CC BY
17Vrot(AMl) = (10,98±1,78) + (0,61±0,14)-Es0 -
- (2,7l±0,50)-cp, R= 0,953, SD=0,29, n=6, Vrot(3-21G**) = (23,60±5,75)+(2,75±0,9)-Es0 -- (5,78±1,6) -ф, R=0,903, SD=0,61, n=6.
При переходе к орто-замещенным алкил-бензолам барьеры внутреннего вращения алкиль-ных групп, как этого и следовало ожидать, заметно увеличиваются. Так, в орто-бромтолуоле величина Vrot(AM1) составляет ~1 ккал/моль (0,1 ккал/моль для толуола), в орто-бромэтилбензле -5,7 ккал/моль (1,7 ккал/моль для этилбензола) и т.д. В то же время барьеры вращения заместителей в мета- и пара-изомерах практически не изменяются (1,7 и 1,7 ккал/моль для мета-бром-этилбензола и этилбензола соответственно).
ЛИТЕРАТУРА
1. Притыкин Л.М., Коган А.М., Селютин О.Б. // ЖСХ. 2000. Т. 41. Вып. 5. С. 1091 - 1094.
2. Днепровский А.С., Темникова Т.И. Теоретические основы органической химии. Л.: Химия. 1991. 560 с.
3. Крылов Е.Н. Образование и реакционная способность органических производных сульфонильной серы и родственные реакции. Дис. ... докт. хим. наук. 2003. 383 с.
4. Пальм В.А. Основы количественной теории органических реакций. М.: Химия. 1977. 359 с.
5. Dubois J.-E., MacFee J. A., Panaye A. // Tetrahedron. 1980. V. 36. P. 919 - 928; De Tar D.L.F. // J. Amer. Chem. Soc. 1980. V. 45. N 25. P. 5166 - 5174.
Кафедра органической и биологической химии
6. Ширяев А.К. Синтез, строение и химические свойства №алкил,1,3-оксатиолан,2-иминов. Автореф. дис... докт. хим. наук. Самара. 2005. 48 с.
7. Bott G., Field L.D., Sternchell S. // J. Am. Chem. Soc. 1980. V. 102. N 17. P. 5618 -5626.
8. Charton M., Charton B. // J. Amer. Chem. Soc. 1975. V. 97. N 22. P. 6472 - 6473.
9. Кодолов В.А. // Реакц. способн. орг. соед. 1965. Т. 2. N 2. С. 11 - 13. Кодолов В.И., Семернева Г.А., Максимов А.А., Спасский С.С. // ЖФХ. 1977. Т. 51. N8. С.2133 -2134. Деп.ВИНИТИ 1977. N1481-77 Деп.
10. Галкин В.И., Саяхов Р.Д., Черкасов Р.А. // Успехи химии. 1991. Т. 60. N 8. С. 1617 - 1644.
11. Granovsky A.A. http:// classic.chem.msu.su/gran/gamess/ /index.html. Schmidt M.W., Baldridge K.K Boatz J.A., Elbert S.T., Gordon M.S., Jensen J.H., Koseki S., Matsunaga N., Nguyen K.A., Su S.J., Windus T.L., Dupuis M., Montgomery J.A. // J. Comput. Chem. 1993. V. 14. P. 1347 - 1363. http://www.msg.ameslab.gov./ /gamess/gamess.html
12. Schaefer T., Parr W., Danchura W. // J. Magn. Reson. 1977. V. 25. N 1. P. 167 - 170.
13. Sharfenberg P., Rozsondai B., Hargittai I. // Z. Naturforsch. 1980. V. A35. N 4. S. 431 - 436.
14. Charton M. // J. Am. Chem. Soc. 1975. V. 97. N 6. P. 1552
- 1556.
15. Gallo R. // Progr. Phys. Org. Chem. 1983. V. 14. N 1. P. 115
- 163.
16. Schaefer T., Schurko R.W., Bernard G.M. // Can. J. Chem. 1994. V. 72. N 8. P. 1780 - 1784.
17. Hanson P. // J. Chem. Soc. Perkin Trans. P. 2. 1984. N 1. P. 101 - 108.
18. Seeman J.I. et al. // J. Am. Chem. Soc. 1989. V. 111. N 9. P. 3140 - 3150.
УДК 547.778.4
А.С. Потапов, С.А. Зуйкова, А.И. Хлебников, В.Д. Огородников СИНТЕЗ НЕКОТОРЫХ ПРОИЗВОДНЫХ БИС(3,5-ДИМЕТИЛПИРАЗОЛ-1-ИЛ)МЕТАНА
(Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, Институт химии нефти Сибирского отделения Российской академии наук)
E-mail: [email protected]
Нитрованием бис(3,5-диметилпиразол-1-ил)метана азотной кислотой в серной кислоте синтезирован бис(3,5-диметил-4-нитропиразол-1-ил)метан с выходом 82%. При действии стехиометрического количества перманганата калия в нейтральной среде на бис(3,5-диметилпиразол-1-ил)метан окислению преимущественно подвергаются ме-тильные группы в положениях 5 пиразольных циклов. Применение избытка окислителя дает бис(пиразол-1-ил)метан-3,3 ',5,5 -тетракарбоновую кислоту. На основании неэмпирических квантовохимическихрасчетов в базисе 6-311G** дано объяснение преимущественной атаки окислителя на метильные группы в положении 5.
Бис(пиразол-1-ил)алканы являются хела- многими элементами главных подгрупп [1]. Ком-тирующими лигандами, образующими комплексы плексные соединения бис(пиразол-1-ил)алканов с ионами большинства переходных металлов и были предложены в качестве катализаторов хими-
ческих [2] и электрохимических процессов [3], а также биомиметических моделей металлофермен-тов [4]. Координационные свойства бис(пиразол-1-ил)алканов могут варьироваться в широких пределах путем введения различных заместителей в пиразольные циклы. Следовательно, разработка методов синтеза функциональных производных бис(пиразол-1-ил)алканов с целью направленного изменения свойств их координационных соединений представляет значительный научный и практический интерес.
Ранее нами был синтезирован ряд 4,4'-ди-замещенных производных бис(пиразол-1-ил)ме-тана, а именно 4,4'-диформил- [5], 4,4'-дииод- и 4,4'-диэтинилироизводные [6]. В данной работе мы сообщаем о синтезе неизвестных ранее бис(3,5-диметил-4-нитропиразол-1-ил)метана (I) и 3,5-дизамещенных функциональных производных - бис(пиразол-1-ил)метан-3,3',5,5'-тетракарбоно-вой кислоты (II) и ее тетраметилового эфира (III). Нитро- и карбоксильные производные пиразолов представляют интерес в связи с их биологической активностью. Так, в работе [7] было показано, что бис(4-нитропиразол-1-ил)метан обладает мутагенной активностью по отношению к бактериям Salmonella typhimurium и является перспективным аналогом применяемых в настоящее время нитро-имидазолов. Пиразолсодержащие карбоновые кислоты и их производные также проявляют высокую антибактериальную [8] и антивирусную [9] активность.
Нитрование бис(3,5-диметилпиразол-1-ил)метана осуществляли пятикратным избытком 68%-ной азотной кислоты в 96%-ной серной кислоте по аналогии с методом синтеза бис(4-нитропиразол-1-ил)метана [10]. После проведения реакции нитрования при комнатной температуре в течение 24 часов была получена смесь продуктов, содержащая, по данным ЯМР, около 18% (масс.) мононитропроизводного и 82% (масс.) динитро-производного (I) (схема 1). Соединение (I) было выделено в чистом виде перекристаллизацией смеси продуктов из этанола с выходом 52%.
= n n4
I I nn
h2so4
no2 + •
мую СН3-группу), окисление проходит не полностью. В спектре ЯМР :Н продукта реакции наблюдаются сигналы в области 2,5-2,8 м.д., соответствующие непрореагировавшим метильным группам в положениях 3 и 5 пиразольного кольца (рис. 1 а). Отношение интегральной интенсивности этих сигналов к суммарной интенсивности сигналов протонов СН2-группы и протонов в положении 4 пиразольного кольца в области 6,7 -7,4 м.д. указывает на то, что окислено около 75% метильных групп. Кроме того, сигнал СН3-групп в положении 3 пиразольного цикла в 2,6 раза интенсивнее сигнала этих групп в положении 5, что указывает на гораздо более легкую окисляемость последних. Близкая к 75% степень превращения метильных групп получена и при применении 25%-ного избытка перманганата калия.
В спектре ЯМР 13С смеси натриевых солей полученных продуктов в области сигналов атомов углерода СН2-мостика (60-62 м.д.) зарегистрировано 5 сигналов (рис. 1 б), что указывает на образование как минимум пяти продуктов с различным количеством и расположением карбоксильных групп.
3-СН,
5-СН
2.8
2.7
2.6
ррт
б
Схема 1 Scheme 1
Окисление бис(3,5 -диметилпиразол-1 -ил)-метана перманганатом калия проводили в нейтральной среде при 90°С. Было установлено, что при использовании рассчитанного количества окислителя (2 моль KMnO4 на каждую окисляе-
63
62
61
ppm
Рис. 1. Спектр ЯМР 1H (300 МГц) в области резонанса метильных протонов (а) и ЯМР 13С (75 МГц) в области резонанса атомов углерода СН2-мостика (б) смеси продуктов неполного окисления бис(3,5-диметилпиразол-1-ил)метана в D2O. Fig.1. The NMR 1H spectrum (300 MHz) in the range of methyl proton resonance (a) and NMR 13C (75 MHz) in the range of carbon atom CH2-bridge (б) of product mixture of incomplete oxidation of bis(3,5-dimethylpyrazol-1-yl)methane in D2O.
o2n
Для окисления всех четырех метильных групп потребовалось применение полуторакрат-ного по отношению к теоретическому избытка перманганата калия при 90°С (схема 2). Продолжительность синтеза составила 18 часов, выход 51%.
= N
VN.
Схема 2 Scheme 2
Предпочтительное действие окислителя на метильные группы в положениях 5 пиразольных циклов согласуется с результатами неэмпирических квантовомеханических расчетов. В структуре бис(3,5-диметилпиразол-1-ил)метана, найденной в результате конформационного поиска и соответствующей глобальному минимуму на поверхности потенциальной энергии (ППЭ), двугранный угол между плоскостями пиразольных циклов составляет около 85°, а атомы азота в положениях 2 максимально удалены друг от друга. Для полученной структуры была выполнена оптимизация геометрии в базисе 6-31G* с последующим расчетом одной точки ППЭ в базисе 6-311G**. Некоторые результаты вычислений приведены на рис. 2.
б
-0.195
■олйЧ.N^n -0.323
■0.323
N
N'.412~| 0.228 -0.437
Рис. 2 Результаты неэмпирических квантово-химических расчетов бис(3,5-диметилпиразол-1-ил)метана в базисе 6-311G**: распределение зарядов по Малликену (а); форма ВЗМО (б), атомы водорода не показаны.
Fig.2. Results of ab initio quantum-chemical calculations of bis(3,5-dimethylpyrazol-1-yl)methane in 6-311G** basis: charge distribution on Mulliken (a); HOMO form (б) (hydrogen atoms are not shown).
В молекуле бис(3,5-диметилпиразол-1-ил)метана атом углерода метильной группы в положении 5 несет больший отрицательный заряд по сравнению с СН3-группой в положении 3 (рис. 2 а), поэтому первоначальная атака окислителя происходит на группу в положении 5 с большей электронной плотностью. Кроме того, часть электронной плотности высшей занятой молекулярной ор-битали (ВЗМО) бис(3,5-диметилпиразол-1-ил)ме-тана, имеющей я-характер и локализованной в основном на атомах углерода и азота пиразольных циклов, сосредоточена на метильных группах в
положениях 5, по-видимому, вследствие эффекта сверхсопряжения (рис. 2 б). Следовательно, если в реакции окисления имеет место орбитальный контроль, также следует ожидать предпочтительной атаки окислителя на эти метильные группы, что и наблюдается экспериментально.
Для осуществления дальнейших превращений полученной тетракарбоновой кислоты ее карбоксильные группы необходимо защищать переводом их в сложноэфирные. Этерификацию проводили при действии избытка спирта в присутствии оксохлорида фосфора при 50°C (схема 2). Выход тетраметилового эфира составил 74%.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Контроль за ходом реакций и чистотой соединений осуществляли методом ТСХ на пластинах Silufol, хроматограммы проявляли в парах иода. Спектры ЯМР регистрировали на приборе Bruker AV-300, ИК спектры - на приборе Specord 71 IR в таблетках KBr [соединения (I) и (III)] или в виде пасты в вазелиновом масле [соединение (II)]. Элементный анализ выполняли на приборе Carlo Erba. Термогравиметрический анализ тетракарбоновой кислоты (II) выполнен на приборе SDT Q600 (TA Instruments, USA) в научно-аналитическом центре Томского политехнического университета.
Трихлороксид фосфора получали взаимодействием пентахлорида фосфора с уксусной кислотой с последующей фракционной перегонкой, т. кип. 107°C. В реакцию вводили свежеперегнан-ный POCl3.
Бис(3,5 -диметилпиразол-1 -ил)метан синтезировали по методике [11]. Для построения исходной структуры для оптимизации геометрии бис(3,5-диметилпиразол-1-ил)метана был выполнен конформационный поиск полуэмпирическим методом PM3 в реализации HyperChem™ 7.0 [12]. Оптимизация геометрии неэмпирическим методом в базисе 6-31G* [13] в рамках ограниченного приближения Хартри - Фока проводилась для синглетного состояния в газовой фазе c использованием программного пакета Gaussian 03 [14]. Для полученной в результате оптимизации структуры были вычислены частоты нормальных колебаний, отсутствие отрицательных величин среди которых свидетельствует о том, что найденная структура соответствует минимуму на ППЭ, а не переходному состоянию. Далее для структуры с оптимизированной геометрией был выполнен расчет одной точки ППЭ в базисе 6-311G** [15].
Бис(3,5-диметил-4-нитропиразол-1-ил)-метан (I). К 4,13 г (20,25 ммоль) бис(3,5-диме-тилпиразол-1-ил)метана прибавляли при охлаж-
-MnO2
а
-0.210
0.210
дении льдом 50 мл 96%-ной серной кислоты и 13.4 мл (12,8 г, 202,5 ммоль) 68%-ной азотной кислоты. Смесь выдерживали при комнатной температуре в течение 24 часов, выливали в 500 мл воды, нейтрализовали карбонатом натрия. По данным ЯМР выпавший осадок (5,63 г) содержит 82% (масс., выход 78%) соединения (I) и 18% (масс.) (3,5 -диметилпиразол-1 -ил)(3,5 -диметил-4-нитропиразол-1 -ил)метана. Динитропроизводное
(I) выделяли в чистом виде перекристаллизацией из этанола. Выход 3,11 г (52%), бесцветные кристаллы, т.пл. 191-192°С. Найдено, %: С, 45.00; Н, 4.83; К, 28.33. С„Н14К604. Вычислено, %: С, 44.90; Н, 4.80; 14, 28.56. ИК спектр, см1: 1576 К(1Ч-0)], 1508, 1443 (уР2), 1354 ^(N-0)], 1006 (дышащие колебания Рг). 876 | \'(С-Ы)|. 733 (РР2). Спектр ЯМР (СБС13), 5, м.д.: 2.47 (6Н, З-Ме-рг), 2.89 (6Н, 5-Ме-рг), 6.13 (2Н, СН2).
Бис(пиразол-1-ил)метан-3,3',5,5'-тетра-карбоновая кислота (II). К раствору 1.27 г (6.23 ммоль) бис(3,5-диметилпиразол-1-ил)метана в 70 мл воды, нагретому до 90°С, небольшими порциями в течение 1 часа прибавляли 11,78 г (74,8 ммоль) перманганата калия при интенсивном перемешивании механической мешалкой. После прибавления всего перманганата реакционную смесь перемешивали при 90° еще 18 часов, выпавший осадок оксида марганца(ГУ) отфильтровывали, промывали кипящей водой. Фильтрат упаривали до объема 40 мл, охлаждали до комнатной температуры и прибавляли 35%-ную НС1 до кислой реакции. Выпавший осадок соединения
(II) отфильтровывали, промывали 10 мл холодной воды и высушивали. Выход 1,03 г (51%). Тетра-карбоновую кислоту (II) очищали перекристаллизацией из воды, т.пл. 310°С (с разлож.). Найдено, %: С, 40.52; Н, 2.20; К, 17.02. С11Н8К408. Вычислено, %: С, 40.75; Н, 2.49; 14, 17.28. ИК спектр, см1: 1680 (ус=0), 1600, 1500 (ур2), 730 (рРг). Спектр ЯМР (Б20), 5, м.д.: 7.69 с (2Н, СН2), 7.78 с (2Н, H4-pz). Натриевые соли смеси карбоновых кислот получали добавлением избытка металлического натрия к ее суспензии в сухом диоксане. По окончании реакции смесь отфильтровывали, фильтрат упаривали досуха и регистрировали спектр ЯМР 13С в D20.
Бис[3,5-ди(метоксикарбонил)пиразол-1-ил]метан (III). К суспензии 0,972 г (3,0 ммоль) тетракарбоновой кислоты (II) в 5 мл метанола осторожно приливали 0,184 г (10 мол %) оксохлори-да фосфора. Реакционную смесь перемешивали при 50°С в течение 10 часов, выливали в 40 мл воды, обрабатывали хлороформом (5x10 мл), экстракт высушивали над безводным CaCl2. После удаления растворителя получили 0,839 г (74%) кристаллов соединения (III), т.пл. 163-164°C (i-PrOH). Найдено, %: C, 47.37; H, 4.08; N, 14.41. C15H16N408. Вычислено, %: С, 47.37; H, 4.24; N, 14.73. ИК спектр, см1: 1732 (vc=0), 1538, 1449 (vPz), 1359 (РСН), 1287, 1230 (vc_0^), 1084 (дышащие колебания Pz), 728 (pPz). Спектр ЯМР 'Н (CDC13), 5, м.д.: 3.87 с (6Н, 3-CH30C(0)-pz), 3.93 с (6Н, 5-CH30C(0)-pz), 7.31 с (2Н, СН2), 7.34 с (2Н, П4-щ). Спектр ЯМР 13С (CDC13), 5, м.д.: 52.1 (5-CH30C(0)-pz), 52.5 (3-CH30C(0)-pz), 63.6 (СН2), 114.1 (C4-pz), 134.5 (CJ-pz), 143.5 (C3-pz), 159.3 (5-CH3OC(O)-pz), 161.4 (3-CH3OC(O)-pz).
ЛИТЕРАТУРА
1. Pettinari C., Pettinari R. Coord. Chem. Rev. 2005. Vol. 249. Р. 663-691.
2. E. Teuma et al. Organometallics. 2003. Vol. 22. Р. 52615267.
3. Потапов А.С., Хлебников А.И., Чернов М.П. Ползу-новский вестник. 2006. Вып. 2 (Ч. 1). С. 8-12.
4. Schepetkin I et al. J. Biol. Inorg. Chem. 2006. Vol. 11. Р. 499-513.
5. Потапов А.С., Хлебников А.И., Огородников В.Д. Ж. орган. химии. 2006. Т. 42. С. 569-573.
6. Потапов А.С., Хлебников А.И., Василевский С.Ф. Ж. орган. химии. 2006. Т. 42. С. 1384-1389.
7. Alejandre-Duran E., Ruiz-Rubio M., Claramunt R. M. Env. Mutagen. 1986. Vol. 8. Р. 611-619
8. Premkumar T., Govindarajan S. World J. Microbiol. Biotechnol. 2005. Vol. 21. Р. 479-480.
9. Farghaly A.R., El-Kashef H. Arkivoc. 2006. Vol. 11. Р. 7690.
10. Claramunt R.M. et al. Bull. Soc. Chim. Fr. 1983, Is. 1-2, Р. 5-10.
11. Потапов А.С., Хлебников А.И. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2003. Т. 46. Вып. 7. С. 66-71.
12. HyperChem Computational Chemistry: Molecular Visualization and Simulation (release 7 for Windows). Hypercube, Inc., Canada, 2002.
13. Petersson G.A. et al. J. Chem. Phys. 1988. Vol. 89. Р. 21932218.
14. Frisch M.J. et al. Gaussian 03, Revision B.01, Gaussian, Inc., Pittsburgh PA, 2003.
15. McLean A. D., Chandler G.S. J. Chem. Phys. 1980. Vol. 72. Р. 5639-5648.
Кафедра общей химии
