Спектро-фотометрическое исследование циклизации орто-(алка-1,3-диинил)замещенных арилдиазониевых солей Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

г

Сер. 4 2007 Вып. 4

ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

УЦК 541.651+ 547.314 + 547.317

О. В. Виноградова, В. Н. Сорокоумов, И. А. Балова

СПЕКТРО-ФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИКЛИЗАЦИИ ОРТО-(АЛКА-1,3-ДИИНИЛ)ЗАМЕЩЕННЫХ АРИЛДИАЗОНИЕВЫХ СОЛЕЙ

Введение. Синтез циннолинового ядра впервые был осуществлен Рихтером при диазотировании о/шо-аминофенилпропионовой кислоты и циклизации полученной арил-диазониевой соли [1]. Циклизация привела к образованию 4-гидроксициннолин-З-карбоновой кислоты. Впоследствии было выдвинуто предположение, что в ходе диа-зотирования орто-аминофенилпропионовых кислот вначале происходит гидратация тройной связи с образованием соответствующей орто-аминобензоил уксусной кислоты; дальше циклизация протекает по механизму реакции Борше-Герберта [2]. Это предположение не получило экспериментального подтверждения, однако участие молекулы воды на стадии циклизации рассматривалось для объяснения образования 4-гидрокси замещенных циннолинов.

В работах Василевского и сотрудников впервые было показано, что при диазотировании 2-аминотолана в среде HCl, наряду с 4-гидроксициннолином, образуется 4-хлорциннолин, выделенный с выходом 5 %. Более того, авторы предположили, что образование 4-гидрокси производных может происходить как при участи молекулы воды на стадии циклизации, так и в результате гидролиза соответствующего 4-гало-генциннолина (схема 1) [3].

Полученные экспериментальные данные согласовывались с выдвинутым предположением: увеличение выхода 4-галогенциннолинов наблюдалось при снижении температуры реакции, увеличении нуклеофильности атома галогена (использовании

© О. В. Виноградова, В. Н. Сорокоумов, И. А. Балова, 2007

Схема 1

Схема образования продуктов реакции Рихтера [3]

НВг вместо HCl), а также увеличении донорнорного характера ароматического ядра [3, 4]. В ряду 5-амино-4-этинилпиразолов при циклизации соответствующих солей диазония наблюдалось образование только 4-гапогензамещенного пиридазинового ядра, что было объяснено тс-электронной избыточностью сопряженного пиразольного цикла [4].

Нами изучалась реакция Рихтера в ряду диацетиленовых производных арил-диазониевых солей, содержащих заместители различной электронной природы. Было обнаружено, что в случае донорных или слабо акцепторных заместителей (-СН3, -Вг) в ароматическом ядре единственными продуктами реакции Рихтера являются соответствующие 4-хлор-З-этинилциннолины. Образования 4-гидроксициннолинов не наблюдалось. При введении в ароматическое ядро таких сильных акцепторов, как -N02 и -СООСН3 группы основными продуктами являются 4-гидрокси-З-этинилциннолины, которые в ходе реакции претерпевают циклизацию в фуро[3,2-с]циннолины. Наряду с ними в небольшом количестве были выделены соответствующие 4-хлор-З-этинилциннолины [5]. Подобная зависимость состава получаемых продуктов от характера замещения косвенно свидетельствует в пользу того, что образование фуро[3,2-с]цин-нолина происходит только за счет гидролиза первоначальных продуктов — 4-хлорцин-нолинов, поскольку наличие акцепторных заместителей в циннолиновой системе должно промотировать нуклеофильное замещение атома галогена [6].

Однако неожиданные результаты были получены при проведении реакции Рихтера в среде метанола, насыщенного газообразным HCl. Независимо от природы замещения в ароматическом ядре диазотирование диацетиленовых производных аминов и преследующая циклизация в среде МеОН привели к образованию фуро[3,2-с]циннолинов [5].

С целью установить этапы протекания реакции и генетическую взаимосвязь между продуктами в данной работе было проведено спектрофотометрическое исследование реакции Рихтера.

Экспериментальная часть. В качестве объекта исследования была выбрана соль диазония, полученная при диазотировании метил 4-амино-3-(додека-1,3-диинил) бензоата, содержащего акцепторный заместитель (1а). Реакция диазотирования и спектрофотометрическое детектирование циклизации проводились в среде диэтилового эфира в присутствии НС1конц (условия А), поскольку ранее было показано, что эти условия являются оптимальными для реакции Рихтера в ряду диацетиленовых производных арилдиазониевых солей [5]. Предварительно в тех же условиях были получены УФ-спектры для продуктов данной реакции—4-хлорциннолина (2а) и фуро[3,2-с]цинно-лина (За) (схема 2).

Схема 2

Реакция Рихтера в ряду ор/по-(алка-1,3-диинил)арилдиазониевых солей

А/ЫаШз НС1 (конц), Е^О - гексан

Полученные спектры представлены на рис. 1 и 2. Сделанные измерения показывают, что в течение первых 4-х часов после окончания диазотирования спектр реакционной

смеси (рис. 1, спектры 3, 4), в которой вначале присутствовала только соль диа-зония (спектр 1), приближается к спектру 4-хлорциннолина (2а) (спектр 8). Об этом свидетельствует появление в спектре реакционной смеси полосы поглощения со значением максимума 273 нм, отвечающей 4-хлорциннолину, и исчезновение широкой полосы поглощения соли диазония в области 375-450 нм. Наличие изобести-ческих точек со значениями А. =255 нм, \2 — 299 нм показывает, что исходная соль диазония напрямую превращается в соответствующий 4-хлорциннолин, и образования других продуктов в данной реакции не происходит.

Однако спустя 5 часов изобестиче-ские точки исчезают, и наблюдается сдвиг спектра в направлении полосы поглощения фуро[3,2-с]циннолина, с максимумом 256 нм (рис. 2, спектры 2-4).

Таким образом, через 4 часа после начала реакции параллельно с процессом циклизации начинает происходить гидролиз образующегося 4-хлорциннолина, и по прошествии 30 часов в спектре наблюдается уже заметное плечо, соответствующее полосе фуро[3,2-с]циннолина (За) (спектр 3), что свидетельствует о присутствии в реакционной смеси обоих продуктов.

Дополнительно был поставлен эксперимент, в котором проводилось спектро-фотометрическое исследование превращений 4-хлорциннолина (2а) в системе ЕцО — НС1 с течением времени (рис. 3).

Полученные результаты подтвердили, что 4-хлорциннолин в условиях, моделирующих условия реакции, подвергается гидролизу с образованием фуро[3,2-с] циннолина, о чем свидетельствует сдвиг максимума спектра поглощения 4-хлорциннолина в сторону максимумов фуро[3,2-с] циннолина (рис. 3).

Анализ кинетических данных для реакций циклизации соли диазония и гидролиза 4-хлорциннолина 2а показал, что оба процесса подчиняются кинетике реакций первого порядка. Для гидролиза

-■-(1) 4-хлорциннолин (2а) -•-(2) 10 мин -•»-(3) 1 час -т-(4) 4 часа

250 300 350 400 450 Длина волны (нм)

Рис. 1

500

1,6-, 1,4-1,2-1,0-0,8-0,6 0,4-0,2-0,0

(4Ч''из)

1П

\ /$г® ид I

— - (1) 4-хлорциннолин (2а) (2) 4 часа

V' V М -—(А)* часа Ал 1 I —(3)30 часов

* I } ц -т-(4) фуро[3,2-с]циннолин (За)

250 300 350 400 Длина волны (нм)

Рис. 2

450 500

1,6-1 1,4 1,2 1,0-0,8-

0,4-0,2-0,0

* * I * I' — ■ — (1) 4-хлорциннолин (2а)

и (\ М —

, (2) 2 ч 10 мин

-л ¿/М—<3>54

ин—(4)224

О-б-ПД«." \ ---(5) фуро[3,2-с]циннолин (За)

■■"ЧУ'

г"

250 300 350 400 Длина волны (нм)

Рис. 3

450 500

мин-1 и к2 = 0,0022 мин'1

4-хлорциннолина реакция имеет псевдо первый порядок, поскольку вода, выступающая в качестве реагента, присутствует в реакционной смеси в большом избытке. Рассчитанные константа скорости циклизации и псевдо константа гидролиза равны к, = 0,0141

соответственно.

На основании полученных данных можно сделать вывод, что циклизация Рихтера в условиях А приводит к образованию 4-хлорциннолина, а 4-гидроксициннолин и продукт его циклизации фуро[3,2-с]циннолин образуются на следующей стадии в результате гидролиза 4-хлорциннолина в условиях реакции. При этом скорость циклизации значительно превышает скорость последующего гидролиза, даже для соединений, содержащих сильный акцепторный заместитель, о чем свидетельствует сравнение констант скоростей этих реакций.

Для выяснения механизма образования фуро[3,2-с]циннолина в среде метанола, насыщенного НС1 (условия В) было проведено спектро-фотометрическое детектирование процесса циклизации соли диазония, полученной из соединения 1 а. Предварительно в том же растворителе были сняты УФ спектры 4-хлорциннолина (2а) и фуро[3,2-с] циннолина (За). В результате было показано, что в течение первых 3-х часов в спектре реакционной смеси (рис. 4) появля-

1,6 п

1,4 1,2 1,0 0,8-0,6 .0,4 0,2 -| 0,0

-(4)

Ч '

т 1

' I 1

I _ {>

%

(1) 4-хлорциннолин (2а) -•- (2) 5 мин — (3)3 ч 30 мин

(4) фуро[3,2-с]щшнолин (За)

(3)

300 350 400 Длина волны (нм)

Рис. 4

(1) 4-хлорциннолин (2а) - (2) циклизация 24 ч (3) фуро[3,2-с]циннолин (За)

300 350 400 Длина волны (нм)

Рис. 5

500

ются максимумы поглощения, характерные для спектра 4-хлорциннолина (А. = 267, 322, 363 и 385 нм, ср. спектры 1 и 3). Однако спектр реакционной смеси, полученный через сутки, полностью отвечает спектру фурор, 2-е] циннолина За (рис. 5, ср. спектры 2 и 3). Таким образом, в среде МеОН реакция также первоначально приводит к образованию в качестве продукта циклизации 4-хлорциннолина, а его гидролиз и циклизация гидроксициннолина протекают значительно быстрее, чем реакция в диэтиловом эфире.

Анализ реакционной смеси методом ТСХ показал присутствие более полярных продуктов по сравнению с реакционной смесью в среде диэтилового эфира. На основании этих данных было сделано предположение, что в среде МеОН, насыщенного НС1, все продукты циклизации находятся в протонированном виде и поэтому имеют низкие значения Яг В свою очередь, протонирование циннолиновой системы, а также присутствие акцепторного заместителя способствуют гидролизу 4-хлорциннолина как в ходе реакции, так и на стадии выделения.

При проведении в среде МеОН циклизации соли диазония, полученной из соединения 1Ъ, не содержащего сильные акцепторные заместители, и обработке

реакционной смеси триэтиламином, наряду с фуро[3,2-с]циннолином (36) нам впервые удалось выделить 4-хлорциннолин (26) (схема 3).

Схема 3

Реакция Рихтера в среде МеОН

Вг

5Ь (15 %)

ЗЬ (14 %)

4Ь (14 %)

Кроме того, впервые в качестве продукта реакции был также выделен 4-ме-токсициннолин (56). Образование продуктов восстановительного дезаминирования 46 ранее наблюдалось в этой реакции [5], Интересно отметить, что в УФ спектрах 4-хлор-циннолина (26) и 4-метоксициннолина (56) положения максимумов поглощения совпадают, однако полосы 4-хлорциннолина имеют большую экстинкцию.

Было также обнаружено, что при растворении 4-хлорциннолина 2а в МеОН, насыщенном НС1, он претерпевает быструю трансформацию: в течение 15 минут наблюдалось значительное уменьшение интенсивности максимумов поглощения в области 268 нм, 322, 363 и 377 нм, однако сдвига максимумов не происходило (рис. 6).

Таким образом, изменения, наблюдаемые в УФ спектре 4-хлорциннолина 2а в среде МеОН, насыщенного НС1, отвечают процессу образования 4-метоксициннолина.

На основании этих наблюдений можно предложить следующую схему превращений, протекающих в среде МеОН. Первичным продуктом циклизации Рихтера является 4-хлорциннолин, который, находясь в протонированном состоянии, достаточно быстро подвергается реакции сольволиза, давая 4-метоксициннолин, который также протонирован в данных условиях. Далее в присутствии

воды, выделившейся при диазотировании, или на стадии выделения происходит его гидролиз с образованием 4-гидрокси-З-этинилциннолина, который быстро цикли-зуется, давая фуро[3,2-с]циннолин.

Заключение. Данные, полученные при спектрофотометрическом исследовании циклизации Рихтера в ряду диацетиленовых производных арилдиазониевых солей, позволили установить последовательность процессов, протекающих в ходе реакции. Было показано, что первичным продуктом циклизации в среде диэ-тилового эфира и в среде метанола

1,0-

0,8- г\г(2)

0,6-

0,4-

0,2-

0,0- 1 1 —г 1 -

---(1)2 мин

---(2) 4 мин

---(3) 8 мин

---(4) 10 мин

(5) 15 мин

[5)

250 300 350 400 Длина волны (нм)

Рис. 6

450 500

является 4-хлор-З-этинилциннолин. При наличии акцепторного заместителя в ароматическом ядре в ходе реакции происходит его гидролиз. В среде метанола процессу гидролиза предшествует взаимодействие с растворителем, в результате чего образуются 4-метоксициннолины. В этом случае реакции сольволиза и гидролиза способствует про-тонирование циннолиновото цикла. Реакция гидролиза необратима, за счет дальнейшей циклизации 4-гидроксициннолина в фуро [3,2-с] циннолин. Скорость этого взаимодействия зависит от используемых условий.

Summary

VinogradovaO. V, Sorokoumov V.N., Baloval.A. Spectro-photochemical investigation of cyclyzation of or-/Ao-(alka-1,3 -diyny l)aryldiazonium salts.

This study clarifies the consequence of processes, which are realized during proceeding of Richter reaction in series of ortho-(a\k&-1,3-diynyl)aryldiazonium salts. Two solvent systems for cyclization were examined and 4-chlorocinnolines was shown to be the first product of cyclization for both cases. In the medium of diethyl ester with concentrated HC1 4-chlorocinnolines slowly hydrolyzed to 4-(lH)-cinno-linone, which undergoes subsequent cyclization to furo[3,2-c]cinnoline. Electron withdrawing substitu-ents favor hydrolysis proceeding for this condition. For reaction in the medium of dry methanol, saturated with gaseous HC1, 4-chlorocinnoline exists in protonated state, which results in high rate of its solvolysis to 4-methoxyciinoline, irrespective of the nature of substituents. 4-Methoxycinnoline undergoes following hydrolysis in reaction conditions, which also results in formation of furo[3,2-c]cinnoline as the final product.

Литература

1. Von Richter V И Ber. Dtsch Chem. Ges. 1883. Vol. 16. P. 677-679. 2. SchofieldK., Simpson J. C.E. //J. Chem. Soc. 1945. P. 520-523. 3. Vasylevsky S. F., TretyakovE. VII Lie-big Ana 1995. P. 775-779; 4. TretyakovE. V, KnightD. W„ Vasilevsky S. F. II J. Chem. Soc. Perkin Trans. 1. 1999. P. 3721-3726; 5. VinogradovaO. V, Sorokoumov V.N., VasylevskyS.F., Baloval.A. //Terahedron Lett. 2007. Vol. 48. P. 4907^909; 7. BunnetJ.F., GarbishE. W., Pruitt K.M. II J. Am. Chem. Soc. 1957. N 79. P. 385-390.

Статья поступила в редакцию 25 декабря 2006 г.