt (tabel ll-J.). De meeste van deze kleurstoffen zijn niet eerder op deze wijze gemaakt.

p-Nitroso-dimethylaniline werd gemaakt door nitrosering van N,N-dimethylaniline (36); voor de synthese van de gesubstitueerde pyra-zol-5-onen wordt verwezen naar I I - 3 .

ïn.n?b^i ll'i i S * V e s u b s"t u e n t °P de 3-positie, en R2 de substi-tuent op de 1-posxtie van de Pyrazol-5-on ring. De opbrengsten hebben

-28-DE SYNTHESE VAN PYRAZ0L-5-0N AZOMETHINE KLEURSTOFFEN

uitsluitend betrekking op de condensatiereaotie.

R1 Me Me Me Me Me Me Me Me Me Me Me Me Me Me Me Me Me Me R2 H Ph o-CIPh m-ClPh p-CIPh 3 . 4 - d i C l P h 2 , 4 . 6 - t r i C l P h o-BrPh m-BrPh p-BrPh 2 , 4 . 6 - t r i B r P h o-NO, Ph P-NO2 Ph m-MePh p-MePh p-MeOPh p-CNPh P-SO3 NaPh Opbr. 78.1 9 2 . 0 45.1 2 8 . 2 33.9 2 1 . 4 17.1 78.1 2 5 . 7 6 3 . 0 12.0

46.4

95.1 6 1 . 7 9 9 . 0 51.2 U . 5 7 0 . 0 Smpt.(°C) 178-180 135-137 U 6 - U 8 184 172-174 198-200 o n t l e e d t 138-140 166 175-177 o n t l e e d t 157 238-242 o n t l e e d t 142-144 122-124 212 o n t l e e d t R1 Ph Ph Ph Ph Ph Ph Ph Ph Ph NH2 R2 H Ph o-CIPh p-CIPh o-BrPh p-BrPh o-N0,Ph p-N02Ph p-MePh Ph Opbr. 97.1 9 4 . 0 6 3 . 6 8 2 . 9 3 9 . 9 71 . 0 22.1 1 8 . 0 5 7 . 3 6 3 . 2 Smpt.(°C) 202-203 225-227 128-129 . 168-170 132-134 154-155 170 (") 170 (x) 157 169-171 Tabel II-4: De gesynthetiseerde kleurstoffen. De stoffen aangemerkt

met (*) hadden een concrete ontledingstemperatuur.

De uiterlijke verschijning is een indicatie voor de zuiverheid van de kleurstof. De kristallen van zeer zuivere pyrazol-5-on azomethine kleurstoffen hebben een metallische glans, en zijn groen gekleurd. Doorgaans werden de kleurstoffen zo ook uit het reactiemengsel ver­ kregen. De kristallen waren 2-4 mm lang en zuivering door chromato-grafie of kristallisatie bleek niet nodig te zijn.

De synthese, waarvan in tabel II-4 de resultaten zijn opgenomen, werd uitgevoerd met triethyleendiamine als katalysator. Aromatische stik-stofbasen als pyridine en chinoline bleken slechts geschikt te zijn als de phenylgroep op de 1-positie van de pyrazol-5-on ring gesubsti­ tueerd was met een groep met een sterk -I effect (OMe, N R2) . Piperi-dine bleek ook bruikbaar te zijn als katalysator, maar de opbrengsten waren aanmerkelijk lager als in tabel II-4 vermeld. Bij het gebruik van piperidine als katalysator was herkristallisatie noodzakelijk, omdat een aanzienlijke hoeveelheid bijproducten werd gevormd.

De optimale hoeveelheid triethyleendiamine was 5 molï. Bij lagere concentraties verliep de reactie te langzaam en was de opbrengst la­ ger; bij hogere concentraties werd contaminatie van het eindproduct met de katalysator waargenomen, waardoor herkristallisatie noodzake­ lijk was. De verhouding pyrazol-5-on/katalysator werd niet beinvloed door het substitutiepatroon van het gebruikte pyrazol-5-on.

II-4-2-2. Het gebruik van andere oplosmiddelen voor de synthese. De oplosbaarheid van sommige pyrazol-5-onen in ethanol was soms een probleem om de synthese naar behoren te kunnen uitvoeren. Dit was zo als R2=o-N02Ph, p-N02Ph, 2,4,6-triBrPh, 2,4,6-triClPh en p-CNPh. Wan­ neer het pyrazol-5-on niet volledig was opgelost, werd het

overgeble-DE SYNTHESE VAN PÏRAZ0L-5-0N AZOMETHINE KLEURSTOFFEN

ver. kristal omgeven met een laagje van de kleurstof en ten gevolge van de geringe oplosbaarheid van de kleurstoffen wordt daardoor een gedeelte van het pyrazol-5-on afgeschermd van chemische reactie (occlusie).

In die gevallen werd gebruik gemaakt van 1-propanol (R2=p-CNPh). '-butanol (R2=2,4.6-triBrPh, 2,4,6-triClPh) of methylcellosoive (R2= c-MQjPh, P-NO2 Ph) als oplosmiddel. Voor de synthese van 4-(p-dime-thylaminophenyl)-imino-3-methyl-1-(2,4.6-tribromophenyl)-pyraz3l-5-on en 4-(p-dimethylaminophenyl)-imino-3-methyl-1-(4-nitrophenyl)-pyra-zol-5-on gaf een mengsel van 1-butanol en methylcellosoive (50/50) als oplosmiddel goede resultaten, en bevatte de uiteindelijk gevormde kleurstof geen onomgezet uitgangsproduct.

Deze oplosmiddelen hebben geen invloed op het verloop van de reactie, maar hebben als nadeel, dat zij sterk aan de kleurstof worden gead­ sorbeerd. Daardoor zijn de droogtijden aanzienlijk.

II-4-3. Discussie.

I I - 4 - 3 - 1 . V e r g e l i j k i n g van de r e s u l t a t e n met de l i t e r a t u u r .

Alleen door H a e n s e l en Tacconi wordt melding gemaakt van e n i g e k l e u r ­ s t o f f e n , d i e gemaakt werden door c o n d e n s a t i e van een g e s u b s t i t u e e r d p y r a z o l - 5 - o n met p - n i t r o s o - N , H - d i m e t h y l a r . i l i n e ( 1 3 . 1 4 , 1 5 ) .

3e k l e u r s t o f f e n , d i e door H a e n s e l (15) z i j n gemaakt, z i j n opgenomen i n t a b e l I I - 5 . De r e s u l t a t e n worden v e r g e l e k e n met de r e s u l t a t e n , d i e l i t onderzoek z i j n v e r k r e g e n .

m

H Me Me Ph --MeOPh p-N02Ph Ph Me Me R2 Ph Ph p-MePh Ph Ph Ph Me Me p-N02Ph Rendeme.'i\ (Haensel) I I I 11 39 73 25 68 77 58 71 62 19 25 64 Smpt.(°C) 174 187 191 218 196 218 138 174 260 Rendemer. t ( d i t o n d e r z . ) -92 99 94

-95

5mpt.(°C)

-135-137 ' ... - ' 4 4 225-227

-238-242 I De gebruikte katalysator was piperidine

II De gebruikte katalysator was triethyleendiamine

Tabel II-5: Vergelijking van de resultaten voor de synthese van pyra-zol-5-on azonethine kleurstoffen volgens Haensel en dit onderzoek.

Haensel rapporteert aanzienlijk lagere opbrengsten, dan gedurende dit onderzoek werden verkregen. Ket is zeker niet ondenkbaar, dat dit de opgedane expertise reflecteert. Veel meer zorgen baart het waargeno­ men verschil in de smeltpunten. Daarvoor is geen verklaring beschik­ baar. De resultaten, welke door Vittum (3.22,43). ea- werden verkregen voor kleurstoffen afgeleid van 4-diethylamino-2-aethylaniline zijn

-30-DE SYNTHESE VAN PYRAZ0L-5-0N AZOMETHINE KLEURSTOFFEN

beter in overeenstemming met de resultaten van dit onderzoek. Beide auteurs rapporteren overigens de gifgroene kleur en de metallieke glans van de kristallen van de kleurstoffen in zeer zuivere toestand. II-4-3-2. Het reaotieraechanisme.

De eerste stap uit de reactie is een interactie tussen het pyrazol-5-on en de base. Daarbij wordt een der protpyrazol-5-onen van de methyleengroep losgeweekt waardoor het koolstofatoom op de 4-positie een negatieve lading krijgt. Dit is de inleiding voor de reactie met de sterk gepo­ lariseerde nitrosogroep, die leidt tot de vorming van de C-N binding. De mate van polarisatie van het C(4)-atoom wordt sterk beïnvloed door het inductieve effect van substituenten aan de phenylgroep op de 1-positie van de pyrazol-5-on ring. De aanwezigheid van een groep met een -I effect heeft verhoging van de elektronendichtheid op het C(4)-atoom tot gevolg en naarmate het inductieve effect sterker is, komt de C-N binding gemakkelijker tot stand. De sterkte van de gebruikte base is ook een belangrijke parameter. Deze moet de C-H binding af­ zwakken, en vormt niet alleen een onmisbare aanvulling op het induc­ tieve effect van de substituent op de 1-positie, maar kan dit zelfs overcompenseren.

Het gevormde anion van het hydroxylamine neemt onmiddellijk een pro­ ton op. Na de vorming van het hydroxylamine bestaat de interactie met de base nog steeds, omdat ook het overgebleven proton op de 4-positie zuur reageert (het zure karakter is overigens wel sterk afgenomen). Een mogelijk mechanisme is, dat met behulp van de base het overgeble­ ven proton wordt overgedragen naar het zuurstofatoom van de hydroxyl-groep en via een geconjugeerd mechanisme gelijktijdig de azomethine binding wordt gevormd en water wordt afgesplitst.

CH3 H .0 _

N-QI /(g) — H

11-33

'V

>>N

\-/

R

0 H20 ♦ (Ê)