CC BY
29
И. В. Бодриков (д.х.н., проф.), А. А. Чиянов (д.х.н., проф.), Н. В. Борисова (к.х.н., доц.), Л. И. Бажан (к.х.н., доц.), А. Ю. Субботин (к.х.н., доц.)
Каскадное и дискретное депротонирование стерически загруженных систем
Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева, кафедра органической химии и строения вещества 603950, ГСП-41, Нижний Новгород, ул. Минина, 24; e-mail: orgchim@nntu.nnov.ru
I. V. Bodrikov, A. A. Chiyanov, N. V. Borisova, L. I. Bazhan, A. Yu. Subbotin
Cascade and discrete deprotonation of the steric loaded systems
Nizhny Novgorod Technical State University n.a. R. E. Alexeev 24, Minina Str., Nizhny Novgorod, 603950, Russia ; e-mail: orgchim@nntu.nnov.ru
Впервые найдено направление депротонирования по домино- и дискретному переносу протона в стерически затрудненных системах — 4-замещенных 3,6-ди-трет-бутил-о-бензохинонах и интермедиатных карбкатионах, генерируемых действием гетерополикислот (И45ІШ1204о) и Ы-иодсукцинимида на бетулин. Нами впервые найдено направление депротонирования С—И связи в реакциях алкенов с электрофильным иодом. В работе использовались методы ИК-, ЯМР-спектроскопии, РСА и квантовохимические неэмпирические и полуэмпирические расчеты.
Ключевые слова: алкены; аллобетулин; бетулин; гетерополикислоты; депротонирование; иод-сукцинимид; 4-замещенные 3,6-ди-шреш-бутил-о-бензохиноны; квантовохимические расчеты.
Протон играет важную роль в промышленном и препаративном синтезе, биологических процессах, фотосинтезе, а также в теоретической физике и химии 1. Поэтому поиск новых источников протонов, методов генерирования и транспорта их является актуальным направлением в химии, т.к. процессы протонирования и депротонирования ответственны за формирование важных функциональных группи фрагментов в блоках многих сложных структур (спирты, непредельные соединения, активные каталитические центры и т. д.).
В настоящей работе впервые найдено неизвестное направление депротонирования по домино- и дискретному переносу протона в стерически затрудненных системах — 4-заме-
Дата поступлєния 29.11.12
For the first time it is founded the direction of deprotonation on domino-and discrete proton transfer in the steric hindrance systems — 4-substituted 3,6-di-tert-butyl-o-quinones and generated by the action of heteropolyacids (H4SiW12O4o) and N-iodsukcinimid to betulin intermediat carbcationes. For the first time we have founded the direction of C—H bond deprotonation in the reactions of alkenes with iodine electrophyl. The methods of IR-, NMR-spectroscopy, X-ray diffraction analysis and quantum chemical ab initio and semi-empirical calculations are used.
Key words: alkenes; allobetulin; betulin;
4-substituted 3,6-di-tert-butyl-benzohinones;
heteropolyacids; deprotonation; iodsukcinimid; quantum chemical calculations.
щенных 3,6-ди-шреш-бутил-о-бензохинонах и интермедиатных карбкатионах, генерируемых действием гетерополикислот (H4SiW12O40) и N-иодсукцинимида на бетулин. В работе использовались методы ИК-, ЯМР-спектроско-пии, РСА и квантовохимические расчеты.
Согласно данным ИК-спектроскопии, при замене водорода в о-хинонах на CH3- и CH3O-группы в ИК-спектре наряду с полосами, характерными для структур I (R = -CH3, -OCH3), появляются новые полосы, характерные для двойной связи в таутомерах II—IV.
Для незамещенного бензохинона (I, R = H) в ИК-спектре наблюдаются полосы валентного колебания С=0 связи: одна интенсивная полоса при 1655 см-1 и вторая менее интенсивная полоса, состоящая из двух компонент при 1682 и 1675 см-1 (рис. 1).
Рис. 2. ИК-спектр 4-метил-3,6-ди-трет-бутил-о-бензохинона в области 1500—1700 см-1
Именно появление характерной для сопряженной терминальной двойной связи полосы свидетельствует о наличии в равновесной системе таутомера II, генерируемого из 4-метил-3,6-ди-ш/»еш-бутил-о-бензохинона (I, И = -СН3) в результате трансформации метиль-ной группы в метиленовую, которую можно рассматривать как материализацию п, 5-сопряжения.
О
О
Н3С
■о
I, к = СНз
Н2С'
ОН
II
Рис. 1. ИК-спектр 3,6-ди-трет-бутил-о-бензохи-нона в области 1500—1700 см-1
Для 4-замещенного бензохинона (I, И = -СН3) в ИК-спектре проявляются две полосы при 1677 см-1 (с плечом при 1671 см-1) при 1652 см-1, относящиеся к валентным колебаниям карбонильных групп. В ИК-спектре также наблюдаются две новые полосы, отсутствующие для базисного соединения: относящаяся к валентному колебанию карбонильной группы интенсивная полоса при 1618 см-1 и сравнительно слабая полоса при 1556 см-1, характерная для валентных колебаний сопряженной терминальной двойной связи углерод - углерод (рис. 2).
Особенно существенные по сравнению с базисным соединением (I, И = Н). изменения в области валентных колебаний карбонильных групп проявляются в ИК-спектре (рис. 3) 4-меток-си-ди-шреш-бутил-о-бензохинона (I, И = -ОСН3).
Рис. 3. ИК-спектр 4-метокси-3,6-ди-трет-бутил-о-бензохинона в области 1500-1700 см-1
В ИК-спектре этого соединения (рис. 3), как и для других 4-замещенных о-бензохино-нов, проявляются полосы С=О валентных колебаний структуры (I, И = -ОСН3) при 1677, 1663, 1634 и 1623 см-1, а также интенсивная полоса при 1550 см-1, которую с большой вероятностью можно отнести к смешанному валентному колебанию связи С=О+ в структурном фрагменте Н3С-О+=С таутомера III и (или) Н2С=О+-С таутомера IV.
Н
О
Н3СО'
чО
Н3СО'
'ОН
I, К=ОСН3
III
OH
OH
IV
В области 3500-3000 см-1 для 4-метил- и 4-метоксипроизводных наблюдаются полосы валентных колебаний гидроксильной группы в бензохиноновом кольце (рис. 4).
VI
Образование полученных соединений V и VI, очевидно, обязано таутомеру II, который вовлекается в Лём- процесс с последующей димеризацией.
Рис. 4. ИК спектры 4-(К)-3,6-ди-трет-бутил-о-бензохинонов I в области валентных колебаний ОН-группы: а) Я=Н, б) Я= СИ3, в) К=ОСИ3
Наиболее вероятно, что появляющиеся новые полосы, относящиеся к валентным колебаниям ординарных связей углерод-кислород, принадлежат генерированным в результате перемещения протона полярным структурам II-IV.
Полученные нами результаты подтверждаются образованием соединения V при действии уксусной кислоты на 4-метил-ди-трет-бутил-о-бензохинон (I, И=СН3) 2 и получением димера VI из о-хинона (I, И=СН3) при повышенной температуре в условиях кислотного
3
катализа .
V
Нами проведен квантовохимический анализ наиболее вероятных путей структурных превращений изученных бензохинонов неэмпирическим методом по программе GAUSSIAN 09 4 и методом MNDO c использованием расчетной схемы PM3 5.
Расчет проведен для нескольких каналов генерирования приведенных структур, включая прямую миграцию протона от заместителя в 4-положении к атому кислорода карбонильных групп. Результаты показывают, что протонный сдвиг непосредственно от метильной группы к атому кислорода требует преодоления системой энергетического барьера более 120 ккал/моль. Смещение протона к атому кислорода в этом канале приводит к геометрии типа енольной. Предсказываемый очень высокий энергетический барьер одностадийной трансформации 4-метил-о-бензохинона в еноль-ную форму свидетельствует о малой вероятности реализации такого канала трансформации о-бензохинонов. В связи с этим нами рассмот-
рены ступенчатые схемы трансформации изученных соединений, включающие участие основных центров бензохинонов и кислотных центров среды в отщеплении и переносе протона. Так, при участии атома кислорода карбонильной группы второй молекулы 4-метил-о-бензохинона в отщеплении протона из ме-тильной группы атакуемой молекулы энергетический барьер составил 65 ккал/моль. Резкое снижение энергии отщепления протона из метильной группы о-бензохинона (I, И=СН3) обеспечивается за счет протонирования атома кислорода атакуемой молекулы бензохинона протонодонорными компонентами (начало эстафетной цепочки). Перенос протона, например, от иона гидроксония к атому кислорода о-бензохинона осуществляется с энергетическим барьером всего 4 ккал/моль, а для отщепления протона из метильной группы, протониро-ванного по атому кислорода 4-метил-о-бензо-хинона второй молекулой этого же соединения, требуется преодоление энергетического барьера в 40 ккал/моль. При этом генерируется новая молекула 4-метил-о-бензохинона с протонированным атомом кислорода карбонильной группы, которая обеспечивает еноли-зацию этой молекулы бензохинона, реализуя своеобразную цепочку домино 6.
Расчет пути возможной трансформации 4-метоксизамещенного бензохинона (I, И=ОСН3) проведен с учетом полученных результатов превращения 4-метилзамещенного о-бензохинона, а именно, отщепление протона из СН3О-группы второй молекулой 4-метокси-о-бензо-хинона осуществляется с участием однократно и двукратно протонированных форм первой молекулы.
Отщепление протона от метокси-группы однократно протонированного бензохинона второй молекулой этого соединения происходит с преодолением энергетического барьера в 54 ккал/моль, после чего энергия системы понижается на 18 ккал/моль. При этом вторая молекула о-бензохинона, получившая протон от метокси-группы, обеспечивает продолжение эстафеты.
Отрыв протона от метокси-группы дважды протонированного о-бензохинона имеет энергетический барьер 41 ккал/моль, что на 13 ккал/моль меньше, чем отрыв протона из того же заместителя в однократно протониро-ванном бензохиноне. Этот барьер практически совпадает с активационной энергией отрыва протона от 4-метил-о-бензохинона. Поскольку этот перенос происходит на вторую молекулу о-бензохинона, то молекулярная перестройка и в этом случае также носит эстафетный характер.
Таким образом, проведенный квантовохимический анализ показывает, что генерирование таутомеров (п-1У) включает стадию протонирования карбонильного кислорода и последующее депротонирование заместителей в 4-положении по схеме домино-реакции.
В присутствии каталитических количеств гетерополикислоты (Н451’^2О40) бетулин (луп-20(29)-ен-3,28-диол) VII претерпевает скелетную перегруппировку с анхимерным содействием атома кислорода гидроксильной группы при С28. Наблюдаемая скелетная перегруппировка в принципе аллогична: трансформация третичного карбкатиона во вторичный (формальное отсутствие движущей силы). В действительности, указанный аллогизм легко устраняется, если учесть, что движущая сила перегруппировки обеспечивается анхимерным содействием кислорода в катионе X и уменьшением стерического напряжения в катионе VIII при трансформации его в катион IX. Последующее депротонирование гидроксо-ниевого иона X приводит к аллобетулину (19Д 28-эпоксиолеан-3-ол) XI. Ключевыми стадиями найденной реакции являются образование карбкатиона классического типа VIII, скелетная перестройка с образованием карбкатиона IX, циклизация с участием кислорода (интермедиат X), депротонирование которого приводит к аллобетулину XI. Учитывая низкую основность анионной части гетерополикислоты, депротонирование структуры X может протекать по типу домино-процесса (перенос протона на двойную связь следующей молекулы бетулина) (схема 1).
23 ''24
VII
Схема 2.
Строение аллобетулина доказано методом РСА (рис. 5).
С128)
Рис. 5. Структура аллобетулина по данным РСА
Реакция бетулина с К-иодсукцинимидом, несмотря на то, что он является очень слабым электрофилом, также протекает с депротонированием, однако, в отличие от гетерополикислот, депротонированию подвергается С-Н связь метильной группы.
Квантовохимические расчеты показывают, что и в этом случае образующаяся в лимитирующей стадии частица имеет структуру, близкую к открытому карбкатиону XII, что обеспечивает С-Н депротонирование. Хотя со-
гласно квантовохимическим расчетам разрыв С-Н связи происходит с очень низким энергетическим барьером, однако, в этой ситуации депротонирование, более вероятно, протекает дискретно, то есть под «контролем» собственного нуклеофила (схема 2).
Наибольшие изменения происходят с сигналом метильной группы, присоединенной к винильному фрагменту: в спектре ЯМР !Н бетулина VII синглет 8Н=1.68 м.д. за счет заместительного присоединения атома иода смещается для XIII в область 3.94 м.д. Из-за влияния хиральных центров бетулинового остова сигналы протонов диастереотопной СН2.1-группы расщепляются в мультиплет типа АВ с геминальной константой сверхтонкого взаимодействия 9.3 Гц. В спектре ЯМР 13С для иод-замещенных алкильных групп характерны химические сдвиги в сильное поле по сравнению с другими галогенными заместителями. По данным двумерного спектра протон-углерод-ной корреляции (НБ0С-2В) химический сдвиг СН2.1-группы 8С=11.9 м.д.
Таким образом, нами впервые найдено направление депротонирования С-Н связи в реакциях алкенов с электрофильным иодом. Действительно, в реакциях алкенов с иодсодер-
жащими электрофилами независимо от источника электрофильного иода аддитивные направления получают тотальное развитие, так как предшественником этих реакций являются интермедиаты типа циклических карбо-катионов Робертса—Кимбала.
Однако из-за больших стерических помех бетулинового фрагмента и метильной группы, согласно квантовохимическим расчетам, циклический ион карбония энергетически менее выгоден. Репульсивные взаимодействия указанных групп имманентно обеспечивают большую стабильность карбкатиона открытого типа, в котором без значительного энергетического барьера реализуется депротонирование C-H связи с образованием продуктов замещения XIII.
Литература
1. Белл Р. // Протон в химии.— М.: Мир, 1977. 382 с. (Bell R.P. // The Proton in Chemistry. Se-cond Edition. London. Chapman and Hall, 1972).
Абакумов Г. А., Черкасов В. К., Абакумова Л. Г., Дружков Н. О., Неводчиков В. И., Курский Ю. А, Макаренко Ю. П. //Металлоограническая химия.- 1991.- Т.4, №4.- С.925.
Poddel’sky, A. V. Piskunov, N. O. Druzhkov, G. K. Fukin, V. K. Cherkasov, G. A. Abakumov //Z. Anorg. Chem.- 2009, 635.- P.2563.
Gaussian 09, Revision A.1, M. J. Frisch, G. W Trucks, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A Robb, J. R. Cheeseman, G. Scalmani, V. Barone
B. Mennucci, G. A. Petersson, H. Nakatsuji, M Caricato, X. Li, H. P. Hratchian, A. F. Izmaylov J. Bloino, G. Zheng, J. L. Sonnenberg, M. Hada M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H Nakai, T. Vreven, J. A. Montgomery, Jr., J. E Peralta, F. Ogliaro, M. Bearpark, J. J. Heyd, E Brothers, K. N. Kudin, V. N. Staroverov, R Kobayashi, J. Normand, K. Raghavachari, A Rendell, J. C. Burant, S. S. Iyengar, J. Tomasi M. Cossi, N. Rega, J. M. Millam, M. Klene, J. E Knox, J. B. Cross, V. Bakken, C. Adamo, J Jaramillo, R. Gomperts, R. E. Stratmann, O Yazyev, A. J. Austin, R. Cammi, C. Pomelli, J W. Ochterski, R. L. Martin, K. Morokuma, V. G Zakrzewski, G. A. Voth, P. Salvador, J. J Dannenberg, S. Dapprich, A. D. Daniels, Ц Farkas, J. B. Foresman, J. V. Ortiz, J Cioslowski, and D. J. Fox, Gaussian, Inc. Wallingford CT, 2009.
Войтюк А.А. //ЖСХ. 1988.- Т.29, №1.-
C.138.
Титце Л., Браше Г., Герике К. Домино-реакции в органическом синтезе.- М.: Бином, 2010. 671 с. (Tietze L. F., Brasche G., Gerike M. K. Domino reactions in organic synthesis. Weinheim, Germany, Wiley-VCH Verlag GmbH&Co. KgaA, 2006).
2
3
4
5
6
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 12-03-00753-а).
