CC BY
37
УДК 547.852
ЭЛЕКТРОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ В 4-ФЕНИЛ-4Н-ЦИКЛОПЕНТА [C] ЦИННОЛИНЕ
И.В. Баринов, В.А. Чертков
(кафедра органической химиии)
Изучены реакции электрофильного замещения в 4-фенил-4Н-цикло-пента[с]циннолине. Водородный обмен, ацилирование, хлорирование и азосоче-тание происходят в положения 1 и 3; бромирование и нитрование происходят только в положение 1. 1- или 3-монозамещенные производные подвергаются дальнейшему замещению в положения 3 или 1 соответственно с образованием дизамещенных производных. Выполнены расчеты возможных катионных интер-медиатов с использованием методов ab initio и DFT.
Изучение электрофильного замещения в изо-я-электронных гетероаналогах азулена, содержащих я-избыточный гетероатом, показало, что замещение протекает в пятичленном цикле, в положения 5 или 7, которые эквивалентны 1- или 3-положениям в азу-лене [1-3]. В ряду гетероаналогов с двумя гетероато-мами (я-избыточным и я-эквивалентным) наиболее подробно в этом отношении изучен 2Н - цикло-пента^]пиридазин 1 и его К-замещенные производные 2, 3 [4-6]. Электрофильное замещение в соединении 1 и его К-замещенных производных протекает в положения 5 или 7.
2 R'
3 n
N.
1
Я = Н 1 ; Я = Ме 2 ; Я = РИ 3
Полученный нами ранее 4-фенил-4Н - цикло-пента[с]циннолин 4, является производным 1Н-циклопента[с]пиридазина 5 с иным расположением я-эквивалентного и я-избыточного атомов азота по сравнению с 1 и его производными 2 и 3 [7].
8
N.
4 3
5
Ph
Nl 7 H
До настоящего времени реакции электрофильного замещения в этой системе не были изучены. В таких реакционноспособных субстратах, какими являются гетероаналоги азулена, реакции электрофильного замещения являются наиболее легким способом функ-ционализации этих систем.
Целью настоящей работы является изучение реакций электрофильного замещения в соединении 4, а также сравнение его поведения в этих реакциях с 2Н-циклопента^]пиридазином и азуленом.
Проведенный ранее анализ спектра ЯМР Н соединения 4 позволял нам использовать спектроскопию ПМР для определения положения заместителя в производных 4, полученных в реакциях электрофильного замещения [7]. Отнесение сигналов протонов пяти-членного цикла базировалось на вполне вероятном, но не строго доказанном, предположении, что высо-копольное смещение сигнала протона Н3 по сравнению с Н1 связано с влиянием магнитной анизотропии К-фенильного кольца. Для проверки этого предположения были рассчитаны химические сдвиги соединения 4 и его аналога, не содержащего К-фенильного кольца 6 [8].
N I
H 6
Для соединения 4 также были рассчитаны константы спин-спинового взаимодействия. Рассчитанные и экспериментальные данные приведены в табл. 1
4
5
6
7
4
5
6
3
6
2
2
4
5
# В работе [7] химические сдвиги приведены от ГМДС.
Т а б л и ц а 1
Рассчитанные и экспериментальные химические сдвиги в 4-фенил-4Н-циклопента[с]циннолине
и 4Н-циклопента[с]циннолине
4-фенил-4Н-циклопента[с] циннолин 4
Протоны Н1 Н2 Нз Нб Н7 Н8 Н,
Рассчитанные сдвиги (м.д.) 7,112 7,529 6,482 7,898 7,325 7,534 8,239
Экспериментальные сдвиги (м.д.)# 7,010 7,506 6,446 8,019 7,397 7,528 8,180
4Н-циклопента[с]циннолин 6
Рассчитанные сдвиги (м.д.) 7,026 7,547 6,309 7,873 7,347 7,562 8,236
Т а б л и ц а 2
Экспериментальные и рассчитанные константы спин-спинового взаимодействия протонов пятичленного
цикла соединения 4
Нз Константы (Щ) 1г] 13.1 23/
Экспериментальные 3,3 1,3 4,4
Рассчитанные 3,79 0,91 4,21
Максимальная разность рассчитанных и экспериментальных величин составляет 0,121, а минимальная - 0,006 м.д. Разность сдвигов протонов Н1 и Н3 составляет 0,63 и 0,564 м .д. для экспериментального и рассчитанного спектров соответственно. Для соединения 6, в котором отсутствует К-фенильное кольцо, эта разность составляет еще большую величину (0,717 м.д.). Различие в химических сдвигах протонов Нх и Н3 соединения 4 не может быть объяснено влиянием магнитной анизотропии К-фенильного кольца. Таким образом, отнесение сигналов протонов пя-тичленного цикла соединения 4, приведенное в работе [7], остается верным, но аргументы в его пользу представляются малообоснованными. Рассчитанные и экпериментальные величины констант ССВ приведены в табл. 2.
Для изучения реакций электрофильного замещения нами были использованы методы, ранее разработанные Андерсоном в процессе изучения электрофиль-ного замещения в азулене [9-10]. Водородный обмен
в соединении 4 протекает в положении 1 и 3. По сравнению со спектром недейтерированного соединения наибольшие изменения претерпевают мульти-плетность и интенсивность сигналов в высоком поле. Сигналы остаточных протонов Н3 и Нх в области 6,40 и 7,08 м.д. являются дублетами, а не дублетами дублетов, как в спектре недейтерированного соединения [7]. Сравнение интенсивностей сигнала протона Н9 (мультиплет с центром 8,21 м.д., 1Н) и сигналов протонов Н2, Н6-Н8 и протонов К-фенильного кольца (всего 8Н) свидетельствует, что дейтерообмен протекает только в положениях 1 и 3. Принимая во внимание результаты водородного обмена в 4 можно было ожидать, что реакции с другими электрофильными реагентами также будут приводить к образованию 1- или 3-замещенных производных 4. В отличие от соединений 1-3 в 4 оба 1 и 3 положения являются пространственно затрудненными. В положении 1 пространственные препятствия создает конденсированное бензольное кольцо, а в положении 3 - К-фенильное кольцо.
Нами были изучены реакции ацилирования, галои-дирования, нитрования и азосочетания. В качестве ацилирующего агента нами был выбран трифторук-сусный ангидрид (ТФА), который легко реагирует с азуленом и его гетероаналогами, образуя с высокими выходами трифторацетильные производные [10]. Последние могут быть легко превращены в соответствующие кислоты [10].
ТФА ацилирует 4 при комнатной температуре с образованием смеси 1- и 3-трифторацетильных производных 8 и 9 в соотношении ~25:1, при этом суммарный выход продуктов ацилирования достигает 91%. Гораздо меньшая селективность наблюдалась при ацилировании соединения 2 [11].
ТФА
ОСБ3
+
N
РЬ
N
РЬ
было подтверждено экспериментами по двойному резонансу. Для мультиплета при 8,37 м.д., относящемуся к протону Н9, наблюдается незначительное низ-копольное смещение (А5 = 0,14 м.д.) по сравнению с его положением в соединении 4, что также подтверждает отсутствие заместителя в положении 1.
Хлорирование 4 К-хлорсукцинимидом (N08) дает смесь монохлоридов 9 и 10 с выходом 90%. Соотношение 9 к 10 составляет 1:1,2 соответственно. В отличие от ацилирования в этом случае с незначительным преобладанием образуется 3-замещенный хлорид 10.
N€8
+
СООБз
РЬ 9
N
РЬ 10
С1
Строение продуктов замещения подтверждено спектрами ЯМР ХН. В спектре соединения 7 отсутствуют сигналы в области ~7,1 м.д., где наблюдаются сигналы протона Нх незамещенного соединения. Химический сдвиг протона Н3, равный 6,53 м.д. ( V = 5 Гц) (высокопольный фрагмент АВ-подспектра), незначительно отличается от сдвига сигнала Н3 незамещенного соединения 4. Для мультиплета с центром 7,95 м.д., относящегося к протону Н2, наблюдается низкопольное смещение на ~0,4 м.д. (по сравнению с соединеним 4) под влиянием трифторацетильной группы. Наблюдаемая мультиплетность сигнала обусловлена спин-спиновым взаимодействием с ядрами Б СОСР3 группы (/Н_р = 2,5 Гц), что подтверждается ШВОЯ экспериментами. Мультиплет в наиболее слабом поле (10,01 м.д.) следует приписать протону Н9 , так как только для него можно ожидать такого значительного низкопольного смещения (А5 = 1,78 м.д. по сравнению с Н9 в 4), обусловленного влиянием магнитной анизотропии заместителя в положении 1. Аналогичный, но меньший по величине, эффект наблюдается в 1-замещенных азуленах [11].
В спектре соединения 8 отсутствуют сигналы в области ~6,5 м.д., химический сдвиг протона Н1 (вы-сокопольная часть АВ-подспектра, J = 5 Гц), равный 7,21 м.д., близок сдвигу сигнала (7,08 м.д.) незамещенного соединения 4, мультиплет при 8,00 м.д. принадлежит протону Н = 2,5 Гц), что
Положение заместителя в хлоридах 9 и 10 установлено с помощью спектроскопии ЯМР Н. Поскольку влияние хлора на химические сдвиги протонов в ароматических соединениях гораздо меньше, чем влияние трифторацетильной группы, сравнение химических сдвигов протонов в соединениях 9, 10 и 4 становится еще более показательным. Сигналы протонов пятичленного цикла соединения 9 образуют спектр АВ-типа. Химический сдвиг высокопольного сигнала, равный 6,35 м.д. (V = 4,5 Гц), отличается на 0,1 м.д. от сдвига Н3 соединения 4 и должен быть приписан протону Н3 хлорида 9.
Сигнал при 7,29 м.д. (V = 4,5 Гц) также мало отличается по сдвигу от сигнала протона Н2 исходного соединения 4 и также должен быть приписан протону Н2 хлорида 9. Так же, как в случае трифтораце-тильного производного 7, наибольшее низкопольное смещение (относительно соответствующих сигналов соединения 4) наблюдается для мультиплета протона Н9, которое составляет 0,78 м.д. Для изомерного 3-хлорпроизводного 10 отсутствуют сигналы в области ~6,4 м.д., т.е. в той области, где обычно наблюдаются сигналы протона Н3 незамещенного или 1-замещенных производных 4. Дублет ( V = 4,5 Гц) с химическим сдвигом 7,02 м.д., высокопольный фрагмент АВ-спектра, относится к протону Н1 хлорида 10, поскольку его сдвиг лишь незначительно отличается от сдвига Нх соединения 4. Дублет ( V = 4,5 Гц) с химическим сдвигом 7,34 м.д., низкопольный фраг-
4
4
7
8
мент АВ-спектра, относится к протону Н2. Мульти-плет протона Н9 в хлориде 10, наблюдающийся при 8,20 м.д., практически не смещен по сравнению с его положением в 4. Это также подтверждает, что заместитель в 10 находится в положении 3.
Азосочетание 4 с тетрафтороборатом и-толилдиа-зония также приводит к образованию смеси изомеров 11 и 12 с соотношением 1:1,29 соответственно при общем выходе продуктов азосочетания 98%.
р -МеС6И4К^ БР4"
2С6Н4Ме
+
N
РЬ 11
+
N
РЬ 12
:Ы2С6Н4Ме
положения в незамещенном соединении 4, что также подтверждает присутствие азотолильной группы в положении 3.
Нитрование 4 тетранитрометаном в пиридине приводит только к 1-нитропроизводному 13.
C(NO2)4
N
РЬ 13
В отличие от рассмотренных выше реакций аци-лирования, хлорирования и азосочетания максимальный выход в нитровании достигал только 34%. Остается неясным, является ли низкий выход следствием нестабильности 3-нитропроизводного, которое при образовании в условиях реакции быстро разлагается, следствием последующей обработки реакционной смеси или следствием протекания конкурирующих с нитрованием процессов.
Бромирование 4 К-бромсукцинимидом (КБ 8) в бензоле дает бромид 15 с выходом 94%.
Строение соединений 11 и 12 подтверждено спектроскопией ЯМР 1Н. Протоны пятичленного цикла 11 образуют АВ-спектр, химический сдвиг Н3 равен 6,56 м.д. (3/ = 5 Гц), а сдвиг Нх - 7,99 м.д. (3/ = 5 Гц). Сигналы при 7,14; 7,23; 7,66 и 7,75 м.д. относятся к протонам азотолильной группы. Муль-типлет протона Н9 наблюдается при 9,31 м.д., муль-типлет протона Н6, частично перекрывающийся с Н2, наблюдается при 8,02 м.д., сигналы протонов Н7 и Н8 перекрываются с сигналами протонов К-фе-нильного кольца. Наблюдаемые сдвиги в спектре 11 подтверждают присутствие заместителя в положении 1. В спектре 12 протоны азотолильной группы наблюдаются в виде несколько уширенного сингле-та при 6,94 м.д., высокопольный фрагмент АВ-спек-тра при 7,24 м.д.; (3/ = 4,2 Гц) следует отнести к протону Н1, так как его сдвиг мало отличается от сдвига Нх в незамещенном соединении 4 (7,08 м.д.). Низкопольный фрагмент АВ-спектра, относящийся к протону Н2, наблюдается при 8,06 м.д. (/ = 4,2 Гц) и частично перекрывается с сигналом протона Н6. Мультиплет протона Н9, наблюдающийся при 8,31 м.д., практически не смещен относительно его
NBS
N
РЬ 14
В спектре ЯМР 1Н бромида 14 отсутствуют сигналы в области ~7 м.д., где обычно наблюдаются сигналы протона Н1 соединения 4 или его 3-замещенных производных. Сигналы протонов пяти-членного цикла образуют спектр АВ-типа. Химический сдвиг протона Н2, равный 7,46 м.д., лишь незначительно смещен (0,046 м.д.) относительно его положения в 4. Химический сдвиг протона Н3, равный 6,47 м.д., также близок по сдвигу протону Н3 соединения 4 (6,446 м.д.). В этом случае так же, как и в соединении 8, имеет место значительное низкополь-ное смещение мультиплета протона Н9, наблюдающегося при 9,13 м.д.
В отличие от нитрования, где выход единственного изомера 13 достигает максимум 34%, бромирова-
4
4
4
ние протекает с выходом, близким к количественному, и приводит только к одному изомеру. Селективность бромирования превосходит селективность аци-лирования и, по-видимому, не может быть объяснена чисто пространственными или электронными факторами. Если в положении 1 соединения 4 присутствует электроно-акцепторный заместитель, например трифторацетильная группа или нитрогруппа, легко и с высокими выходами протекает бромирование в положение 3 в условиях бромирования незамещенного соединения 4. Так, при использовании ~20%-го избытка ^бромсукцинимида нитросоединение 13 при комнатной температуре превращается в бромнитросо-единение 15 с выходом 98,5%.
N
РЬ
X = ЫО2 13 X = СОСБ3 7
N
РЬ Вг X = N02 15
X = С0СБ3 16
Бромирование трифторацетильного производного (ТФА) 7 дает с таким же высоким выходом трифто-рацетилбромид 16, причем в этом случае не приме -нялся избыток бромирующего реагента. Таким образом, присутствие сильных акцепторных заместителей в положении 1 не препятствует бромированию этих соединений в положение 3.
Все монозамещенные производные (за исключением нитросоединения 14) могут быть превращены в дизамещенные производные. Соединения 7 и 8 при действии избытка ТФА превращаются в один и тот же дизамещенный продукт 17 с выходом 97 и 85% соответственно.
ТФА
N
РЬ 17
СОСБз
С0СГ3
В спектре ЯМР 1Н соединения 17 отсутствуют сигналы в области до 7,5 м.д., сигнал протона Н2, мультиплет с центром 8,72 м.д., смещен на ~0,7 м.д. относительно его положения в соединениях 7 и 8. Сигнал протона Н9 наблюдается при 10,06 м.д., и он практически не смещен относительно его положения в соединении 7 (10,01 м.д.), в то время как его смещение относительно его положения в 8 составляет 1,69 м.д.; таким образом, спектроскопические данные подтверждают что ацилирование соединений 7 и 8 протекает в положения 3 и 1 соответственно. Ацили-рование монозамещенных производных легко протекает при действии большого избытка ТФА и при повышенной температуре.
В отличие от 1-трифторацетилазулена, ацилирова-ние которого не происходит даже в присутствии катализаторов кислот Льюиса [10], ацилирование соединений 7 и 8 осуществляется в отсутствии этих катализаторов. Большая реакционная способность 4 по сравнению с азуленом также подтверждается данными конкурирующего ацилирования. Предварительно было показано, что ацилирование азулена протекает с почти количественным выходом (97%), что несколько превышает опубликованные ранее данные (91%) [9]. В то время как в условиях конкурирующего ацилирования 4 расходуется практически полностью (выход смеси 7 и 8 достигает 98% при соотношении 7 к 8 ~ 27:1), до 25% азулена остается непрореагировавшим, а выход 1-трифтора-цетилазулена составляет 90% (в расчете на прореагировавший азулен).
Смесь монозамещенных хлоридов 9 и 10 при действии ^хлорсукцинимида в условиях хлорирования 4 превращается в дихлорид 18 с выходом 87%.
9 + 10
N
РЬ 18
С1
Хлорирование ^хлорсукцинимидом соединений с акцепторными заместителями, такими как СОСБ3, протекает гораздо труднее, чем их бромирование. За время, необходимое для полного хлорирования 4 при
7
8
Т а б л и ц а 3
Разности энергий о-комплексов на основе циклопента[с]пиридазиния-1
Базисный набор Е5-Е7 (кДж) Базисный набор Е5-Е7 (кДж)
6Н-циклопента[с]пиридазиний-1 (НР/6-31С((1))# -170,99 6Н-циклопента[с]пиридазиний-1 (Б3ЬУР/6-31С(а)) -130,55
2Н-циклопента[с] пиридазиний-1 (НР/6-31С((1))## -135,67 2Н-циклопента[с]пиридазиний-1 (Б3ЬУР/6-31С(а)) -82,69
НР/6-3Ю(а) ### -15,08 Б3ЬУР/6-31С(а) ### -10,70
НРУ6-31едр) -15,16 Б3ЬУР /6-31ОДр) -10,80
НБ/6-31+а(а,р) -14,88 б3ЬУР /6-31+о(а,р) -10,63
НБ/6-31++а(а,р) -14,83 б3ЬУР /6-31++о(а,р) -10,63
НБ/6-31++а(2а,р) -14,24 Б3ЬУР /6-31++С(2а,р) -10,23
НР/6-311ед -14,91 Б3ЬУР/6-311С(а) -10,73
НР/6-311С(а,р) -14,79 б3ЬУР /6-311С(а,р) -10,70
НР/6-311+о(а,р) -14,84 б3ьур /6-311+о(а,р) -10,65
НР/6-311++о(а,р) -14,77 б3ьур /6-311++о(а,р) -10,60
НР/6-311++о(2а,р) -14,10 Б3ЬУР /6-311++С(2а,р) -9,79
НР/6-311++С^£р) -14,15
# Разности энергий 5Н-циклопента[с]пиридазиния-1 и 6Н-циклопента[с]пиридазиния-1. ** Разности энергий 5Н-циклопента[с]пиридазиния-1 и 2Н-циклопента[с]пиридазиния-1.
*** Здесь и ниже приведены разности энергий 5Н-циклопента[с]пиридазиния-1 и 7Н-циклопента[с]пиридазиния-1 (отрицательная величина разности означает большую стабильность 5Н- по сравнению с 7Н-аддуктом).
комнатной температуре, хлорирования 8 практически не происходит. При использовании более чем пятикратного избытка NCS при 80° выход 19 достигает только 41%.
жя
СОСР3
N
РЬ 19
Бг
При 40%-м избытке NCS при комнатной температуре выход 19 достигает 63% за время >3 сут.
Бромирование бромида 14 протекает при комнатной температуре с высоким выходом дибромида 20.
N
РЬ 14
N
РЬ 20
Бг
Таким образом, для ацилирования наблюдается очень сильное преобладание замещения в положение 1, а для нитрования и бромирования это направление замещения является единственным. Напротив, в реакциях хлорирования и азосочетания с незначительным
7
Т а б л и ц а 4
Разности энергий о-комплексов гетероаналогов азулена с я-избыточным гетероатомом
Базисный набор HF/6-31G(d) Е5-Е7 (кДж)# Базисный набор B3LYP/6-31G(d) Е5-Е7 (кДж)#
Циклопента[Ь]пиридиний -16,66 Циклопента[Ь] пиридиний -13,64
Циклопента[Ь]пираний -27,08 Циклопента[Ь] пираний -22,29
Циклопента[Ь]тиопираний -19,41 Циклопента[Ь]тиопираний -17,40
Циклопента[с]пиридиний 12,83 Циклопента[с]пиридиний 9,56
Циклопента[с]пираний 24,85 Циклопента[с]пираний 19,68
Циклопента[с]тиопираний 19,56 Циклопента[с]тиопираний 16,08
Величины Е5-Е7 относятся к разности энергий 5Н-циклопента[Ь]пиридиния и 7Н-циклопента[Ь]пиридиния и далее соответственно. Положительная величина разности означает большую стабильность 7Н- по сравнению с 5Н-аддуктом, отрицательная величина разности означает большую стабильность 5Н- по сравнению с 7Н-аддуктом.
преобладанием образуются 3-замещенные продукты. Для определения преимущественного положения замещения в различных гетероаналогах азулена были рассчитаны энергии с-комплексов, образующихся при присоединениии протона к этим соединениям. В случае соединения 5, являющегося родоначальным для 4, возможно образование четырех с-комплексов, образующихся в результате присоединения протона в положения 5, 7, 6 и 2: 5Н-циклопента[с]пиридазиния-1, 7Н-циклопента[с]пиридазиния-1,6Н-циклопента-[с]пиридазиния-1 и 2Н-цикло-пента[с]пиридазиния-1. Ниже приведены структуры этих с-комплексов соответственно:
N.
N
H
N
N H
N
HN
Из данных табл. 3 следует, что при присоединении протона в положения 5 и 7 образующиеся с-комплексы наиболее стабильны, а при присоединении протона в положения 2 и 6 - наименее стабильны. Результаты расчета показывают, почему водородный обмен осуществляется в положения 5 и 7, а не в положение 6.
На примере соединения 5 была сделана попытка установить, как повлияет изменение базисного набора на результаты расчета разности энергий 5Н-циклопен-та[с]пиридазиния-1 и 7Н-циклопента[с]пиридазиния-1. Результаты расчетов с использованием метода ab initio и теории DFT приведены в табл. 3, откуда следует, что при переходе от базиса 6-31G(d) к базису 6-31++G(2d,p) изменение разности энергий лежит в пределах 4,6-5,9%, а при переходе от базиса 6-311G(d) к базису 6-311++G(2d,p) - в пределах 5,79,6%, поэтому в дальнейших расчетах использовали базисный набор 6-31G(d). При использовании метода ab initio соответствующие разности энергий всегда больше. Далее были рассчитаны энергии о-
комплексов для гетероаналогов азулена с одним гете-роатомом азота, кислорода и серы. Результаты расчетов приведены в табл. 4.
Из данных табл. 4 следует, что если гетероатом находится в положении 1, большей стабильностью обладает о-комплекс, образовавшийся в результате присоединения протона в положение 5, а не в положение 7; в том случае, если гетероатом находится в положении 2, более устойчивым становится о-комп-лекс, образовавшийся в результате присоединения протона в положение 7, а не в положение 5. Поскольку такие о-комплексы являются промежуточными продуктами в реакциях водородного обмена, можно утверждать, что направление электрофильного замещения в рассматриваемых системах будет определяться стабильностью соответствующего о-комплек-
Т а б л и ц а 5
Разности энергий о-комплексов гетероаналогов азулена с я-избыточным и я-эквивалентным
гетероатомами азота
Базисный набор НР/6-31С^) Е5-Е7 (кДж)# Базисный набор Б3ЬУР/6-31ОД Е5-Е7 (кДж)
Циклопента[с]пиридазиний-1 -15,08 Циклопента[с]пиридазиний-1 -10,69
ЦиклопентаЩпиримидиний-1 -23,19 ЦиклопентаЩпиримидиний-1 -18,73
Циклопента[Ь]пиразиний -18,20 Циклопента[Ь]пиразиний -15,50
Циклопента[с]пиридазиний-2 10,85 Циклопента[с]пиридазиний-2 10,49
Циклопента^пиридазиний-2 9,23 Циклопента^пиридазиний-2 6,68
" Приведены разности энергий 5Н-циклопента[с]пиридазиния-1 и 7Н-циклопента[с]-пиридазиния-1 и далее соответственно.
Т а б л и ц а 6
Разности энергий о-комплексов гетероаналогов азулена с я-эквивалентным гетероатомом азота с я-избыточными атомама кислорода и серы
Базисный набор НР/6-31С^) Е5-Е7 (кДж)# Базисный набор Б3ЬУР/6-31С^) Е5-Е7 (кДж)#
Циклопента[е] 1,2]оксазиний-1 -29,06 Циклопента[е] 1,2]оксазиний-1 -21,14
Циклопента[е] 1,3]оксазиний-1 -34,20 Циклопента[е] 1,3]оксазиний-1 -28,44
Циклопента[Ь] 1,4]оксазиний-1 -34,24 Циклопента[Ь] 1,4]оксазиний-1 -26,78
Циклопента[е] 1,2]тиазиний-1 -20,88 Циклопента[е] 1,2]тиазиний-1 -16,25
Циклопента[е] 1,3]тиазиний-1 -26,49 Циклопента[е] 1,3]тиазиний-1 -23,07
Циклопента[Ь] 1,4]тиазиний-1 -17,04 Циклопента[Ь] 1,4]тиазиний-1 -15,37
Циклопента[с] 1,2]оксазиний-2 24,33 Циклопента[с] 1,2]оксазиний-2 24,24
Циклопента[d] 1,2]оксазиний-2 25,32 Циклопента[d] 1,2]оксазиний-2 20,27
Циклопента[d] 1,3]оксазиний-3 -30,91 Циклопента[d] 1,3] оксазиний-3 -24,27
Циклопента[с] 1,2]тиазиний-2 17,44 Циклопента[с] 1,2]тиазиний-2 17,35
ЦиклопентаИ 1,2]тиазиний-2 16,77 Циклопента[d] 1,2]тиазиний-2 13,99
Циклопента[d] 1,3]тиазиний-3 -25,89 Циклопента[d] 1,3] тиазиний-3 -19,98
" Приведены разности энергий 5Н-циклопента[е][1,2]оксазиния-1 и 7Н-циклопента[е]-[1,2]оксазиния-1 и далее соответственно. Отрицательная величина разности означает большую стабильность 5Н-аддукта по сравнению с 7Н-аддуктом.
Т а б л и ц а 7
Разности энергий о-комплексов 4-фенил-4Н-циклопента[с]циннолина и его аналогов
Базисный набор HF/6-31G(d) Е5-Е7 (кДж)# Базисный набор B3LYP/6-31G(d) Е5-Е7 (кДж)#
4-Фенил-4Н-цикло-пента[с]циннолиний-4 # -5,58 4-Фенил-4Н-цикло-пента[с]циннолиний-4 -2,31
Циклопента[с]циннолиний-4 -7,23 Циклопента[с]циннолиний-4 -1,72
1-Фенил-циклопента[с]пиридазиний -12,07 1-Фенил-циклопента[с]пиридазиний -9,92
Циклопента[с]пиридазиний-1 -15,08 Циклопента[с]пиридазиний-1 -10,70
" Для циннолиновых систем приведены разности энергий 4-фенил-1Н-циклопента-[с]циннолиния-4 и 4-фенил-3Н-циклопента[с]циннолиния-4 и 1Н-циклопента[с]циннолиния-4 и 3Н-циклопента[с]циннолиния-4. Для пиридазиновых систем приведены разности энергий 1-фенил-5Н-циклопента[с]пиридазиния-1 и 1-фенил-7Н-циклопента[с]пиридазиния-1 и 5Н-циклопента[с]пиридазиния-1 и 7Н-циклопента[с]-пиридазиния-1. Отрицательная величина разности означает большую стабильность 5Н-аддукта по сравнению с 7Н-аддуктом.
са. Ранее сходные результаты были получены на основании расчета энергии локализации для некоторых из рассмотренных выше систем [11]. Наибольшей селективностью в отношении присоединения протона должна обладать система циклопента[Ь]пирана, наименьшей - система циклопента[Ь] пиридина. Замена углерода в шестичленном цикле на п-эквивалентный атом азота - дополнительное подтверждение найденной выше закономерности. Результаты прведенных расчетов приведены в табл. 5.
Аналогичные результаты были получены для систем, содержащих в качестве п-избыточного гетероато-ма кислород и серу, а в качестве п-эквивалентного гетероатома азот (табл. 6).
Расчеты о-комплексов соединения 4 и некоторых его аналогов приведены в табл. 7. В этом случае происходит значительное уменьшение разности энергий соответствующих о-комплексов по сравнению с родоначальной системой (циклопента[с]пиридазиний-1), что должно было бы приводить к значительному уменьшению селективности в реакциях электрофиль-ного замещения в данной системе. В действительности, по сравнению с соединением 2, для которого наблюдаемое соотношение изомеров (в ацилировании ТФА) составляет 1:2,6 [11] (Е5-Е7 = 6,68 кДж), происходит приблизительно 10-кратное увеличение селективности при переходе к 4-фенил-4Н-цикло-пента[с]циннолину (соотношение изомеров составляет 25-27:1). Бромирование представляет собой еще один пример увеличения селективности замещения
при одновременном уменьшении разности энергии соответствующих о-комплексов.
Экспериментальная часть
Соединение 4 получено по известным методикам [7]. Окись алюминия для хроматографии II степени активности многократно промывали дистиллированной водой и высушивали в сушильном шкафу при 200°С, после чего ее дезактивировали добавлением 3% воды; степень активности приготовленной таким образом окиси алюминия была промежуточной между III и IV. При использовании недезактивированной окиси алюминия наблюдается частичное разложение соединений циклопента[с]циннолинового ряда. Все растворители (за исключением гептана марки "х.ч."), использовавшиеся для хроматографии, были перегнаны. Спектры ЯМР ХН регистрировали на приборах "НА-100" и "XL-400". Химические сдвиги приведены от TMS. Для всех полученных соединений в области от 7,3-7,4 до 7,6-7,7 м.д. обычно находятся сигналы протонов N-фенильного кольца, далее в экперимен-тальной части положение этих сигналов не указывается, поскольку практически не зависит от заместителя в пятичленном цикле.
Дейтерирование 4. Для дейтерирования использовали несколько измененную методику, ранее применявшуюся для дейтерирования азулена [13]. 244 мг (1 ммол) соединения 4 растворяли в минимальном количестве ~70% D2SO4, выдерживали полученный раствор в течение 20 мин при комнатной температу-
ре, затем разбавляли приблизительно десятикратным количеством Б2О и экстрагировали горячим гептаном (3x40 мл), объединенные гептановые экстракты промывали небольшим количеством В2О, отфильтровывали через бумажный фильтр, смоченный гептаном, и растворитель удаляли в вакууме. Эту операцию повторяли еще дважды.
Ацилирование 4 трифторуксусным ангидридом. К раствору 122 мг (0,5 ммол) 4 в 7 мл СС14 при перемешивании добавляли в один прием раствор 0,25 мл (СБ3СО)2О в 1 мл СС14, цвет раствора при этом сразу изменялся из темно-синего в красный. Реакционную смесь перемешивали в течение 10 мин при комнатной температуре, затем разлагали избыток (СБ3СО)2О добалением водного раствора №НСО3. Органический слой отделяли, разбавляли 50 мл бензола, промывали водой (3x25 мл) и растворитель удаляли в вакууме. Остаток растворяли в минимальном количестве смеси бензол-гексан (1:1) и хрома-тографировали на окиси алюминия (2,5x29 см). На колонке три полосы: вишнево-красная, бледно-розовая и бледно-фиолетовая. Элюировали вещества из всех трех полос смесью бензол-гексан (1:1). После повторной хроматографии вещества из красной полосы получали 150 мг (88%) 7 в виде темно-красных кристаллов (Тпл = 188°). Найдено, %: С 66,85; Н 3,66; Б 16,87; N 8,53. С^Н^^О. Вычислено, %: С 67,06; Н 3,25; Б 16,75; N 8,23. М 340 (масс-спектр). После повторной хроматографии вещества из фиолетовой полосы получали 6 мг (3,5%) 8 в виде темно-фиолетовых кристаллов (Тпл = 196°). Найдено, %: С 66,80; Н 3,56; Б 16,80; N 8,40. С19НпБ^О. Вычислено, %: С 67,06; Н 3,25; Б 16,75; N 8,23. М 340 (масс-спектр).
Азосочетание 5 с тетрафтороборатом п-то-лилдиазония. К раствору 122 мг (0,5 ммол) 4 в 50 мл абс. метанола добавляли 340 мг безводного ацетата натрия и далее при температуре 2°С добавляли в течение 20 мин раствор 103 мг (0,5 ммол) тетрафторобората п-толилдиазония в 30 мл абс. метанола. Смесь перемешивали при охлаждении в течение 1 ч, затем добавляли 50 мл дихлорметана, промывали дважды раствором №НСО3 и дважды водой, растворитель удаляли в вакууме. Остаток растворяли в минимальном количестве смеси бензол-гексан (1:1) и хроматографи-ровали на окиси алюминия (3,5x35 см). На колонке три полосы: бледно-голубая и две зеленые поло-
сы различного оттенка. Смесью бензол-гексан (1:1) элюировали вещества из голубой и первой зеленой полос. При удалении растворителя от голубого элюата получено 3 мг исходного соединения 4, а при удалении растворителя от зеленого элюата -77 мг (42,6%) вещества 11 в виде зеленых кристаллов (Тпл = 222°). Найдено, %: С 79,48; Н 5,14; N 15,41. С^Н^Д,. Вычислено, %: С 79,53; Н 5,01; N 15,46. Вещесво из второй зеленой полосы элюиро-вали бензолом и после повторной хроматографии получали 96 мг (53%) 12 в виде темно-зеленых кристаллов (Тпл = 201°). Найдено, %: С 79,82; Н 5,12; N 15,36. С24Н1!Д1. Вычислено, %: С 79,53; Н 5,01; N 15,46.
Нитрование 4 тетранитрометаном. К охлажденному раствору (лед + соль) 92 мг (0,377 ммол) 4 в 10 мл сухого пиридина добавляли в течение 10 мин 0,15 мл раствора С^О^ (~1 ммол) в 3 мл этанола. Цвет реакционной смеси изменялся из синего в красный. К реакционной смеси добавляли 50 мл бензола, дважды промывали разбавленным раствором щелочи, растворитель удаляли в вакууме до небольшого объема и хро-матографировали на окиси алюминия. Элюирова-ли бензолом вещество из красной полосы. После повторной хроматографии получали 37 мг (34%) 13 в виде красных кристаллов (Тпл = 246°). Найдено, %: С 70,39; Н 3,72; N 14,53. С^Н^О.,. Вычислено, %: С 70,58; Н 3,83; N 14,53. Спектр ЯМР ХН (СБС13, м.д.): 8, 1 (д, 1Н, Н2); 6,50 (д, 1Н, Н3); 8,23 (м, 1Н, Н6); 9,93 (м, 1Н, Н9).
Хлорирование 4 Ы-хлорсукцинимидом. К раствору 51 мг (0,209 ммол) 4 в 5 мл сухого бензола добавляли раствор 27,6 мг (0,207 ммол) ^хлорсук-цинимида в 4 мл сухого бензола. Через 30 мин смесь разбавляли равным объемом гексана и хро-матографировали на окиси алюминия. Смесью бензол-гексан (1:1) элюировали голубую полосу. После повторной хроматографии вещества из голубой полосы получали 52,7 мг (90%) темно-синих кристаллов смеси 9 и 10. Найдено, %: С 65,29; Н 3,16; С1 22,72. С17Н10 СЬД. Вычислено, %: С 70,20; Н 3,22; С1 22,64.
Бромирование 4 Ы-бромсукцинимидом. К раствору 23 мг (0,094 ммол) 4 в 4 мл сухого бензола добавляли раствор 16,5 мг (0,093 ммол) ^бромсук-цинимида, растворенного в минимальном количестве сухого бензола, и смесь выдерживали при
комнатной температуре в течение 1,5 ч. Затем смесь разбавляли равным объемом гексана и хроматогра-фировали на окиси алюминия, элюируя смесью бензол - гексан 1:1 вещество из первой синей полосы. После удаления растворителя в вакууме от синего элюата получали 28,5 мг (94%) темно-синих кристаллов 14. Вещество не плавится до Т = 345°. Найдено, %: С 63,35; Н 3,35; Вг 24,88. C17H11BrN2. Вычислено, %: С 63,18; Н 3,43; Вг 24,72.
Бромирование 7 Ы-бромсукцинимидом. К раствору 53,5 мг (0,157 ммол) 8 в 5 мл сухого бензола добавляли раствор 35 мг (25% избыток) ^бромсукцинимида в 7 мл сухого бензола. Смесь выдерживали при комнатной температуре в течение 1,5 ч, затем растворитель удаляли в вакууме, остаток растворяли в минимальном количестве смеси бензол-гексан (1:1) и хроматографировали на окиси алюминия. Элюировали смесью бензол -гексан 1:2 бледно-голубую полосу, далее элюиро-вали смесью бензол-гексан (1:1) темно-сиреневую полосу. Удаление растворителя от темно-сиреневого элюата давало 65 мг (98%) темно-сиреневых кристаллов 16. Найдено, %: С 54,61; Н 2,35; Вг 19,20; N 6,52. С19Н „ВгБ^ 2О. Вычислено, %: С 54,44; Н 2,40; Вг 19,06; N 6,68. Спектр ЯМР *Н (ТГФ, м. д.): 7,95 (к, 1Н, Н2); 8,15 (м, 1Н, Н6); 9,96 (м, 1Н, Н9).
Бромирование 13 Ы-бромсукцинимидом. К раствору 40 мг (0,138 ммол) 13 в 25 мл сухого бензола добавляли раствор 30 мг (22%-й избыток) ^бромсукцинимида в минимальном количестве сухого бензола. Смесь выдерживали при комнатной температуре в течение 50 мин, затем хроматографировали на окиси алюминия. Элюировали бензолом коричневую полосу, после повторной хроматографии вещества из коричневой полосы получали 50 мг (98%) коричневых кристаллов 15. Найдено, %: С 55,59; Н 2,64; Вг 21,80; N 11,27. С^Н^Вг^О^ Вычислено, %: С 55,46; Н 2,74; Вг 21,70; N 11,41. Спектр ЯМР ХН (ТГФ, м.д.): 8,14 (с, 1Н, Н2); 8,26 (м, 1Н, Н6); 9,77 (м, 1Н, Н9).
Конкурирующее ацилирование. Соотношение реагентов было подобрано таким образом, чтобы в конце реакции в реакционной смеси не оставалось соединения 4, так как отделение 4 от трифтораце-тилазулена с помощью хроматографии на окиси алюминия представляет собой очень трудоемкую задачу. К смеси 64 мг (0,5 ммол) азулена и 122 мг
(0,5 ммол) 4 в 10 мл сухого СС14 добавляли при перемешивании 0,22 мл (1 ммол) ТФА, смесь перемешивали при комнатной температуре в течение 5 мин, затем добавляли водный раствор NaHC03, органический слой отделяли промывали водой и растворитель удаляли в вакууме. Остаток растворяли в минимальном количестве смеси бензол-гексан (1:2) и хроматографировали на окиси алюминия. Четыре полосы на колонке: голубая, красная, красная и темно-фиолетовая. Смесью бензол-гексан (1:2) элюировали вещество из голубой полосы. При удалении растворителя от синего элюата в вакууме было получено 16 мг азулена. Далее элюи-ровали вещество из первой красной полосы смесью бензол-гексан, удаление растворителя в вакку-ме давало 75 мг трифторацетил азулена. При элюи-ровании из второй красной полосы было получено 161 мг вещества 7. Последнюю полосу элюировали бензолом, удаление растворителя давало 6 мг 8.
Хлорирование 7 Ы-хлорсукцинимидом. К раствору 25,3 мг (0,073 ммол) 7 в 5 мл сухого бензола добавляли раствор 24,5 мг (0,102 ммол) ^хлорсукциними-да в 4 мл сухого бензола. Через 3 суток смесь разбавляли равным объемом гексана и хроматографиро-вали на окиси алюминия. Элюировали смесью бен-зол-гексан (1:1) сиреневую полосу. После повторной хроматографии вещества из сиреневой полосы получали 17,5 мг (63%) темно-сиреневых кристаллов 19. Найдено, %: С 61,05; Н 2,53; С1 9,37. С^Н^СШ^О. Вычислено, %: С 60,90; Н 2,69; С1 9,46. Спектр ЯМР *Н (ТГФ, м.д): 7,89 (к, 1Н, Н2); 8,16 (м, 1Н, Н6); 9,98 (м, 1Н, Н9).
Бромирование 14 Ы-бромсукцинимидом. К раствору 23,5 мг (0,073 ммол) 14 в 5 мл сухого бензола добавляли раствор 16,5 мг (25%-й избыток) N-бромсукцинимида в минимальном количестве сухого бензола. Смесь выдерживали при комнатной температуре в течение 1,5 ч, затем растворитель удаляли в вакууме, остаток растворяли в минимальном количестве смеси бензол-гексан (1:1) и хроматографировали на окиси алюминия. Элюировали смесью бензол-гексан (1:1) синюю полосу. Удаление растворителя от синего элюата давало 28 мг (98%) те мно-синих кристаллов 20. Тпл = 157° (разл). Найдено, %: С 50,85; Н 2,44; Вг 39,76. С^Н^Вг^. Вычислено, %: С 50,78; Н 2,51; Вг 39,75. Спектр ЯМР ХН (ТГФ, м. д.): 7,37 (с, 1Н, Н2); 8,03(м, 1Н, Н6); 9,14 (м, 1Н, Н9).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Anderson A.G., Jr., Harrison W.F. // Tetrahedron Letters. 1960. P. 11.
2 . Mayer R., Franke J., Horak V., Hanker D., Zahradnik R. // Tetrahedron Letters. 1961. P. 289.
3. Anderson A.G., Jr., Harrison W.F. // J. Am. Chem. Soc. 1964. 86.
P. 708.
4. Anderson A.G., Jr., Forkey D.M. // J. Am. Chem. Soc. 1969. 91.
P. 924.
5. Anderson A.G., Jr., Forkey D.M., Grina L.D. // J. Org. Chem. 1972.
37. P. 3499.
6. Anderson A.G., Jr., Ko R.P. // J. Org. Chem. 1984. 49. P. 4769.
7. Ustynyak Yu.A., Barinov I.V. // J. Organometal. Chem. 1970. 23.
P. 551.
8. Квантово-химические расчеты проведены с использованием
программного комплекса Gaussian.Gaussian 94W, Revision E.1: Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Gill, P. M. W.; Johnson, B. G.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Keith, T.; Petersson, G. A.; Montgomery, J. A.; Raghavachari, K.; AlLaham, M. A.; Zakrzewski, V. G.; Ortiz, J. V.; Foresman, J. B.; Cioslowski, J.; Stefanov, B. B.; Nanayakkara, A.; Challacombe, M.; Peng, C. Y.; Ayala, P. Y.; Chen, W.; Wong, M. W.; Andres, J. L.; Replogle, E. S.; Gomperts, R.; Martin, R. L.; Fox, D. J.;
Binkley, J. S.; Defrees, D. J.; Baker, J.; Stewart, J. P.; Head-Gordon, M.; Gonzalez, C.; Pople, J. A.; Gaussian, Inc.: Pittsburgh PA, 1995.
Для расчета химических сдвигов использовали метод GIAO: R. Ditchfield // Mol. Phys. 1974. 27. P. 789; J.L. Dodds, R. McWeeny and A.J. Sadlej // Mol. Phys. 1980. 41. P. 1419; K. Wolinski, J. F. Hilton and P. Pulay // J. Am. Chem. Soc. 1990. 112. P. 8251. Расчет констант спин-спинового взаимодействия проведен методом конечных возмущений J.A. Pople, J. W. McIver, N.S. Ostlund // J. Chem. Phys. 1968. 49. P. 2960; T. Onak, J. Jaballas, M.Barfield // J. Am. Chem. Soc., 1999.121. P. 2850. в приближении трехпараметрового функционала матрицы плотности B3LYP A. D. Becke // J. Chem.Phys. 1993. 98. P. 5648.
9. Anderson A.G., Jr., Nelson J.A., Tazuma J.J. // J. Am. Chem. Soc.
1953. 75. P. 4980.
10. Anderson A.G., Jr., Anderson R.G. // J. Org. Chem. 1962. 27. P. 3578.
11. Ammon H.L., Watts P.H., Anderson A.G. // Tetrahedron 1970. 26. P. 5707.
12. Fry A.J., Bowen B.W., Lеeгmakеrs Р.А. // J. Org. Chem. 1967. 32. P. 1970.
13. BauderB.W., GunthardH.H. //Helv. Chim. Acta. 1958. 41. P. 889.
Поступила в редакцию 20.03.03
THE ELECTROPHYLIC SUBSTITUTION IN 4-PHENYL-4H-CYCLOPENTA[C]CINNOLINE I.V. Barinov, V.A. Chertkov
(Division of Organic Chemistry)
4-Phenyl-4H-cyclopenta[c]cinnoline (4) reacts with trifluoroacetic anhydride, N-chlorosuccinimide and p-tolyldiazonium tetrafluoroborate to give the mixture 1- and 3-substituted derivatives. Compounds (4) reacts with a N-bromosuccin-imide and tetranitrometane to give only the 1-substituted compounds. The 1- or 3-monosubstituted compounds reacts with excess of corresponding reagent to give the disubstituted compounds. A series ab initio and DFT calculation of possible cationic intermediates of (4) and its analogues and parent system have been made.
