CC BY
35
ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Сер. 4. 2009. Вып. 1
УДК 544.772
А. С. Панькова, А. В. Ушков, М. А. Кузнецов, С. И. Селиванов
О СТРУКТУРЕ ПРОДУКТОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ 2,3-ДИЗАМЕЩЁННЫХ ^-ФТАЛИМИДОАЗИРИДИНОВ С ДИМЕТИЛАЦЕТИЛЕНДИКАРБОКСИЛАТОМ *)
1,3-Диполярное циклоприсоединение азометинилидов к разнообразным непредельным соединениям широко используется для построения азотсодержащих гетероциклических систем [1, 2]. Одним из наиболее общих методов генерирования для этих целей азометинилидов является термическое или фотохимическое раскрытие по связи С—С напряжённого азиридинового цикла, однако производные N-аминоазиридина в эту реакцию практически не вводились. Редким исключением служат уже давние работы группы французских исследователей [3, 4], которые ввели в реакцию с одним из наиболее активных диполярофилов, диметиловым эфиром ацетилендикарбоновой кислоты (ДМАД), несколько три- и тетразамещённых N-фталимидоазиридинов. Основными продуктами этих превращений оказались ожидаемые N-фталимидозамещённые 3-пир-ролины, однако их пространственная структура не была установлена.
Поскольку эта реакция могла бы служить удобным способом синтеза пятичленных ненасыщенных N-аминогетероциклов, целью настоящей работы стало изучение возможности её распространения на менее замещённые производные N-аминоазири-дина, а также попытка выяснения её стереохимических особенностей. Для этого мы провели термолиз в присутствии ДМАД нескольких 2,3-дизамещённых N -фталимидоазиридинов с акцепторными группами СМ, СООМе, облегчающими раскрытие цикла.
Исходные N -фталимидоазиридины 1, 2, 5, 6 (см. схему) получены окислением N -аминофталимида в присутствии соответствующих олефинов по методике [5]. Их термолиз в присутствии ДМАД проводили в запаянных ампулах и/или герметичном термостойком реакторе в присутствии 150-300 % избытка диполярофила. В качестве растворителя использовали бензол (азиридины 5, 6) или более высококипящий и полярный хлорбензол (азиридины 1, 2). Температура начала образования продуктов составила 220 °С для азиридинов 1, 2, 150 °С для азиридина 5 и 120 °С для азиридина 6, что значительно выше, чем для три- и тетразамещённых соединений [3, 4]. Это согласуется с ожидаемым ужесточением условий реакции при уменьшении числа заместителей в цикле, стабилизирующих промежуточный азометинилид.
Во всех случаях нами получены продукты, образование которых можно трактовать как результат 1,3-диполярного циклоприсоединения к ДМАД соответствующих азометинилидов: 2-пирролины 3 и 7, 3-пирролин 8 и пиррол 4, однако их набор гораздо шире, чем отмечалось ранее [3, 4]. По-видимому, 3-пирролины, первоначально образующиеся в результате циклоприсоединения промежуточного азометинилида к ДМАД, в жёстких условиях реакции претерпевают дальнейшие превращения: миграцию протона, ведущую к 2-пирролинам, и/или отщепление молекулы фталимида, дающее пиррол.
*) Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Правительства Санкт-Петербурга № 2.5/30-04/21 2008 г.
© А. С. Панькова, А. В. Ушков, М. А. Кузнецов, С. И. Селиванов, 2009
MeO2C MeO2C
220 0C )^CO2Me ^.CO2Me
3 ч PhthN-N^^ + HNД
COMe CO Me л j <"> ^{^CO2Me ) CO2Me
CO2Me CO2Me MeO2C MeO2C 2
x:O2Me CO2Me PhthN-N^ +
(1) цис-
(2) транс-
(3) 20 %
(4) 42 % ( ) 35 %
CN CO2Me
PhthN-N^ +
'R CO2Me
1,5-2 ч
NC NC
)ï;.CO2Me ^L„^CO2Me
PhthN-N^^ + PhthN-N^jf
-<r7CO2Me 44CO2Me
NC 2 Ph 2
(5) R = CN
(6) R = Ph
здесь введено обозначение:
150 0C 120 0C
( 7) 33 %
(8) 77 %
b c
PhthN = I
O
NO
Присутствие в реакционных смесях только указанных продуктов подтверждено данными спектров ЯМР 1Н этих смесей, снятых непосредственно после термолиза. Состав продуктов 3, 4, 7, 8 подтверждается данными элементного анализа, а строение полностью согласуется с их спектрами ЯМР 1Н и 13C и масс-спектрами.
Примечательной особенностью всех полученных N-фталимидопирролинов является медленное в шкале времени ЯМР вращение по связи N—N. По стерическим причинам, конформация со взаимноперпендикулярным расположением фталимидного и пирроли-нового фрагментов значительно устойчивее остальных и является основной. Вследствие этого, в спектрах ЯМР 13C 2-пирролинов 3, 7 наблюдается удвоение сигналов атомов углерода фталимидной группы, а для 3-пирролина 8 затруднённое вращение фтали-мидной группы проявляется в спектре ЯМР 13C в виде уширения сигналов атомов С“,ь и исчезновении сигналов имидных атомов углерода.
Основным продуктом взаимодействия с ДМАД стереоизомерных азиридинов 1, 2 в обоих случаях оказался тетраметиловый эфир пирролтетракарбоновой кислоты 4 (35 % с азиридином 1, 42 % с азиридином 2), физико-химические характеристики которого находятся в полном соответствии с литературными данными [6]. Из реакционной смеси после термолиза азиридина 1 в присутствии ДМАД, кроме того, был выделен с выходом 20 % 2-пирролин 3. Следует отметить, что в ходе реакции образовался единственный стереоизомер, окончательное установление структуры которого оказалось затруднительным. А в случае азиридина 5 была получена трудноразделимая смесь стереоизомерных 2-пирролинов 7. Соотношение стереоизомеров, определяемое спектрально, ~ 2:1, однако опираясь на значения вицинальных констант спин-спиновых взаимодействий в пятичленных циклах, сложно сказать, какой из них преобладает в смеси.
PhvvC°2Me
PhthN-N ІЇ
N^^C°2Me
H5
H0 H2 H5
Д____rLX______________________L_JL_
- 6
- 7
- 8
ppm, м. д.
—і—і—і—і—і—і—і—і—і—і—і—і—і—і—і—і—і—і—і—і—і—і—і—і—і—і—і—i—
ppm, м. д. 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5
Рис. 1. Спектр NOESY соединения 8
Положение двойной связи в аддуктах 3, 7 устанавливается достаточно легко без привлечения дополнительных спектральных методов. В молекулах этих соединений отсутствуют элементы симметрии, что приводит к появлению в их спектрах ПМР двух дублетов протонов пирролидинового цикла с константами 3 J (H4—H5) > 8 Гц. При альтернативной структуре 3-пирролина оба протона гетероцикла давали бы в спектре ЯМР 1H один синглетный сигнал.
Примечательной особенностью соединения 8 оказалась неожиданно большая величина 4 J (H2—H5) = 5,1 Гц. Проявление слабого ЯЭО между этими протонами в спектре NOESY (рис. 1) доказывает их расположение с одной стороны пятичленного цикла. Это отвечает согласованному циклоприсоединению к ДМАД -ц^с-азометинилида, образующегося в термических условиях из транс -азиридина 6 в соответствии с правилами сохранения орбитальной симметрии.
Экспериментальная часть. Спектры ЯМР 1H (300,13 МГц) и 13С (75,47 МГц) получены на спектрометре Bruker DPX-300 для растворов в CDCl3 и ДМСО-ё6
с использованием в качестве внутреннего стандарта в спектрах ЯМР 1Н сигналов остаточных протонов (8и 7,26, 2,50 м. д.), а в спектрах ЯМР 13С - сигналов атомов углерода растворителей (5с 77,16, 39,52 м. д.), соответственно. Элементные анализы выполнены на автоматическом CHN-анализаторе НР-185В фирмы Hewlett-Packard. Масс-спектры электронного удара получены на приборе МХ-1321 (энергия ионизирующих электронов 70 эВ). Состав реакционных смесей и чистоту выделенных соединений контролировали методом ТСХ на пластинках ALUGRAM SIL G/UV254. N-Аминофталимид получен согласно работе [7].
Тетраметиловый эфир 2,3-дигидро-1Н^-пиррол-2,3,4,5-тетракарбоновой кислоты 3. Раствор 304 мг (1 ммоль) диметилового эфира цис-1-фталимидоазири-дин-2,3-дикарбоновой кислоты 1 и 0,37 мл (462 мг, 3 ммоль) диметилового эфира аце-тилендикарбоновой кислоты в 10 мл безводного бензола нагревали 3 ч в запаянной ампуле при 220 °С. По окончании реакции растворитель упарили. Сухой остаток разделили на колонке с 40 г силикагеля, элюируя смесью CH2Cl2-Et2O 10:1 по обьёму. Получено 125 мг (42 %) тетракарбометоксипиррола 4 и 90 мг (20 %) соединения 3 с т. пл. 166-168 С. ЯМР 1Н, CDCI3, 5, м. д. ( J, Гц): 3,71 (3Н, с, MeO), 3,74 (3Н, с, MeO), 3,75 (3Н, с, MeO), 3,82 (3Н, с, MeO), 4,43 (1Н, д, 3 J = 9,4) и 4,97 (1Н, д, 3 J = 9,4) Н2’3, 7,70-7,95 (4Н, м, PhthN). ЯМР 13C, CDCI3, 5, м. д.: 48,80 (C3); 52,24, 53,17, 53,29 и 53,37 (4MeO); 68,21 (C2), 109,18 (С4), 124,11 и 124,43 (Cb’b'), 129,44 и 129,85 (С“’“'), 135,01 и 135,19 (Cc’c'), 146,21 (C5); 160,29, 162,99, 168,25 и 170,28 (4COO). Масс-спектр, m/z (/оТн, %): 446(6, [M+]), 387(15), 355(100), 299(15), 268(17), 236(21), 147(13), 104(15), 76(15), 59(15). Найдено, %: С 53,82, H 4,14, N 6,27. C20H18N2O10. Вычислено, %: C 53,82, H 4,06, N 6,28.
Тетраметиловый эфир пиррол-2,3,4,5-тетракарбоновой кислоты 4• Раствор 304 мг (1 ммоль) диметилового эфира транс-1-фталимидоазиридин-2,3-дикарбоновой кислоты 2 и 0,19 мл (213 мг, 1,5 ммоль) диметилового эфира ацетилендикарбоновой кислоты в 15 мл безводного бензола нагревали 3 ч в запаянной ампуле при 220 С. По окончании реакции растворитель упарили. Сухой остаток разделили методом препаративной ТСХ на пластине с силикагелем, элюируя смесью CH2CI2-Et2O 10:1 по обьё-му. Получено 150 мг (50 %) бесцветных кристаллов тетраметилового эфира пиррол-2,3,4,5-тетракарбоновой кислоты 4 ст. пл. 123-125 С (лит. т. пл. 127-128 С [6]). Спектр ЯМР 1Н, CDCI3, 5, м. д. ( J, Гц): 3,89 (6Н, с, 2MeO), 3,92 (6H, с, 2MeO), 10,00 (1H, ш. с., NH). ЯМР 13C, CDCl3, 5, м. д.: 52,08 и 52,26 (4MeO), 120,58 (С3’4), 122,75 (С2’5), 159,41 и 163,45 (4COO).
Диметиловый эфир 1-фталимидо-2,5-дициано-2,3-дигидро-1Н^-пиррол--3,4-дикарбоновой кислоты 7. Раствор 240 мг (1 ммоль) азиридина 5 и 0,37 мл (426 мг, 3 ммоль) диметилового эфира ацетилендикарбоновой кислоты в 12 мл безводного бензола нагревали 1,5 ч в толстостенном стеклянном реакторе при 150 С. По окончании реакции растворитель испарили, сухой остаток разделили на колонке с 40 г силикагеля, элюируя смесью гек-сан-CH^b-E^O, в соотношении от 2:1:0 до 0:2:1 по объёму. Получено 125 мг (33 %) смеси стереоизомерных эфиров 7 в соотношении ~1,8:1. Спектр ЯМР 1Н, CDCl3, 5, м. д. (J, Гц): 3,88 (с, MeO, осн. стереоизомера) и 3,90 (с, MeO, мин. стереоизомера), всего 6H; 4,45 (д, 3J = 8,3, H3 осн. стереоизомера) и 4,51 (д, 3J = 11,6, H3 мин. стереоизомера), всего 1H; 5,17 (д, 3J = 8,3, H2 осн. стереоизомера) и 5,23 (д, 3J = 11,6, H2
мин. стереоизомера), всего 1H; 7,87-8,00 (4H, м, PhthN). Спектр ЯМР 13C смеси стереизомеров, CDCl3, 5, м. д.: 49,59 и 51,18 (2C2); 53,06, 53,89 и 54,05 (4MeO); 56,87 и 57,21 (2C3); 108,29 и 112,92 (2C4 ); 114,48, 117,91 и 118,58 (4CN); 124,61, 124,70, 125,13
и 125,19 (4Cb); 128,85, 128,93, 129,30 и 129,43 (4Ca); 129,52 и 130,54 (2C5); 135,60, 135,70, 135,96 и 136,05 (4CC); 160,58, 160,61, 162,58, 163,21, 164,76, 165,57, 166,66 и 167,76 (4CON и 4COO). Масс-спектр, m/z (IOTn, %): 380(8, [M+]), 353(11), 322(29), 321(44), 289(100), 202(19), 148(42), 147(60), 130(25), 104 (77), 90(27), 76(64), 59(31), 50(23). Найдено, %: С 56,82, H 3,44, N 14,83. C18H12N4O6. Вычислено, %: C 56,85, H 3,18, N 14,73.
Диметиловый эфир 2-фенил-1-фталимидо-5-циано-2,3-дигидро-1Н^-пир-рол-3,4-дикарбоновой кислоты 8. Раствор 289 мг (1 ммоль) азиридина 6 и 0,37 мл (426 мг, 3 ммоль) диметилового эфира ацетилендикарбоновой кислоты в 12 мл безводного бензола нагревали в толстостенном стеклянном реакторе 2 ч при 120 °С. По окончании реакции растворитель упарили, к маслообразному остатку добавили 2 мл ди-этилового эфира. Выпавшие на следующий день бесцветные кристаллы с т. пл. 163 С отфильтровали и высушили на воздухе. Выход 307 мг (71 %). Спектр ЯМР 1Н, CDCl3, 5, м. д. (J, Гц): 3,64 (3H, с, MeO), 3,88 (3H, c, MeO), 5,67 (1H, д, 4J = 5,1) H2, 5,89 (1H, д, 4J = 5,1) H5, 7,32-7,39 (3H, м, Hm’p), 7,50-7,53 (2H, м, Н°), 7,74-7,85 (4H, м, PhthN). Спектр ЯМР 13С, CDCI3, 5, м. д.: 52,90 и 53,13 (2MeO); 58,58 (С5), 74,37 (С2); 115,81 (CN), 124,05 ш. с. (C6), 124,56 (С3), 128,15 и 128,82 (Ст’°); 129,52 (Ср), 129,63 ш. с. (Са), 134,59 (C*), 135,00 (Cc); 147,02 (С4), 160,26 и 162,64 (COO). Сигналы атомов углерода фталимидной группы СО^) не видны ввиду сильного уширения. Масс-спектр, m/z (1отн, %): 431(2, [M+]), 284(70), 253(100), 221(19), 195(10), 147(30), 140(13), 104(36), 76(28). Найдено, %: C 64,36, H 4,15, N 9,79. C23H17N3O6. Вычислено, %: C 64,04, H 3,94, N 9,74.
Литература
1. Lown J. W. Azomethine ylides // 1,3-Dipolar cycloaddition chemistry / Ed. by A. Padwa. New York: Wiley & Sons Inc., 1984. P. 653-732.
2. Harwood L. M., Vickers R. J. Azomethine ylides // Synthetic applications of 1,3-dipolar cycloaddition chemistry toward heterocycles and natural products / Ed. by A. Padwa, W. H. Pearson. Hoboken: Wiley & Sons Inc., 2003. P. 169-252.
3. Person H., Luanglath K., Baudru M., Foucaud A. Etude de la formation des oxazoles a partir des aryl-2-phtalimido-1-aziridines substituees // Bull. Soc. Chim. 1976. Vol. 11-12. P. 1989-1992.
4. Charrier J., Foucaud A., Person H., Loukakou E. [1 + 3] Cycloadditions of isocyanides to azomethine ylides. Synthesis and properties of 1-phthalimidoazetidines // J. Org. Chem. 1983. Vol. 48. P. 481-486.
5. Gladstone W. A. F., Norman R. O. C. Reactions of lead tetra-acetate. Part VII. Some reactions leading to pyrazoles // J. Chem. Soc. (C). 1966. P. 1536-1540.
6. Metra P., Hamelin J. New route to 1H-aziridines: O-mesitylenesulphonylhydroxylamine addition to electrophilic alkenes // J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1980. Vol. 21. P. 1038-1039.
7. Drew Н. D. K., Hatt Н. H. Chemiluminescent organic compounds. Part I. Isomeric simple and complex hydrazides of phthalic acid and mode of formation of phthalazine and iso-indole rings // J. Chem. Soc. 1937. P. 16-26.
Принято к публикации 26 сентября 2008 г.
