CC BY
80
УДК 547:544.424; 547:544.12
Н. В. Коновалова, А. Д. Котов, Т. Н. Орлова, В. В. Ганжа, В. Ю. Орлов
Особенности реакции ароматического нуклеофильного замещения водорода в нитроаренах карбанионом
фенилацетонитрила
Ярославский государственный университет им. П. Г. Демидова 150000, г. Ярославль, ул. Советская, 14; тел/факс: (4852) 47-82-98, E-mail: KonovalovaNatV@mail.ru
Методом ароматического нуклеофильного замещения водорода в нитроаренах синтезирован ряд 2-[4-(гидроксиимино)циклогекса-2,5-диен-
1-илиден]фенилцетонитрилов. Выявлено влияние структуры нитросубстратов на протекание реакции ароматического нуклеофильного замещения водорода карбанионом фенилацетонитри-ла. Методом ЯМР 1Н спектроскопии выявлено, что в растворе диметилсульфоксида^б 2-[4-(гид-роксиимино)циклогекса-2,5-диен-1-илиден]фени-лацетонитрилы существуют в виде смеси Z, Е-изомеров. Сделаны отнесения сигналов в спектрах ЯМР 1Н к конкретным изомерам.
Ключевые слова: ароматическое нуклеофиль-ное замещение водорода, нитроарены,
2-[4-(гидроксиимино)циклогекса-2,5-диен-1-илиден]фенилацетонитрилы, Z, Е-изомеры.
Метод ароматического нуклеофильного замещения водорода (БыАгН) является эффективным способом функционализации электро-нодефицитных аренов, позволяющим получать широкий спектр веществ 1 2. Изучение закономерностей протекания реакций БыАгН позволяет целенаправленно использовать данный способ функционализации (БыАгн). Так, например, ранее нами было показано, что реакция нитроаренов с арилацетонитрилами в спиртовой среде и в присутствии щелочи является региоспецифичной: для пара-замещенных нит-роаренов происходит орто-атака нуклеофи-лом с последующим образованием 3-арил-2,1-бензизоксазолов, а для пара-незамещенных субстратов осуществляется пара-атака с формированием 2-[4-(гидроксиимино)цикло-гекса-2,5-диен-1-илиден]арилацетонитрилов 3. В работе 4 подробно изучены закономерности нуклеофильного замещения водорода в пара-замещенных нитроаренах карбанионом фени-лацетонитрила, приводящего к получению соответствующих 3-арил-2,1-бензизоксазолов. Напротив, реакции, ведущие к образованию 2-[4-(гидроксиимино)циклогекса-2,5-диен-1-илиден]фенилацетонитрилов недостаточно исследованы.
В настоящей работе исследовано влияние структуры субстрата на протекание реакции нуклеофильного замещения водорода в нитро-аренах 1 а-с карбанионом фенилацетонитрила (2), приводящей к образованию соответствующих 2-[4-(гидроксиимино)циклогекса-2,5-диен-1-илиден]арилацетонитрилов 3:
NO2
NOH
R'
Ph <-
i-PrOH
CN
KOH
R
+ H2O
1 а-с 2
NC Ph 3 а-ж
1 а: R1 = R2 = R3 = R4 = Н; 1 б: R1 = С1, R2 = R3 = R4 = Н; 1 в: R1 = Вг, R2 = R3 = R4 = Н; 1 г: R1 = ОН, R2 = R3 = R4 = Н; 1 д: R2 = СООН, R1 = R3 = R4 = Н; 1 е: R2 = ЫО2, R1 = R3 = R4 = Н; 1 ж: R1 = ЫН2, R2 = R3 = R4 = Н; 1 з: R1 = ЫНСНО, R2 = R3 = R4 = Н; 1 и: R2 = ЫНСОСН2РЬ, R1 = R3 = R4 = Н; 1 к: R1 = R4 = Н, R2 = ЫО2, R3 = СООН; 1 л: R1 = R4 = Н, R2 = ЫО2, R3 = С1; 1 м: R1 = R4 = Н, R2 = ЫО2, R3 = СН3; 1 н: R1 = R4 = Н, R2 = ЫО2, R3 = ОСН3; 1 о: R1 = R3 = Н, R2 = R4 = ЫО2; 1 п: R1 = СН3, R2 = R3 = Н, R4 = СН(СС13)(3-ЫО2-4-СН3СбН3); 1 р: R1 = ЖСН3)2, R2 = R3 = Н, R4 = СО(Э-КОг4-ЖСН3)2СбН3); 1 с: R1 = R3 = R4 = Н, R2 = О(4-ЫО2СбН4);
3 а: R1 = R2 = Н; 3 б: R1 = С1, R2 = Н; 3 в: R1 = Вг, R2 = Н.
Контроль за ходом реакции осуществляли полярографически по убыванию волны восстановления нитрогруппы (Е1/2= —0.73 ч —0.79 В) и методом ТСХ. На основе результатов, полученных ранее5 и приведенных в данной работе, можно выявить следующие особенности в протекании реакции между различными нит-роаренами 1 а — с и фенилацетонитрилом (2):
1) не препятствует протеканию реакции БыАгН нахождение в структуре нитроарена одного или двух заместителей, таких как: атомы галогенов (С1, Вг), метильная и метоксигруп-
Дата поступления 03.07.08
пы. Однако нахождение таких заместителей в структуре нитроарена, как правило, приводит к снижению выхода продукта, по сравнению с незамещенным нитробензолом (1 а), что можно объяснить, основываясь на расчетных значениях термодинамических параметров реакций 6. Использование 1-нитронафталина в качестве конденсированного полициклического субстрата, также приводит к образованию целевого продукта.
2) Присутствие в структуре субстрата второй нитрогруппы (соединение 1 е) или второй нитрогруппы и другого (третьего) заместителя (соединения 1 к — н) обуславливает создание дополнительных реакционных центров. Поэтому продукты реакции 8ЫЛгН не выделены в индивидуальном виде.
3) Нитроарены 1 г и 1 д в реакционной массе находятся в виде анионов, что препятствует их атаке нуклеофилом.
4) При использовании субстратов 1 ж — и, проявляющих свойства ЫН-кислот, целевая реакция осложнена протеканием побочных процессов. Выделение тугоплавких и смолооб-разных веществ косвенно свидетельствует о наличии таких процессов.
5) При использовании соединений 1 п — с целевые продукты не образуются вследствие стерических препятствий, создаваемых очень объемными фрагментами молекул субстратов.
Интересно отметить, что при применении 1,3,5-тринитробензола (1 о) не удалось получить целевой продукт, а из реакционной массы после подкисления были выделены исходные вещества. Такой результат можно объяснить исходя из того, что образовавшийся в условиях реакции оН-комплекс является очень стабильным за счет максимальной делокализации отрицательного заряда, возможной благодаря сопряжению сразу с тремя нитрогруппами.
Согласно данным спектров ЯМР 1Н, в растворе ДМСО-^ 2-[4-(гидроксиимино)цикло-гекса-2,5-диен-1-илиден]арилацетонитрилы (3 а — в) существуют в виде смеси двух геометрических изомеров в соотношении, близком к 1:1, что следует из интенсивности сигналов. Отнесение сигналов к конкретным изомерам делалось на основании литературных данных 7: у бензохиноноксимов величины констант спин-спинового взаимодействия протонов хи-ноидного ядра для анти-(Е)-изомера больше, чем для син-^)-изомера. Причем, в нашем случае, для незамещенных в хиноидном ядре 2-[4-(гидроксиимино)циклогекса-2,5-диен-1-
илиден]фенилацетонитрилов, орто-располо-женный по отношению к оксимной группе протон экранирован (для одного изомера) и дезэк-ранирован (для другого изомера) сильнее, чем мета-расположеннный протон вследствие более сильного влияния неподеленной электронной пары атома азота на орто-расположен-нный атом водорода. В случае нахождения заместителя в хиноидном ядре отнесение сигналов к определенным протонам хиноидного ядра делалось на основании наблюдаемой мультиплетности.
Экспериментальная часть
Температуры плавления веществ определяли по ГОСТ 18995.4-73 на приборе PG HS 30 A/G (ГДР). Тонкослойную хроматографию (ТСХ) проводили на пластинах Sorbfil (ТУ 26-11-17-89), элюент — гексан : ацетон = 14 : 6. Пятна веществ обнаруживали, освещая пластинку УФ-светом. Полярографический анализ проводили на полярографе ПУ-1. Фоновый электролит — водно-спиртовой раствор (6.5 М С2Н5ОН) 0.05 М HCl и 0.0001 М Hg(NO3)2. Элементный состав определяли на элементном анализаторе CHN-1 (ЧССР). Масс-спектры получены на приборе МХ-1310, энергия ионизирующих электронов 70 эВ. УФ-спектры записывали на приборе Specord M 400, в качестве растворителя использовали этанол. Спектры ЯМР 1Н записывали на спектрометре Bruker DRX500 c рабочей частотой 500.13 МГц в DMSO-d6 с ТМS в качестве внутреннего стандарта.
Синтез и очистку 2-[4-(гидроксиимино)-циклогекса-2,5-диен-1-илиден]арилацетонит-рилов проводили по методике 3.
2-[4-(гидроксиимино)циклогекса-2,5-диен-1-илиден]фенилацетонитрил (3 а). Выход 96%, т.пл. = 165-167 оС. УФ-спектр, ^макс, нм (е • 104, л/моль • см): 260 (0.75), 372 (4.28). Спектр ЯМР *Н, 5, м.д.: 6.78 д.д. (1Н, Н3, Е, J (Н3Н2) 10.4, J (Н3Н5) 2.4 Гц), 6.92 д.д (1Н, Н2, Z, J (Н2Н3) 10.4, J (Н2Н6) 2.0 Гц), 6.98 д.д. (1Н, Н5, Е, J (Н5Н6) 10.6, J (Н5Н3) 2.2 Гц), 7.06 д.д. (1Н, Н6, Е, J (Н6Н5) 10.6, J (Н6Н2) 2.8 Гц), 7.22 д.д. (1Н, Н6, Z, J (Н6Н5) 10.0, J (Н6Н2) 2.0 Гц), 7.24 д.д (1Н, Н5, Z, J (Н5Н65) 10.0, J (Н5Н3) 1.8 Гц), 7.30 д.д (1Н, Н2, E, J (Н2Н3) 10.6, J (Н2Н6) 2.8 Гц), 7.38 д.д (1Н, Н3, Z, J (Н3Н2) 10.2, J (Н3Н5) 2.2 Гц), 7.42-7.52 м. (10 Н, С6Н5, Z/E), 12.5 с. (2Н, N-OH, Z/E). Масс-
спектр, m/z (1отн., %): 222 [М]+ (90), 208 (25), 205 (70), 190 (76), 177 (30), 164 (25), 140 (10). Найдено, %: C 75.97; Н 4.75; N 13.08. Вычислено, %: С 75.67; Н 4.50; N 12.61.
2-[3-хлор-4-(гидроксиимино)циклогекса-2,5-диен-1-илиден]фенилацетонитрил (3 б). Выход 78%, т.пл. = 185-167 оС. УФ-спектр, Лмакс, нм (е • 104, л/моль • см): 262 (0.70), 374 (4.17). Спектр ЯМР 1Н, 5, м.д.: 7.04 д.д. (1Н, Н6, Е, J (Н6Н5) 10.4, J (Н6Н2) 2.6 Гц),
7.07 д. (1Н, Н2, Z, J (Н2Н6) 2.6 Гц), 7.30 д.д. (1Н, Н6, Z, J (Н6Н5) 9.0, J (Н6Н2) 2.6 Гц), 7.34 д. (1Н, Н2, Е, J (Н2Н6) 2.8 Гц), 7.44 д. (2Н, Н5, Z/E, J (Н5Н6) 10.4 Гц), 7.50-7.60 м. (10 Н, С6Н5, Z/E), 13.4 с. (2Н, N-OH, Z/E). Масс-спектр, m/z (1отн., %): 256 [М]+ (89), 221 (16), 202 (69), 190 (73), 177 (36), 164 (18), 140 (9). Найдено, %: C 55.6; Н 2.5; N 9.0. Вычислено, %: C 55.8; Н 2.99; N 9.3.
2-[3-бром-4-(гидроксиимино)циклогекса-2,5-диен-1-илиден]фенилацетонитрил (3 в). Выход 78%, т.пл. = 179-182 оС. УФ-спектр, Лжжс, нм (е • 104, л/моль • см): 264 (0.78) 375 (3.95) Спектр ЯМР *Н, 5, м.д.: 7.07 д.д. (1Н, Н6, Е, J (Н6Н5) 10.4, J (Н6Н2) 2.0 Гц), 7.29 д.д. (1Н, Н6, Z, J (Н6Н5) 10.2, J (Н6Н2)
1.8 Гц), 7.31 д. (1Н, Н2, Е, J (Н2Н6) 2.2 Гц), 7.32 д. (1Н, Н2, Z, J (Н2Н6) 2.0 Гц), 7.43 д. (2Н, Н5, Z/E, J (Н5Н6) 10.2 Гц), 7.50-7.60 м.
(10 Н, С6Н5, Z/E), 13.4 с. (2Н, N-OH, Z/E).
Масс-спектр, m/z (1отн., %): 300 [М]+ (100), 221 (3), 203 (76), 190 (75), 177 (41), 163 (18), 151 (9). Найдено, %: C 65.77; Н 3.75; N 11.08.
Вычислено, %: С 66.62; Н 3.51; N 10.93.
Литература
1. Chupakhin O. N., Charushin V. N. Plas van der H. C. Nucleophilic aromatic substitution of hydrogen.— San Diego: Academic Press, 1994.— 367 p.
2. Terrier F. Nucleophilic Aromatic Displacement: The influence of the Nitro group.— New York: VCH Publishers, 1991.- 426 p.
3. Орлов В. Ю., Базлов Д. А., Ганжа В. В., Котов А. Д., Коновалова Н. В. // Изв. вузов. Сер. хим. и хим.технол.- 2007.- Т. 50, №. 9.-С. 16.
4. Орлов В. Ю., Соковиков Я. В., Котов А. Д., Стариков А. А. // ЖОрХ.- 2000.- Т. 36, Вып. 12.- С. 1788.
5. Davis R. B., Pizzini L. C., Bara E. J. // J. Org. Chem.- 1961.- Vol. 26, №11.- Р. 4270.
6. Базлов Д. А. Региоселективность и последовательность стадий процесса нуклеофильного замещения водорода в нитроароматических системах. Дис. ... канд. хим. наук.- Ярославль.-2007.- 24с.
7. Авдеенко А. П., Глиняная Н. М., Пирожен-ко В. В. // ЖОрХ.- 1999.- Т. 35, Вып. 10.-С. 1512.
