CC BY
30УДК 547.624; 547.595.6
А.В. Колобов, П.В. Борисов, С.Т. Панфилов, К.Л. Овчинников, Г.Г. Красовская, Е.Р. Кофанов
О СЕЛЕКТИВНОМ ПОЛУЧЕНИИ (Ш*,28*,4К*)-4-(4-НИТРОФЕНИЛЩИКЛОГЕКСАН-1,2-
ДИКАРБОНОВОЙ КИСЛОТЫ
(Ярославский государственный технический университет) E-mail: kolobovav@ystu.ru
Впервые установлен стереоизомерный состав продуктов алкилирования бензола (1Я^)-4-циклогексен-1,2-дикарбоновой кислотой. Исследована региоселективность реакции нитрования (Ш*^*,4К*)-4-фенилциклогексан-1,2-дикарбоновой кислоты. Отработаны препаративные условия получения (Ш*^*,4^*)-4-(4-нитрофенил)циклогексан-1,2-дикарбоновой кислоты, в том числе и нитрованием смеси стреоизомеров, получаемой после алкилирования.
Если стереоспецифичность реакции алкилирования бензола (^^,3К^)бицикло[2.2.1]-гепт-5-ен-2,3-дикарбоновой кислотой представляется вполне характерной для производных нор-борнена, то выделение только одного стереоизо-мера - (1R*,2S*,4R*)-4-фенилциклогексан-1,2-дикарбоновой кислоты (транс- ФЦДК) при алки-лировании (^^)-4-циклогексен-1,2-дикарбоно-вой кислотой (ЦДК) [1] потребовало теоретического обоснования и явилось поводом для появления предположения об участии карбоксильной группы в стабилизации карбокатиона 1 за счет внутримолекулярного взаимодействия (катион-неподеленная пара электронов атома кислорода аксиальной карбоксильной группы), делающей невозможным взаимодействие с молекулой бензола со стороны карбоксильной группы [2].
O^OH
>J Po
OH PhH
PhH
OH
OH
транс-ФЦЦК
Схема 1.
гексенкарбоновой кислотой (ЦГК), ее метиловым эфиром, 4-бензоилциклогексеном и 4-ацетил-циклогексеном [4] показало, что и в этом случае (в условиях общего выхода 79-94%) образуется главным образом транс--изомер. Соотношение цис-/транс-продуктов уменьшалось с увеличением объема заместителя при карбонильном атоме. Для алкилирования ЦГК соотношение цис-/транс-изомеров составило 33:67 при общем выходе 94%.
Н - о Р
\ + R PhH \+ ^ R
VU0 — phH^VA
Ph
Однако такое объяснение вызывает сомнения по следующим причинам:
1. Обе карбоксильные группы в условиях реакции существуют в виде комплекса с А1С13 и поэтому не способны к прямому взаимодействию с реакционным центром;
2. Если бы такое взаимодействие было возможно, логично было бы предположить образование соответствующего лактона (хотя бы в качестве побочного продукта). В реакционной смеси он не обнаружен. Более того, лактоны не образуются даже при алкилировании бензола (1R,2S,3R,4S)бицикло[2.2.1]гепт-5-ен-2,3-дикарбоновой кислотой [3].
Исследование стереоселективности протекания реакции алкилирования бензола 4-цикло-
Схема 2.
Предполагается, что в карбокатионе, образованном из соответствующего циклоалкена, карбонильная группа находится в экваториальном положении. По стерическим соображениям бензол предпочтительно атакуется этим катионом таким образом, чтобы фенильный фрагмент оказался в экваториальном положении. Интересно, что, находясь в аксиальном положении, карбоксильная группа могла бы стабилизировать карбокатион, что, согласно предложенной для транс-ФЦДК аргументации, привело бы к образованию 3-фе-нилциклогексанкарбоновой кислоты. Однако этого не происходит.
По нашему мнению, все перечисленные факты объясняются термодинамическим контролем реакции алкилирования. Так, рассмотрение рассчитанных нами теплот образования продуктов реакции (АМ1, газофазное приближение) показывает, что и в случае ЦДК, и в случае ЦГК образуются в большей степени продукты, способные давать более устойчивые конформации кресла с экваториальным расположением заместителей (таблица).
O
H
H
Таблица
Расчётные значения теплот образования продуктов
алкилирования бензола ЦГК, ЦДК Table Calculated heat values of formation of benzene
Разность теплот образования цис- и транспродуктов для ЦГК составляет 2.8 ккал/моль, в то время как для соответствующих продуктов на основе ЦДК ее значение больше (5.2 ккал/моль), что и должно соответствовать большей селективности алкилирования ЦДК.
Поскольку целью нашей работы была разработка способа получения (1R*,2S*,4R*)-4-(4-нитрофенил)циклогексан- 1,2-дикарбоновой кислоты (4-НФЦДК) в качестве полупродукта для синтеза соответствующего гомополиконденсаци-онного мономера, мы исследовали возможность использования для этой цели схемы, включающей селективное алкилирование бензола ЦДК с последующим нитрованием транс- ФЦДК.
COOH COOH
4-НФЦДК 2-НФЦДК
Схема 3.
Алкилирование осуществляли по методике [1]. Однако, в отличие от процедуры, указанной в этой работе, выделенное вещество не подвергалось кристаллизации. Анализ спектра ЯМР Н (рисунок) продуктов алкилирования показал, что в результате реакции кроме описанной транс-
ФЦДК [1], образуется 18 % фенилциклогексан- 1,2-дикарбоновой кислоты (^ис-ФЦДК). Отсутствие упоминания о ней в ранних работах [1,2], таким образом, связано с потерями на стадии кристаллизации (Н2О-CH3COOH) перед проведением анализа. Тем не менее, полученные нами данные о соотношении изомеров не противоречат гипотезе термодинамического контроля.
-,—,—|—.—I—.—I—|—I—I—.—.—|—I—.—I—.—|—I—^
3.DQ I 9 2 00 V.
ррп Г'
Рис. Фрагмент спектра ЯМР 'Н диастереомеров, полученных
при алкилировании бензола ЦДК Fig. Fragment of NMR 'Н spectrum of diastereoisomers obtained by benzene alkylation by CDA
Нитрование в 56% азотной кислоте смеси цис-, транс--изомеров ФЦДК позволяет получить 4-ИФ11ДК с выходом 30%, в то время как при нитровании той же смеси изомеров в уксусной кислоте 100% азотной кислотой выход составил 50%. Возможным объяснением низкого выхода 4-ИФЦДК при использовании 56% азотной кислоты является протекание реакции окисления, приводящей к образованию водорастворимых соединений.
Нитрование чистой транс-ФЦДК в уксусной кислоте 100% азотной кислотой повышает выход 4-ИФЦДК до 67%. При этом соотношение 2-ИФЦДК : 4-ИФЦДК в реакционной смеси составляет примерно 1 : 5, что обусловлено стериче-скими затруднениями для орто атаки арильного фрагмента.
Изомеризации исходных ФЦДК, а также реакций внутримолекулярного ацилирования, наблюдаемых под действием серной или фосфорной кислоты [5], при нитровании не происходит.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Все синтезированные соединения - кристаллические вещества, чистота и строение которых подтверждены методами ЖХ, ИК-, 'Н ЯМР спектроскопии, масс-спектрометрии.
alkylation products
AHf, ккал/моль ДЩ ккал/моль
O PH^^O, -98.20 O OH Ph^V^" -182.99
Ph O ^J^OH -95.50 /О PhArAf HO O -177.79
рнЛ^ HO^^O -92.04 ÖJL -171.96
Ph HO O -89.11 Ph HO O -166.95
Спектры :Н ЯМР 5% растворов анализируемых соединений в ДМСО-dö c внутренним стандартом ТМС записывали на приборе "Bruker DRX-500".
Масс-спектры записывали на приборе FINNIGAN MAT.INCOS 50. Electron impact 70 eV.
ИК- спектры записывали на приборе ИК-Фурье «Spectrum RX1» («Perkin Elmer») в виде суспензии образцов в вазелиновом масле.
Алкилирование бензола (1R,2S)-4-циклогексен-1,2-дикарбоновой кислотой проводили по методике [1].
MS (смесь цис-, транс-ФЦДК): m/z (I отн.,%) = 248(10), 230(12), 202(47), 157(50), 143(15), 129(35), 115(49), 104(76), 91(100), 77(42), 55(25), 45(63).
Получение (1R* ,2S* ,4R*)-4-(4-нитрофе-нил)циклогексан-1,2-дикарбоновой кислоты из смеси цис-, транс-ФЦДК. К 600 мл 56% HNO3 при 110оС добавляли небольшими порциями 30 г смеси цис-, транс-ФЦДК. Через 30 мин смесь охлаждали и разбавляли двумя литрами воды. Осадок очищали двукратным переосаждением. Выход 4^ФЦДК 31%. Тпл. 203-205оС.
:H ЯМР, 5, м.д., J, Гц: 1.52(1H, qd, Jj=12.7, J2=4.0), 1.83-2.04(4H, m), 2,17(1H, d, J=13.1), 2.54(1H, m), 2.67(1H, t, J=12.3), 3.21(1H, s), 7.52(2H, d, J=8.7), 8.17(2H, d, J=8.7), 12.8(2H, br s).
ИК, см -1: 2666(ОН), 1696(С=О), 1595 (Ar), 1516(NO2), 1345(NO2), 1260(C-0), 939(OH).
Получение (1R* ,2S* ,4R*)-4-(4-нитpофе-нил)циклогекcaн-1,2-дикapбоновой кислоты из транс-ФЦДК. Смешивали 38 мл ледяной уксусной кислоты с 12 мл азотной кислоты (d=1.513 г/см3). Добавляли 2.5г транс-ФЦДК. Смесь выдерживали б часов при 70 оС, охлаждали. Выпавший осадок сушили при 50-60 оС. Выход 67%. В случае применения для нитрования смеси цис-, транс-ФЦДК выход снижается до 50%.
Получение (1R* ,2S* ,4R*)-4-(2-нитpофе-нил)циклогекcaн- 1,2-ди^рбоновой кислоты. Из фильтрата, полученного после нитрования транс-ФЦДК в уксусной кислоте, смешением с 250 мл воды можно выделить 0.5 г 2^ФЦД. Tra. 176-185 оС.
'H ЯMР, S, м.д., J, Гц: 1.62((1H, qd, /'=12.7, J2=4.0) 1.80-2.0(5H, m), 2.13(1H, d, J=13.0), 2.89(1H, t, /=11.6), 3.12(1H, s), 7.45(1H, t, J=7.8), 7.62(1H, d, J=7.8), 7.67(1H, t, J=7.8), 7.78(1H, d, J=7.8), 12.3(2H, br s).
ИК, см -1:2723(ОН), 1702(С=О), 1608(Ar), 1515(NO2), 1342 (NO2), 1260(C-O), 935(OH).
ЛИTEРATУРA
1. Schefczik E. Chem. Ber. 1965. Vol. 98. P. 1270 -1281.
2. Sugita K.. Tamura Sh. Bul. Chem. Soc. Jap. 1971. Vol. 44. P. 3383-3387.
3. Борисов П.В. и др. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2004. T. 47. Вып. б. С. 33-35.
4. Sugita K.. Tamura Sh. Bul. Chem. Soc. Jap. 1971. Vol. 44. P. 3388-3391.
5. M iklós F. et al. Heterocycles. 2004. Vol. 63. N 1. P. 63-74.
Кафедра органической химии
60
XИMИЯ И XИMИЧEСKAЯ TEXHOЛOГИЯ 2007 том 50 вып. 4
