Кинетика внутримолекулярной перегруппировки 1-бензоил-2-аминобензимидазола в 2-бензоиламинобензимидазол Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 541.127 : 542.952 : 547.785.5

В. С. Пилюгин, Г. Е. Чикишева, Ю. Е. Сапожников, О. В. Павлова

Кинетика внутримолекулярной перегруппировки 1-бензоил-2-аминобензимидазола в 2-бензоиламинобензимидазол

ГУ Научно-исследовательский технологический институт гербицидов и регуляторов роста растений

Академии наук Республики Башкортостан, 450029, Уфа, ул. Ульяновых, 65; тел. (347) 243-36-38 Башкирский государственный университет 450074, Уфа, ул. Фрунзе,32

Исследована кинетика внутримолекулярной перегруппировки 1-бензоил-2-амино-бензимида-зола в 2-бензоиламинобензимидазол в метил-этилкетоне в диапазоне температур от 45 до 70 оС. Исследовано влияние на процесс перегруппировки добавок триэтиламина, 2-аминобензими-дазола или бензойной кислоты. Определены кинетические параметры процесса. Изучен процесс перегруппировки в твердой фазе при термической и механохимической активации исходного изомера в планетарной мельнице.

Ключевые слова: перегруппировка, концентрация, температура, скорость реакции, порядок реакции, константа скорости, энергия, механическая активация

Внутримолекулярный перенос ацильных групп наблюдается довольно часто. В целом эти реакции соответствуют общему положению: при наличии у соседних углеродных атомов двух групп, способных давать производные с одним и тем же реагентом, наблюдаются своеобразные перегруппировки монопроизводных этих соединений, сводящиеся к перемещению остатков внутри молекул 1.

В обзоре 2 рассмотрено более 200 случаев перемещения ацильной группы в ацилирован-ных многоатомных спиртах, фенолах и амино-фенолах. Движущей силой процесса внутримолекулярного переноса ацильных групп является довольно высокая электрофильность углеродного атома в карбоксильной группе. Роль донора электронов при этом может выполнять заряженная группа, или атом, имеющий неподеленную электронную пару, чаще всего это атом азота или кислорода. В первом случае формально говорят о реакциях внутримолекулярного нуклеофильного замещения (реагент ИСОО- — нуклеофил), во втором — эти процессы относят к реакциям внутримолекулярного электрофильного замещения (реагент — углерод карбонильной группы (реагент > С+8 = О — электрофил)).

Дата поступления 20.12.07

Роль азотосодержащей группы, ускоряющей течение реакции гидролиза эфиров и амидов, может выполнять имидазольный цикл 1. Имидазол как катализатор привлек к себе внимание в связи с изучением энзимов, имеющих в качестве одного из активных центров фрагмент, подобный имидазольному. Имидазол участвует в качестве нуклеофила в межмолекулярных реакциях со сложными эфирами, причем механизм процесса определяется соотношением основностей атакующей и уходящей групп. Если в качестве субстратов используются фенилацета-ты, то прямое бимолекулярное замещение является единственным путем реакции до тех пор, пока рКа сопряженной кислоты уходящего аниона будет не более, чем на 3 единицы превышать рКа имидазольного иона:

H

N^N:

W

0

11 i + C-OR1-

1

R

N^N-C-R

w

о

HOR1

Когда рКа >> 3 (алифатические эфиры), механизм катализа включает только общеосновное воздействие имидазола, а также воды:

Н 0 4 11 1 N N + Н-0-Н + С-ОЯ1 —

I

Я

Н 4

N N 1

^_I + ЯСООН + НОЯ1

2-Аминобензимидазол легко ацилируется хлорангидридами кислот в среде безводных инертных растворителей (бензол, хлороформ) в присутствии акцепторов протонов (триэтила-мина). Реакция протекает в течение 2 ч при температуре кипения растворителя:

N \Y

c-nh2-

+ RCOCl

t-NHCOR + ||

nH

N

n4c-nh2

N I

COOR

Ацилирование может идти с образованием одновременно двух продуктов, отличающихся по растворимости в органических растворителях. Судя по величине электронной плотности в молекуле 2-аминобезимидазола, среди атомов азота наибольшей основностью обладает атом в первом положении имидазольного кольца

Известно, что реакция ацилирования при комнатной температуре обычно дает 1-ацил-2-аминобензимидазол, при нагревании — преимущественно 2-ациламинобензимидазол 4. Следует отметить, что оба выделяемых изомера имеют одинаковую фрагментацию в масс-спектре. Это, вероятно, объясняется миграцией ацильной группы из менее устойчивого положения при N1 к азоту аминогруппы (положение 2) под действием электронного удара. Это же явление наблюдается при нагревании N1 ацильного производного при 140 оС в течение 1 ч.

Доказать строение ацильных продуктов трудно в связи с тем, что 2-аминобензимидазо-лу и его замещенным свойственна имино-амин-ная таутомерия 5 6.

На примере реакции 2-амино-1-метилбен-зимидазола (I) с арилхлоридами показано, что на первой стадии реакции ацил атакует ге-тероатом — азот N3, и образуются неустойчивые соли 2-амино-3-ацил-1-метилбензимидазо-ла II. Эти соли можно выделить, проводя реакцию ацилирования в токе азота при 20 оС в сухом ацетоне. Они легко, быстрее при нагревании, перегруппировываются в 2-ациламино-1-метилбензимидазолы III7' 8.

N

ч\ + ArCOCl

xc—nh2 / 2

12-

I

+ xCOAr N

^C— NH2Cl-/ 2

N i

N I

CH3

N

W

C-NHCOAr

N

III

CH3

COAr N

\4C=NH /

N I

CH3

Действием соды на холоду соли (II) могут быть превращены в 1-ацил-2-иминбензимида-золы IV, которые также нестабильны и легко перегруппиро-вываются в 2-ациламинопроиз-водные III.

Природа заместителя в арильном радикале ацила весьма сильно влияет на скорость перегруппировки: метоксигруппа в п-положении замедляет скорость перехода, при наличии нитрогруппы процесс ускоряется.

В работе9 описана перегруппировка 2-аминобензимидазол-1-алкил-карбоксилата V в 2-алкоксикарбониламинопроизводное VI при нагревании его до плавления или при кипячении раствора в кумоле:

дг

2"

N

^C— NH /

N

V

V COOR

R = CH3, CH(CH3)2.

VI

N

^C-NHCOOR /

N I

H

Бензоилирование 2-амино-1-метилбензи-мидазола хлористым бензоилом в ацетоне при комнатной температуре дает хлорид бензими-дазола VII, который переходит в 2-бензоил-амино-1-метилбензимидазол VIII при нагревании с основанием в хлороформе. Бензимида-зол был получен также через промежуточный имин IX; структура IX была доказана с помощью перевода этого соединения в 1-метилами-но-2-метилбензимидазол X 7.

N

V

N I

CH3

nh + ch^,.

IX

VII

COC6H5

I 6 5

N \\

^C=NH

N I

CH3

VIII

n

^c—nhc oc6h5

n I

ch3

coc6h5

I 6 5 n

c nch3

n I

ch3

+ ^COC6H5 N

\\ д t

N C—NH2Cl- -> / 2

N I

CH3

X

n

^c-nhch3

n I

ch3

I

В работе 10 исследовано взаимодействие 2-амино-1-метилбензимидазола при нагревании с метиловым и гептиловым эфирами хло-руксусной и ^-хлорэтилового эфира бензойной кислот. Оказалось, что алкилирование в данном случае также протекает по атому азота в 3 положении с образованием соответствующих солей

Cl"

N

\v / N I

R

NH

R1Cl

4

R1

N +

^C—NH2

2

N I

R

NH

R I

N

\v / N I

R

Ацилирование аминов любым ацилирую-щим агентом происходит тем легче, чем подвижнее неподеленная пара электронов у атома азота 11. Таким образом, триэтиламин как более сильное основание, катализирует реакцию ацили-рования хлористым бензоилом, образуя первоначально бензоилтриэтиламмоний, который затем атакует молекулу гетероциклического амина

-1 +

O

/у quick

R-C + (C2H5)3N^-►

Cl slow

О

R-C-N9C2H5)3

Cl"-

V 1

RNHCOR1 + (C2H5)3N • HCl

В результате образуются ациламин и хлор-гидрат триэтиламина. Подобная схема участия третичных аминов в реакциях ацилирования приводится в работах 12-14.

Таким образом, из имеющихся в литературе данных следует, что при ацилировании 2-аминобензимидазола хлористым бензоилом

образуется хлорид бензимидазолила с присоединением ацильного радикала к атому азота в 1-ом положении бензимидазольного кольца. При разрушении соли основанием при нагревании ацильный радикал переходит во второе положение.

Нами были сняты кинетические кривые перегруппировки 1-бензоил-2-аминобензими-дазола в 2-бензоиламинобензимидазол в метилэ-тилкетоне при исходной концентрации 1-бензо-ил-2-аминобензимидазола 5.27 • 10-2 моль/л и температуре 55 оС в термостатируемом реакторе. Кинетические зависимости получены также при добавке к 1-бензоил-2-аминобензи-мидазолу триэтиламина, или 2-аминобензими-дазола, или бензойной кислоты при той же исходной концентрации 1-бензоил-2-аминобензи-мидазола. Анализ продуктов реакции осуществлялся с помощью методов ВЭЖХ и ЯМР 13С.

На рис. 1 представлены кинетические зависимости расходования в раст-воре 1-бензоил-2-аминобензимидазола при его перегруппировке в 2-бензоил-аминобензимидазол и накопления в растворе 2-бензоиламинобензимидазола.

В табл. 1 приведены аналогичные данные, полученные при добавке к исходному раствору 1-бензоил-2-аминобензимидазола триэтиламина (5.27 • 10-2 моль/л), или 2-аминобен-зимидазола (2.63 • 10-2 моль/л), или бензойной кислоты (5.23 • 10-2 моль/л). Как видно из табл. 1, наибольшая скорость перегруппировки 1-бен-зоил-2-аминобензимидазола в 2-безоиламино-бензимидазол наблюдается в присутствии три-этиламина, как более основной добавки.

На рис. 2 приведена полулогарифмическая анаморфоза кинетической зависимости расходования в растворе 1-бензоил-2-амино-бензимидазола. Видно, что экспериментальные данные хорошо укладываются на прямую

6,00

5,00

jQ

ц

о

~ 4,00

3,00

2,00

1,00

0,00

0,00

2,00 4,00 6,00

Время процесса перегруппировки, ч

,00

Рис. 1. Зависимость концентрации 1-бензоил-2-аминобензимидазола и 2-бензоиламинобензимидазола от времени перегруппировки

Таблица 1

Изменение концентрации 1-бензоил-2-аминобензимидазола при его перегруппировке в 2-бензоиламинобензимидазол в МЭК при 55 оС без добавок и с добавками в раствор триэтиламина (5.27 - 10-2 моль/л), или 2-амино-бензимидазола (2.63 - 10-2 моль/л), или бензойной кислоты (5.23 - 10-2 моль/л)

Время процесса, ч Концентрация 1-бензоил-2-аминобензимидазола, моль/л

Образец без добавок С добавкой 2-аминобензимидазола С добавкой триэтиламина С добавкой бензойной кислоты

0 5.27 5.27 5.27 5.27

0.5 4.75 3.53

1.0 4.22 2.82 2.14 3.03

2.0 3.42 1.60 1.14 2.14

3.0 2.78 1.09 0.54 1.53

4.0 1.98 0.77 0.22 1.17

5.0 1.60 0.51 0.09 0.93

6.0 1.22 0.32

7.0 0.90

линию в координатах ^ [1- Б-2-АБ] — 1, где [1-Б-2-АБ] — текущая концентрация 1-бензоил-2-аминобензимидазола. Наличие такой зависимости свидетельствует о том, что рассматриваемая реакция является реакцией первого порядка.

Из тангенса угла наклона получаемой прямой легко определяется константа скорости реакции по формуле —2.303 - tga = КА15. Тангенс угла наклона этой прямой равен 0.11, что дает для константы скорости значение 0.25 ч-1. Это значение константы скорости перегруппировки достаточно хорошо совпадает со средним значением константы скорости, рассчитанным для каждой текущей концентрации (табл. 2).

Известно 15, что значение константы скорости реакции первого порядка можно также вычислить с помощью уравнения вида

^ [А] = ^ [А0] - 0.434К1 (1), которое легко преобразуется к виду

К = (2.303/1) - ^ ([А<,] / [А]) (2), где [А0] и [А] — соответственно начальная и текущая концентрации 1-бензоил-2-амино-бензимидазола в процессе перегруппировки.

Таблица 2 Перегруппировка 1-бензоил-2-аминобензимидазола при 55 оС в МЭК

t, ч Концентрация [А] 1-бензоил-2-аминобенз-имидазола, моль/л К=(2.303Л) -1я([Ас]/[А]), ч1

0 0.0527 —

0.5 0.0475 0.182

1.0 0.0422 0.222

2.0 0.342 0.216

3.0 0.0278 0.213

4.0 0.0198 0.244

5.0 0.0160 0.238

6.0 0.0122 0.240

7.0 0.0090 0.252

Среднее значение: 0.23 ч-1

В табл. 2 приведены величины констант скорости К, вычисленные с помощью уравнения (2) для различных пар значений ([А], 1). Полученные значения константы скорости совпадают в пределах разброса экспериментальных точек между собой, а также со значением константы скорости, полученной из графика (рис. 2).

Графическая интерпретация данных табл. 2 приведена на рис. 2.

m

0 Ю

И

I

1

о

га ц

о со га ч

©■ о s w с^ i

го

1_ ю

о

-0,5 -1 -1,5 -2 -2,5

Время процесса перегруппировки^

Рис. 2. Логарифмическая анаморфоза изменения концентрации 1-бензоил-2-аминобензимидазола при пере-

группировке от времени

0

Из полученных нами данных следует, что такие основания, как триэтиламин, или 2-ами-нобензимидазол влияют на процесс перегруппировки 1-бензоил-2-аминобензимидазола в 2-бензоиламинобензимидазол.

Рассмотрение данных по перегруппировке 1-бензоил-2-аминобензимидазола в 2-бензо-иламинобензимидазол в присутствии триэти-ламина или 2-аминобензимидазола (табл. 1) показывает, что их полулогарифмические анаморфозы подобны рис. 2, т. е. линейны и, следовательно, реакция перегруппировки 1-бензо-ил-2-аминобензимидазола в их присутствии является реакцией первого порядка.

Для опытов с добавками в реакционный раствор триэтиламина или 2-аминобензимида-зола также рассчитаны константы скорости при 55 0С и начальной концентрации 1-бензо-ил-2-аминобензимидазола 5.27 • 10-2 моль/л. Константа скорости процесса перегруппировки при концентрации добавленного триэтила-мина 5.27 • 10-2 моль/л равна 0.783 ч-1, а при концентрации добавленного 2-аминобензими-дазола 2.63 • 10-2 моль/л — 0.441 ч-1.

Кинетическая кривая расходования 1-бен-зоил-2-аминобензимидазола при перегруппировке в присутствии бензойной кислоты отличается от рассмотренных выше. Она спрямляется точнее в координатах реакции второго порядка (рис. 3).

гч

120

о й

« 3 S § 100

I© >

< II 9,324x + R2 — 0 9' 9,0269 V06 S >

Из температурной зависимости константы скорости первого порядка (табл. 3) определена энергия активации процесса внутримолекулярной перегруппировки 1-бензоил-2-аминобензи-мидазола в 2-бензоиламинобензимидазол в МЭК (рис. 4) равная 5.6 ккал/моль.

Таблица 3 Температурная зависимость константы скорости перегруппировки 1-бензоил-2-аминобензимидазола (начальная концентрация 5.27 • 10-2 моль/л) в 2-бензоиламинобензимидазол в МЭК

т, °к (1/Т) • 103 К, ч-1 ln K

318 3.14 0.147 -1.92

318 3.14 0.157 -1.85

328 3.05 0.243 -1.41

328 3.05 0.262 -1.34

343 2.92 0.685 -0.78

к 2 5 §

а Э - 8

£ 8

я я

о <и и *§

5 ® = I

н 2

ев «

6

О 0 1 2 3 4 5 6

О

Время процесса перегруппировки, час

Рис. 3. Зависимость обратной концентрации 1-бензо-ил-2-аминобензимидазола при перегруппировке в присутствии бензойной кислоты от времени процесса

Рассчитанная константа скорости реакции при 55 оС в МЭК, при начальных концентрациях 1-бензоил-2-аминобензимидазола 5.27 • 10-2 и добавляемой бензойной кислоты — 5.23 • 10-2 моль/л имеет значение 16.8 л • моль-1 • ч-1.

Расчет предэкспоненциального множителя К0 проводился с использованием уравнения Аррениуса

К = К0 • е - (Е/СТ) Из этого уравнения следует, что Кф=К-е(Е/кт).

При 318 оК, подставив значения энергии активации Е = 5.6 ккал/моль, К = 0.147 и И=1.985 кал/моль-град, получим значение К0, равное 1077.8 ч-1. Графический метод определения К0, основанный на уравнении Арре-ниуса

1п К = 1п К0 - (к/ет)

и значения Е = R/tga дает величину К0 = 979.5 ч-1.

Наряду с исследованием процесса внутримолекулярной перегруппировки 1-бензоил-2-аминобензимидазола в 2-бензоиламинобензи-мидазол в растворе МЭК при 55 оС, нами исследован процесс перегруппировки в твердой фазе при 100 оС, а также при механической обработке твердых кристаллов 1-бензоил-2-аминобензимидазола в планетарной мельнице при ускорении 15§ (масса шаров 60 г, масса продукта 5 г) при температуре 70 ± 10 оС.

Полученные данные показывают (рис. 5), что если при термоизомеризации за 8 ч степень превращения составляет около 35%, то при механохимической активации процесса за время чуть более 2 ч степень перегруппировки приближается к 100%.

Экспериментальная часть

Процесс перегруппировки 1-бензоил-2-аминобензимидазола в 2-бензоиламинобенз-имидазол в метилэтилкетоне исследовали в

Рис. 4. Зависимость логарифма константы скорости перегруппировки 1-бензоил-2-аминобензимидазола от обратной температуры

термостатируемом реакторе объемом 200 мл. Необходимую температуру поддреживали с помощью жидкостного ультратермостата.

Для проведения анализов использовали жидкостный хроматограф изократический фирмы «Алтекс», модель 330 , насос модели 110А, УФ-детектор модели 160, петлевой дозатор модели 210 с дозировочной петлей объемом 20 мкл и микрошприц «Гамильтон» типа «БЫИ» объемом 50 мкл.

Разделение компонентов осуществлялось на колонке из нержавеющей стали 0,25 м х4,6 мм, заполненной обращенной фазой «Ультрасфер-ОДС» с размером частиц 5 мкм в системе элю-энтов: 70% (объемных) ацетонитрила, 30% воды, с добавлением 5% от суммы диметил-формамида. Регистрацию осуществляли УФ-детектором при длине волны 254 нм. Расчет хроматограмм проводили методом внутреннего нормирования площадей пиков.

Строение полученных амидов подтверждено данными спектров ЯМР 13С. При установлении местанахождения бензоильного заместителя учитывали тот факт, что структура с замещенной экзоциклической аминогруппой характеризуется упрощенным спектром бензи-мидазольного фрагмента вследствие быстрого протонного обмена между атомами Ы1 и Ы2 ге-тероцикла.

Спектры соединений записывали на импульсном спектрометре ВгикегСХР-100 на рабочей частоте 22,63 мГц, как в условиях полного подавления спин-спинового взаимодействия углерода с протонами, так и без протонной развязки.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант №05-08-1797).

Время процесса перегруппировки, ч

Рис. 5. Зависимость степени изомеризации кристаллического 1-бензоил-2-аминобензимидазола от времени при термоизомеризации [100 оС (1)] и под влиянием механической активации в планетарной мельнице [70 оС (2)]

Литература

1. Темникова Т. И. Молекулярные перегруппировки в органической химии.— М.: Химия, 1983.- С. 83.

2. Павлова Л. А., Рачинский Ф. Ю. Усп. хим.-1968.- Т. 37, № 8.- С. 1369.

3. Гарновский А. Д., Панюшин В. Г., Кузнецов Л. И., Осипов О. Р., Минкин В. И., Мартынов В. И. // ЖОХ.- 1968.- Т. 38, № 8.- С. 1858.

4. Костяковская М. Н., Кадыров Ч. Ш., Горде-ева А. В. // ХГС.- 1972, № 3.- С. 386.

5. Кастрицкий А. // Усп. хим.- 1972.- Т. 41, № 4.- С. 700.

6. Симонов А. М., Анисимова В. А. // ХГС.-1979, № 7.- С. 876.

7. Христич Б. И., Симонов А. М., Суворова Г. М. // ХГС.- 1973, № 9.- С. 1292.

8. Христич Б. И., Суворова Г. М., Симонов А. М. // ХГС.- 1974, № 10.- С. 1398.

9. Dittmar B. I. Pat. USA 3647817 (1972); C. A.-1972.- V. 76, 1408113.

10. Ютилов Ю. М., Анисимова В. А., Симонов А. М. // ХГС.- 1965.- № 3.- С. 416.

11. Соколова Т. А. // ЖОХ.- 1957.- Т. 27, № 12.- С. 2205.

12. Литвиненко Л. М., Кириченко А. И. // Укр. хим. журн.- 1965, № 31.- С. 67.

13. Литвиненко Л. М., Кириченко А. И. // Укр. хим. журн.- 1968, № 34.- С. 1030.

14. Бендер М. Механизмы катализа нуклеофиль-ных реакций производных карбоновых кислот.- М.: Мир, 1964.- 192 с.

15. Эммануэль Н. М., Кнорре Д. Г. Курс химической кинетики.- М.: Высшая школа, 1974.-С. 136-140.