CC BY
17
УДК 547.512; 545;562;786
1,1-ДИГАЛОГЕН-2-БЕНЗИЛЦИКЛОПРОПАНЫ В РЕАКЦИИ С АЗОТИСТОЙ КИСЛОТОЙ
А.З. Каджаева, Е.В. Трофимова, Р.А. Газзаева, А.Н. Федотов, С.С. Мочалов
(кафедра органической химии; e-mail. fed@org.chem.msu.ru)
Изучено взаимодействие 1,1-дихлор- и 1,1-дибром-2-бензилциклопропанов с азотистой кислотой, образующейся in situ. Показано, что под действием этого реагента дигалогенбензил-циклопропаны претерпевают как нитрование в ароматическое ядро, так и гетероциклиза-цию, которая инициируется раскрытием циклопропанового кольца нитрозил-катионом. Ре-гиоселективность реакций зависит от природы атомов галогена в циклопропановом фрагменте.
Ключевые слова: 1,1-дигалоген-2-бензилциклопропаны, 1, 1-дигалоген-2-нитробен-зилциклопропаны, 3-бензил-5-хлоризоксазол, 3-нитробензил-5-галогенизоксазолы, нитрозил-катион - окислитель, азотистая кислота "in situ " - нитрозирующий реагент.
Ранее в ряду галогензамещенных циклопропанов в реакциях нитрозирования быши изучены в основном сопряженные 1,1-дигалогензамещенны1е фенилциклопро-паны, содержащие атомы галогена в циклопропановом фрагменте. Результатом нитрозирования таких циклопропанов азотистой кислотой, генерированной in situ, явилось образование продуктов сопряженного присоединения, вместе с которыми в небольших количествах быши выщелены1 продукты гетероциклизации - изокса-золы [1]. Если в качестве нитрозирующего реагента использовался борфторид нитрозония, то единственным направлением таких реакций явилась гетероциклизация с образованием изоксазолов [2]. Из алкилзамещеннык
1.1-дихлорциклопропанов в реакции нитрозирования в присутствии борфторида нитрония был изучен только
2.2-дихлорбицикло[4,1,0]гептан. При этом реагент легко раскрытаег малыш цикл этого субстрата с образованием исключительно изоксазола [2].
С целью выяснения вопроса о влиянии сопряжения в молекулах исходныгс 1,1-дигалогенциклопропанов в данной работе бышо изучено взаимодействие 1,1-дига-логен-2-бензилциклопропанов с азотистой кислотой, полученной in situ. Эти субстраты представляют собой интересные модельные объекты, поскольку в них отсутствует сопряжение между малым и фенильным кольцами. Оказалось, что в отличие от 1,1-дигалоген-фенилциклопропанов, в условиях, аналогичных приведенным в работе [1], как 1,1-дихлор-(1), так и 1,1-дибром-2-(2)-бензилциклопропаны в реакцию с азотистой кислотой не вступают. Лишь при соотношении субстрат:реагент 1:4, при более высокой температуре (20°С) и более длительном времени проведения реак-
ции наблюдается образование продуктов 4 и 5 для дихлорида 1 и 6, 7 для дибромида 2, а наибольшая степень превращения исходных дигалогенидов 1 и 2 в продукты реакции 4-7 достигается при увеличении количества азотистой кислоты до соотношения исходных реагентов 1:6. Вследствие значительных изменений условий осуществления реакций нитрозирования наблюдались принципиальные различия в направлениях превращений бензильных дигалогенидов 1 и 2 под действием азотистой кислоты по сравнению с их сопряженными аналогами [1]. Прежде всего при проведении реакции с соотношением исходных реагентов 1:6 не происходит образования продуктов сопряженного присоединения типа 3 (схема 1). После стандартной обработки реакционных смесей и их препаративного разделения были получены следующие продукты реакций с азотистой кислотой: из 1,1-дихлор-2-бензил-циклопропана (1) - нитроароматическое производное 4 и соответствующий бензилзамещенный изоксазол 5 в качестве основного продукта реакции, а из 1,1-диб-ром-2-бензилциклопропана (2) - о- и п-нитрозамещен-ные бромизоксазолы 6, 7 в соотношении 1:2 с высоким общим выходом (схема 1).
Полученные результаты свидетельствуют о том, что в случае дихлорида 1 протекают два независимых и параллельных процесса - нитрование в ароматическое ядро с образованием дихлорциклопропана 4 и нитрозирование трехчленного цикла с последующим образованием изоксазола 5. В отличие от этого, диб-ромид 2 образует только нитрозамещенные бензили-зоксазолы 6 и 7. Очевидно, что реакция их образования включает две последовательные стадии: 1) более
18 ВМУ, химия, № 1
С х е м а 1
С1
NaN02 , СГ3С00!
200С , 12ч
0С0СГ3
N=0 С1 С1
4 (23%)
5 (47%)
Вг NaN02 , СГ3С00Ы Вг
6 ( 31%)
02^
7 (62% )
С х е м а 2
8 (13%)
N02 9 (24%)
легко протекающее нитрование в ароматическое ядро с образованием нитрозамещенных дибромбензилцик-лопропанов 8, 9 и 2) превращение нитросоединений 8 и 9 в изоксазолы 6 и 7 (схема 1). Действительно, при снижении концентрации нитрозирующего реагента и проведении реакции нитрозирования дибромида 2 при соотношении субстрат:ЫК02 1:4 в продуктах реакции идентифицируются нитросоединения 8 и 9 и нитробензилзамещенные изоксазолы 6 и 7 (схема 2). Этот факт свидетельствует о том, что нитрование в ядро действительно является первичным процессом.
Таким образом, отсутствие нитросоединений 8 и 9 в продуктах реакции дибромциклопропана 2 с азотистой кислотой при соотношении реагентов 1:6 (схема 1) указывает на то, что, образовавшись на ранней стадии, они далее легко претерпевают
трансформацию в соответствующие изоксазолы 6 и 7 под действием нитрозил-катиона. Для проверки этого предположения нами было изучено взаимодействие дибромида 2 с азотистой кислотой при их соотношении 1: 1 при температуре 20°С. В этих условиях нами были выделены нитросоединение 8 (~1%), нитробензилизоксазолы 6 (1,5%) и 7 (9%); при этом 88% исходного бензилциклопропана 2 возвращалось из реакции неизмененным.
Интересно отметить, что взаимодействие 2-(4-нит-робензил)-1,1-дихлорциклопропана (4), полученного в реакции с азотистой кислотой при соотношении 1:6 (схема 1), при повторной реакции с НЫ02 при том же соотношении реагентов превращается в 3-(4-нит-робензил)-5-хлоризоксазол (10) с высоким выходом (схема 3).
3
1
2
С х е м а 3
Cl
CI NaNO2 , CF3COOH
no2 4
200C , 12ч
o2n
ci
10 (82%)
-2h2o
4hno2
-2no
2N2O3 —-2no2
n2o4
h+
С х е м а 4
no2 + hno2
Этот результат показывает, что образовавшийся в ходе реакции 1,1-дихлор-2-(4-нитробензил)-циклопро-пан (4) (схема 1) далее в условиях снижения концентрации азотистой кислоты в изоксазол 10 не превращается и в продуктах реакции отсутствует, очевидно, из-за меньшей реакционной способности по сравнению с соответствующими нитробензилдибромцик-лопропанами 8 и 9.
Необходимо отметить также тот факт, что в изученных условиях из дихлорбензилциклопропана 1 ароматическое нитрование происходит только в пара-положение с образованием нитробензильного производного 4, тогда как из соответствующего дибромида 2 образуются орто- и пара-нитрозамещенные изомеры 8 и 9. Очевидно, что 1,1-дибромциклопропилметиль-ный заместитель в меньшей степени дезактивирует ароматическое ядро исходного субстрата по отношению к нитрованию, чем 1,1-дихлорциклопропилметиль-ный, и активность 1,1-дибром-2-бензилциклопропана 2 в ароматическом нитровании становится сравнимой с активностью незамещенного бензилциклопропана, для которого также отмечается относительно высокое орто-/пара-соотношение нитроароматических производных [6].
Объяснение образования продуктов нитрования в ароматическое ядро 1,1-дигалоген-2-бензилциклопропа-нов 1, 2 в условиях реакции нитрозирования может быть найдено из анализа данных работ [7, 8]. В первой из них [7] авторы предлагают схему равновесных превращений азотистой кислоты, возникающей in situ, в системе нитрит натрия - трифторуксусная кислота,
где на одной из стадии возникает нитронии-катион, участвующий в электрофильном нитровании бензольного кольца (схема 4).
Но, как видно из приведенной схемы, предшественником нитроний-катиона является диазоттетра-оксид, который, согласно данным работы [8], также может быть ответствен за формирование продуктов ароматического нитрования по 8БТ-механизму
Принимая во внимание тот факт, что значение первого потенциала ионизации (ППИ) 1,1-дихлорбензил-циклопропана* (1) находится в границах, обусловливающих его одноэлектронное окисление нитрозил-катио-ном, мы полагаем, что нитрование 1,1-дигалоген-2-бензилциклопропанов 1 и 2 осуществляется по 8БТ-механизму [8].
Если обратиться к структурам 1,1-дигалоген-2-бен-зилциклопропанов, то нетрудно видеть, что их превращения, инициируемые нитрозил-катионом, теоретически могут приводить к образованию соответствующих изоксазолов двух типов (схема 5).
Поскольку сделать строгий вывод о строении изоксазолов 5-7 и 10 на основании данных ЯМР-спектроскопии затруднительно, мы относим их к типу 3-бензил-5-галогензамещенных изоксазолов, образующихся по пути 1 (схема 4) по следующим причинам. Поскольку в ходе превращений 1,1-дигалоген-2-бен-зилциклопропанов (1, 2) не происходит образования продуктов сопряженного присоединения типа 3 (схема 1), нам представляется достоверным тот факт, что атака нитрозил-катионом осуществляется по положению 2 циклопропанового фрагмента, следствием
*Рассчитанное значение Еъзмо = 9,01 (метод HF/6-31G).
ГХ -
+
no
x x
x x
С х е м а 5
o=n
n
которой и является формирование 3-бензил-5-галоге-низоксазолов (5-7 и 10). С другой стороны, дигало-генбензилциклопропаны (1, 2) могут быть отнесены к группе донорно-акцепторных циклопропанов, трансформации которых под действием электрофильных реагентов инициируются атакой электрофила по наименее дезактивированному атому углерода [9].
Экспериментальная часть
Спектры ЯМР регистрировали на приборе "Уат1ап БХЯ-400" в СОС13 и в смеси СОС13 + ВМ80^6 с использованием остаточного СНС13 в дейтерорастворителе в качестве внутреннего стандарта. Масс-спектры получены на масс-спектрометре "Finnigan SSQ-7000" (типа ОС-М8) с использованием колонки (30 м, жидкая фаза ЭБ-1, газ-носитель - гелий) и программированием температуры от 50 до 300°С (10 град/мин). Энергия ионизации 70 эВ. Препаративное разделение реакционных смесей проводили на пластинках с А1203 (II ст. активности по Брокману), используя в качестве элюента смесь хло-роформ-гексан в соотношении 1:2 (по объему).
1,1-Дихлор-2-бензилциклопропан (1) (выход 84%, Ткип = 114-116°С /11 мм рт. ст. [6]) и 1,1-диб-ром-2-бензилциклопропан (2) (выход 71%, Ткип = 164-165°С /10 мм рт. ст.). Спектр ЯМР 1Н, (5, м.д., 1/Гц, СЭС13): 1.51 (м., 1Н); 1.89(м., 2Н, СН, Су-Рг);
\Н = 5.8 Гц) и 2.91 (дд.,
Т = 9
J3HH 9'
Тнн = 6.7 CHPh), 7.21-7.32 (м., 5Н,
акционную смесь перемешивали 12 ч, выливали в 120 мл Н20, продукты реакции экстрагировали СНС13 (2x30 мл), экстракт промывали 2%-м На2С03, водой и сушили СаС12. Упарив растворитель, остаток хро-матографировали на пластинках с А1203.
1,1-Дихлор-2-(4-нитробензил)циклопропан (4). Выход 23%. Спектр ЯМР 1Н, (5, м.д., 1/Гц, СЭС13): 1.23 (м., 1Н); 1.62 (м., 1Н) и 1.85(м., 1Н, СН Су-Рг); 2.87 (дд., 1Н, \Н=7.8, \Н = 5.1) и 2.96 (дд., 1Н, \н =3.7, СН2РИ); 7.4 (д., 2Н, ^ = 8.2)
2JHH = ™
Тнн = 82,
CH.). Найдено
С
2.75 (дд., 1Н,
1Н, 2jHH = 98 CHAr. Найдено(%): С 41.32; Н 3.38; C10H10Br2. Вычислено (%): С 41.42; Н 3.48. Оба продукта получены дигалогенкарбенилированием аллилбензола, как описано в [10].
Взаимодействие 1,1-дигалоген-2-бензилцик-лопропанов с HNO2, образующейся in situ (общая методика). К раствору 0,01 моль дигалогенида (1, 2, 4) в 15 мл CF3COOH при 20°С и перемешивании в течение 1 ч добавляли 0,06 моль NaNO2. Ре-
и 8.16(д., 2Н, 41.32; Н 3.38. C10H10Br2. Вычислено (%): С 41.42; Н 3.48. Масс-спектр, m/z (/отн, %): 246 (14) [M]+, 200
(13), 186 (2), 164 (3), 157 (15), 136 (100), 128 (13), 116 (6), 106 (35), 89 (77), 78 (98), 63 (60), 51 (39), 39 (33). Найдено (%): С 48.85; Н 3.57; N 5.66. C10H9NCl2O2. Вычислено (%): С 48.81; Н 3.69; N 5.69. 3-Бензил-5-хлоризоксазол (5). Выход 47%. Спектр ЯМР 1Н, (5, м.д., J/Гц, CDCl3): 3.75 (с., 2Н, СН2-РИ); 7.2 (д., 2Н, 3JHH =7.6); 7.27 (м.,1Н) и 7.35 (т., 2Н, СНАг); 8.12(c., 1Н, 4Н изоксазола). Масс-спектр, m/z (1отн, %): 246
(14) [M]+, 200 (13), 186 (2), 164 (3), 157 (15), 136 (100), 128 (13), 116 (6), 106 (35), 89 (77), 78 (98), 63 (60), 51 (39), 39 (33). Найдено (%): С 62.07; Н 4.11; N 7.18. C10H8NClO. Вычислено (%): С 62.03; Н 4.16; N 7.23. 3-(2-Нитробензил)-5-бромизоксазол (6). Выход 31%. Спектр ЯМР 1Н (5, м.д., J/Гц, CDCl3): 3.85 (с., 2Н, CH2Ph); 7,11-7.35 (м., 3Н) и 7.61(д., 1Н, 3JHH = 9.6, СНАг); 8.13 (с., 1Н, 4-Н изоксазола). Найдено (%): С 42.40; Н 2.50; N 9.81. C10H7BrN2O3. Вычислено (%): С 42.43; Н 2.49; N 9.90. 3-(4-Нитробен-зил)-5-бромизоксазол (7). Выход 62%. Спектр ЯМР 1Н (д, м.д., J/Гц, CDCl3): 3.67 (с. , 2Н, CH2Ph); 7,05 (д., 2Н, 3jhh = 10.7) и 7.45(д., 2Н, 3jhh = 10.7, снаг); 8.05 (с., 1Н, 4-Н изоксазола). Найдено (%): С 42.33; Н 2.38; N 9.74. C10H7BrN2O3. Вычислено (%): С 42.43; Н 2.49; N 9.90. 3-(4-Нитробензил)-5-хлори-зоксазол (10). Выход 82%. Тпл = 54-55°С. Спектр
3
2
ЯМР 1Н (ô, м.д., J/Гц, CDCl3 + DMSOd-6): 4.16 (е., 2Н, CH2Ph); 6.64 (д., 1Н, 4Jhh = 4.8, 4-Н 13зокеазола); 7.55 (д., 2Н, 3Jhh = 8.4) и 8.15(д., 2Н, 3JHH = 8.4, СНДг). Маее-епектр, m/z (/отн, %): [M]+ 238 (7%); 157(5), 149(10.2), 136(100), 128(6.1), 102(9.4), 90(60.1), 78(8.2), 63(30.4), 51(16.6), 39(16.2). Найдено (%): С
50.39; Н 3.02; N 11.66. C10H7N2Cl03. Вычиелено (%): С 50.33; Н 2.96; N 11.74.
По общей методике при еоотношении еубетрат-нитрит натрия, равном 1:4, из 2,9 г (0,01 моль) ео-единения (2) получали 2-(2-нитробензил)-1,1-диб-ромциклопропан (8). Выход 13%. Спектр ЯМР 1Н (Ô, м.д., J/Гц, CDCl3): 1.51 (м., 1Н) и 2.01 (м., 2Н, СН Cy-Pr); 2.82 (дд., 1Н, 2jhh = 12.2, \н = 6.7) и 2.91 (дд., 1Н, 2jhh = 12.2, \н = 7.3,
CH.Ph); 7,19 (т., 1Н, \н = 8.4); 7.21(д., 1Н, 3jhh = 8.4), 7.41(т., 1Н, 3jhh = 8.4, СНдг), 7.43(д., 1Н, 3JHH = 8.3, СНАг). ). Найдено (%): С 35.82; Н 2.62; N 4.14. C10H9 Br2N02. Вычиелено (%): С 35.85; Н 2.71; N 4.18. 2-(4-Нитробензил)-1,1-дибромцик-лопропан (9). Выход 24%. Спектр ЯМР 1Н (ô, м.д., J/Гц, CDCl3): 1.49 (м., 1Н) и 1.93 (м., 2Н, СН Cy-Pr); 2.71 (дд., 1Н, jh = 11.3, 3jhh = 7.0) и 2.82 (дд., 1Н, 2Jhh = 11.3, JHH = 7.7, CH2Ph); 7,25 (д., 2Н, 3Jhh = 8.6) и 7.56 (д., 2Н, 3jhh = 8.6,
СНАг). Найдено (%): С 35.82; Н 2.69; N 4.20. C10H9 Br2N02. Вычиелено (%): С 35.85; Н 2.71; N 4.18. 3-(2-Нитробензил)-5-бромизоксазол (6), выход 14% и 3-(4-нитробензил)-5-бромизоксазол
(7), выход 29%.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Альхамдан М., Сагинова Л.Г., Петросян B.C. // Веетн. Моек. ун-та. Сер. 2. Химия. 1994. 35. С. 357.
2. Lin S-T, Kuo S-H, YangF-M. // J. Org. Chem. 1997. 62. Р. 5229.
3. Левина Р.Я., Шабаров Ю.С., Шаназаров K.C. // Веетн. Моек. ун-та. Сер. 2. Химия. 1957. 5. С. 145.
4. Алексанян B.T., Стерин Х.Е., Лукина М.Ю., Сальникова И.П. // Материалы X Веееоюзного еовещания по епектро-екопии. Львов, 1957. Т. 1. С. 64.
5. Мочалов С.С., Кузьмин Я.И., Федотов А.Н., Трофимова Е.В., ГаззаеваР.А., ШабаровЮ.С., Зефиров Н.С. // ЖОрХ. 1998. 34. С. 1379.
6. Федотов А.Н., Трофимова Е.В., Мочалов С.С., Шабаров Ю.С. // ЖОрХ. 1988. 24. С. 1413.
7. Crivello J.V. // J.Oig.Chem. 1981. 46. Р. 3056.
8. Мочалов С.С., Газзаева P.A., Федотов А.Н., Трофимова Е.В., Трушков И.В., Зефиров Н.С. // ЖОрХ. 2004. 40. С. 1146.
9. ReissigH-U, Zimmer R. // Chem. Rev. 2003. 103. Р. 1151.
10. Газзаева P.A., Арчегов Б.П., Федотов А.Н., Трофимова Е.В., Мочалов С.С., Шабаров Ю.С. // Вестн.Моск.ун-та. Сер. 2. Химия. 2005. 46. С. 349.
Поступило в редакцию 22.04.08
1, 1-DIHALO-2-BENZYLCYCLOPROPANES IN REACTION WITH NITROUS ACID
A.Z. Kadzaeva, E.V. Trofimova, R.A. Gazzaeva, A.N. Fedotov, S.S. Mochalov
(Division of Organic Chemistry)
Interaction of 1, 1-dichloro- and 1, 1-dibromo-2-benzylcyclopropanes with in situ formed nitrous acid was studied. It was shown that both a nitration of aromatic ring and a heterocyclization of 1, 1-dihalo-2-benzylcyclopropanes take place. The heterocyclization is initiated by an opening of cyclopropane ring in the reaction with nitrosyl cation. The nature of the halogen atom in the cyclopropane ring affects the regioselectivity of the reactions.
Key words: l,l-dibromo-2-benzylcyclopropanes, 1,1-dihalogen-2-nitrobenzylcyclopropanes, 3-benzyl-5-chloroisoxazole, 3-nitrobenzyl-5-halogenisoxazoles, nitrosyl cation as oxidant, nitrous acid "in situ " as nitrosating agent.
Сведения об авторах: Каджаева Анжела Заурбековна - аспирант Северо-Осетинского государственного университета им. К.Л. Хетагурова; Владикавказ, 362040, Северная Осетия (kadzh@mail.ru); Трофимова Елена Валентиновна - ст. преподаватель химического факультета МГУ, канд. хим. наук; Газзаева Римма Александровна - доцент Северо-Осетинского государственного университета им. К.Л. Хетагурова Владикавказ, 362040, Северная Осетия, канд. хим. наук (gazzaevar@mail.ru); Федотов Александр Николаевич - ст. научный сотрудник химического факультета МГУ, канд. хим. наук (fed@org.chem.msu.ru); Мочалов Сергей Сергеевич - профессор химического факультета МГУ, докт. хим. наук (ssmoch@org. chem. msu.ru).
