CC BY
59
химия
УДК 546.221.1+547.82/83+541.138/.138.3
Ю. Ю. Колдаева, Е. В. Шинкарь, Н. Т. Берберова
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ИНИЦИИРОВАНИЕ РЕАКЦИЙ ПИРИДИНА И ЕГО БЕНЗАННЕЛИРОВАННЫХ АНАЛОГОВ С СЕРОВОДОРОДОМ1
Введение
Немного найдется направлений органической химии, столь тесно связанных с проблемами создания биологически активных веществ медицинского и сельскохозяйственного назначения, как химия синтетических гетероциклических соединений. Известно, что азотсодержащие гетероциклы находят также широкое применение в качестве эмульгаторов, красителей, ингибиторов коррозии и стабилизаторов дисперсных систем [1]. Производные пиридина и его конденсированные аналоги играют исключительную роль в механизмах наследственности, дыхания, энергообеспечения клетки, составляют основу ферментов и витаминов.
Химическая модификация и целенаправленная трансформация азотистых гетероциклов актуальны в настоящее время [2]. Методы синтеза соединений, содержащих пиридиновый фрагмент, разнообразны, и их применение определяется структурной особенностью конечного продукта. Интенсивные поиски новых и удобных путей синтеза производных азотсодержащих гетероциклов, а также оригинальных реагентов для их получения обусловлены трудоемкостью проведения многих из них.
В последние годы нами для тиолирования органических соединений стал привлекаться И28, предварительно окисленный до катион-радикала. Синтетические возможности дешевого и доступного реагента оказались довольно-таки широкими. С использованием активированной формы Н28, генерированной электрохимически и в присутствии окислителей, удалось разработать препаративные методы синтеза тиофенола, тиокрезолов, тиолов, алифатических и ароматических сульфидов, тиопиранов и солей тиопирилия в мягких условиях [3].
В связи с этим целесообразно было рассмотреть возможность вовлечения активированного И28 в реакции с пиридином и его бензаннелированными аналогами с целью получения продуктов, имеющих два реакционных центра и обладающих широкими синтетическими возможностями.
Взаимодействие пиридина (I), хинолина (II) и акридина (III) с Н28 проводили в условиях электрохимического инициирования. Анализ редокс-свойств исследуемых соединений в органической среде в совокупности с литературными данными показал, что гетероциклы (I—III) склонны к окислению и восстановлению до ион-радикалов [4]. Потенциалы окисления субстратов (I—III) имеют более положительные значения (табл. 1, рис. 1, а), чем сероводорода (Епа = 1,6 В). Таким образом, в ходе электрохимического инициирования реакций (I—III) с И28 при потенциале окисления реагента исследуемые гетероциклы находятся в молекулярной форме.
Таблица 1
Электрохимические и спектрофотометрические свойства исследуемых гетероциклов (СН3С]Ч, Р1-аиод, А§/А§С1, 0,1 М ]ЧБи4С104)
1 Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 06-03-32442-а).
При взаимодействии неактивированного Н28 с соединениями (1-111) на циклической вольтамперограмме (ЦВА) в анодной области наблюдали образование неустойчивых ат-комплексов (рис. 1, б), которые легко разрушаются при нагревании до ~ 40 °С и продувке инертным газом. Комплексообразование Н28 с азотсодержащими гетероциклами облегчает его электрохимическое окисление на 0,1... 0,2 В.
Рис. 1. Циклическая вольтамперограмма взаимодействия хинолина с Н28 (1:1):--до добавки Н28;
------ после добавки Н28 (СЫ3СК, П-анод, Ад/АдС1, 0,1 М КВи4С104, С = 5 • 10-3 моль/л)
Известно, что гетероциклы (1-111) являются слабыми основаниями и протонируются с образованием устойчивых солей [5]. Наличие у атома азота неподеленной пары электронов и избыточной ^-электронной плотности делает его весьма активным центром атаки протоном, при этом формирование с-связи не затрагивает ароматическую систему.
В реакциях электрохимически окисленного Н28 с основаниями (1-111) были генерированы соответствующие катионы - протонированные формы оснований (рис. 1, б). Потенциалы восстановления катионов согласуются со значениями, полученными в независимом эксперименте при протонировании азотистых гетероциклов хлорной кислотой (табл. 2). Активность катионов возрастает в ряду пиридиний < хинолиний < акридиний, а стабильность ат-комплексов снижается в этой последовательности. Методом УФ-спектрофотометрии подтверждено, что максимумы светопоглощения оснований (1-111) и соответствующих катионов близки по значению (АХ = 1 нм).
Таблица 2
Электрохимические характеристики протонированных оснований (1-Ш) (СН3С]Ч, Р1-анод, Л§/Л§С1, 0,1 М N6040104)
Соединение I II III
Епа (ат-комплекса), В 1,43 1,52 1,56
- Е„ (катиона), В 0,58 0,56 0,52
В исследуемой реакции катионы образуются за счёт донорно-акцепторного взаимодействия легкодоступной .^-электронной пары азагруппы с протоном, генерированным в ходе фрагментации нестабильного катион-радикала Н28.
Н3Б -1* Н23'+
!
Н
Легкое превращение органических оснований (1-111) в катионную форму в присутствии катион-радикала сероводорода подтверждает его высокие кислотные свойства. Ранее рассчитанное рКа катион-радикала Н28 в ацетонитриле соизмеримо с величинами рКа суперкислот [4].
Известно, что для протонированных форм оснований менее характерны реакции электро-фильного замещения в сравнении с исходными гетероциклами и ароматическими углеводородами. Например, пиридиниевый катион менее активен в реакциях типа 8Е по сравнению с бензолом в 1012-1018 раз в данных превращениях. Методом ИНБ в базисе 6-3Ю(а?, р) рассчитаны значения полных энергий молекулярных структур (1-111) и катионов: ДG = Е(м+) - Е(м) = -7,276.. .-7,720 эВ (Ем), Е(м ) - полные энергии молекулы и соответствующего катиона), подтверждающие увеличение термодинамической стабильности азотсодержащих оснований при переводе их в катионную форму.
Однако при окислительном инициировании взаимодействия сероводорода и соединений (1-111) легко генерируются реакционноспособные тиильные радикалы за счет фрагментации катион-радикала Н28, и, следовательно, в данных условиях возможно получить продукты радикального тиозамещения или тиоприсоединения.
Микроэлектролиз смеси (Н28 + соединение (1-111) проводили при потенциале окисления реагента в течение 2,5 часов на ^-электроде (^ = 3,14 мм2). Кроме протонированных форм на ЦВА фиксировали образование соединений, способных к необратимому окислению (табл. 3). Анализ У Ф-спектров полученных продуктов показал наличие батохромного сдвига максимумов поглощения исходных соединений (1-111), что свидетельствует об изменении их структуры.
Таблица 3
Продукты микроэлектролиза смеси (Н28 + соединение (Т—Ш))
Соединение I II III
Епа, В 1,14 1,48 1,30
1тах, нм 256 227 255
Микроэлектролиз проводили в избытке сероводорода, что способствует восстановлению протона на вспомогательном электроде. В связи с этим вероятную схему рассматриваемых превращений на примере пиридина можно представить следующим образом:
Н28 - ё ^ Н^+ ^ + Н+
Н+ + ё----► 2 Н'----► Н2
Таким образом, ожидаемыми продуктами взаимодействия окисленного Н28 с соединением (I) являются 4-меркапто-1,4-дигидропиридин и 2-меркапто-1,2-дигидропиридин. Однако наличие одного пика окисления на ЦВА продуктов микроэлектролиза свидетельствует о получении только одного из изомеров.
В условиях микроэлектролиза для всех выбранных субстратов получены соизмеримые выходы по току меркаптодигидропроизводных и протонированных форм оснований при соотношении 1,20^1,28. Этот факт позволяет предположить, что при потенциале электролиза протекает окисление продуктов с образованием катионов. Степень превращения соединений (1-111) в их производные не зависит от природы субстратов и составила 75-79 %, что подтверждает одинаковую реакционную способность гетероциклов в исследуемом взаимодействии с активированным сероводородом.
С целью уточнения структуры синтезированных соединений реакцию Н28 с гетероциклами проводили в электрохимической ячейке с большими количествами исходных реагентов: объёмом 100 мл при соотношении субстрат : растворитель (3 : 7). Препаративный электролиз смеси (Н28 + I) при Епа = 1,8 В в течение 7 часов на Р1хэлектроде (£ = 70 мм2) позволил получить два необратимых пика при Епа = 0,80 В и Е'па = 1,14 В (рис. 2), соответствующие окислению 4-меркапто-1,4-дигидропиридина и 2-меркапто-1,2-дигидропиридина (1,8 : 1).
Рис. 2. Цикловольтамперограмма продуктов препаративного электролиза смеси (Н28 + пиридин)
(СИ3СК, Р1-анод, А§^С1, 0,1 М КВи4С104)
Высокая концентрация катиона пиридиния, полученного в ходе электролиза, позволила генерировать димерный продукт при потенциале Епа = -0,1 В, что подтверждает стадию образования пиридильных радикалов в рассматриваемой реакции в соответствии со схемой (2). Литературные данные свидетельствуют о димеризации радикалов в отсутствие стерических ограничений [6]. Анодный пик на ЦВА отвечает окислению одного из возможных изомеров -
а,а’-дигидропиридила или у,у?- дигидропиридила.
Н н
Качественная реакция продуктов с перхлоратом нитрозония подтвердила наличие 8Н-группы в их структуре - наблюдали жёлтое окрашивание бесцветного раствора. При добавлении перхлората нитрозония в большой объем полученной реакционной смеси фиксировали бурное выделение монооксида азота в результате разложения нитрозосоединения.
н
н
+ N00104
£-N=0
+ НС104
(4)
N
I
н
Синтезированные в препаративном электролизе соединения идентифицировали методом УФ-спектрометрии (рис. 3), значения аналогичны этим величинам для продуктов
микроэлектролиза.
Оптическая плотность, О 0,9
190
240 290
Длина волны X, нм
340
Рис. 3. УФ-спектр продуктов препаративного электролиза смеси (Н28 + пиридин)
Для подтверждения структуры полученных соединений проводили реакцию меркаптоди-гидропроизводных пиридина с Н28 и хлорной кислотой. Отсутствие на ЦВА анодного пика ат-комплекса доказало неспособность полученных соединений к протонированию по атому азота.
В ходе электролиза пиридиниевой соли при потенциале ее восстановления (Епк = -0,5 В) удалось увеличить концентрацию димерного продукта, что фиксировали на ЦВА по увеличению пика окисления в области нулевого потенциала по току.
Димерный продукт получали также при взаимодействии катиона пиридиния с триэтиламином.
Известно, что электрофильным азиниевым катионам - акцепторам электронных пар нуклеофилов - свойственна способность к захвату одного электрона. Электрохимическое окисление триэтиламина протекает в одноэлектронную стадию (Епа = 0,8 В) при обратимости процесса (7пк//па = 0,2). Следовательно, в реакции с катионом пиридиния триэтиламин может выступать потенциальным донором электрона (рис. 4, а). В ходе реакции катиона пиридиния с эквимоляр-ным количеством триэтиламина пик окисления димерного продукта возрастал по току (рис. 4, б). Избыток триэтиламина приводил к полному исчезновению катиона пиридиния и генерированию изомерного дигидропиридила.
I, мкА
1пиридиния
Рис. 4. Цикловольтамперограмма взаимодействия катиона пиридиния с триэтиламином:
------ до добавки триэтиламина;-после 1-й добавки,-------------после 2-й добавки
(СИ3СК, Р1;-анод, Ag/AgCl, 0,1 М КБи4С104, С (триэтиламина) = 5• 10 3 моль/л)
Увеличение времени препаративного электролиза смеси (Н28 + I) от 7 до 9 часов привело к росту концентрации 4-меркапто-1,4 дигидропиридина. Таким образом, в условиях кинетического контроля образуется продукт 1,2-присоединения, который способен перегруппировываться в 4-изомер - термодинамически более устойчивое соединение.
В условиях электролиза при потенциале окисления сероводорода возможно превращение 4-меркапто-1,4-дигидропиридина в катион-радикал.
Для уточнения пути фрагментации катион-радикала проводили микроэлектролиз 4-меркапто-1,4-дигидропиридина при потенциале Епа = 1,0 В в течение 2,5 часов. В результате зафиксировали увеличение концентрации пиридиниевого катиона и появление анодного пика при Епа = 0,2 В, отвечающего окислению легких полисульфанов. Следовательно, фрагментация катион-радикала 4-меркапто-1,4-дигидропиридина протекает по направлению II.
Заключение
Электрохимический эксперимент позволил установить, что в условиях электролиза смеси (Н28 + пиридин (или его бензаннелированные аналоги)) в качестве первоначальной стадии реакции необходимо рассматривать протонирование гетероциклов по атому азота. Синтез катионов пиридиния, хинолиния и акридиния возможен за счет фрагментации нестабильного катион-радикала Н28 с отрывом протона. Найдено, что реакция пиридильных радикалов, генерирован-
(6)
И
И
нэ
(7)
н
ных из протонированных форм оснований, приводит к образованию 4-меркапто-1,4-дигидропиридина и 2-меркапто-1,2-дигидропиридина. Выявлено, что в условиях электрохимического инициирования полученные продукты окисляются до катион-радикалов с последующей фрагментацией с разрывом С-8-связи, приводящей к катионной форме исходного основания и легким полисульфанам.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Создание на основе пиридинов соединений, обладающих вирулицидной активностью / П. Ю. Пере-пелкин, С. Л. Желтухин, Н. Г. Кондрашина и др. // Моск. междунар. конф. «Биотехнология и медицина». - М., 2006. - С. 140.
2. Реакционная способность солей 4-метилпиридиния в новой реакции трансформации цикла производных пиридина и изохинолоина / С. П. Громов, М. В. Фомина, Ю. Б. Гришина, Н. А. Курчавов // Журнал органической химии. - 2005. - № 41 (11). - С. 1712-1716.
3. Берберова Н. Т., Шинкарь Е. В. Катион-радикал сероводорода и органические реакции с его участием // Изв. РАН, Сер. хим. - 2000. - № 7. - С. 1182-1188.
4. Манн Ч., Барнес К. Электрохимические реакции в неводных системах. - М.: Химия, 1974. - С. 276-288.
5. Джилкрист Т. Химия гетероциклических соединений. - М.: Мир, 1996. - 464 с.
6. Обратимая димеризация 10-метил-9-цианокридинильного радикала / А. И. Матерн, В. В. Янилкин,
Н. В. Настапова и др. // Изв. РАН. Сер. хим. - 2006. - № 8. - С. 1444-1445.
Статья поступила в редакцию 5.11.2008
ELECTROCHEMICAL INITIATION OF THE REACTIONS OF PYRIDINE AND ITS BENZANNELIROVANNYCAL ANALOGS WITH HYDROGEN SULFIDE
Yu. Yu. Koldaeva, E. V. Shinkar, N. T. Berberova
It is shown that the preliminary activation of hydrogen sulfide in the nonaqueous medium electrochemically with interaction with the pyridine and its benzannelirovannycal analogs makes it possible to obtain 4-mercapto-
1,4-dihydro- and 2-mercapto-1,2-dihydropyridine. The oxidizing initiation of reaction leads to the generation of the unstable cation-radical, fragmenting with the detachment of proton. It is established that the protonation of heterocycles on nitrogen atom is the initial stage of reaction. It is obtained that the restoration of the cations of pyridinium, quinolinium and acridinium to the pyridyl radicals contributes to the synthesis of isomeric pyridyls. It is revealed, that under the conditions of the electrochemical initiation of reaction the obtained products are capable of being oxidized to the cation-radicals with the subsequent fragmentation with the formation of the cations of pyridinium. The obtained results are justified with the methods of cyclic voltammetry and UV-spectrophotometry.
Key words: hydrogen sulfide, pyridine, quinoline, acridine, activation, electrochemical initiation, cyclic voltammetry, UV-spectrophotometry.
