CC BY
35
Том 149, кн. 4
Естественные науки
2007
УДК 547.541
3-МЕТИЛПИРАЗОЛИН-2-ОН-5 В РЕАКЦИЯХ АЦЕТИЛИРОВАНИЯ И СУЛЬФЕНИЛИРОВАНИЯ. ЭКСПЕРИМЕНТ И ТЕОРИЯ
М.Ш. Жуков, Т. И. Маджидов, О.А. Лодочникова, О.Н. Катаева, Г.А. Чмутова
Аннотация
Выявлена различная региоселективность реакций ацетилирования и сульфенилиро-вания 3-метилпиразолона-5 (I). Ацетилирование (I) уксусным ангидридом в присутствии пиридина приводит к образованию 2-ацетил-3-метил-5-гидроксипиразола, в отличие от 1-ацетил-3-метилпиразолона-5, образующегося в отсутствие пиридина. Согласно данным рентгеноструктурного анализа, 2-ацетил-3-метил-5-гидроксипиразол в твердой фазе представляет собой циклический димер, стабилизированный межмолекулярными К...Н-0 связями. Взаимодействие (I) с арилсульфенилгалогенидами дает продукты С4-замещения. Структура одного из продуктов - 4-(2',4'-динитрофенилтио)-пиразолин-2-она-5 - охарактеризована методом рентгеноструктурного анализа. Методами теории функционала плотности охарактеризована термодинамическая стабильность регио- и стереоизомеров моноацетил-, моно- и диарил-тиозамещенных 3-метилпиразолона-5 в газовой фазе, сделан вывод о корректности теоретических прогнозов структуры продуктов реакции ацетилирования лишь при учете эффектов среды.
Введение
Вследствие широкого использования пиразолонов в качестве высокоэффективных экстрагентов, прекурсоров красителей, компонентов лекарственных препаратов не иссякает интерес к поискам хемо- и региоселективных реакций с их участием, а также характеристикам тонкой структуры соединений данного класса. Многообразие потенциально возможных и реализующихся в разных условиях эксперимента структурных изомеров моно- и диацилпиразолонов может быть следствием как таутомерии пиразолонового остова, так и явления ацилотропии, т. е. возможной миграции ацильного заместителя между активными центрами изучаемых систем [1, 2]. В наиболее изученных к настоящему времени реакциях ацилирования 1,3-дизамещенных пиразолонов-5 хлорангид-ридами карбоновых кислот образуются главным образом продукты 4(С)- или 5(0)-моноацилирования или соответствующие диацилзамещенные продукты [3-5]. Для 3-алкил(арил)пиразолонов с незамещенным атомом азота в первом положении наиболее характерными оказались процессы К- и 0-ацилирования [3, 4]. Реакции сульфенилирования 3-метилпиразолона-5 ранее не изучались, а 1-фенил-3-метилпиразолон-5 в реакциях с рядом арил-сульфенилгалогенидов показал склонность к образованию продуктов С4-замещения [6].
А.И. Мовчан
В попытках синтеза макроциклических соединений с различными пиразо-лоновыми фрагментами у нас появилась необходимость иметь индивидуальные региоизомеры ацилпиразолонов, а также структурно чистые тиозамещенные пиразолоны. Кроме того, нас интересовали вопросы термодинамической стабильности регио- и стереоизомеров соединений данного типа. Для решения этих вопросов мы провели тщательное изучение структуры продуктов реакций ацетилирования и сульфенилирования 3-метилпиразолона-5 физическими и квантово-химическими методами, используя в качестве последних главным образом методы теории функционала плотности с применением пакетов программ Priroda [7] и Gaussian 98, Revision А.7.
1. Экспериментальная часть
ИК-спектры зарегистрированы на приборе Specord-M80, в качестве носителя использовали вазелиновое масло (нуйол). Спектры ЯМР зарегистрированы на приборе Varian «Unity-300». Химические сдвиги протонов приведены относительно ГМДС в шкале 5. Масс-спектры зарегистрированы на приборе "Phymigan DYNAMO" при рабочей частоте прибора 500 МГц. ТСХ, полученные на пластинах Silufol UV-254, проявлялись в йодной камере и закреплялись водой. В качестве элюента использовалась смесь ацетона с толуолом в соотношении 1 : 3.
Данные рентгеноструктурного анализа соединения (III) получены на автоматическом четырехкружном дифрактометре "Enraf-Nonius CAD-4", соединений (IV) и (V) - на дифрактометре Nonius-CCD с излучателем MoKa (к = 0.71073 Ä).
Квантово-химические расчеты проводились с полной оптимизацией геометрии. Все обсуждаемые структуры лежат в минимуме поверхности потенциальной энергии, что проверялось расчетом матрицы вторых производных (все члены гессиана имеют положительное значение). В программе Priroda расчеты проводились с использованием функционала PBE [8] и встроенного в программу базисного набора 3z. При расчетах в Gaussian^ использовался функционал B3LYP, сочетающий расчет обменной энергии с использованием трехпарамет-рового функционала Becke [9] и корреляционной энергии по методу Lee, Yang, Pan-'а [10], и базисные наборы 6-31G(d,p), 6-311++G(d,p).
Исходный 3-метилпиразолон-5 (I) был синтезирован согласно [11], 2,4-динитрофенилсульфенилхлорид - по [12].
1-ацетил-3-метилпиразолон-5 (II). К 3 г (0.0306 моль) 3-метилпиразо-лона-5 при нагревании (80°С) прикапывали 8.66 мл уксусного ангидрида (0.0917 моль) при постоянном перемешивании магнитной мешалкой. По окончании смешивания реагентов нагревание продолжали в течение 3 мин. Образовавшийся осадок отфильтровывали, промывали на фильтре толуолом, затем сублимировали при 80°С в вакууме (5 мм рт. ст.). Сублимат перекристаллизо-вывали из 60%-ного водного этанола. Выход 68%. Температура плавления 184°С (т. пл. 170-172°С [4]). Спектр ЯМР !Н (ДМСО^6), 5, м.д.: 2.10 (с., 3Н, СН3-СО), 2.25 (с., 3Н, СН3-С=С), 4.83 (с., 1Н, СН), 11.75 (с. уш., 1H, ОН). ИК-спектр, см-1: 2800 (с., шир., ОН, NH), 1700-1640 (с., плохо разрешена, С=О), 1610-1605 (плечо), 1550 (с., С=Ч С=С). ИК-спектр (CHCl3), см-1: 1700 (с., ш., С=О), 1580 (сл.). ТСХ : Rf = 0.29.
2-ацетил-3-метилпиразолон-5 (III). К дисперсии 3 г (0.0306 моль) 3-ме-тилпиразолона-5 в 10 мл пиридина при нагревании (80°С) и при перемешивании магнитной мешалкой по каплям добавляли 3.12 г (0.0306 моль) уксусного ангидрида (соотношение реагентов в молях 1 : 4 : 1 соответственно). По окончании смешивания реагентов нагревание продолжали в течение 10 мин. Реакционную смесь упаривали в вакууме, остаток растирали в 50 мл насыщенного водного раствора KCl. Осадок отфильтровывали, промывали 50 мл раствора KCl той же концентрации и сушили в вакууме. Перекристаллизовывали из 60%-ного этанола. Выход 70%. Температура плавления 174°С.
Спектр ЯМР 'И (CHCl3-d), 8, м.д. (J, Гц): 2.53 (с., 3Н, СН3-СО), 2.539 (д., J = 1.2 Гц, 3Н, СН3-С=С), 5.707 (кв., J = 1.2 Гц, 1Н, СИ), 11.0 (ушир., 1Н, ОН); (DMSO-d6 + CCI4, 1 : 3): 2.46 (с., 3Н, СН3-СО), 2.450 (д., J = 1.2 Гц, 3Н, СН3-С=С), 5.613 (кв., J = 1.2 Гц, 1Н, СН), 11.0 (ушир., 1Н, ОН). ИК-спектр в нуйоле, см-1: 3100-2650 (ср., шир., NH, ОН), 1740 (с., С=О), 1630 с., 1540 с. (C=N, С=С). ТСХ : Rf = 0.61.
4-(2',4'-динитрофенилтио)-3-метилпиразолин-2-он-5 (IV). В 200 мл ди-
оксана растворяли при нагревании 0.331 г (0/0034 моль) 3-метилпиразолона-5, после охлаждения раствора к нему прикапывали 0.792 г (0.0034 моль) 2,4-динитросульфенилхлорида в 20 мл диоксана и оставляли реакционную смесь на 72 ч в темном месте при комнатной температуре. После упаривания смеси выпал желтый осадок (выход 63.5%). Перекристаллизованный из диоксана продукт плавился с разложением при 242-250°С. Масс-спектр, m/z = 296. Спектр ЯМР 1Н (DMSO-d6 + CCI4, 1 : 3), 8, м.д. (J, Гц): 8.91 м.д. (д., 1H, J = 2.44 Гц, СН), 8.32 м.д. (дд., 1H, 1м = 2.47 Гц, Jo = 9.03 Гц, СН), 7.23 м.д. (д., 1H, Jo = 9.03 Гц, СН), 2.15 м.д. (с., 3H, СН3). ИК-спектр в нуйоле, см-1: 3380, 3220 (NH, ОН), 1600, 1590, 1530 (С=С, С=Ч N=O), 1460, 1350 (CH3). ТСХ : Rf = 0.03-0.05.
Из реакционной смеси было выделено также небольшое количество исходного пиразолона (I) и бис-(2,4-динитрофенил)-дисульфида (V). Последний разлагался при 270°С.
3-метил-4-фенилтио-1(Н)пиразолон-5 (VI). К раствору 3-метилпиразоло-на 0.361 г (0.0037 моль) в абсолютном ДМФА (30 мл) при постоянном перемешивании по каплям добавляли раствор 0.533 г (0.0037 моль) фенилсульфенил-хлорида в 20 мл абсолютного ДМФА. По окончании прикапывания реакционную смесь нагревали при 60-70°С и перемешивали в течение 2 ч. Растворитель упаривали в вакууме, остаток перекристаллизовывали из ацетона. Выход белого кристаллического продукта 0.531 г (70%). При температуре выше 230°С вещество разлагается. Масс-спектр, m/z = 207. Спектр ЯМР :Н, 5, м.д.: 2.1 (с., 3Н), 3.55 (с., 0.31Н), 6.98 (д., 2Н), 7.07 (т., 1Н)., 7.23 (т., 2Н), 11 м.д. (ушир., 1Н, ОН). ИК-спектр (CHCI3) , см-1: 2400-3400 (с., ушир.; O-H, N-H), 1605, 1580, 1510 (с.; C=C, C=N). ТСХ : Rf = 0.3.
1,4-ди-(2',4'-динитрофенилтио)-3-метилпиразолин-2-он-5 (VII). К раствору 0.331 г (0.0034 моль) 3-метилпиразолона-5 в 100 мл диоксана добавлялось 2.35 мл (0.01689 моль) триэтиламина, затем прикапывался раствор 0.792 г (0.0034 моль) 2,4-динитрофенилсульфенилхлорида в 30 мл диоксана. Смесь была оставлена на 48 ч в темном месте. Желтый осадок, высаженный водой
при подкислении концентрированной НС1, отфильтровали, высушили и растворили в 7 мл диоксана. Часть диоксана (~50%) отогнали под вакуумом и оставили выпадать кристаллы. После перекристаллизации с небольшим выходом получен желто-коричневый мелкий осадок.
Масс-спектр, m/z =494. Спектр ЯМР 1Н (DMSO-de + CCI4, 1 : 3), 5, м.д. (J, Гц): 8.98 м.д. (д., 1H, J = 2.28 Гц, СН), 8.94 м.д. (д., 1H, J = 2.43 Гц, СН), 8.65 м.д. (д.д., 1H, J = 2.50 Гц, J = 9.20 Гц, СН), 8.47 м.д. (д.д., 1H, J = 2.43 Гц, То = 8.94 Гц, СН), 7.40 м.д. (д., 1H, J0 = 9.01 Гц, СН); 6.83 м.д. (д., 1H, J0 = 8.95 Гц, СН); 2.3 м.д. (с., 3H); 11.5 м.д. (ушир.) ИК-спектр в нуйоле, см-1: 3080, 3060 (CH), 1590, 1570, 1520 (С=С, С=Ч N=O), 1460, 1370 (СН3).
2. Результаты и обсуждение
Во введении отмечалось, что реакция ацетилирования 3-метилпиразолона-5 уже изучалась рядом исследователей [3, 4], однако доказательства структуры полученных продуктов не вызывали у нас полного доверия. Имеющийся в нашей исследовательской группе опыт изучения реакций ацилирования различных пиразолонов, установление методом рентгеноструктурного анализа различных мотивов упаковки ацилпиразолонов в твердой фазе [13], выявление эффективности квантово-химического анализа их возможных структур [14] побудили нас тщательно изучить реакцию ацетилирования 3-метилпиразолона-5 уксусным ангидридом. Мы принимали при этом во внимание, что в реакцию могут вступать разные таутомерные формы изучаемого пиразолона и замещению могут подвергаться атомы водорода при нескольких центрах: С4, Nb N2 и О6.
Нами установлено, что в присутствии пиридина как основания и в отсутствие его образуются два разных продукта К-ацетилирования, а именно: в результате реакции 3-метилпиразолона-5(1) с уксусным ангидридом в отсутствие пиридина в тех условиях, при которых Вайсбергером [3] был получен 1-ацетил-3-фенилпиразолон-5, мы получили продукт аналогичной структуры - 1-ацетил-3-метилпиразолон-5(11):
(I) (II)
Получить кристаллический образец, пригодный для рентгеноструктурного анализа, не удалось, но совокупность ИК- и ЯМР ^-спектральных характери-
стик позволяет утверждать, что в твердой фазе он представлен смесью СН(Па)-и ОН(11Ь)-таутомерных форм. Обе эти формы присутствуют и в растворе СС14, тогда как в БМ80 содержится лишь ОН-таутомер.
Продукт моноацилирования соединения (I) уксусным ангидридом в присутствии пиридина был охарактеризован нами как другой структурный изомер -2-ацетил-3-метил-5-гидроксипиразол (III):
O
СНз
O
+
H3C-С
Н3С—С
/
\
/ \
СН3
Py, 80 C
O
HO
O
O
С
I
СН3
(I)
(III)
Продукт этой реакции имел температуру плавления, близкую к температуре плавления вещества, выделенного Эвансом [4], и похожие ИК-спектральные характеристики (см. экспериментальную часть). Однако в спектре ЯМР H соединения (III), зарегистрированном в растворе CDCl3, мы обнаружили дублетные сигналы метинового протона при атоме С4 и протонов метильной группы с J = 1.2 Гц, что может быть только следствием нахождения двойной связи в положении 3,4-пиразольной системы и, следовательно, атрибутом структуры (III), а не (II), которую предложил Эванс. Положения сигналов от протонов ацетильной группы и гидроксила в соединениях (II) и (Ш) близки. Обнаружение в ИК-спектре соединения (III) в нуйоле «водородносвязанного» гидроксила позволило предположить стабилизацию OH-формы (III) в твердой фазе межмолекулярными водородными связями.
Рис. 1
Н
Рентгеноструктурный анализ продукта (III) подтвердил существование его в кристаллической фазе в виде циклического димера (рис. 1).
Интересно отметить, что в реакциях арилирования 3-метилпиразолона-5 [15] были получены одновременно N1- и К2-замещенные продукты с ОН- в положении 5, каждый из которых был охарактеризован методом рентгеноструктур-ного анализа. В продукте К-арилирования обнаружены внутримолекулярные водородные связи, а К2-арилзамещенный продукт образует циклический димер такой же структуры, что и охарактеризованное нами К2-ацетиилзамещенное производное. Склонность к образованию циклических димеров является характерной особенностью и других производных 3-метил(3-фенил)пиразолона-5 [16].
Таким образом, в реакциях с уксусным ангидридом 3-метилпиразолон-5 образует только К-моноацилированные продукты, хотя и с разной структурой; продуктов С- и О-ацилирования обнаружено не было.
В реакции сульфенилирования 3-метилпиразолона-5 мы выявили иную ре-гионаправленность замещения, а именно преимущественное (иногда исключительное) образование продуктов С4-замещения (IV):
N Н
(I)
(IV)
Ранее [6] именно такое направление реакции было найдено для ^-замещенных пиразолонов. В данной работе мы надеялись путем варьирования экспериментальных условий получить продукты как С-, так и К-сульфенилирования.
4-(2',4'-динитрофенилтио)-3-метилпиразолин-3-он-5(ГУ) был получен в качестве единственного продукта при смешении эквимольных количеств 3-ме-тилпиразолона и 2,4-динитрофенилсульфенилхлорида в диоксане и длительном выдерживании реакционной смеси при комнатной температуре. Структура его была доказана, наряду со спектральными характеристиками, данными рентге-ноструктурного анализа (рис. 2).
В твердом состоянии соединение (IV) представлено КН-таутомерной формой, в полярных же растворителях, судя по данным ИК и ЯМР-спектроскопии, реализуется смесь КЫН и ОН-таутомерных форм, дифференцировать которые практически невозможно из-за близости их спектральных характеристик. Нагревание той же реакционной смеси в течение нескольких часов при температуре 50-65°С также привело к образованию соединения (IV) и некоторого количества бис-(2,4-динитрофенил)дисульфида (V), который был идентифицирован нами по спектрам и данным рентгеноструктурного анализа (рис. 3).
Продукт С4-замещения - 3-метил-4-фенилтио-1(Н)пиразолон-5 (VI) - был получен нами и в реакции пиразолона (I) с фенилсульфенилхлоридом в отсутствие основания. Реакции проводились в различных температурных условиях (от 25 до 100°С), при разных соотношениях реагентов, в разных растворителях (диоксан, ДМФА). Однако во всех случаях удавалось выделить один и тот же продукт (VI), изменение условий сказывалось только на его выходе.
СН
N0
СН
+
О^
О
N0
2
Рис. 2 Рис. 3
В присутствии основания - триэтиламина, с помощью которого нам удалось получить ранее [17] достаточно устойчивые соединения с К-8-связью, мы получили в результате реакции пиразолона (I) с с 2,4-динитро-фенилсульфе-нилхлоридом, наряду с 4-(2',4'-динитрофенилтио)-3-метилпиразолин-3-оном-5 (IV) и дисульфидом (V), продукт дизамещения - 1,4-ди-(2',4'-динитрофенил-тио)-3-метилпиразолин-2-он-5^П), т. е. прошло замещение и у атома углерода, и у атома азота. Использование эквимольных количеств реагентов в диоксано-вом растворе привело к образованию меньшего количества продукта монозамещения (IV), чем в опытах с отсутствием основания; еще меньшими оказались выходы соединений (V) и (VII) (соотношение продукт монозамещения : дисульфид : продукт дизамещения равно 10 : 3 : 2). Наибольший выход продукта дизамещения (VII) был получен нами при молярном соотношении сульфенил-хлорид : пиразолон : триэтиламин, равном 1 : 1 : 5. Двукратный избыток суль-фенилгалогенида по отношению к пиразолону привел к преимущественному образованию дисульфида. Ни в одном из опытов получить продукт только N замещения нам не удалось. Использование в качестве основания этилата натрия (растворитель ДМФА) привело к образованию единственного продукта С4-замещения (IV).
Об образовании продукта дизамещения (VII) явно свидетельствует пик молекулярного иона в масс-спектре этого соединения. Факт вступления в молекулу соединения (I) двух арилтиозаместителей подтверждается и данными ЯМР Н- и ИК-спектроскопии (см. экспериментальную часть). Отсутствие полосы поглощения карбонильной группы в ИК-спектре указывает на то, что продукт, видимо, присутствует в ОН-таутомерной форме. Это, естественно, может быть только в том случае, если прошло К-замещение. В то же время доказательства получения именно продукта N1, С4-дизамещения нельзя считать строгими, принимая во внимание образование различных структур К-ацилированных продуктов. К сожалению, попытки вырастить кристалл соединения (VII) для рентгено-структурного анализа не увенчались успехом, и в данный момент времени при-писание этому соединению структуры 1,4-ди-(2',4'-динитрофенилтио)-3-ме-
тилпиразолин-2-она-5 базируется в основном на его существенно большей, чем у других региоизомеров, термодинамической стабильности, выявленной кван-тово-химическими расчетами.
Расчеты ацетил- и арилсульфенилпроизводных 3-метилпиразолона-5 были проведены нами, главным образом, для выяснения роли структурного фактора в образовании тех или иных регио- и стереоизомеров.
Из рассчитанных нескольких десятков структур моноацетилпроизводных 3-метилпиразолона-5 - продуктов C-, O-, Ni- и ^-ацилирования - с учетом возможных конформационных эффектов, внутримолекулярного H-комплексо-образования и т. п. мы привели в табл. i энергетические характеристики только наиболее стабильных таутомеров и конформеров. При этом учитывалась возможность реализации лишь четырех таутомерных форм гетероциклической системы (а-г) на первой схеме 1(формы д-з слишком сильно проигрывают им в устойчивости). Приведенные данные свидетельствуют о том, что относительная термодинамическая стабильность разных региоизомеров свободных молекул варьирует в зависимости от метода расчета, используемого базиса, способа учета эффектов электронной корреляции. Тем не менее можно отметить общие тенденции: относительно более устойчивы в свободном состоянии продукты C4- и ^-ацетилирования, приведенные конформации которых стабилизированы внутримолекулярной водородной связью. Продукт с ацетильным заместителем у атома N2 проигрывает в стабильности ^-структурному изомеру; продукт O-ацетилирования во всех случаях наименее устойчив (ни один метод расчета не выявил тесных контактов между N1-H- и 05С0СН3-фрагментами). В соответствии с данными рентгеноструктурного анализа расчеты в рамках теории функционала плотности показали увеличение стабильности ^-ацетил-замещенного пиразолона-5 за счет образования достаточно сильных межмолекулярных водородных связей в циклическом димере. Свободная энергия образования каждой межмолекулярной водородной связи составила -2.17 ккал/моль в расчетах PBE/3z (программа Priroda), -2.98 ккал/моль в B3LYP/6-31G(d,p)- и -2.68 ккал/моль в B3LYP/6-311++G(d,p)-расчетах (программа Gaussian). Полученные значения кажутся нам вполне разумными, учитывая связи между геометрическими и энергетическими характеристиками межмолекулярных Н-комп-лексов [18] и тот факт, что выявленную рентгеноструктурным анализом геометрию димеров расчеты в рамках теории функционала плотности воспроизводят очень хорошо (особенно PBE/3z-расчеты в рамках программы Priroda, которую с учетом ее высокой экономичности можно рекомендовать для характеристики межмолекулярных взаимодействий в системах подобного типа).
Согласно нашим расчетным данным, образование аналогичного димера выгодно и для продукта ацетилирования в тех же условиях 3-фенилпиразолона-5 (выигрыш в свободной энергии в расчете на образование одной межмолекулярной водородной связи составляет -2.47 ккал/моль в расчетах PBE/3z (программа Priroda), -2.63 ккал/моль в B3LYP/6-31G(d,p)- и -2.74 ккал/моль в B3LYP/6-311++G(d,p)-расчетах (программа Gaussian). Авторы первой работы по ацетилированию 3-фенилпиразолона-5 [3] не обсуждали возможностей образования этой структуры и не обнаружили ее в условиях «своего» эксперимента скорее всего потому, что они использовали в качестве растворителя ук-
Табл. 1
Относительные значения свободных энергий (Двотн298 , ккал/моль) наиболее устойчивых регио- и стереоизомеров моноацилзамещенных производных 3-метилпиразолона-5
Структура
CH,
PRIRODA, Gaussian 98, Gaussian 98,
PBE/3z B3LYP/6-31 B3LYP/6-311
G(d,p) ++G(df,p)
O= с
.CH,
w
H
0.00
0.46
0.39
CH3
\\
0.98
0.00
0.00
H
^^CH3
HO'
CH,
ч
O
4.18
3.06
2.01
CH3
yCH,
>
6.77
4.56
3.96
о
H
O
сусную кислоту (возможны иные механизмы ацетилирования и иные типы межмолекулярных взаимодействий).
Проведенное исследование показывает, что разница в устойчивости разных регио- и стереоизомеров моноацетилпиразолонов не слишком большая, возможна их стабилизация как внутри- (две верхние структуры в табл. 1), так и межмолекулярными (третья структура в табл. 1, рис. 1) водородными связями. Поэтому для интерпретации и прогнозов регионаправленности реакций ацили-
рования 3-метилпиразолона-5 даже в чисто качественном аспекте расчетов в приближении «изолированных молекул» недостаточно, и требуется в явном виде анализ возможных эффектов межмолекулярных взаимодействий - возможности (невозможности) самоассоциации реагентов и продуктов, сольватации участников реакции и т. п. Оценка природы и интенсивности межмолекулярных взаимодействий в системах с участием 3-метилпиразолона-5, как и других пиразолонов, важна и для понимания механизмов реакции ацилирования в разных условиях, и для эффективности практического использования ацилпи-разолонов.
Проведенные расчеты структур всех возможных моноарилтиопроизводных 3-метилпиразолона-5 - продуктов С4 и ^-сульфенилирования - с учетом возможного образования разных таутомерных форм в разных конформациях показали, что в газовой фазе наиболее устойчивыми являются ОН-формы 4-(2,4-ди-нитрофенилтио)-пиразолин-2-она-5: 4-(2,4-динитрофенилтио)-3-метил-1Н-пи-разол-5-ол (VII в) и 4-(2,4-динитрофенилтио)-5-метил-1Н-пиразол-3-ол (VII г):
причем последняя является более устойчивой (табл. 2). Плоскость нитрофе-нильного остатка почти перпендикулярна плоскости пиразолонового кольца так, что сера вступает в существенно лучшее сопряжение с фенильным кольцом, нежели с пиразолоновым.
4-замещение является существенно более выгодным при образовании в ходе реакции любого из таутомеров (табл. 2). Подтвердилась обнаруженная до этого в нашей группе на примере тиометилирования закономерность, что порядок относительной устойчивости таутомеров при 1-и 4-замещении меняется на обратный (табл. 2): в случае 1-замещенного (VII) это СН > КН > ОН (этот порядок в целом характерен и для 3-метилпиразолона), а для 4-замещенно-
(VII в)
(VII г)
го (VIII) - СН < 1ЧН < ОН:
(VII)
(VIII)
Табл. 2
Относительная устойчивость таутомер-ных форм 4-(IV) и 1 -(VIII)-(2 ' ,4 ' -дини-трофенилтио)-3 -метилпиразолин-3-она-5 (Priroda/3z)
Молекула AAG298f, ккал/моль
VII а 5.3
VII б 3.9
VII в 1.8
VII г 0.0
VIII СН 0.0
VIII NH 2.0
VIII ОН 3.4
Обнаруженный в кристалле соединения КН-(УП) таутомер (б) отличается по энергии от наиболее устойчивого на величину примерно 4 ккал/моль. Однако эта величина может перекрываться эффектами сольватации, кристаллической упаковки, межмолекулярных взаимодействий разного типа, что явится предметом специального сообщения.
Табл. 3
Относительная устойчивость региоизо-меров ди-(2' ,4-динитрофенилтио)-произ-водных 3-метилпиразолин-3-она-5 (Рпго-аа/37)
Тип замещения AAG298f, ккал/моль
N1, C4 0.0
N2, C4 6.9
О, C4 7.6
Относительные энергии образования наиболее устойчивых конформеров диарилтиозамещенных производных соединения (I) приведены в табл. 3.
Как видно из результатов расчетов, термодинамически наиболее устойчивым изомером является 1,4-ди-(2',4'-динитрофенилтио)-3-метилпиразолин-3-он-5. Существенно меньшая стабильность остальных региоизомеров объясняется, скорее всего, стерическими факторами.
Summary
A.I. Movchan, M.Sh. Zhukov, T.I. Madzhidov, O.A. Lodochnikova, O.N. Kataeva, G.A. Chmutova. 3-Methylpyrazolin-2-on-5 in the reactions of the Acetylation and of the Sul-fenylation. Experiment and theory.
The different regioselectivity of the reactions of acetylation and sulfenylation of 3-me-thylpyrazolone-5 (I) was observed. Acetylation of (I) using acetic anhydride in the presence of pyridine leads to the formation of 2-acetyl-3-methyl-5-hydroxypyrazole, while in the absence of pyridine 1-acetyl-3-methylpyrazolone-5 is formed. According to the X-Ray diffrac-
tion data 2-acetyl-3-methyl-5-hydroxypyrazole in the solid state is a cyclic dimer, stabilized by intermolecular N...H-O bonds. Interaction of (I) with arylsulfenyl halides gives products of C4-substitution. The structure of 4-(2',4'-dinitrophenylthio)-pyrazolin-2-one-5 was characterized by single crystal X-ray diffraction method. The thermodynamic stability of regio-and stereoisomers of monoacetyl-, mono- and diarylthiosubstituted 3-methylpyrazolones-5 in the gas phase was characterized by ab initio and density functional theory methods. Theoretical predictions of the structures of the products of acetylation reaction are correct only by taking into account solvent effects.
Литература
1. Elguero J., Marzin C., Katritzky A.R., Linda P. The tautomerism of Heterocycles. -N. Y.: Academic Press, 1976.
2. Минкин В.И., Олехнович Л.П., Жданов Ю.А. Ацилотропная таутомерия // ЖВХО им. Д.И. Менделеева. - 1977. - Т. XXII, Вып. 3. - С. 274-285.
3. WeissbergerA., Porter H.D. Investigation of Pyrazole Compounds. IV. The Acylation of 3-Phenyl-5-Pyrazolone and 3-Anilino-5-Pyrazolone // J. Amer. Chem. Soc. - 1943. -V. 65. - P. 1495-1502.
4. Evans N.A., Whelan D.J., Johns R.B. Tautomerism in the 5-Pyrazolone Series. 1(H)-5-Pyrazolones and Indazolones // Tetrahedron. -1965. - V. 21. - P. 3351-3361.
5. Jensen B.S. 4-Acylpyrazolones // Acta Chem. Scand. - 1959. - V. 13. - P. 1668.
6. Wilde H., Mann G., Burkhardt U., Weber G., Labus D., Schindler W. Reaktivitaet 4-substituierter 3-Methyl-1-Phenyl-pyrazolin-5-one gegenueber N,N-Diethylchinondiimin // J. Prakt. Chem. - 1979. - Bd. 321, H. 3. - S. 495-502.
7. Laikov D.N. Fast evaluation of density functional exchange-correlation terms using the expansion of the electron density in auxiliary basis sets // Chem. Phys. Lett. - 1997. -V. 281. - P. 151-156.
8. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple // Phys. Rev. Lett. - 1996. - V. 77. - P. 3865-3868.
9. Becke A.D. A new mixing of Hartree-Fock and local density-functional theories // J. Chem. Phys. - 1993. - V. 98, No 2. - P. 1372-1377.
10. Lee C., Yang W., Parr R.G. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density // Phys. Rev. B. - 1988. - V. 37. - P. 785789.
11. Knorr L. Über Einwirkung von Acetessigester auf Phenylhydrazin // Ber. Dtsch. Chem. Ges. - 1883. - Bd. 16. - S. 2597-2599.
12. Kühle E. Sulfenyl Halide Syntheses // Synthesis. - 1970. - No 11. - P. 561-580.
13. Катаева О.Н., Литвинов И.А., Криволапов Д.Б., Лодочникова О.А., Абдель-Ха-фез Ш.Х., Мовчан А.И., Чмутова Г.А. Кристаллическая и молекулярная структура ациламинопроизводных 1-(2',4',6'-трихлорфенил) пиразол-2-ин-5-она // Журн. общ. химии. - 2003. - Т. 73, Вып. 5. - С. 821-826.
14. Абдель-Хафез Ш.Э.Х. Экспериментальное и теоретическое исследование строения и кислотно-основных свойств производных 3-амино 1-(2',4',6'-трихлорфенил)пи-разол-2-ин-5-она: Дис. ... канд. хим. наук. - Казань: Казан. гос. ун-т, 2000. - 128 с.
15. Dardonville Ch., Elguero J., Rozas I., Fernandez-Castano C., Foces-Foces C., Sobrados I. Tautomerism of 1-(2',4'-dinitrophenyl)-3-methyl-2-pyrazolin-5-one: theoretical calculations, solid and solution NMR studies and X-ray crystallography) // New J. Chem. -1998. - V. 22. - P. 1421-1430.
16. Infantes L., Foces-Foces C., Claramunt R.S, Lopez C., Elguero J. Tautomerism of NH-pirazolinones in the solid state: the case of 3(5)-ethoxycaibonyl-5(3)-hydroxypyrazole // J. Mol. Struct. - 1998. - V. 447. - P. 71-79.
17. МовчанА.И., ЗиганшинаА.Ю., ЧмутоваГ.А. Пиперидилсульфенил-галогениды в реакциях с производными 1-окси-2-нафтойной кислоты // Журн. общ. химии. -1996. - Т. 66, Вып. 3. - С. 508-511
18. Steiner T. The Hydrogen Bond in the Solid State // Angew. Chem. Int. Ed. - 2002. -V. 41. - P. 48-76.
Поступила в редакцию 05.07.07
Мовчан Александр Иванович - кандидат химических наук, доцент Химического института им. А.М. Бутлерова Казанского государственного университета.
Жуков Максим Шамильевич - студент Химического института им. А.М. Бутлерова Казанского государственного университета.
Маджидов Тимур Исмаилович - студент Химического института им. А.М. Бутлерова Казанского государственного университета.
Лодочникова Ольга Александровна - кандидат химических наук, научный сотрудник Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, г. Казань.
E-mail: olga.@ iopc.knc. ru
Катаева Ольга Николаевна - доктор химических наук, ведущий научный сотрудник Института органической и физической химии им. А. Е. Арбузова КазНЦ РАН, г. Казань.
E-mail: kataeva@dionis.kfti.knc.ru
Чмутова Галина Алексеевна - доктор химических наук, профессор Химического института им. А.М. Бутлерова Казанского государственного университета.
E-mail: Galina.Tschmutowa@ksu.ru
