CC BY
12УДК 547.791.1 (083.744)
ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЛЕКТИВНОСТИ АЛКИЛИРОВАНИЯ 3-НИТРО-5^-1,2,4-ТРИАЗОЛОВ ДИМЕТИЛСУЛЬФАТОМ В
ОСНОВНЫХ СРЕДАХ
Г.Т. Суханов, А.Г. Суханова, Ю.В. Филиппова, К.К. Босов,
И.А. Крупнова
Показано, что 3-нитро-5^-1,2,4-триазолы вступают во взаимодействие с диметилсульфатом в щелочной среде с образованием продуктов замещения по всем трем атома азотам гетероцикла. Соотношение изомерных производных зависит от температуры, полярности среды и заместителя в положении С(5) нитротриазолового гетероцикла. Повышенные температуры, полярные растворители и замена протона в положении С(5) 3-нитро-5-R-1,2,4-триазолов на алкильную группу приводят к увеличению доли продуктов замещения по атому азота N(4).
Ключевые слова: 3-нитро-1,2,4-триазол, диметилсульфат, алкилирование, селективность, Nметил-3-нитро-1,2,4-триазолы.
В ряду изомерных N(1)-, N(2)- и N(4)-алкилзамещенных 3-нитро-5^-1,2,4-
триазолов менее изучены и малодоступны ^4)-изомеры. В то же время ^4)-изомеры, в сравнении с N(1)- и ^2)-изомерами, обладают экстремальными характеристиками - имеют высокую температуру плавления [1], высокий дипольный момент [2], наибольшую основность [3, 4] и вследствие этого повышенную реакционную способность в реакциях кватернизации [5],
комплексообразования с солями переходных металлов [6] и образования кристалло-сольватов с ГАВ [7].
В зависимости от местоположения заместителя у атомов азота нитротриазолового гетероцикла основность изомерных производных нитротриазолов располагается в ряду N(2)- <<< N(1)- < N(4)-изомер [4]. Вследствие этого ^4)-алкил-3-нитро-5^-1,2,4-триазолы в сравнении с N(1)-или N(2)- изомерами проявляют повышенную реакционную способность в процессах кватернизации [5]. В реакцию кватернизации с трет-бутанолом в среде концентрированной хлорной кислоты из изомерных N(1)-, N(2)- и N(4)-алкил-3-нитро-5R-1,2,4-триазолов вступают исключительно ^4)-алкил-3-нитро-5R-1,2,4-триазолы. Причем селективность процессов кватернизации обеспечивается применением как индивидуальных N(4)-
замещенных-3-нитро-5R-1,2,4-триазолов, так и его смесей с N(1)- или ^2)-изомерами [5].
Ранее сообщалось [8], что алкилирование 3-нитро-1,2,4-триазолов йодистым метилом (Mel) и
диметилсульфатом в присутствии щелочи при температуре 20 - 25 0С приводит к образованию смеси, состоящей
преимущественно из двух изомеров 1- и 2-метил-3-нитро-1,2,4-триазолов, доля 4-алкил-3-нитро-1,2,4-триазола не превышает 1,3 %. Проведение процесса при 80 0С в среде воды, с использованием в качестве алкилирующего агента диэтилсульфата, позволяет увеличить долю N(4) изомера до 7,6 % [9, 10].
В данной работе продолжены исследования процесса алкилирования 3-нитро-5^-1,2,4-триазолов 1а, R=^3 (1b), (1с) диметилсульфатом (ДМС) в основных средах.
Показано, что алкилирование триазола 1(а) в форме триазолат-аниона диметилсульфатом при повышенных температурах, как и в случае алкилирования диэтилсульфатом [9, 10], протекает по всем трем атома азота гетероцикла, с образованием смеси изомерных N(1)- (2а), N(2)- (3а) и N(4)- (4а) метил-3-нитро-1,2,4-триазолов:
ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЛЕКТИВНОСТИ АЛКИЛИРОВАНИЯ 3-НИТРО-5^-1,2,4-ТРИАЗОЛОВ ДИМЕТИЛСУЛЬФАТОМ В ОСНОВНЫХ СРЕДАХ
02Ч
N
N
\
N
I
Н
1. №0Н
(СНэ0)2802
я
02N
N.
02N
N
>=N
\
N
I
СНз
я
Н3С
лч
N
я
N.
СН3
N
1а - с 2 а-с
R=H: 1а - 4а; R = СНз: 1Ь - 4Ь; R = С2Н5: Применение этанола в качестве реакционной среды при алкилировании нитротриазола 1а в присутствии щелочи,
3 а - с
4 а - с
я
приводит к доли изомера
незначительному 4а до 2,4+2,5 %
несмотря на повышенные температуры 50 и 80 0С, увеличению (таблица 1).
Закономерно использованием полярных растворителей и повышенных температур достигнуто увеличение доли продукта
Таблица 1 - Условия реакции, соотношение и нитротриазола 1 а в щелочной среде диметилсульфатом
1с - 4с
замещения по атому азота N(4). Повышение температуры реакции до 95 0С или 145 0С при взаимодействии триазола 1а в форме триазолат-аниона с ДМС в среде воды или диметилформамида приводит к
существенному увеличению доли N(4)-изомера. Соотношение образующихся N метил-3-нитро-1,2,4-триазолов по данным ЯМР 1Н-спектроскопии 2а / 3а / 4а составляет 69,9 + 72,4 / 20,3 + 23,6 / 6,5 +7,3 (таблица 1).
выход продуктов алкилирования
2.
+
+
R Растворитель Т, 0С Треакции, мин (*ч) ЯМР 1Н, % (масс.) Выход смеси изомеров, %
N(1) N(2) N(4)
Н вода 25 5* 73,6 23,0 3,4 98,3
50 30 73,7 22,5 3,8 98,3
80 3 73,0 23,0 4,0 95,6
95 3 69,9 23,6 6,5 81,1
Н этанол 25 3-4* 73,4 24,7 1,9 96,5
50 50 72,2 25,4 2,4 96,8
80 3 69,5 28,0 2,5 94,7
Н ДМФА 145 3 72,4 20,3 7,3 70,5
* - время реакции указано в часах
На селективность процесса
алкилирования оказывает влияние заместитель при атоме углерода С(5) 3-нитро-5^-1,2,4-триазолового гетероцикла. При замене протона в положении С(5) 3-нитро-5^-1,2,4-триазолов на алкильную группу (СН3 или С2Н5) происходит повышение доли продукта замещения по атому азота N(4) (4Ь, 4с) до 8,9 % (таблица 2).
Таблица 2 - Соотношение и выход продуктов алкилирования натриевых солей нитротриазолов 1 а-с ДМС в среде воды при температуре 80 0С и времени реакции 3 минуты_
R ЯМР 'Н, % (масс.) Выход смеси изомеров, %
N(1) N(2) N(4)
Н 70,5 25,5 4,0 95,6
СН3 68,9 23,6 7,5 81,2
С2Н5 63,2 27,9 8,9 74,0
В ряду изомерных N-алкил-3-нитро-5R-1,2,4-триазолов ^2)-замещенные
производные являются менее полярными в сравнении с N(4) и N(1) замещенными производными, значения дипольных моментов 3а, 4а и 2а равны, соответственно, 2,93, 5,63 и 7,21 D [2]. Особенность проведения процесса в воде заключается в необходимости проведения эффективных экстракции продукта для полного извлечения наиболее полярных, и как следствие хорошо растворимых в водной среде N(4) и N(1) замещенных производных 4а - с. Наименее полярный продукт замещения по атому азота N(2) (триазол 3а) преимущественно преобладает в первых двух экстракциях с последующим резким снижением его доли с 26,9 % до 1,8 %. В то время как полярный ^4)-изомер (триазол 4а) преобладает в последних экстракциях, его доля в пятой экстракции достигает 38,3 % (таблица 3).
Г.Т. СУХАНОВ, А.Г. СУХАНОВА, Ю.В. ФИЛИППОВА, К.К. БОСОВ, И.А. КРУПНОВА
Таблица 3 - Процентное соотношение изомеров в экстракции (ЯМР1Н)_
№ экстракции Доля по ЯМР (масс. %) Выход смеси 2а-4а, %
N(1) N(2) N(4)
1 69,0 26,9 4,1 51,5
2 73,5 18,4 8,1 12,3
3 75,2 9,8 15,0 4,7
4 70,4 4,2 25,4 2,2
5 59,9 1,8 38,3 1,8
Долю ^4)-изомеров 4 (а - с) и соотношение изомерных производных 2 - 4 (а
- с) определяли методом ЯМР1Н спектроскопии. Спектры ЯМР 1Н регистрировали на спектрометре АМ-400 фирмы «Вгикег» (400,13 МГц) в ДМСО^6, внутренний стандарт ДМСО^6. ЯМР1Н-спектры ^метил-3-нитро-1,2,4-триазолов 2а
- 4а и ^метил-3-нитро-5-метил-1,2,4-триазолов 2Ь - 4Ь имеют хорошую сходимость с литературными данными [1, 8]. Соотношение изомерных ^метил-3-нитро-5-этил-1,2,4-триазолов 2с - 4с в спектрах ЯМР1Н определяли по интенсивности синглетных сигналов протонов N-СНз группы. Сигналы ^2)-замещенного производного 3с регистрируются в сильном поле при 4,13 м.д., в более слабом поле при 3,95 м.д. регистрируется ^1)-изомер 2с, а ^4)-изомер 4с при 3,86 м.д. Кроме того, в спектре присутствуют все сигналы этильной группы кольцевого атома углерода нитротриазолов 2с - 4с, которая регистрируется в спектре ЯМР1Н в виде триплета и квадруплета.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Спектры ЯМР Н регистрировали на спектрометре АМ-400 фирмы «Вгикег» (400 МГц), а ЯМР 13С (100 МГц) в ДМСО^б, внутренний стандарт ДМСО^6.
Газохроматографический анализ продуктов реакции проводили методом внутреннего стандарта на хроматографе «Кристалл-2000» с пламенно-ионизационным детектором, колонкой 5 % SE-54 ^ = 2 м, d = 2 мм) с насадкой хромосорб W НР-80/100, газ-носитель - азот (30 мл/мин), температура колонки с программированием от 70 °С (2 мин.) до 130°С, температура испарителя 230 °С, детектора 240 °С.
Подготовка компонентов и реагентов
№метил-3-нитро-1,2,4-триазолы (2а -4а), являющиеся образцами сравнения и
1
свидетелями при изучении спектров ЯМР Н и ГЖХ, синтезировали по методикам [1, 8]. Диметилсульфат для удаления примеси кислоты промывают 3 % раствором карбоната натрия, затем дистиллированной водой, сушат и перегоняют в вакууме (основное вещество > 99.9 %, кислота в расчете на серную < 0.1%). Нитротриазолы 1а и 1b дважды перекристаллизовывают из воды, Т пл 214 и 197 °С (Т пл 210 и 194 °С [12]).
Получение М-метил-3-нитро-1,2,4-триазолов 2а - 4а
К суспензии 0,1 моля нитротриазола 1 (а - с) в 60 мл воды, этанола или диметилформамида последовательно
дозируют 0,1 моля гидроокиси натрия и 0,085 моля диметилсульфата. Температура и время реакции указаны в таблице 1. По окончании выдержки реакционную массу охлаждают до 25 °C, проводят экстракцию хлористым метиленом. Экстракт промывают водным раствором Na2CO3 и водой до нейтрального рН, высушивают над безводным MgsO4, растворитель отгоняют при нагревании и пониженном давлении. В продукте методами ГЖХ и ЯМР 1Н-спектроскопии идентифицируют 1-метил-3-нитро-, 2-метил-3-нитро- и 4-метил-3-нитро-5R-1,2,4-триазолы. Выход и соотношение смеси продуктов 2(а - с) - 4(а - с) в зависимости от условий реакции указано в таблице 1.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Суханов Г.Т., Суханова А.Г., Лукин А.Ю. Реакции производных 3-нитро-1,2,4-триазолов с алкилирующими агентами. 2. Алкилирование нейтрального гетероцикла диметилсульфатом // Химия гетероциклических соединений. - 2005. -№8. - С. 1168 - 1173 [Chemistry of Heterocyclic Compounds. - 2005. - Vol. 41., № 8. - P. 994-998].
2. Ивашкевич О.А., Матулис Вадим Э., Элькинд П.Д., Гапоник П.Н., Суханов Г.Т., Суханова А.Г. Стандартные энтальпии образования в газовой фазе и относительные устойчивости таутомеров С-нитро-1,2,4-триазола и изомеров 1\1-алкил-С-нитро-1,2,4-триазола: квантово-химическое исследование // Химия гетероциклических соединений. - 2009. - № 1. -С.83-94 [Chemistry of Heterocyclic Compounds. 2009. - Vol. 45, № 1. - P. 70-79].
3. Багал Л.И., Певзнер М.С. // Химия гетероциклических соединений. - № 4. - 1970. -С.558 - 562.;
4. Ивашкевич О.А., Матулис Вадим Э., Элькинд П.Д., Гапоник П.Н., Суханов Г.Т.,
ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЛЕКТИВНОСТИ АЛКИЛИРОВАНИЯ З-НИТРО-5-R-l ,2,4-ТРИАЗОЛОВ ДИМЕТИЛСУЛЬФАТОМ В ОСНОВНЫХ СРЕДАХ
Суханова А.Г. Стандартные энтальпии образования в газовой фазе и относительные устойчивости таутомеров С-нитро-1,2,4-триазола и изомеров ^алкил-С-нитро-1,2,4-триазола:
квантово-химическое исследование // Химия гетероциклических соединений. - 2009. - № 1. -С. 83-94 [Chemistry of Heterocyclic Compounds. 2009. - Vol. 45, № 1. - P. 70-79].
5. Суханов Г.Т., Суханова А.Г., Филиппова Ю.В., Босов К.К. Региоселективное N-трет-бутилирование 4-п-пропил- и 4-изо-пропил-3-нитро-1,2,4-триазолов в кислотной среде // Ползуновский вестник. - 2013. - № 3. - С. 64-66.
6. Суханов Г.Т., Суханова А.Г., Филиппова Ю.В., Григорьев Ю.В. Комплексообразование N-алкил-3-нитро-1,2,4-триазолов с дигидратом хлорида меди (II) // Ползуновский вестник. - 2013.
- № 3. - С. 61-64.
7. Суханова А.Г., Вакутин А.Г., Бояринова Н.В. Исследование методом ДСК образования кристалло-сольватов
гексанитрогексаазаизовюрцитана с ^метил-3-нитро-1,2,4-триазолами // Ползуновский вестник. -2014. - № 3. - С. 23 - 26.
8. Суханов Г.Т., Лукин А.Ю. Реакции производных 3-нитро-1,2,4-триазолов с алкилирующими агентами. 1. Алкилирование в присутствии щелочи // Химия гетероциклических соединений. - 2005. - № 7. - С. 1020 - 1025 [Chemistry of Heterocyclic Compounds. - 2005. -Vol. 41., № 7. - P. 861-865.].
9. Суханов Г.Т., Филиппова Ю.В., Суханова А.Г. К вопросу селективности этилирования натриевой соли 3-нитро-1,2,4-триазола в среде воды // Ползуновский вестник. - 2010. - № 3. -С. 12 - 14.
10. Суханов Г.Т., Филиппова Ю.В., Суханова А.Г. Реакции производных 3-нитро-1,2,4-триазола с алкилирующими агентами 9. Новое в реакции взаимодействия 3-нитро-5-Р-1,2,4-триазолат-анионов с диэтилсульфатом // Химия гетероциклических соединений. - 2012. - № 9. -С. 1438-1444 [Chemistry of Heterocyclic Compounds.
- 2012. - Vol. 48, № 9. - Р. 1340-1346]
11. Суханов Г.Т., Суханова А.Г., Ильясова Ю.В. Реакции производных 3-нитро-1,2,4-триазола с алкилирующими агентами. 3. Алкилирование диэтилсульфатом нейтрального гетероцикла // Химия гетероциклических соединений. - 2006. -№ 9. - С. 1378 - 1381. [Chemistry of Heterocyclic Compounds. - 2006. - Vol. 42., № 9. - P. 11971199].
12. Мельников В.В., Столпакова В.В., Певзнер М.С., Гидаспов Б.В. Колебательные спектры и строение производных 1,2,4-триазола. II. Интерпритация колебательных спектров производных 3-нитро- и 1-метил-3-нитро-1,2,4-триазола // Химия гетероциклических соединений.
- 1973. - № 5. - С. 707 - 712.
Суханов Г.Т. - д.х.н., доцент, заведующий лабораторией Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), 8(3854) 30-19-76, ipcet@_mail.ru.
Суханова А.Г. - к.х.н., старший научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), 8(3854) 30-19-76, [email protected].
Филиппова Ю.В. - к.х.н., старший научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), 8(3854) 30-19-76, [email protected].
Босов К.К. - к.т.н., младший научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), 8(3854) 30-19-76, [email protected].
Крупнова И.А. - аспирант, младший научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), 8(3854) 30-19-76, [email protected].
