CC BY
68
УДК 543.4:544.2
Э. А. Иртуганова, Н. Г. Хусаинова
АНАЛИЗ ХЕМО- И РЕГИОСЕЛЕКТИВНОСТИ РЕАКЦИЙ ЦИКЛОПРИСОЕДИНЕНИЯ В РЯДУ АЛЛЕНОВЫХ И АЦЕТИЛЕНОВЫХ ПРОИЗВОДНЫХ ЧЕТЫРЕХКООРДИНИРОВАННОГО ФОСФОРА
Ключевые слова: циклоприсоединение, эфиры алленил- и пропинилфосфоновой кислот, нитроны, ттрилимины, регио- и хемоселективность, 1,3-диполь, диполярофил.
Исследованы реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения нитронов и нитрилиминов к алленил- и пропинил-фосфонатам. Выявлено, что взаимодействие С-арил-^фенилнитронов с эфирами алленилфосфоновой кислоты при нагревании в среде бензола при температуре 70-75оС приводит к образованию смеси региоизомерных аддуктов изоксазолиновой и пирролидиноновой структуры. В этих же условиях 1,3-диполь с пропинилфосфо-натами дает только один продукт изоксазолинового строения. Установлено, что нитрилимины с фосфори-лированными кумуленами образуют смесь трех пиразолов вследствие ароматизации А2-пиразолинов с экзо-циклической метиленовой группой, тогда как с фосфорилацетиленами выделяется только один пиразоловый цикл.
Keywords: cycloaddition, esters of the allenyl- and propinylphosphonic acids, nitrone, nitrilimine, regio- and chemoselectivity, the
1,3-dipole, the dipolarophile.
The reactions of 1,3-dipolar cycloaddition of nitrones and nitrilimines to the allenyl- and propinylphosphonates was investigated. It was found that the interaction of C-aryl-N-phenylnitrones with esters of the allenylphosphonic acid in benzene at 70-75oC leads to the formation of a mixture of the regioisomeric adducts of isoxazoline and pirrolidinone structure. In these conditions 1,3-dipole with propinylphosphonates give only one product of isoxazoline structure. It was established that nitrilimines in addition with the phosphorylated cumulenes form a mixture of three pyrazoles due to aromatization of the A2-pyrazolines with the exocyclic methylene group, whereas from the phosphorylated acetylenes stands out only one pirazole cycle.
Введение
В химии элементоорганических соединений важное место занимают ненасыщенные фосфорор-ганические производные, в ряду которых наиболее подробно исследованы фосфорсодержащие алкены. Менее изучены такие высоконепредельные производные четырехкоординированного фосфора, как фосфорилированные аллены, а также изомерные им ацетилены.
Своеобразие электронной структуры фос-форилированных алленов позволяет предположить неоднозначный характер их реагирования. Особый интерес представляют реакции циклоприсоединения с их участием. С одной стороны можно ожидать получения разнообразных, труднодоступных другими путями гетероциклических соединений, перспективных для использования в различных отраслях народного хозяйства. Следует отметить, что во многих случаях именно гетероциклические фрагменты ответственны за биологическую и другие виды активности веществ, в состав которых входят, что предопределяет пути их практического использования. С другой стороны, изучение реакций циклоприсоединения способствует решению ряда актуальнейших вопросов теоретической элементоорганической химии, таких как изучение зависимости между строением реагентов и их реакционной способностью, регио- и стереохимии процесса, механизма циклоприсоединения.
Экспериментальная часть Синтез и спектроскопический анализ продуктов
Одной из целей экспериментальной части исследования являлось изучение реакционной способности алленовых и ацетиленовых производных соединений четырехкоординированного фосфора в реакциях циклоприсоединения, протекающих по различным схемам. В качестве реагентов были взяты 1,3-диполи - замещенные нитроны и нитрилимины.
В частности, нами были исследованы реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения нитронов к алленил- и пропинилфосфонатам. С,Ы-замещенные нитроны - соединения, обладающие структурой диполя с локализацией зарядов на атомах азота и кислорода. В качестве диполярофилов выступали диметиловый и диэтиловый эфиры алленилфосфоновой кислоты, а также диалкилзамещен-ные эфиры пропинилфосфоновой кислоты [1,2].
Было выявлено, что взаимодействие С-арил-Ы-фенилнитронов с эфирами алленилфосфоно-вой кислоты при нагревании в среде бензола при температуре 70-75оС приводит к образованию смеси региоизомерных аддуктов изоксазолиновой и пир-ролидиноновой структуры. Характер образующихся продуктов связан с различной ориентацией 1,3-диполя относительно активированной 1,2-двойной связи фосфорилкумулена. Химизм присоединения рассмотрен для различных замещенных производных как алленилфосфоната, так и нитрона, и представлен следующей схемой реакции:
о
II
(ІІО)2Р-СН=С=СН2
Н +/С6Н5
Аг
О II
(Ио^р-сн-с-снг
Нч/ '
О
II
(ЯСЖР-СН-С^
"А>
а/
СбНз
(ЯО)2Р-СН-С=СН2
0&
I
СШ5
(ДО)2Р-С = СКснЗ
/ \
+ о.
а)
™Н Сб№ В)
И=СНЗ-, С2Н5-Аг=СбН5~,
р N0? СУ.Н4, Р-СНЮ-С6Н4-
Процесс, приводящий к образованию пир-ролидинона (а), включает первоначальное циклоприсоединение нитрона с атакой атома кислорода по центральному углеродному атому кумулена. Последующая внутримолекулярная перегруппировка путем разрыва относительно слабой Ы-О связи с раскрытием кольца и вращением вокруг С4-С5 связи приводит к замыканию в пирролидиноновый цикл (а). При обратной ориентации нитрона относительно 1,2-двойной связи фосфорилаллена образуется нестойкое в условиях проведения реакции соединение изоксазолидинового строения с экзоциклической метиленовой группой, которое претерпевает прото-тропную изомеризацию до изоксазолина (б).
В условиях эксперимента не исключалась из рассмотрения и изомеризация исходного алле-нилфосфоната в пропинилфосфонат с последующим циклоприсоединением нитрона по тройной связи диполярофила. В пользу этого побочного направления реакции свидетельствуют данные ИК-спектров поглощения реакционной смеси: наблюдается появление незначительной по интенсивности полосы поглощения, характерной для С=С связи. Можно предположить также, что частичная изомеризация фосфорилаллена в ацетилен происходит одновременно с процессом циклоприсоединения диполя к кумуленовой системе.
Для сравнения были исследованы реакции нитронов с пропинилфосфонатами. В указанных условиях получен только один из двух возможных ре-гиоизомеров - продукт изоксазолинового строения.
Экспериментально исследованы следующие производные фосфорилацетиленов: диметиловый, метилэтиловый, диэтиловый и диизопропиловый эфиры пропинилфосфоновой кислоты. Химизм процесса представлен следующей схемой:
Следует отметить, что с увеличением числа углеродных атомов в диалкоксифосфорильном фрагменте пропинилфосфоната наблюдается тенденция к уменьшению реакционной способности диполь-диполярофильной пары «фосфорилацетилен
- нитрон».
Различный региохимический результат взаимодействия нитронов с алленил- и пропинил-фосфонатами может свидетельствовать, на наш
взгляд, о том, что процессу циклоприсоединения не предшествует полная изомеризация аллена в ацетилен в условиях проведения реакции.
Аналогично, с образованием смеси региои-зомерных аддуктов (а) и (б) происходит присоединение к алленилфосфонатам пара-метокси- и пара-нитроарилзамещенных нитронов. Однако, активность пары «С-пара-нитрофенил-Ы-фенилнитрон -фосфорилаллен» несколько снижена по сравнению с активностью пары «С,Ы-дифенилнитрон - фосфо-рилаллен».
Следует отметить, что взаимодействие нитронов с алленилфосфонатами в более мягких условиях: при нагревании в хлористом метилене СН2СІ2 или при длительном стоянии реакционной смеси при комнатной температуре, - также приводит к образованию смеси двух региоизомерных продуктов.
Таким образом, реакции нитронов с алле-нилфосфонатами являются хемоселективными, но не региоселективными.
Отсутствие региоселективности объяснимо с позиций теории возмущения граничных орбиталей. В реакциях 1,3-диполярного циклоприсоединения определяющими являются в основном взаимодействия высшей занятой атомной орбитали (ВЗМО) 1,3-диполя с низшей свободной атомной орбитали (НСМО) диполярофила. При этом взаимная ориентация аддендов в процессе циклоприсоединения такова, что взаимодействуют центры с наибольшими коэффициентами атомных орбиталей, отражающих их электронную заселенность. В соответствии с литературными данными для фосфори-лалленов наибольший коэффициент найден для центрального углеродного атома [3].
Вместе с тем, для нитронов расчет величины (Сху)2, где Сх - коэффициент атомных орбиталей, у- резонансный интеграл межорбитального взаимодействия, дает значения, представленные в таблице 1.
Таблица 1 - Данные для ВЗО и НСО элементов, составляющих молекулу нитрона
(Сху)2 ВЗО (Сху)2 НСО
С N О с N О
1,11 0,05 1,06 0,98 1,03 0,32
Для ВЗО нитрона величины коэффициентов на атомах углерода и кислорода соизмеримы, что, по-видимому, объясняет образование обоих региоизо-меров. Введение акцепторной нитро-группы в молекулу С,Ы-дифенилнигрона приводит к снижению энергии его ВЗМО, вследствие чего реакционная способность пары «С-пара-нитрофенил-Ы-фенил-нитрон -фосфорилаллен» уменьшается по сравнению с парой «С,Ы-дифенилнитрон - фосфорилаллен».
При взаимодействии алленилфосфонатов с С,Ы-дифенилнитрилимином, генерированным из а-хлорбензилиденфенилгидразина и триэтиламина в момент реакции, получен высококипящий продукт, представляющий собой в соответствии с данными ЯМР-спектроскопии смесь трех пиразолов. Схема
взаимодействия фосфорилированного аллена с ди-замещенным нитрилимином имеет вид:
снижает реакционную способность диполь-
диполярофильной пары:
о
II
(КО):Р-СН=С=СН,
(1№Р-СН-С=СН2
—- / \
" + (С№)Э]Ч,Д
к>=н-<н
С',1 хАг
- (С2Ш)ЗК-НС1
(ЬО)Д>-С=С''снЗ
* / х -'С'.
'\№-- ^Аг
0 9
(1№Р-СН-С=СН2 (Е.0)2Р-С=С''СН3
■ / \ / \
[^'К1 А?К\№#'К' б)
К=СН}-. С2Н5-
К ’=СНзСО-, С2Н.ЮСО-, СбШ-.р-Вг-СбН*-Аг=СбН5-, Р-ВГ-С6Н4-
- и* + V +
(ЬО)2Р-СН=С—СН2 (ИО)2Р-СНтС=СН
с)
Образование пиразолов (а) и (б) возможно в результате термодинамически выгодной ароматизации соответствующих Д2-пиразолинов с экзоцикличе-ской метиленовой группой - продуктов присоединения нитрилиминов по П1,2-связи фосфорилаллена.
Об образовании региоизомерных циклоад-дуктов свидетельствует появление двух дублетных сигналов протонов экзоциклических СНз-групп при двойной связи в спектре ПМР продукта (5 1,80 (ф, 41рн3 и 5 2,05 (ф, 41рн 2,5). Наличие в спектре ПМР резонансного сигнала (5 3,1 @ф, 21рн 22, 41нн<1), характерного для протонов метиленовой группы, находящейся в а-положении к фосфорильному фрагменту, свидетельствует о присутствии пиразола (с) с экзоциклической метиленовой группой, образование которого, на наш взгляд, объясняется реализацией ионного механизма.
При взаимодействии С,Ы-дифенилнитрил-имина с пропинилфосфонатом в тех же условиях образуется только один циклоаддукт пиразольной структуры (5 1,92 (ф, 41рн3), что отражено в нижеследующей схеме процесса:
Замена алкоксильных групп у атома фосфора кумулена на диметиламиногруппы в значительной степени снижает реакционную способность его при взаимодействии с нитрилимином.
В соответствии с теорией возмущения граничных орбиталей введение донорных групп к П],2-связи должно повышать уровень НСО орбитали этой связи, увеличивая энергетическую щель между взаимодействующими орбиталями аддендов. В результате интенсивность сигналов валентных колебаний алленовой триады в ИК-спектре смеси бис(диметил-амида) алленилфосфоновой кислоты и С-ацетил-нитрилимина остается практически неизменной при нагревании в бензоле в течение 30 ч.
Введение двух метильных групп к терминальному углероду алленилфосфоната стерически затрудняет подход молекулы нитрилимина к 1,2-двойной связи кумулена, в п-плоскости которой эти заместители находятся, что также существенно
[(С№)^Ы]1Р-СН=С=СН: + СН:_
/С6Н4-ВГ ч/
В целом алленил- и пропинилфосфонаты в реакциях 1,3-диполярного циклоприсоединения к нитрилиминам проявляют низкую активность. Меньшая диполярофильная активность непредельных фосфонатов объяснима, если учесть, что в не-копланарных фосфорных системах с тетраэдрическим атомом фосфора передача электронного влияния по цепи сопряжения ослаблена по сравнению с чисто углеродными п-системами. Кроме того, тетраэдрическая природа атома фосфора способствует созданию дополнительных пространственных затруднений при взаимной ориентации аддендов.
При исследовании реакций нитрилиминов с 3,3-диметилалленилфосфонатами нами выделены продукты, по своему составу и молекулярному весу соответствующие димерам фосфорилкумуленов. В этой связи представлялось необходимым подробнее изучить реакции циклодимеризации фосфорилиро-ванных алленов, а также процессы [2+2]-цикло-присоединения с их участием.
Обсуждение результатов
Результаты работы представляют интерес для дальнейшего развития разделов органической и элементоорганической химии, а именно: изучения влияния заместителей в реагентах на хемо- и регио-селективность процессов присоединения, установления взаимосвязи между строением и реакционной способностью аддендов.
В результате проведенного исследования нами получены следующие результаты, подтвержденные всесторонним анализом с применением ИК-, ЯМР-спектроскопии, элементного анализа, а также квантово-химическими расчетами:
1. Проведено систематическое изучение реакций фосфорилированных алленов с нитронами, нит-рилиминами, в результате которого установлено, что в процессе 1,3-диполярного циклоприсоединения наиболее активна 1,2-двойная связь кумулена, замещенная электроноакцепторной фосфорильной группой.
2. Показано, что реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения С-арил-Ы-фенилнитронов к алленилфосфонатам являются хемоселективными, но не региоселективными: циклоприсоединение нитрона протекает избирательно по активированной 1,2-двойной связи фосфорилаллена с образованием региоизомерных изоксазолиновых и пирролидино-новых гетероциклов.
3. Найдено, что взаимодействие нитронов с
О,О-диалкоксипропинилфосфонатами происходит региоселективно, приводя к образованию только
одного из двух возможных изомеров, обеспечивая удобный метод синтеза фосфорилированных гетероциклов изксазолинового ряда.
4. Подтверждено, что увеличение размеров аллококсильного радикала у атома фосфора в молекуле пропинилфосфоната приводит, как и ожидалось, к некоторому понижению активности адден-дов в циклоприсоединении.
5. Показано, что циклоприсоединение С,Ы-дизамещенных нитрилиминов к незамещенным в у-положении алленилфосфонатам протекает без соблюдения хемо- и региоселективности.
6. Найдено, что 3,3-дизамещенные в у-поло-жении фосфорилаллены в выбранных условиях не образуют продуктов присоединения нитрилиминов.
7. Установлено, что реакция циклоприсоединения нитрилиминов к изомерам алленилфосфона-
тов - пропинилфосфонатам - протекает с высокой степенью региоспецифичности.
Литература
1. Khusainova, N.G. Phosphorylated allenes in the cycloaddition reactions/ N.G.Khusainova, E.A.Irtuganova, L.V.Smirnova, A.S.Ionkin, R.A.Cherkasov, A.N.Pudovik. -Tallinn: Abstracts of posters Int. XI conf. on Phosph. Chem., 1989.- V.1, P.135.
2. Хусаинова, Н.Г. Циклоприсоединение нитрилиминов
к алленил- и пропинилфосфонатам/ Н.Г.Хусаинова, Ю.Г.Тришин, Э.А.Иртуганова, Л.А.Тамм,
В.Н.Чистоклетов, А.Н.Пудовик. - М.: Ж.общ.химии,. 1991. - Т.61, Вып.3, С.601-603.
3. Газизов М.Б., О,О-диалкил[1-гидрокси-3-
(диалкиламино)-2,2-диметилпропил] фосфонаты. Синтез и свойства/ М.Б.Газизов, В.В.Зверев, Р.А.Хайруллин, Р.Р.Шагидуллин, А.И.Алехина, Л.В.Аввакумова,
В.И.Коваленко, А.А.Башкирцев, О.Г.Синяшин // Вестник Казан. технол. ун-та. 2010. - №8. С.9-22.
© Э. А. Иртуганова - канд. хим. наук, доц. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ, [email protected]; Н. Г. Хусаинова - д-р хим. наук, проф., вед. науч. сотр. Химического института им. А.М. Бутлерова КФУ.
