CC BY
50
УДК. 547.793.2
Ф. С. Левинсон, Р. В. Варганов
НЕОЖИДАННЫЕ РЕАКЦИИ МОНОНИТРОБЕНЗОФУРАЗАНОВ
С НУКЛЕОФИЛАМИ
Ключевые слова: 4-нитро- и 5-нитробензофуразаны. Взаимодействия, соответственно, с морфолином и
этаноламином.
Гетерофрагмент в 4-нитробензофуразане вопреки ожиданиям не активирует нитрогруппу к замене на нуклеофил. Действие избытка морфолина на этот субстрат в диоксане при 15-20 0С приводит к 4,6-диморфолинил-7-аминобензофуразану.
При обработке 5-нитробензофуразана этаноламином не имеет места трансформация фуразанового цикла в 1,4-диазиновый с образованием 6-нитрохиноксалина. Получен фуразанохиноксалин, то есть, 1,4-диазиновый фрагмент вводится по позициям 4- и 5-.
Key words: 4-nitro- and 5-nitrobenzofurazans. Interaction with morpholine and ethanolamine.
Geterofragment of 4-nitrobenzofurazan contrary to expectations does not activate the nitro group to the substitution on the nucleophile. The action of an excess of morpholine on this substrate in dioxane at 15-20 0C leads to 4,6-dimorpholinyl-7-aminobenzofurazan.
Interaction 5-nitrobenzofurazan with ethanolamin has no place in transformation furazan into 1,4-diazine with the formation of 6-nitroquinoxaline. Furazanoquinoxaline was obtained, i.e., 1,4-diazin fragment is introduced at the positions of 4 - and 5 -.
Одним из ключевых положений, утвердившихся в теории и практике ароматического и гетероароматического нуклеофильного замещения, является зависимость скорости взаимодействия нуклеофильных агентов с субстратами от строения последних, в частности, от степени подвижности в них уходящей группы. Вполне обоснованно считается, что, чем выше активация уходящей группы электроноакцепторными фрагментами, тем больше скорость взаимодействия субстратов с одним и тем же нуклеофилом.
Следующая схема иллюстрирует связь между уменьшением в молекуле субстрата количества нитрогрупп как электроноакцепторных активаторов [1] и падением подвижности
C^NaT) -
нитрогруппы в нитроароматическом ряду, уходящей в результате замены на
фрагмент нуклеофила в виде нитрит-аниона:
(1)
При этом оба показанных динитробензола являются вполне активными субстратами. Их взаимодействия, проводимые в среде способствующих нуклеофильному замещению растворителей (ацетонитрил, диметилформамид, диметилсульфоксид) при нагревании с азидом натрия, тиогликолевой кислотой, другими реагентами, характеризуются приемлемой препаративностью.
В несколько большей мере по сравнению с орто-динитробензолом активирована нитрогруппа в орто-нитрозонитробензоле. Это вытекает, в частности, из условий реакции этих соединений с азидом натрия. Если первая реализуется с заметной скоростью при ~800С, то вторая гладко проходит при 250С. При этом в реакционной массе не обнаруживается бензофуроксан [2]:
NN•0
о0
Последний обязательно образовывался бы, получай нитрозозаместитель достаточную встречную активацию со стороны нитрогруппы.
В рамках тезиса о неизбежном падении скорости замещения нуклеофуга с уменьшением количества активирующих групп в субстрате подчеркнем очень важное обстоятельство: природа образующихся продуктов является одной и той же, то есть, нуклеофуг оказывается замененным на один и тот же фрагмент. Итог превращений для всех пар реактантов является, в сущности, одинаковым. К примеру, если проводят щелочной гидролиз галоген нитробензолов, то в каждой из реакций в разных по степени жесткости условиях имеют нитрофенолы.
Учитывая электроноакцепторный характер фуразанового фрагмента, можно было рассматривать 4-нитробензофуразан как гетероциклический аналог орто-динитробензола и орто-нитрозонитробензола и, соответственно, ожидать от нитрогруппы подвижности в реакциях с нуклеофилами.
Дополнительными основаниями для такого расчета являлись результаты взаимодействия с морфолином 4-хлорбензофуразана и 4-хлор-7-нитробензофуразана. Первый субстрат реагирует с кипящим морфолином за 20 часов с выходом 92%, второй - при комнатной температуре за несколько минут с выходом 95%. Разницу в уровнях активности этих соединений правомерно связать с наличием дополнительного активатора в виде нитрогруппы во втором субстрате. Далее, очень легко с количественным выходом продукта нормального замещения нитрогруппы взаимодействуют с морфолином при 25 0С и 4,7-динитробензофуразан:
ИЫ О
О ЫИ
(3)
N0
2
Ыз
N0
N0
СІ
-ыоко
N0
N0
N0
Ожидалось, что 4-нитробензофуразан будет взаимодействовать с морфолином по той же схеме, что и 4,7-динитросодержащее, но с гораздо меньшей скоростью, скорее всего, при нагревании.
Оказалось, однако, что имеет место смещение взаимодействия на совершенно иные рельсы. В результате 4-нитробензофуразан с сочетанием в его структуре двух рядом расположенных сильных электроноакцепторных фрагментов реагирует с морфолином аномально с образованием сложной смеси продуктов, в которой 4-морфолинилбензофуразан отсутствует:
N02
0 N4
\ О
-ЫОЫО
лл
NN 0
(4)
Из схемы 4 следует, что если в 4-хлорбензофуразане хлор активирован гетерофрагментом и в этом плане субстрат похож на орто-нитрохлорбензол, который, хоть и в довольно жестких условиях (160-170 0С) реагирует с таким нуклеофилом как азид натрия [7], то в случае 4-нитробензофуразана эта роль гетерофрагментом не выполняется.
Тщательное исследование выделенного основного продукта различными физикохимическими методами (масс-спектрометрией, ИК-, ЯМР 1Н-, ЯМР 13С-спектроскопией, рентгеноструктурным анализом) позволило установить, что полученный продукт является 4-амино-5,7-диморфолинилбензофуразаном [3,4]. Показанный на схеме встречный синтез дает несколько более предпочтительные результаты по чистоте продукта, но это обстоятельство явно проигрывает феноменальности вскрытого факта. С пиперидином, пирролидином, 2-метилпиперидином реакция идет точно так же [4].
(5)
Поскольку гетерофрагмент в 4-нитробензофуразане не оказывает на соседнюю нитрогруппу ожидаемого активирующего к замещению на остаток нуклеофила влияния, то, вероятно, нитрогруппа проявляет какое-то специфическое действие на гетерофрагмент. Поэтому в изучаемом субстрате оказывается «зашифрованным» новое качество, особенное химическое «я», обеспечивающее вступление фрагментов амина (скорее всего, последовательно) в два положения (5-, 7-) субстрата.
В случае изомерного 5-нитробензофуразана активированным оказывается, по-видимому, лишь положение между обоими электроноакцепторными фрагментами. Поэтому обработка 5-нитробензофуразана этаноламином в присутствии п-толуолсульфокислоты, предпринятая нами с целью перенесения недавно открытой В. А. Самсоновым (ИОХ СО РАН г. Новосибирск) реакции превращения относительно простых по структуре бензофуразанов в соответствующие хиноксалины [5] на нитробензофуразаны, не обследовавшиеся автором, не привела к синтезу 6- нитрохиноксалина. Выделенный продукт по Тпл.; Кг и другим характеристикам не соответствовал заведомому веществу, полученному из 4-нитро-1,2-фенилендиамина известным путем. При этом он не показал никаких отличий от фуразанохиноксалина, полученного по В.А.Самсонову из бензодифуразана [5]:
СІ
N0
Нам представляется, что взаимодействие 5-нитробензофуразана с этаноламином начинается с вступления аминоспирта в пол. 4 и протекает через показанное на схеме (7) образование 5-нитрозосодержащего посредством дегидратации СТн-комплекса и последующее отщепление из полупродукта двух молекул воды:
Оба рассмотренных в работе примера весьма неожиданных реакций 4- и 5-нитробензофуразанов, проходящих, скорее всего, по S^H механизму [6], нуждаются в углубленном исследовании.
Литература
1. Химия нитро- и нитрозогрупп, под редакцией Г. Фойера. - М.: «Мир» 1972, глава 8, 371 с.; Ю.С. Шабаров Органическая химия. - М.: «Химия», 2002. - 669 с.
2. А.с. 576316 СССР Способ получения бензофуразана / Г.П. Шарнин, Ф.С. Левинсон, С. А. Акимова (СССР).
3. Левинсон, Ф. С. Неожиданная реакция 4-нитробензофуразана с морфолином / Ф.С. Левинсон, Р.В. Варганов, И.М. Шакирова, А.Б. Шереметев // Тезисы доклада Всероссийской конференции «Современные проблемы специальной технической химии», - Казань, 2007. - С. 111-113
4. Levinson, F.S. Unusial reaction of 4-nitrobenzofUrozan with amines / F.S. Levinson, R.V. Varganov, M.M. Zakiev, A.B. Sheremetev at all. - Mendeleev commun. 2008, T.18. - P. 329-331
5. Самсонов В. А. Раскрытие фуразанового цикла в бензофуразанах при взаимодействии с этаноламином с образованием хиноксалинов / В. А Самсонов. - Известия АН, серия химическая 2007 (12)- С. 2424.
6. Макоша, М. Успехи химии 1989. № 58. - С.1298; Makosza M. - В сб. Азотсодержащие гетероциклы, под редакцией Карцева В.Г., -М.: ICSPF, 2006. - С.87
7. Левинсон, Ф. С. Бензофуразан по реакции орто-нитрохлорбензола с азидом натрия / Ф.С. Левинсон, М. И. Евгеньев, Р.В. Варганов, Р.Х. Хасанов, А.Н.Андреева // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. -№6 - С. 35-41.
© Ф. С. Левинсон - канд. хим. наук, доц. каф. химии и технологии органических соединений азота КНИТУ, рук. группы синтеза органических реактивов лаб. инновационных технологий КНИТУ, evgenev@kstu.ru; Р. В. Варганов - науч. сотр. лаб. инновационных технологий КНИТУ.
