Аналогия в химическом поведении N-арилкарбаматов и простых эфиров фенолов Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Т 49 (2)

ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ

ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

2006

УДК 547.495.1

И Ж ИМАШЕВЛу В.Б. КОВАЛЕВ, A.B. ВЕЛИКОРОДОВ

АНАЛОГИЯ В ХИМИЧЕСКОМ ПОВЕДЕНИИ N-АРИЛКАРБАМАТОВ И ПРОСТЫХ ЭФИРОВ

ФЕНОЛОВ

(Астраханский государственный университет)

Проанализированы литературные данные и результаты собственных исследований, позволившие выявить аналогию в химическом поведении простых эфиров фенолов и N-арилкарбаматов, а также особенности поведения ароматических карбаматов, обусловленные спецификой карбонатной группировки.

Внимание к полифункциональным арил- и гетерилкарбаматам с позиций теоретической и экспериментальной органической химии определяется аналогией в химическом поведении с простыми эфирами фенолов и амидами, а также широкими возможностями применения этих соединений в синтезе биологически активных гетероциклических соединений.

Изучение реакций М-замещенных ароматических карбаматов по ядру и карбаматной функции позволило выйти к ранее неизвестным производным, представляющим значительный интерес в плане получения новых азагетероциклов по реакциям замыкания цикла и циклоприсоеди-нения [1-3],

Изучены реакции нитрозирования алкил-М~арилкарбаматов [4]. Анализ констант Гаммета в следующем ряду: а=-0.519 (РЬО), -036 (ОН), -0.27 (ОМе), -0.24 (ОЕ1), -0.29 (МТС02К), -0.26 (]\!НСС>2Е^ [5] свидетельствует о снижении реакционной способности при переходе от фенокси- к алкокси- и карбаматной группам, что позволило предположить, что нитрозирование Ы-арилкарба-матов будет успешным в условиях, которые обычно используют для нитрозирования мало реакци-онноспособных соединений, например, алкиловых эфиров фенолов [6]. Это предположение нашло экспериментальное подтверадение при изучении нитрозирования алкил-ТЧ-арилкарбаматов различными способами; в водном растворе, в 90%-ной уксусной кислоте, в диэтиловом эфире или этаноле с использованием водного раствора нитрита натрия и минеральных кислот, а также при пропускании нитрозных газов через раствор карбама-

тов в диэтиловом эфире. Во всех этих случаях не были получены удовлетворительные результаты. В то же время применение нитрозилсерной кислоты в ледяной уксусной кислоте оказалось успешным,

Нитрозирование незамещенных по ядру N-фенилкарбаматов нитрозилсерной кислотой в ледяной уксусной кислоте при охлаждении приводит к получению алкил-К-(/7-нитрозофенил)карбама-тов 1-5.

NHCO-.R

20 % HNO,

NHCO.R

хКЮ

NHCCXft

HSQ-ONO, А СОН

5-10*0

R'.R"

xNQ

xN02

10-17

Я=Ме> Я'-Я"=Н5 х=4 (1,10 Я-Ш, Я'-Я"=Н, х=4 (2, 11); а=СН<МеЬ Я-Я"=Н, х=4 (X 12); К-х=4 (4, 13); Я=РЬСН2, Я'=Я"-Н, х=4 (5, 14): К=СНгОСН, Я'-Я"-Я х=4 (6); Я-Ме, Г-3-ЫНС02МеЛГ'-Мч х-4 (7. 15); Я-Ме, Я'-2-Ме, ЯУ/=Н, х=5 (8, 16): К-Мс, Я'=5~ШС02Мея Я"-Ме? х=4 (9, 17); Я-Ме, Н'=4-Ме, у-2, х-2 (18); Я-Ме. Я'-4-ЫНа;Ше? Я'^Н, х=2 (19); Я=Ме, Я'=4-ОМе, х~2 (20); Я=Ме, Я'=4-ОМс% х-3 (21); Я-Ме, а^г-КНСО^Ме, Я"-11 х-4 (22).

пара-Положение нитрозогруппы по отношению к карбаматной группе подтверждено окислением соединений 1-5 в соответствующие нитросоедине-ния 10-14. Попытки нитрозировать таким же способом метил-Ы-((Г>™"Нитрофенил)карбамат? метил-]\Н^-~нитрофенил)карбамат? метил-Ы-(лгннитро~ фенил)карбамат и метил-М-(л™бромфенил)карба« мат оказались безуспешными, что связано, оче»

видно, с понижением их нуклеофильности по отношению к достаточно слабому катиону нитрозо-ния.

С целью проверки возможности введения нитрозогруппы в орто-положение к карбаматной группировке изучены реакции нитрозировання метил-Ы-(^-толил)карбамата, метил-К^иниетокси-фенил)карбамата и ^-ди(метоксикарбоксамидо)-бензола. Вместо ожидаемых нитрозопроизводных были получены соответствующие нитропроизвод-ные Ы-арилкарбаматов 18-21, которые образуются, вероятно, в результате окисления промежуточных Сннитрозосоединений.

При нитрозировании метил-К~(^~метокси-фенил)карбамата были выделены два изомерных соединения 20,21. Факт отсутствия орто-изомеров в продуктах нитрозировання ал кил-Н-фенил карбаматов и образование нитросоединений 18-21 в случае пара-замещенных карбаматов позволили предположить возможность протекания реакции нитрозировання через стадию образования алкил-Ы-нитрозофенилкарбамата с последующей перегруппировкой типа Фишера-Хеппа в соответствующие С-нитрозосоединения.

Для подтверждения этого предположения изучено нитрозирование м-ди(метоксикарбоксами-до)бензола, метилЧЧ^о~толил)карбам-ата и метил Ы-[3-[(метоксикарбонил)амино]-4-метилфенил]кар" бамата. При этом установлено, что эти соединения в условиях реакции нитрозируются с получением соответствующих Сннитрозосоединений 7-9.

Структура соединения 7 подтверждена окислением его в 4-нитро-1,3™Ди(метоксикар-боксамидо)бензол (15).

Образование 5-нитрозопроизводного 8 доказано превращением его в метилЫ™[3-[(метокси-карбонил)амино]-4-метштфенил]карбамат по приведенной выше схеме. Это соединение оказалось идентичным продукту ацилирования 2,4-толу-илендиамина метилхлорформиатом.

ыНС03ме

Ме 1) N3^5,0,

2) НС!

С1-

8

ЫНС02Ме Ме

ЫНССШе

МеОСОС!

№0Н

МНСО.Ме

Факт образования соединений 7-9 ставит под сомнение протекание реакции нитрозировання ал к ил-Ы-ар ил карбаматов через стадию Ы-нитро-зирования.

При нитрозировании о-ди(метоксикарбокс-амидо)бензола было выделено соответствующее нитропроизводное 22 .

Нитрозирование т/7ет~бутил-Ы-фенил« карбамата, аллил-Ы-фенилкарбамата нитрозилсер-

ной кислотой в отличие от пропаргил-Н-феНил-карбамата сопровождалось выделением диоксида углерода и образованием фениламмонийсульфата. Эта особенность в реакционном поведении может быть использована для удаления карбаматной

группировки из соединении.

Н050Л +

АсОН

с6н^н3

+

ИЗО,

свн5жсоо—Р

н

сбн5ынсо2н

-

Н^О,

- со.

Экспериментальные данные по образованию нитрозо- и нитропроизводных ароматических карбаматов при нитрозировании соединений с электронодонорными заместителями в ядре хорошо согласуются с закономерностями окисления азотсодержащих соединений, легкость окисления которых зависит от величины электронной плотности на атоме азота [7], В то же время величина электронной плотности на атоме азота нитрозогруппы, вероятно, не является единственным фактором, определяющим образование кснечного продукта в реакции нитрозировання о чем свидетельствуют величины этих зарядов, рассчитанные по методу МИОО.

Изучены реакции конденсации алкил-М-фенилкарбаматов с формальдегидом и соединениями, продуцирующими формальдегид при нагревании в присутствии катализаторов кислотного характера (кислот Льюиса, минеральных, арен-сульфокислот и галогенсульфоорганических кислот) приводящие к образованию смеси дифенил-метандикарбамагов 23 и соответствующих высокомолекулярных гомологов - полиметиленполи-фенилкарбаматов 24 [8-11]:

нео>к

УНССЬК

)сн7.

23 24

Применение аренсульфокислот и их гало-геипроизводных предпочтительнее, т.к. при этом устраняется реакция формальдегида по атому азота >^арилкарбаматов, вследствие чего получаемые смолообразные продукты не содержат нежелательных примесей Ы-бензильных соединений.

Предложен способ катализируемой кислотой перегруппировки М-6ензильных соединений под влиянием каталитического количества прогонной кислоты, имеющей концентрацию до 75% [11].

\\ //

со2е\

|1|~СН

ЫНС02Ме

НМ°

^ //

ЫНСО.Ме

ЕЮ^СНЫ

Изучены [12] реакции конденсации метил-Ы-фенилкарбамата с бензальдегидом, ж-нитро-бензальдегидом и N.М-ди метилам и но-/?-бензаль-дегидом в присутствии катализатора - безводного хлорида цинка- в растворителях и при сплавлении.

Конденсации карбамата с альдегидами в среде бензола в присутствии эквимольного количества хлорида цинка с одновременной отгонкой образующейся в ходе реакции воды приводит к получению соответствующих лейкооснований (4н4/-диметоксикарбоииламинотрифенилметанов) 25а~в:

1ЧНС02Ме

NHC02Me

ZnCL

R"' ^хч

С КН6

ЫИС02Ме 2 5а-в

R =1Г=Н (a): R^H, R"=N02 (б); R'=NMc2, (в).

При проведении реакции метил-N-фенил-карбамата с ароматическими альдегидами путем сплавления реагентов при 150 °С в течение трех часов в присутствии хлорида цинка взаимодействие протекает по другому направлению и приводит к получению соответствующих ди(фенил-метиламиио)фснилметанов 26а-в, В этом случае реакция конденсации, вероятно, происходит через стадию образования соответствующих бисамидов, которые в условиях сплавления подвергаются де-карбоксилированию.

Me

R'-

R"'

// ^

N™Ph

f

N-Ph

t

Me

26а-в

Реакция хлорметилирования хорошо изучена в ряду фенолов [13,14]. Возможность получения хлорметильных производных алкил-М-арил-карбаматов продемонстрирована в работе [15] с применением хлор метилирующего агента и условий проведения реакции, которые были использованы ранее для хлорметилирования фенолов [16].

В отличие от фенолов [ ] 6] метил-Ы-фе-нилкарбаматы с электроноакцепторньши заместителями в ядре (гс-Вг, я-Ж)2) в условиях проведения реакции не подвергались превращению, что связано, вероятно, с существенной дезактивацией бензольного кольца этими заместителями и более слабым до-норным эффектом метоксикарбониламидной группы по сравнению с фенольным гидроксилом.

При изучении реакции хлорметилирования Ы-арилкарбаматов с электронодонорными заместителями (я-ОМе* п-Ме) обнаружено, что характер образующихся продуктов, их выходы зависят от силы донорного заместителя, концентрации хлористого водорода в реакционной смеси и температуры. Так, хлорметилирование метил-Н-(я-толил)-карбамата, протекающее экзотермично, приводило наряду с ожидаемым метил М-(4-метил-2-хлорме-тилфенил)карбаматом (27) к получению 6-метил-1 -метоксикарбонил-1,2-дигидро-4Н-3,1 -бензоксази-на (28), выход которого повышался с 10 % ( при концентрации НС1 - 43% ) до 25% (при концентрации НС]-37%) [15].

о

л.

N О

Me

Н2СО + HCI

О О

диоксан , 20 С

CH2Ci

+

Ме

27 2*

Повышение температуры реакционной смеси увеличивало выход смолистых веществ, которые, вероятно, представляют собой смесь дифе-нилметамдикарбаматов, соответствующих высокомолекулярных олигомеров и Ы-бензильных соединений. Выходы смолообразных веществ возрастали также при быстром добавлении диоксано-вого раствора карбамата к раствору формальдегида в соляной кислоте.

В то же время хлорметилирование метил-Ы-(я-метоксифенил)карбамата при различной концентрации НС1 и понижении температуры реакционной смеси до 15 °С приводило к получению только смолистых продуктов и соответствующее хлорметильное производное не было выделено. Такой результат реакции связан, вероятно, с существенным увеличением нуклеофильности бензольного кольца карбамата под действием сильного электронодонорного заместителя, что приводит к повышенной способности к поликонденсации.

Характер влияния рассмотренных факторов на протекание хлорметилирования ароматических карбаматов согласуется с общим механизмом гало ген метилирован и я аренов [13]. Изучены реакции нитрования [17] метил-Ы-фенилкарбамата, п~ ди (метоксикарбоксамидо)бензола, о-ди(метоксиь карбоксамидо)бензола, м-ди (метоксикарбоксами-до)бензола, метил-Ы-(гс-толил)карбамата и 4-хло-ро-1,2-ди(метоксикарбоксамидо)бензола различными нитрующими агентами: азотной кислотой в уксусной кислоте, четыреххлористом углероде, уксусном ангидриде с добавками серной кислоты,

смесью концентрированной серной и азотной кислот и по реакции Менкс [18].

Нитрование метшьЫ-феиил карбамата азотной кислотой в вышеперечисленных органических растворителях не приводит к успеху. Вероятно-это связано с тем, что соответствующие нитрующие агенты являются слабыми электрофилами.

Поскольку алкил-Ы-фенилкарбаматы являются достаточно устойчивыми соединениями к действию концентрированной серной кислоты и олеума при низких температурах [19], возможно проведение нитрования ароматических карбаматов нитрующей смесью. При осуществлении процесса при 0 -г »1 °С метил-К-феиилкарбамат нитруется предпочтительно в иярсм'толожение к карбаматной группе с образованием метил-М-</г-нитрофенил)~ карбамата (29) в качестве основного продукта реакции (выход 78%):

NC02Me

NHCO^Me

HNO, +hLS О.

0?N

NHC(X,Me

NHCOJVte

29

С целью введения нитрогруппы в ароматическое ядро М-земещенного карбамата исследована также реакция Менке, ранее успешно использованная для нитрования дисульфопильных производных изомерных феиилендиаминов [20] и других соединений [21]. При этом нитрование карбаматов проводилось смесью нитрата никеля и уксусного ангидрида в среде ледяной уксусной кислоты.

NHC02Me

яд'

Ni(N03)21 Ас20, АсОН

■ЧРг

50-60 »С

х-О.

NHC02Me

■R.R'

29-35

R.R'-R х-4 (29, 20%); R,RS=R х=2 (30, 80%); R=H,R =4-NHC02Me, х-2 (31, 87%); R=H,R =2-NHC02Me, x-4 (32. 93%); R™iI, Rv"3-NHC02Me, x=4 (33, 78%); R=H> R*=4-Me, x=2 (34, 92%); R-4-C1. R^MHCO.Me, x=5 (35, 65%)

Хорошо известны реакции окисления ароматических соединений, протекающие с нарушением ароматического ядра, в том числе и у фенола.

Окислением пара- и орто- ди(метоксикар-боксамидо)бензолов тетраацетатом свинца в смеси бензола и хлороформа синтезированы [22] соответствующие алкоксикарбонилпроизводные бен-зохинондиимина 36,37 и изучены их реакции с различными реагентами и, в частности с нуклео-филамн [23]. г>-Хиноидимид 37 склонен к автоконденсации при выделении из реакционной смеси и его реакции изучены in situ.

NC02Me

NC02Me

ЫС02Ме 36 37

Реакция Раймера-Тимана широко используется для формилирования фенолов и других соединений [24,25]. Дихлоркарбен возникает при действии оснований на хлороформ и представляет собой электрофильный агент, причем атакующая частица направляется предпочтительно в орто-положение по отношению к фе ноль ном у гидро-ксилу [25].

Реакции метил-, бензил-, бутил-Ы-фенил-карбаматов, метил-К-(л-толил)карбамата и метил-Ы-^?~нитрофенил)карбамата в бензоле с дихлор-карбеном, генерированным из хлороформа под действием водного раствора гидроксида натрия в присутствии тризтилбензиламмонийхлорида, приводят к образованию соответствующих алкил-М-формил-М-фенилкарбаматов 38,

(МНСО.Р

1. CHClj + NaOH

ТЭВАХ

HOC. ^CCuR

м 2

2. HCI + Н.О

ц=Ме. К-Н: К^РЬСН* R'™^Ь R-Btк К -Н. К-Мс, К -Мс,

Протекание формилирования по атому азота карбаматной группы, а не по бензольному кольцу, как в случае фенолов [25], объяснено [26] переходом карбаматов в условиях реакции в ими-долятиую (солевую) форму [27], в результате чего атом азота оказывается более предпочтительным для атаки электрофильного агента.

Таким образом, между простыми эфирами фенолов и ароматическими карбаматами имеется аналогия в химическом поведении. В то же время способность карбаматной труппы к таутомерным превращениям, особенности ее электронной природы, проявляющиеся в способности в некоторых реакциях электрофильного замещения вести себя, как аминогруппа, но с несколько ослабленным активирующим эффектом, а в других случаях как явно дезактивирующая группа, вносят определенную специфику в химию этих соединений.

ЛИТЕРАТУРА

1. 1^-Замещешше арил- и гетарилкарбаматы: методы синтеза, строение, реакционная способность и применение / А.В.Великороден// Монография; Изд-во Астраханского гос. ун-та. 189 с.

2. Карбамагы и их производные в реакциях синтеза азагетероциклов / А.В.Великородов // Серия монографий InterBioScreen «Избранные методы синтеза и модификации гетероциклов» под ред. В Г. Карцева. ML: IBS Press. 2003. Т. 2. С.36-62,

3. Хиноны и хиноидные соединения в синтезе и модификации индолов азагетероциклов / А.В, Вели-кородов // Серия монографий InterBioScreen «Избранные методы синтеза и модификации гетероциклов» под ред. В.Г.Карцева. М.; IBS Press, 2004. T.3.C60-103.

4. Вел и кородов А, В, // Ж. орг. хим. 2000. Т.36. Вып.2. С.256-262.

5. Верещагин А.Н. Индуктивный эффект. Константы заместителей для корреляционного анализа. М.: Наука. 1988. 111с,

6. Беляев ЕЛО., Гидаспов Б,В, Ароматические нит-ро:юсоединения. Л.: Химия. 1989. 176 с.

7. Горелик М.Вм Эфрос Л.С. Основы химии и технологии ароматических соединений. М,: Химия. 1992. 640 с.

8. Pat.294676В USA. С 07С 125/04. Condensation products of carbamic acid esters / H.Klauke, O.Bayer. Publ.26.07,60.

9. Pat.4162362 USA, С 07C 125/04. Process for the preparation of diphenylmethanedicarbamates and po-lymethylenepolyphenylcarbamates / E,T. Shawl. -Publ. 24.07,79.

10. Pat.3202687 Deutschland, С 07C 125/073, Varfahren zur herstellung von methylen-bis-phenylcarbamin-saureestern and polymethylenpolyphenylcarbaminsaureestern // Merger, Franz, Nestler, Gerhard, - PubL 4.04.83.

11. Pat.4146727 USA, С 07C 125/04. Process for the preparation of diphenylmethane mono- and dicar-bamates and polymethylenpolyphenylcarbamates by the acid rearrangement by of an alkoxycarbonyl phenylaminomethylpheny! compound / EX Shawl, Ш. Zajacek, - Publ. 27.03.79.

12 Вели ко родов A.B., Максимова T. H- // Из в, вузов. Химия и хим. технология. 1998. Т.41. Вып.2. С.93-98.

13. Белеиький JL И., Волькенштейн Ю.Б,, Карма нова И,Б. // Усп. химии. 1977. Т.56. Вып,9. C.S698-1716.

14. Ледовских В.М., Шаповалова КХП. // Изв, вузов. Химия и хим. технология. 198 Г 124. Вып. ]. С.26-32.

Î5. Великородов A.B. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 1998. Т.41. Вып.2. С.98-103.

16. Ледовских BJVI., Шаповалова Ю.П., Сумливен-ко ИВ. /7 Укр. хим. жури. 1989. Т.55, № 8. С.858-86!.

17. Великородов А.ВМ Максимова Т.Н., Мочалин В.Б, /У Изв. вузов. Химия и хим. технология, 1992. Т.35. Вып.9. С Л 6-22.

18. Ваццуро К, В., Мищенко Г.Л. Именные реакции в органической химии. М: Химия. 1976. 528 с.

19. Beiber T.I. The action of sulfuric acid and oleum on carbamic esters // J. Am. Chenr Soc. 1953. Vol.75. N 6. P.1409-1412.

20. Закатов B.B* и др, // Ж. орг. химии. 1986. Т.22 Вып,9. С.2013-2014.

21. Марч Дж, Органическая химия. Т.2. Пер. с англ. М.: Мир, 1987. 504 с.

22. Максимова Т.Н., Великородов A.B. // Ж. орг. хи-мииЛ 986. Т.22. Вып.5. С, 1092-1095.

23. Великородов A.B. // Изв. вузов. Химия и хим. технологии. 1999. Т.42, Вып.6, С. 17-22.

24. Wynberg, Meijer E.W. The Reimer-Tiemann reaction/7 Org. React. 1982. Vol.28. РЛ-36.

25. Thoer A. et al. // Synth. Commun. 1988. Vol.18. N 16-17. P.2095-2101.*

26. Великородов A.B., Максимова Т.Н., Мочалии В.Б, // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 1992. Т.35, ВыпЛЫ2. СЛЗЗ-135.

27. Самигуллии Ф.КМ Корэюк Э.Л., Симоновский Ф.И. //Пластмассы. 1986. N 5. С.7-9.

Кафедра органической и фармацевтической химии