CC BY
59
СТРУКТУРА ВЕЩЕСТВА И ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
УДК 547.539 + 547.303
М. Б. Газизов, В. В. Зверев, Р. А. Хайруллин,
Р. Р. Шагидуллин, А. И. Алехина, Л. В. Аввакумова,
В. И. Коваленко, А. А. Башкирцев, О. Г. Синяшин
О,О-ДИАЛКИЛ[1-ГИДРОКСИ-3-(ДИАЛКИЛАМИНО)-2,2-ДИМЕТИЛПРОПИЛ] ФОСФОНАТЫ. СИНТЕЗ И СВОЙСТВА
Ключевые слова: 1-гидрокси-3-(диалкиламино)алкилфосфонаты, ЯМР Н, ИКС, квантовохимические расчеты, меж- и внутримолекулярные водородные связи, циклические димерные ассоциаты, конформации, циклическая мономерная форма.
Синтезированы О, О-диалкил[1-гидрокси-3-(диалкиламино)-2,2-диме-
типропил]фосфонаты. Методами ЯМР 1Н, ИКС и квантовой химии показано, что в кристаллическом состоянии межмолекулярные водородные связи (МВС) Р=О...НО способствуют формированию циклических димерных ассоциатов DP=0. В жидкой фазе и концентрированных растворах МВС Р=О...НО и N...HO приводят к образованию циклических димерных ассоциатов DP=0 и Dn, а внутримолекулярные водородные связи (ВВС) - к разным конформациям мономерной формы Mn.
Keywords: 1-hydroxy-3-(dialkylamino)alkylphosphonates, Н NMR, IR spectroscopy, quantum chemical calculations, inter- and intramolecular hydrogen bonds, cyclic dimeric associates, conformation, cyclic monomer form.
The O, O-dialkyl[1 -hydroxy-3-(dialkylamino)-2,2-dimethylpropyl]phospho-nates were synthesized. It was shown by the NMR 1H, IR spectroscopy and quantum chemical calculations that in crystalline state the intermolecular hydrogen bonds P=O...HO assist to the formation cyclic dimer associates DP=O. In liquid phase and concentrated solutions the intermolecular HBs P=O...HO and N...HO lead to the formation cyclic dimer associates DP=O and DN and inner- molecular HBs - to the different conformations of monomer form MN.
Функционализированные в различных положениях органические производные кислот P(IV) занимают важное место в органической химии. Среди них структурным разнообразием, доступностью и широким спектром полезных прикладных свойств выделяются аминоалкилфосфорильные соединения [1-2]. Структурное разнообразие их определяется большими возможностями изменения природы заместителей у P(IV) и N(III), различным взаимным расположением фосфорильной и аминной групп, положением дополнительной характеристической группы, например, гидроксильной, по отношению как к фосфориль-ной, так и к аминной группам. Несмотря на то, что первые представители гидроксизаме-щенных аминоалкилфосфорильных соединений были получены 40 лет тому назад [3], они исследованы совершенно недостаточно. Более того, некоторые их типы, например, 1-гидрокси-3-(диалакиламино)алкилфосфонаты - соединения с конкурирую-щими функцио-
нальными группами, не были описаны в литературе, хотя позиционно изомерные им аналоги - 3-гидрокси-1-аминоалкилфосфонаты, были уже известны [4].
Целью настоящей работы являются синтез, ЯМР- и ИК-спектральное и квантовохимическое исследование строения О,О-диалкил[1-гидрокси-2,2-диметил-3-(диалкилами-но)пропил]фосфонатов (III).
Соединения (III) были синтезированы взаимодействием диалкилфосфористых кислот (I) с 3-(диалкиламино)замещенными альдегидами (II). При добавлении к смеси веществ (I) и (II) спиртового раствора алкоголята натрия или незначительного количества металлического натрия начиналась экзотермическая реакция. После нейтрализации реакционной массы уксусной кислотой вещества (III) выделяли в индивидуальном виде вакуум-перегонкой. Синтез соединений (III) можно осуществить также нагреванием смеси веществ (I) и (II) при 80°С. Благодаря наличию третичной аминной группы в исходных альдегидах, реализуется нуклеофильный катализ.
R1ONa
(R1O)2PHO + R22NCH2CMe2CHO -► (R1O)2P(O)CH(OH)CMe2CH2NR22
I п или Л ш
I + II----► ^О^Р"-" О Р221+ИСН2СМе2СНО
IV
II + IV--► ^1О)2Р(О)СИО R22NHCH2CMe2CHO —► II + III
I 2
СМе2СИ2^22
III, R1=R2=Me (а), (г); R1=Me, R2=Et (б); R1=Et, R2=Me (в)
Для сравнения при решении структурных задач были синтезированы также фосфо-наты (V) с аминогруппой в положении-2 по отношению к фосфорильной группе и (VI) с аминогруппой в ароматическом кольце, а также тиофосфонат (VII). Два аналога соединения (VI) были получены ранее [5-6].
ДОєО^РИО + Et2NCMe2CHO--------------► (MeO)2P(O)CH(OH)CMe2NEt2
V
ДОєО)2РИО + 4-Me2NC6H4CHO---------► (MeO)2P(O)CH(OH)C6H4NMe2-4
VI
(РгО)2Р^)И + Me2NCH2CMe2CHO---------► (PrO)2P(S)CИ(OИ)CMe2CИ2NMe2
VII
Строение продуктов (Ш-УТТ) было подтверждено элементным анализом, спектрами
11331 113
ЯМР на ядрах Н, С и Р. Характеристики спектров ЯМР Н и С приведены в таблицах 1-2.
Таблица 1 - Характеристики Н ЯМР-спектров (5, м.д.; 1, Гц) для
9 8 1 6 7
(Р1СН20)2Р(Х)СН(0Н)УМ(СИ2Р2)2
№ К1 К2 X У Рас- тво- ритель С-1 2^рн 4^НН 1^РС С-3 4^рн 2^НН 3 1 ^РС С-4,5 4 1 ^НН 3 1 ^РС С-6 3 1 ^НН С-7 3 1 ^НН С-8 3 / ^РН 3^НН 2^РС С-9,10 3 1 ^НН 3 / ^РС ОН
1 н н о 4,5 3 СМе2СН2 а 3.79 12.5 2.0 2.15,3.23 0.0, 0.0 14.0 0.95,1.20 0.0, 2.0 2.40 3.74, 3.82 14.2 7.25
б 3.95 12.7 2.0 2.15,3.23 0.0, 3.0 12.7 1.00, 1.20 0.0, 2.0 2.38 3.81,3.90 12.9 7.56
2 н Ме о 2 4,5 3 а 3.79 7.8 0.6 2.32,2.81 0.0, 5.4 13.75 0.99, 1.03 0.0, 0.6 2.57 7.2 0.90 7.2 3.62, 3.73 10.2 8.56
СМе2СН2 б 3.32 16.5 0.9 1.96,2.85 0.0, 0.9 13.8 0.64, 0.85 0.0, 0.9 2.42 7.5 0.75 7.5 3.50,3.35 9.9 7.40
3 Ме Н о 4,5 3 СМе2СН2 а 3.45 8.75 1.5 1.99,3.09 0.0, 0.0 13.75 0.83,1.08 0.0, 1.5 2.25 3.92, 4.04 7.5 7.5 1.19 7.5 7.10
4 Ме Ме о 2 Н С 3 е2 М ,5 С 4, а 3.55 8.75 0.6 2.18,2.98 0.0, 2.3 13.75 0.75, 1.00 0.0, 0.6 2.60 6.5 0.8 6.5 4.00, 4.08 7.5 7.5 1.2 7.5 7.18
5 н Ме о 4,5 СМе2 а 3.80 7.8 1.05,1.15 0.0, 0.0 2.5 7.0 0.95 7.0 3.60,3.68 10.0 4.13
6 10 9 СН3СН2 Н Б 2 3 Н С 2 ,5 е2 4, М 4 С а 3.82 7.8 2.13,2.22 0.0, 0.0 13.75 1.0, 1.3 2.5 0.0 4.0-4.5м 1.78м; 1.05, 1.37, 7.0 7.48
7 Н Н о 3 СбН4 а 4.95 9.5 7.5-6.6м 2.5 3.79,3.75 10.0 4.35
(растворители: а - ё-ацетон; б - СРС!3)
Таблица 2 - Характеристики 13С ЯМР-спектров (5, м.д.; 1, Гц) для
9 8 1 6 7
(Р1СН20)2Р(Х)СН(0Н)УМ(СН2Р2)2
№ К1 К2 X У Раство- ритель С-1 2^РН 4^НН 1 ^РС С-2 ^РС С-3 4^рн 2^НН 3 1 ^РС С-4,5 4 1 ^НН 3 1 ^РС С-6 3 1 ^НН С-7 3 1 ^НН С-8 3 1 ^РН 3^НН 2^РС С-9,10 3 1 ^НН 3 1 ^РС
1 Н Ме о 2 4,5 3 СМе2СН2 б 78.2 161.1 36.54 8.66 66.57 10.35 23.40, 26.50 0.6,19.1 47.61 10.98 54.20, 54.04 7.13
2 Ме Н о 4,5 3 СМе2СН2 б 76.70 158.7 36.11 3.98 68.68 6.0 23.04, 25.53 0.0,11.5 46.87 59.97, 62.12 6.6, 7.5 15.7, 15.8 13.5
(растворитель б - СРС!3)
В спектрах ЯМР Р соединений (У-У1) обнаруживаются синглетный сигнал с 5р 27-28 м.д., а вещества (VII) - с 5Р 92 м.д., подтверждающие ближайшее окружение атомов фосфора О2Р(О)С и О2Р(Э)С, соответственно.
Обращает на себя внимание форма и положение сигнала гидроксильного протона в веществах (III): он сильно уширен и сдвинут в область слабых полей: 5 7.10-8.52. В функ-циональнозамещенных 1-гидроксиалкилфосфонатах, не содержащих аминную группу, этот сигнал узкий и проявляется в области более сильных полей: 5 4.8-5.5 м.д. [7-8]. В 2-амино-1-гидроксиалкилфосфонате (У) и соединении с аминогруппой в жестком ароматическом фрагменте (VI) он также находится в сильном поле: 5 4.13 и 4.35 м.д., соответственно. Кроме того, протоны метильных и метиленовых групп и атомы углерода метильных групп в фрагменте СМе2С^Ы магнитно-неэквивалентны и имеют различные величины 4Лнн, 3Лрн, 3JpС (табл. 1), что свидетельствует об их определенной ориентации относительно атома фосфора и протона СН.
Исходя из этих данных, можно было предположить образование циклической структуры в результате проявления сильной водородной связи (ВС) между гидроксильной и диалкиламинной группами в соединениях (III).
Косвенным химическим подтверждением этого предположения является сдвиг сигнала гидроксильного протона из слабого поля в сильное при кватернизации веществ (III) в четвертичные аммониевые соли (VIII).
III + К3Н!д —► (К10)2Р(0)СН(0Н)СМе2СН2+К22К3 Н!д-
VIII
VIII, ^=Р2=Ме, Р3=Бп, Н!д=Вг (а); Р1=Р2=Р3=Ме, Н!д=1 (б); Р1=Б1, Р2=Р3=Ме, Н!д= (в)
Из сравнения спектров ЯМР 1Н и 13С исходного амина (Шв) и его соли ^Шв) следует, что в спектре ЯМР 1Н основные изменения произошли в области проявления гидроксильного протона и ядер водородов у атомов углерода, непосредственно связанных с ква-тернизированным азотом, а в спектре ЯМР 13С - в области проявления самих вышеотме-ченных атомов углерода. Так, сигнал протона гидроксила сместился в область сильных полей (5, м.д.): 7.5 с — 5.05 с, т.е. в область, где он наблюдается в незамещенных аминогруппой 1-гидроксиалкилфосфонатах, 2-амино-1-гидроксиалкилфосфонате (V) и в соединении с аминогруппой в ароматическом фрагменте (VI). Об осуществлении кватернизации Ы(Ш) свидетельствуют низкопольный сдвиг сигналов ядер водородов метилена и метилов, непосредственно связанных с атомом азота (5, м.д.): 2.15 д —>3.15 д, 3.15 д — 3.84 м, 2.25 с
— 3.59 с. Резонансные сигналы атомов углерода этих групп также оказались в более слабом поле (5, м.д.): 68.68 д — 74.10 д (СН2Ы+), 46.87 с — 56.5 с (ЫМе3).
Тионфосфорильная группа по протоноакцепторной способности значительно уступает фосфорильной группе, и поэтому в соединении (VII) мы ожидали образования ВС Ы...0Н, нежели Р=Э...Н0. Действительно, в тионфосфонате (VII) резонансный сигнал гидроксильного водорода, как и в соединениях (III), находится в слабом поле: 5 7.48 м.д.
Следует обратить внимание на наличие в исследуемых соединениях (Ш^!) конкурирующих в протоноакцепторной способности групп (К2И > Р=0 > Р-0), склонных в различной степени к образованию различных МВС и ВВС, в частности к ВВС с формирова-
нием ненапряженного шестичленного цикла ...ЫССС0Н... и напряженных пятичленных циклов . 0=РС0Н... и ... 0-РС0Н ... Поэтому мы предприняли исследо-вание ВС в веществах (III) методами ИК-спектроскопии и квантовой химии.
ИК-спектрограммы вещества (Ша) согласуются с придаваемой ему структурной формулой. В соответствии с ними имеются: широкое сильное поглощение в области 30003500 см-1 (уОН); серия пиков ~2700-3100 см-1 (уСН3, СН2, СН); ~ 1300-1500 (5СН3, СН2, СН , ю, тСН2); довольно высокий максимум поглощения ~1245 см-1 (уРО); очень интенсивный дублет 1070/1045 см-1 (уС-ОН, уРО-С); полосы средней интенсивности при 835, 766 см-1 (уР-О, уР-С); ряд относительно малоинтенсивных пиков в интервале 400-700 см-1 (деформационные колебания скелета молекулы) [9, 10].
Эксперименты с изменением фазы, нагреванием и охлаждением (+75^-160 °С) жидкой пленки, растворов (с=2-10-3 моль/л; 1=+50^-15 °С), применение методов дифференциальной спектроскопии и разложения контуров показали, что молекулы вещества (Ша) конформационно неоднородны и образуют различные типы водородных связей. На это указывают закономерные варьирования интенсивностей ряда дублетов (2828/2815, 2881/2763 и др.), упрощение картины спектров в кристаллической фазе и разбавленных растворах, разнообразие проявлений у0Н.
Эксперименты с вариацией среды, фазы и температуры выявили четкий пик у0Н при ~3300 см-1, широкие полосы при —3150 см-1, пологое размытое поглощение - «крыло» при —2730 см-1. Из дифференциальных спектрограмм следует двухкомпонентность полосы при —3150 см-1 (у0Н—3200 см-1 и у0Н —3100 см-1). Полоса при 3300 см-1 довлеет в жидкой фазе, ее интенсивность возрастает по мере охлаждения конденсированной фазы и при увеличении концентрации растворов она оказывается единственной в кристаллическом состоянии. Полоса при —2780 см- , явно видимая в дифференциальных спектрах, проявляется в виде длинноволнового склона поглощения уСН у жидкостей и концентрированных растворов, сопровождает рост полосы 3300 см-1 при охлаждении. Поглощения с максимумами —3300 и —2730 см-1 исчезают в разбавленных растворах. При этом полосы поглощения свободных гидроксильных групп не наблюдаются ни в жидкостях, ни в концентрированных или разбавленных растворах. Из вышеизложенного и литературных данных [10-13], их следует отнести к циклическим димерным ассоциатам с МВС ОН...О=Р (йр=0) и
ОН . М^2 (йм).
К2
^ I .0 0
(^0)^=0... Н0 0 \
/ \ (Р10) Р-цС К ^2 СН-Р<0К’>2
У-СН НС-У (Ки)2Р Н^ ^Н.../1—-
0Н... 0=Р(0Р1)2 0 К2
йр=0 (У=СМе2СН2ЫК22) йм
Свободная гидроксильная группа в 1-гидроксиалкилфосфорильных соединениях поглощает при —3610 см-1, как и фенольная [9-10]. Сдвиги Ду0Н в среде СС!4 при водородных связях типа ОН...О=Р и ОН...Ы в димерах РИ0Н.0=Р РИ0Н.ЫЕ13 равны соответственно —300 и 800 см-1, т.е. сдвиги до —3300 и 2730 см-1 [9]. Таким образом, полосу поглощения —3300 см-1 следует отнести к водородным мостикам ОН...О=Р, а —2730 см-1 - к ОН.Ы.
Поглощение у0Н при — 3100 см-1 уменьшается при охлаждении жидкой фазы и остается в качестве единственного в разбавленном растворе (с<0.1 моль/л). Полоса при —3200 см-1 проявляется в дифференциальных спектрах растворов (с=2 моль/л) по мере нагрева. Эти данные позволяют отнести полосы при —3100 и 3200 см-1 к ВВС. Хотя, как аминный М(Ш), так и фосфорильный кислород проявляют выраженные протоноакцепторные свойства [10-13], первый из них является более сильным электронодонором, чем второй (^ — 8 эВ [14] и 10.5 эВ [10] в третичных аминах и алкилфосфонатах, соответственно).
Образование ненапряженного шестичленного цикла стабилизирует, а напряженного пятичленного - дестабилизирует ВВС [10]. По этим двум факторам в исследованном соединении (Ша) в конкуренции за образование ВВС взаимодействие с К(Ш) оказывается более эффективным, нежели взаимодействие с Р=О и Р-0, то есть ВВС образуется посредством ОН...ЫК2 мостика. В то же время следует отметить, что условия взаимодействия НЭП атома азота с протоном гидроксильной группы здесь менее оптимальны, чем при линейных МВС. Этим объясняется меньший сдвиг полосы поглощения ВВС (3600-3100=500см-1) в сравнении с МВС (3600-2730=870см-1). Обнаружение двух полос (—3200 и —3100 см-1), отнесенных выше к ВВС ОН...Ы, следует связать с конформационной неоднородностью ВВС цикла. На это указывает также дублетность характеристических пиков группы ЫМе2: 2828/2815 и 2781/2763 см-1.
Были изучены ИК спектрограммы поглощения других представителей обсуждаемой группы соединений (III). Так, соединения (Шб) и (Шв) отличаются от вещества (Ша) лишь тем, что в (Шв) при Р(М) вместо МеО-групп находятся ЕЮ-группы, а в (Шб) при Ы(Ш) вместо метильных находятся этильные. Можно было ожидать, что эти различия вряд ли внесут существенные изменения в обсуждаемые свойства молекул. Действительно, спектрограммы жидких образцов и раствора вещества (Шб) в ССЦ повторяют все характерные особенности соединения (Ша). Во всем использованном интервале длин волн 4004000 см-1 спектрограммы также весьма аналогичны. Спектр вещества (Шв) отличается от спектра соединения (Ша), в основном, лишь появлением характерной для ЕЮР(О)-группировки сильной полосы 980 см-1. В случае соединения (Шв) основное различие обнаруживается в области поглощения vСН и 6СН в соответствии с различием алкильных радикалов при Ы(Ш). В спектрах разбавленных растворов веществ (Шб) и (Шв) полоса поглощения 3320 см-1 так же как у соединения (Ша) исчезает. Остается лишь то, что образовывало «пьедестал» в спектре конденсированной фазы. Коротковолновая часть широкой полосы поглощения с максимумом при — 3100см-1 такая, как у вещества (Ша). Таким образом, основные выводы о структуре и водородных связях молекул, сделанные в случае соединения (Ша), справедливы для веществ (Шб) и (Шв).
Выше, на основании исследования методом ИК-спектроскопии, был сделан вывод о конформационной неоднородности молекул соединения (Ша). Этот вывод был подтвержден квантово-химическими расчетами методом функционала плотности на уровне ББТ/РВЕ/Т22Р [15-16] и В3ЬУР/6-3Ш** [17].
Согласно полученным в расчетах данным молекулы соединения (Ша) имеют значительное число стабильных конформаций (нами было локализовано 18), обусловленных поворотной изомерией метоксильных групп и внутренним вращением вокруг связей С-Р, с-о, с-с, с-с и С-Ы. В таблицах 3 и 4 представлены результаты расчета четырех стабильных конформеров (Шаа-Шаг). На рис.1 приведены схемы моделей этих конформеров.
Таблица 3 - Относительные величины полной и свободной энергии конформеров 111а-г (ДЕ, ДО ккал/моль); Х - место координации, 1н...х> 1он и 1со - длины связей (А°), Оо, Он - заряды на кислороде и водороде группы ОН; 5Н - химический сдвиг (м.д.); vОН - частоты (см-1), I - относительная интенсивность vОН. Метод БЕТ/РВЕ/та2Р.
Конф X ДБ ДО 1н..х 1он 1со Оо Он 8н Уон I 1 V ОН, эксп
Шаа N 0.0 0.00 1.732 1.013 1.425 -0.218 0.091 9.11 2954 122 ~3100
Шаб N 1.66 1.96 1.727 1.014 1.418 -0.218 0.091 9.35 2946 148 ~3200
Шав 0=Р 5.80 2.72 2.287 0.980 1.445 -0.187 0.141 2.27 3578 51 * 3562
Шаг О-Р 6.44 3.58 2.147 0.975 1.432 -0.193 0.141 1.74 3660 67 $ 3600
для незамещенных аминогруппой гидроксиалкилфосфонатов
Рис. 1 - Модели наиболее стабильных конформеров соединения (Ша)
Расчеты методами РВЕ/Т22Р и В3ЬУР/6-3Ш** дали близкие значения относительных энергий и геометрических параметров конформеров (табл. 2). Относительные величины полных и свободных энергий трех конформеров Шаа, Шав, Шаг с ВВС по Ы, 0=Р и ОР, вычисленные методом В3ЬУР/6-3Ш , составляют 0.00, 6.23, 6.77 и 0.00, 3.88, 4.62 ккал/моль, соответственно, то есть близки значениям, полученным методом РВЕ/Т22Р (табл. 2). Частоты колебаний vОН соединения (Ша), вычисленные методом В3ЬУР/6-3Ю , превосходят значения (для конформеров Шаа, Шав, Шаг уОН равны 3284, 3756, 3794 см- , интенсивности 706, 35, 64), полученные методом РВЕ/Т22Р (табл. 2), однако оба метода одинаковым образом свидетельствуют о спектральном различии рассматриваемых конформеров.
В табл.3 приведены разности полных и свободных энергий (ДЕ, ДО) конформеров, вычисленные методом РВЕ/Т22Р, которые включают в себя разность собственно конфор-мационных энергий и разность энергии Н-связывания. Соответственно, корреляция между величинами ДЕ и параметрами, характеризующими Н-координацию, в том числе частотой ОН-колебаний, отсутствует. В то же время такие параметры внутри-молекулярной Н-связи
как частота и интенсивность валентных колебаний vOH, длина связи Ioh и заряды на атомах кислорода и водорода группы ОН изменяются взаимно пропорционально, уменьшаясь в ряду конформеров (Шаа, аб, ав аг).
Согласно теоретическим данным все четыре стабильные конформации молекул соединения (Ша) характеризуются внутримолекулярной координацией гидроксильной группы по одной из протоноакценторных групп: азоту (Шаа) и (Шаб), фосфорильному (Шав) и эфирному (Шаг) кислороду. Локальный минимум, который бы соответствовал конформации вообще свободной от внутримолекулярной координации гидроксильной группы, не обнаруживается.
Рассмотрим более детально геометрические параметры стабильных конформаций. Структуры (Шаа и Шаб) значительно различаются ориентацией метоксильных групп. Структура Шаа имеет в цепях атомов C-O-P=O конформацию -гош,- гош (-g,-g), а Шаб --гош, транс (-g,t), последняя менее стабильна. Заметим, что конформации метоксильных групп в производных Р(IV) рассматривались ранее [18]. Как и для более простых соединений без ВВС конформация Шаб с трансоидной ориентацией одной из метоксильных групп относительно связи Р=О менее стабильна. Параметры водородной связи конформеров (Шаа и Шаб) близки. Конформация (Шав) характеризуются g, g ориентацией метоксильных групп относительно связи Р=О, но конформер (Шаг) с внутримолекулярной координацией по эфирному кислороду имеет менее стабильную структуру —гош, цис (-g, с), которая для соединений без ВВС не реализуется [14].
Структуры (Шаа и Шаб) имеют в цепи атомов O=P-C-C-C-N конформацию - гош, гош гош (-g,g,g), конформеры Шав и Шаг - гош, транс, -гош (g,t.-g) и -гош, транс, -гош (-g,t-g). Конформации Шаа-аг различаются между собой величинами торсионного угла РС-ОН (табл.3), который определяется максимальной степенью взаимодействия гидроксильного протона с акцепторами. Торсионный угол CCCN четырех рассмотренных конформаций является преимущественно -g по связи С-С. Трансоидные конформации менее стабильны.
Таблица 4 - Место внутримолекулярной координации он групп (Х) и торсионные углы (°) внутреннего вращения (DFT/PBE/TZ2P и БЕТ/БЗЬУР/б-ЗЮ**)
Конф. Х COPO COPO OPCO PCOH OPCC PCCC CCCN CCNC CCNC
Шаа N -50 -36 74 -92 -52 64 52 96 -142
Шаа* N -53 -38 72 -90 -54 61 53 96 -140
Шаб N -39 -178 88 -88 -93 65 49 96 -139
Шав P=O 31 52 -45 48 80 -171 -59 124 -109
Шав* P=O 35 56 -52 56 73 -175 -57 120 -112
Шаг P-O -44 -6 -84 -46 39 172 -57 123 -111
Шаг* P-O -42 -1 -83 -47 40 174 -57 118 -113
* метод DFT/B3LYP/6-31G**
В конформерах (Шаа) и (Шаб) гидроксильная группа входит в состав ненапряженного шестичленного цикла ...ЫСССОН... с близкими к нулю (-14°, 7°) торсионными углами СО-НЫ и ОН...ЫС, что обеспечивает возможность максимального Н-взаимодействия. В конформерах (Шав) и (Шаг) гидроксильная группа входит в состав пятичленного цикла, что затрудняет максимальное сближение и оптимальность связывания ОН с протоноак-цепторами, фосфорильным и эфирным атомами кислорода (рис. 2).
Рис. 2 - Три типа координации Н-взаимодействий в конформерах соединения 111аа, 111ав, Шаг
Выше указывалось, что, в отличие от соединений (III), резонансный сигнал гидроксильного протона в веществе (VI) (4.35 м. д.) наблюдается близко к той сильнопольной области, где он проявляется в 2-аминоалкил-1-гидроксиалкилфосфонате (V) (4.13 м.д.) и незамещенных аминогруппой гидроксиалкилфосфорильных соединениях (4.8-5.54 м.д.). Поэтому мы ожидали, что наблюдаемые различия в ЯМР 1Н спектрах соединений (III) и (VI) будут проявляться и в их ИК спектрах.
Действительно, в случае вещества (VI) картина существенно изменяется по сравнению со спектрами соединений (III). Ароматический фрагмент с ЫМе2 группой в положении-4 делает молекулу стерически более жесткой, затрудненной для ВВС гидроксила с атомом трехкоординированного азота. Кроме того, Пм, п-орбитальное взаимодействие снижает электронодонорные свойства N(111) и способность последнего к образованию ВС [10].
В спектрограмме вещества (VI), снятого в виде эмульсии в вазелиновом масле, имеются пики поглощения бензольного фрагмента: ~ 3000 см-1 (ЮН), ~ 1614, 1527,
1449 см-1 (Ю=С). В области проявления гидроксила регистрируется лишь одна сильная симметричная полоса поглощения с максимумом 3277 см-1, весьма похожая на ту, что имелась у закристаллизованного соединения (Ша). Очевидно, что аналог полос поглощения веществ (III) и (V), отнесенных к циклическим Н-фосфодимерам йр=о.
\ /
Р=0... НО
/ \
4-Ме2М-06Н4-0Н Н0-06Н4-ММе2-4
'он... 0=Р^
Л
В спектре разбавленного раствора с = 1 моль/л вещества (VI) в 0014 также наблюдается иная картина в сравнении его спектрами соединений (III). Здесь нет признаков ассоциаций по атому азота (III) (~3100 — 2800 см-1), но сохраняется полоса поглощения Н-циклодимера по Р=О, смещаясь с 3277 в кристалле до 3305 см-1 в растворе и значительно уменьшаясь в интенсивности. При дальнейшем разбавлении она исчезает, но появляются новые пики при 3603 и 3562 см-1, которых не было на спектрах соединений (III). Принимая во внимание имеющиеся данные по незамещенным аминогруппой 1-гидроксиалкилфосфонатам [11], наблюдаемые полосы поглощения соединения можно интерпретировать следующим образом: ~ 3277 см-1 (кристалл), 3305 см-1 (раствор) следует отнести к vОН циклических Н-фосфодимеров йр=о, превалирующих как в конденсированном состоянии, так и в достаточно в концентрированных растворах; появляющиеся же в разбавленных растворах новые максимумы поглощения vОН при более высоких частотах
1 1
относятся к мономерным формам с ВВС, в частности 3562 см" - к Мр=о, 3603 см" - к Мр"О [11].
/ 0
"/=0 -Р- о
/ *• / ч
4-Ме2Ы-С6Н4-СН Н 4-Ме2М-С6Н4-СК Н
0 0
Мр=о Мр-о
Согласно расчету методом ВБТ/РББ/Т22Р димерная структура (йр=о) соединения (Ша) значительно предпочтительнее 0Н...Ы димера йм на 12 и 16 ккал/моль (при оценке по полной и свободной энергиям) из-за пространственных затруднений в димере йы (рис.3). Согласно расчету валентные колебания двух групп ОН в димерах дают две близкие частоты v0Н симметричных и антисимметричных колебаний ОН, которые для йр=о составляют 3288 и 3269 с интенсивностями 1844 и 25.
Рис. 3 - Модели DP=0 (OH...O=P) и Dn (OH...N) димеров соединения (Ша)
Таким образом, теоретическое исследование приводит к выводам, аналогичным экспериментальным, о доминировании Dp=o димерной формы с МВС по фосфорильному кислороду OH...O=P, но предпочтительности Mn мономерной формы с ВВС по азоту OH...N. Расчеты воспроизводят наблюдаемые экспериментально сдвиги значений voh и 5H в Н -комплексах различного состава и координации.
Экспериментальная часть
ИК спектроскопические исследования проводили на Фурье спектрометре Vесtоr 22 фирмы Bruker с разрешением 4 см-1. Спектры жидких продуктов снимали в виде пленки, зажатыми между пластинками КВг, кристаллические вещества - эмульсией в вазелиновом масле, растворы в СС14, СНС1з - в кюветах различной толщины, а при температурных исследованиях - в специальном криостате. Программное обеспечение - OPUS фирмы Bruker.
Молекулярная и электронная структура соединений (III), а также колебательные спектры конформеров были рассчитаны методом функционала плотности (DFT) с неэмпирическим функционалом Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE/TZ2P) [15] и трехкомпо-нентным базисом с двумя набора-
ми поляризационных функций TZ2P. Оптимизация геометрии и расчеты частот колебаний выполнены по программе PRIRODA [16]. Заряды на атомах оценивались методом пространственного интегрирования по Hirshfeld [17].
Спектры ЯМР 1Н записаны на приборе Теs1а BS-567A с рабочей частотой 100 МГц. В качестве внутреннего стандарта использовались CDC13, d-ацетон и d-ацетонитрил.
Спектры ЯМР 31Р записаны на приборе Bruker Spectrospin WH-80 (32.31МГц), внешний стандарт - 85%-ная Н3РО4.
Спектры ЯМР 13С записаны на приборе Varian Unity 300 (75.43 МГц) Внутренний стандарт
- CDCl3, d-ацетон.
О, О-Диметил[1-гидрокси-3-(диметиламино)-2,2-диметилпропил]фосфонат (Ша).
а. В токе сухого азота к смеси 6.27 г (0.057 моль) диметилфосфористой кислоты (1а) и 7.4 г (0.057 моль) 3-(диметиламино)-2,2-диметилпропаналя (11а) добавили небольшой кусочек натрия. Температура реакционной массы повысилась до 76 °С. После перемешивания смеси при комнатной температуре в течение 6 часов и дальнейшего выдерживания в течение 3 суток реакционную массу нейтрализовали уксусной кислотой в эфирном растворе. После удаления растворителя и легколетучих продуктов остаток перегнали в глубоком вакууме. Получили 10.39 г (76%) соединения (Ша), т.кип. 82-83°С (0.06 мм. рт. ст.), По20 1.4587.
б. В токе сухого азота к смеси 6.82 г (0.062 моль) диметилфосфористой кислоты (1а) и 8 г
(0.062 моль) 3-(диметиламино)-2,2-диметилпропаналя (11а) добавляли по каплям метанольный раствор метилата натрия до прекращения повышения температуры (62°С). После перемешивания при 25°С в течение 6 часов реакционную массу нейтрализовали уксусной кислотой в эфирном растворе. После удаления растворителя и легколетучих веществ остаток перегнали в глубоком вакууме. Получили 11.56 г (78%) соединения (Ша), т.кип. 82-83°С (0.06 мм.рт.ст.), nD20 1.4589.
в. Смесь 2.2 г (0.02 моль) диметилфосфористой кислоты (1а) и 2.58 г (0.02 моль) 3-
(диметиламино)-2,2-диметилпропаналя (11а) выдерживали при 80°С 3 часа. После удаления легколетучих веществ остаток перегнали в глубоком вакууме. Получили 3.65 г (76.5%) соединения (Ша), т.кип. 82-83°С (0.06 мм.рт.ст.), nD20 1.4584. Спектр ЯМР 31Р (5, м.д.): 27. Найдено, %: N 5.72, Р 12.81. CgH22NO4P. Вычислено, %: N 5.85, Р 12.95.
О,О-Диметил[1-гидрокси-3-(диэтиламино)-2,2-диметилпропил]фосфонат (III6).
Из 1.85 г (0.017 моль) диметилфосфористой кислоты (1а) и 2.62 г (0.017 моль) 3-(диэтиламино)-2,2-диметилпропаналя (11б) получили 3.21 г (72.3%) соединения (Шб) по методу б, т.кип. 92-94°С (0.045 мм.рт.ст.), nD20 1.4596. Спектр ЯМР 31Р (5, м.д.): 27. Найдено, %: N 5.31, Р 11.43. C11H26NO4P. Вычислено, %: N 5.24, Р 11.60.
О,О-Диэтил[1-гидрокси-3-(диметиламино)-2,2-диметилпропил]фосфонат (IIIe).
Из 5 г (0.036 моль) диэтилфосфористой кислоты (1б) и 4.67 г (0.036 моль) 3-(диметиламино)-2,2-диметилпропаналя (11а) получили 7.44 г (77%) соединения (Шв) по методу б, т.кип. 87-88°С (0.05 мм.рт.ст.), nD20 1.4532. Спектр ЯМР 31Р (5, м.д.): 27. Найдено, %: N 5.41, Р 11.33. C11H26NO4P. Вычислено, %: N 5.24, Р 11.60.
О, О-Диэтил[1-гидрокси-3-(диэтиламино)-2,2-диметилпропил]фосфонат (Шг).
Из 2.1 г (0.015 моль) диэтилфосфористой кислоты (1б) и 2.4 г (0.015 моль) 3-(диэтиламино)-2,2-диметилпропаналя (11б) получили 3.28 г (73%) соединения (Шг) по методу б, т.кип. 95-96°С (0.07 мм.рт.ст.), nD20 1.4512. Спектр ЯМР 31Р (5, м.д.): 27. Найдено, %: N 4.79, Р 10.35. C13H30NO4P. Вычислено, %: N 4.74, Р 10.49.
0,О-Диметил[1-гидрокси-2-(диэтиламино)-2-метилпропил]фосфонат (V).
Из 6.65 г (0.060 моль) диметилфосфористой кислоты (1а) и 8.65 г (0.060 моль) 2-(диэтиламино)-2-метилпропаналя получили 10.25 г (67%) О,О-диметил[1-гидрокси-2-(диэтиламино)-2-метилпропил]фосфоната, т.кип. 94-96°С (0.065 мм.рт.ст.), nD20 1.4593. Спектр ЯМР 31Р (5, м.д.): 28. Найдено, %: N 5.69 Р 12.38. C10H22NO4P. Вычислено, % : N 5.53, Р 12.25.
О,О-Дипропил[1-гидрокси-3-(диметиламино)-2,2-диметилпропил]тионфосфонат (VII).
Из 5 г (0.027моль) диметилтиофосфористой кислоты (VI) и 3.54 г (0.027моль) 3-(диметиламино)-2,2-диметилпропаналя (11а) получили 6.75 г (79%) продукта, т.кип. 95-96°С (0.07
мм.рт.ст.), По20 1.4769. Спектр ЯМР 31Р (5, м.д.): 92. Найдено, %: N 4.75, Р 10.25. С13Н3^03Р8. Вычислено, %: N 4.50, Р 9.97.
О,О-Диметил{1-гидрокси-[4-(диметиламино)фенил]метил}фосфонат (IX).
Из 12.05 г (0.109 моль) диметилфосфористой кислоты (1а) и 16.32 г (0.109 моль) 3-(диметиламино)бензолкарбальдегида в 45 мл безводного бензола получили 20.14 г (71%) О,О-диметил{1-гидрокси-[4-(диметиламино)фенил]метил}фосфоната, т.пл. 105-106°С (из бензола). Спектр ЯМР 31Р (5, м.д.): 28. Найдено, %: N 5.52, Р 12.03. С^Н^04Р. Вычислено, %: N 5.4, Р 11.97.
Синтез иодида [3-гидрокси-2,2-диметил-3-(диэтоксифосфорил)пропил]триметил-аммония (УШв).
В токе сухого азота при перемешивании к раствору 7 г (0.026 моль) О,О-диэтил[1-гидрокси-3-(диметиламино)-2,2-диметилпропил]фосфоната (ІІІв) в 25 мл безводного ацетонитрила при комнатной температуре добавляли по каплям 4.43 г (0.031 моль) йодистого метила. После перемешивания при 25°С в течение 6 часов и при 40°С в течение 3 часов легколетучие продукты удалили в глубоком вакууме. Остаток промыли в эфире, продукт через несколько дней закристаллизовался. Получили 10.11 г (94%) продукта, т.пл. 123-124°С. Спектр ЯМР 31Р (5, м.д.): 24. Найдено, %: N 3.51; Р 7.69. ^^^N0^1. Вычислено, %: N 3.42; Р 7.58. Спектр ЯМР 'Н (5, м.д., ССІ4-^ ацетон): 5.05 с (1Н, ОН), 4.03 к, 4.11 к (4Н, 3иРН = ^нн = 7 Гц, Р0СН2), 3.84 м (3Н, ^СН2, СН), 3.59 с (9Н, ^Мвэ), 1.35 с, 1.51 с (6Н, СМЄ2), 1.35 т (6Н, 3^н 7 Гц, СН2СН3). Спектр ЯМР 13С (5, м.д., СРСІ3): 71.93 д (%с 160.5 Гц, СН), 74.1 д (3^с 6.1 Гц, СН2^), 62.37 д, 63.79 д (2^с 7.5 Гц, ОСН2), 56.5 с (^Мв3), 40.79 д (%с 5.6 Гц, СМЄ2), 25.06 с, 26.15 д (^рс 0.00, 8.02 Гц, СМЄ2), 16.49 д, 16.47 д (3^с 12 Гц, СН2МЄ).
Иодид [3-гидрокси-2,2-диметил-3-(диметоксифосфорил)пропил]триметиламмония (УШб).
Получен из 2 г (0.008 моль) О,О-диметил[1-гидрокси-3-(диметиламино)-2,2-диметилпропил]фосфоната (ІІІа) и 1.43 г (0.01 моль) иодистого метила с выходом 3.15 г (91%). Спектр ЯМР 31Р (5, м.д.): 24. Найдено, %: N 3.85; Р 8.69. ^^^N0^1. Вычислено, %: N 3.67; Р 8.13.
Бромид бензил[3-гидрокси-2,2-диметил-3-(диметоксифосфорил)пропил]диметил-аммония (УШа).
Получен с выходом 7.66 г (92%) из 4.85 г (0.020 моль) О,О-диметил[1-гидрокси-3-(диметиламино)-2,2-диметилпропил]фосфоната (ІІІа) и 3.82 г (0.023 моль) бромистого бензила, т.пл. 134-135°С (из ацетона). Спектр ЯМР 1Н (5 м.д., ^ацетонитрил): 7.58 с (5Н, РИ), 4.65 с (1Н, ОН); 3.98 д, (1Н, %Н 11.25 Гц, РСН); 3.6-3.85 м (10Н, 2РОСН3, СН^, N04^1-1); 3.11 д (6Н, %Н 3 Гц, NМе2); 1.3 с, 1.4 с (6Н, СМе2). Спектр ЯМР 31Р (5, м.д.): 26. Найдено, %: N 3.75, Р 8.02. С16Н^04РВг. Вычислено, %: N 3.41, Р 7.56.
Работа выполнена при финансовой поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (госкон-
тракт № П-1108).
Литература
1. Черкасов, Р.А. Реакция Кабачника-Филдса: синтетический потенциал и проблема механизма / Р.А.Черкасов [и др.] // Успехи химии. - 1998. - Т.64. - № 10. - С. 940-968.
2. Kukhar, V.P. Aminophosphonic Acids. Chemistry and Biological Activity. / Kukhar V.P., Hudson H R.; John Wiley and Sons, LTD, 2000. - P.620.
3. Griffin, C.E. Phosphonic acids and esters. XX. Preparation and ringpening reactions of a,P-and P,y-epoxyalkylphosphonates / C.E. Griffin [etc.] // J.Org. Chem. - 1969. - V.34. - № 6. - P.1532-1539.
4. Finet, J.-P. Synthesis of 3-amino-2-oxo-1,2-oxaphospholanes and 3-amino-2-oxo-1,2-oxaphosphorinanes / J.-P. Finet [etc.] // Phosphorus, Sulfur, Silicon Relat. Elem. - 1993. - V. 81. - №1.
- P.17-25.
5. Пудовик, А.Н. Реакции и методы исследования органических соединений / А.Н. Пудовик, И.В Гурьянова, Э. А. Ишмаева. М.: Химия. - Кн.19. - 1968. - 848 с.
6. Miller, R.C. Disubstituted phospine oxides. Iv. Addition Reactions with Aldehydes and Ketones / R.C. Miller, C D. Miller, W. Roders, L A. Hamilton // J. Am. Chem. Soc. - 1957. - V. 79. - P.424-427.
7. Газизов, М.Б. Присоединение диалкилфосфористых кислот к кетоацеталям / М.Б. Газизов [и др.] // ЖОХ. - 1981. - Т.51. - №10. - С. 2198-2202.
8. Газизов, М.Б. Фосфорилированные циклические ортоэфиры /М.Б. Газизов [и др.] // ЖОХ. -1982. - Т.52. - № 6. - С.1434-1435.
9. Беллами, Л. Инфракрасные спектры сложных молекул / Л.Беллами. - М.: ИЛ. - 1963. - 890 с.
10. Шагидуллин, Р.Р. Водородные связи и строение а-оксифосфорильных соединений // Р. Р. Ша-гидуллин [и др.] // Изв. АН СССР, Сер. Хим. - 1975. - №8. - С. 1753-1757.
11. Исламов, Р.Г. О характере водородных связей в эфирах а-оксиалкилфосфоновых кислот / Р.Г. Исламов [и др.] // ЖОХ. - 1974. - Т.44. - №. 3. - С.507-5151.
12. Исламов, Р.Г. Водородные связи и строение некоторых фосфорилированных спиртов / Р.Г. Исламов [и др.] // ЖОХ. - 1978. - № 6. - С. 1246-1250.
13. Сагадаев, Е.В. Исследование внутри- и межмолекулярных взаимодействий с участием а-фосфорилированных аминов и спиртов в растворителях различной природы / Е.В. Сагадаев [и др.] // ЖОХ. - 2004. - № .7. - С. 981-986.
14. Shagidullin, R.R. Atlas of IR spectra of organophosphorus compounds (interpreted spectrograms) / R.R. Shagidullin [etc.] // Moscow, Dordrecht, Boston, London, Nauka, Publishers Kluwer Academic Publichers. - 1990. - P.5.
15. Perdew, J.P. Generalized Gradient Approximation Made Simple / Perdew J.P. [etc.] // Phys. Rev. Lett.
- 1996. - V.77. - № 18. - P.3865.
16. 16. Laikov, D.N. Fast evaluation of density functional exchange-correlation terms using the expansion
of the electron density in auxiliary basis sets / D.N Laikov. // Chem. Phys. Lett. - 1997. - V.281. -
№ 1. - P. 151-156.
17. Foresman, J.B. Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods / J.B. Foresman, A. Frisch.: Gaussian, Inc., Pittsburg, PA. 1996. - P.302.
18. Верещагина, Я.А. Теоретический конформационный анализ фосфорорганических соединений / Я.А.Верещагина [и др.] // Успехи химии. - 2005. - Т. 74. - №.4. - С. 323-343.
© М. Б. Газизов - д-р хим. наук, проф. зам. зав. каф. органической химии КГТУ, mukattisg@mail.ru; В. В. Зверев - канд. хим. наук, ст. науч. сотр. лаб. оптической спектроскопии ИОФХ им. А.Е. Арбузова КНЦ РАН, zverev@iopc.knc.ru Р. А. Хайруллин - канд. хим. наук, доц. каф. органической химии КГТУ; Р. Р. Шагидуллин - д-р хим. наук, проф., вед. науч. сотр. лаб. оптической спектроскопии ИОФХ им. А.Е. Арбузова КНЦ РАН; А. И. Алехина - канд. хим. наук, доц. каф. органической химии КГТУ, n.toyma@mail.ru; Л. В. Авакумова - инж.-исследователь той же лаборатории, avvalu@iopc.knc; В. И. Коваленко - д-р хим. наук, проф., зав. лаб. оптической
спектроскопии ИОФХ им. А.Е. Арбузова КНЦ РАН, koval@iopc.knc.ru; А. А. Башкирцев - асп. каф. органической химии КГТУ, anthony103@mail.ru; О. Г. Синяшин - д-р хим. наук, акад. РАН, дир. Института органической и физической химии им. А. Е. Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук, oleg@iopc.knc.ru.
