Строение продуктов взаимодействия несимметричных адамантилсодержащих 1,3-дикетонов с монозамещенными гидразинами и гидроксиламином Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 547.442.3+547.7

С. А. Коньков (к.х.н., м.н.с.)1, И. К. Моисеев (д.х.н., проф.)1, Д. Н. Кузнецов (асс.)2, К. И. Кобраков (д.х.н., проф., зав. каф.)2 , А. С. Шашков3

Строение продуктов взаимодействия несимметричных адамантилсодержащих 1,3-дикетонов с монозамещенными гидразинами и гидроксиламином

1 Самарский государственный технический университет, кафедра органической химии 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244; тел./факс (846) 3322122, e-mail: ikmoiseev@mail.ru 2Московский государственный текстильный университет им. А. Н. Косыгина, кафедра органической химии и химии красителей 119071, г. Москва, ул. Малая Калужская, 1; тел. (495) 9541061, факс (495) 9521440,

e-mail: kki@staff.msta.ac.ru 3Институт органической химии им Н. Д. Зелинского РАН 119991, г. Москва, Ленинский проспект, 47; тел. (499) 1359094, e-mail: shash@ioc.ac.ru

S. A. Konkov1, I. K. Moiseev1, D. N. Kuznetsov2, K. I. Kobrakov2, A. S. Shashkov3

The structure of the reaction products of asymmetric adamantylcontaining 1,3-diketones with monosubstituted hydrazines and hydroxylamine

1 Samara State Technical University 443100, Samara, Russia, Str. Molodogvardiis'ka, 244; ph/fax (846) 3322122, e-mail: ikmoiseev@mail.ru

2Moscow State Textile University 119071, Moscow, Russia, Str. Malaya Kaluzhskaya 1; ph.(495) 9541061, fax (495)9521440,

e-mail: kki@staff.msta.ac.ru 3N. D. Zelinsky Institute of Organic Chemistry 119991, Moscow, Russia, Leninsky Pr. 47; ph. (499) 1359094, e-mail: shash@ioc.ac.ru

Исследовано направление реакции 1-(1-адаман-тил)-1,3-бутандиона с несимметричными реагентами (фенилгидразин и гидроксиламин) с использованием квантовохимического метода расчета (базис ОБТ БЗЬУР/б-ЗЮ**) и спектроскопии ЯМР (гетероядерные методики 1Н, 13С и 1Н, 15Ы НМБС). Показано, что в ходе реакции образуется только один из двух возможных изомеров, а именно продукт первоначальной атаки азотом нуклеофила углерода карбонильной группы, находящейся около ме-тильного заместителя.

Ключевые слова: 1-(1-адамантил)-1,3-бутан-дион; гидроксиламин; 1,3-дикетон; изоксазол; квантово-химический расчет; несимметричный гидразин; пиразол; спектроскопия ЯМР.

Синтез 1,2-диазолов на основе 1,3-дикар-бонильных соединений и их химические свойства хорошо освещены в литературе 1-6. Соединения этого ряда представляют интерес как пиразолоновые красители, материалы для оптоэлектроники, пестициды, медицинские препараты, а также в качестве полифункциональ-

Дата поступления 14.01.11

Investigate the direction of the reaction of 1 - (1-adamantyl) -1,3-butandiona with asymmetric reagents (phenylhydrazine and hydroxylamine) using quantum-chemical method of calculation (the basis of DFT B3LYP/6-31G **) and NMR spectroscopy (heteronuclear techniques 1H, 13C and 1H, 15N HMBC). It is shown that the reaction produces only one of two possible isomers, namely, the initial product nitrogen nucleophile attacks the carbon of the carbonyl group, located near the methyl substituent.

Key words: 1-(1-adamantyl)-1,3-butandion, hydroxylamine; 1,3-diketone; isoxazole; quantum-chemical calculation; unbalanced hydrazine; pyrazole; NMR spectroscopy.

ных соединений, представляющих интерес для целей тонкого органического синтеза 7-14.

Ранее нами был описан синтез адамантилсодержащих пиразолов и изоксазолов реакциями 1-(1-адамантил)-1,3-бутандиона и 1-(1-адаман-тил)-1,3-пентандиона с бинуклеофильными реагентами (гидразин, фенилгидразин, семикар-базид, тиосемикарбазид, гидроксиламин) 15,16,

Однако точная структура образующихся циклических продуктов в ряде случаев нами не была установлена, т. к. в случае реакции несимметричных 1,3-дикетонов с несимметрично построенными реагентами (монозаме-щенные гидразины, гидроксиламин) можно ожидать образование изомерных пиразолов и изоксазолов. В ряде опубликованных ранее работ И-22, также отмечается аналогичная проблема, т. к. данные ИК-спектроскопии, масс-спектрометрии, ЯМР 1Н-спектроскопии, элементного анализа не дает возможности сделать выбор в пользу того или иного изомера.

В настоящей работе сделана попытка решить обозначенную задачу с помощью сочетания квантовохимических расчетов и спектроскопии ЯМР на примерах пиразола (2) и изок-сазола (3), синтезированных реакцией 1-(1-ада-мантил)-1,3-бутандиона (1) с фенилгидразином и гидроксиламином соответственно квантово-химическое моделирование альтернативных путей реакции проведено методом Б3ЬУР/6-3Ю Ы, р). Выбор указанного метода объясняется тем, что в настоящее время гибридный функционал Б3ЬУР—трехпараметровый функционал Бека с корреляционным функционалом Ли, Янга и Парра ЬУР23 является наиболее востребованным. В недавно опубликованной работе 24 было проведено тестирование гибридного функционала Б3ЬУР с 6-3Ю (Ю, 6-3Ю Ы, р) и 6-31+С Ы, р) базисами на 622 органических соединениях, содержащих эле-

Путь I

NHNH.

H,C

Ad

Путь II

менты C, H, N и О. Для 622 соединений средняя абсолютная ошибка («mean absolute errors») (MAO) с коррекцией на теплоты образования равна 3.1, 2.6, 2.7 ккал/моль для B3LYP/6-31G (d), B3LYP/6-31G (d, р), B3LYP/6-31+G (d, р) соответственно. Метод B3LYP применяется также для адамантана и

25

его производных 25.

Как следует из схемы 1, взаимодействие 1,3-дикетона 1 с фенилгидразином возможно по двум направлениям (путь I и путь II). Расчет энергии активации стадий реакции и промежуточных состояний проведен методом B3LYP/6-31G** в программе GAMESS (табл. 1).

Маршрут (энергии) Iго и IIго пути по методу B3LYP/6-31G** реакции представлен на рис. 1.

Рис. 1. Энергии стадий реакции фенилгидразина с 1-(1-адамантил)-1,3-бутандионом (1) по методу B3LYP/6-31G**

Ad

YY

„N O

CH,

H,C

CH: N NH

Ad

CH,

H,C

nh2oh +

Ad

Схема 1.

Путь I

Путь

Ad

HO

CH,

^N O

.CH,

,I AVr

—- O N—OH

Ad

Ad

CH,

O

2a

O

1

2b

H,C O

3a

O

O

N

1

Энергии стадий реакции фенил гидразина с 1 - (1 - адамантил)-1,3-бутанд ионом (1)

Таблица 1

01

а

Е

*

х "О

о *

X X X X

ф

0 *

X

X *

"О

1 а ь

о

о

00 к

Стадии реакции Обозначение I путь II путь

Частица(состояние) Ею1, ккап/моль Энергия активации стадии Частица(состояние) Ею1, ккал/моль Энергия активации стадии

1 2 3 4 5 6 7 8

А СН3С(0)СН2С(0)АС1 -436765.74 СН3С(0)СН2С(0)Ас1 -436765.74

В РИМНЫНг -215194.28 РИМНЫНг -215194.28

2(А+В) СН3С(0)СН2С(0)АС1 + РИМНЫНг -651960.02 СН3С(0)СН2С(0)АС1 + РИМНЫНг -651960.02

К1 СН3С(0)СН2С(0)АС1 • РИМНЫНг -506970.81 СН3С(0)СН2С(0)АС1 • РИМНЫНг -507038.65

да I СН3

I стадия ПС1 н3с-с-сн,—с—о О ! ! Н—N—Н I ]МН—РЬ -506923.56 47.25 Аё-С-СН-,—С—О II - | | О ! ! Н—N—Н I N11—РЬ -507007.40 31.25

он ОН

И1 н3с-с-сн,-с-Аа м ~ | о ы-н I ]МН—РЬ -506957.12 Аа-с-сн,-с-сн, II - 1 О н 1 ]МН—РЬ -507043.59

n

со

окончание таблицы 1

стадия

ПС2

да I

Н,С-С-СН2-С—он и : ! О I !

к—н I

№1—РЬ

-506897.01

60.11

СН,

I

да-с-сн,-с--он

II " ! !

О ! !

N—Н I

]МН—РЬ

-506991.23

И2

н3с-с-сн,-с-да + н,о и и 2

О N

I

№3—РЬ

-506900.89

ла-с-сш-с-снз + н,о

п "II 2

О N

I

]МН—РЬ

-507003.96

52.29

стадия

н,с-с-сн9-с-да • н9о

•2> II ^ II 1

К2

О

N I

]МН—РЬ

-506910.99

и ~ II ^

О N I

N11—РЬ

н2о

-507045.00

псз

СН, I

о---с-сн9-с-да ! ! "II

Н----N-N

I

РЬ

-506830.46

80.53

да

I

о---с-сн9-с-сн,

I ! " II

Н----N-N

I

РЬ

-506968.19

ОН I

да-с-сн,-с-сн3

из

I I

РЬ

он

I

да-с-сн,-с-сн3

-ы

-506877.88

I I

РЬ

-ы

-507023.90

76.81

IV стадия

ПС4

но—н

н,с-с—сн-с-да

-506845.67

НО—Н

да—с—сн-с-сн,

-506993.53

ы— I

РЬ

-ы

32.21

ы— I

РЬ

-ы

КЗ

н,с.

N.

Р1/ N

да

н2о

-506901.81

Ас! N.

ОсНз

НоО

-507023.87

РЬ'

30.37

Условные обозначения в таблице: К1-КЗ — образующееся в ходе реакции комплексы; ПС1-ПС4 — переходные состояния; И1-ИЗ — интермедианты

Таблица 2

Сигналы и корреляции атомов ^ C и N в спектрах HMBC пиразола 2Ь и изоксазола 3Ь

Соединение 2 Соединение 3

№ атома 5м 5с или Корреляции в спектре ммвс № атома 5м 5с или Корреляции в спектре ммвс

1(М) -59 Н-4,16/Ы-1

2(М) -158 Н-4,18,22/1\1-2 2(М) -5 Н-4,16

3 147.4 Н-4,16/С-3 3 159.3 Н-4,16/С-3

4 5.97 103.2 Н-4/С-3,5 4 5.72 98.4 Н-4/С-3,5

5 154.2 Н-4/С-5 5 180.9 Н-4/С-5 Н-7,13,15/С-5

6 34.2 Н-7,13,15/С-6 Н-8,10,12/С-6 6 34.6 Н-7,13,15/С-6 Н-8,10,12/С-6

7,13,15 1.82 41.9 Н-7,13,15/С-5, С-(7-15) 7,13,15 1.95 40.8 Н-7,13,15/С-5,6 С-(7-15)

8,10,12 1.90 28.3 Н-8,10,12/С-6, С-7,13,15 8,10,12 2.06 28.0 Н-8,10,12/С-6, С-7,13,15

9,11,14 1.64, 1.55 36.3 Н-9,11,14/ С-7,8,10,12,13,15 9,11,14 1.78, 1.75 36.6 Н-9,11,14/ С-7,8,10,12,13,15

16 2.27 13.4 Н-16/С-3,4 16 2.25 11.4 Н-16/С-3,4

17 142.7 Н-19,21/С-17

18,22 7.36 128.7 Н-18,22/ С-18,20,22

19,21 7.42 128.4 Н-19,21/С-17

20 7.42 128.7 Н-20/С-18,22

Таким образом, в соответствии с кванто-во-химическими расчетами предпочтительным направлением взаимодействия является путь II, приводящий к структуре 2Ь.

Квантовохимическое доказательство предпочтительного образования структуры 2Ь однозначно подтверждено данными спектроскопии ЯМР, включая ее двумерные гетероядерные методики 1Н,13С и 1И,15М НМВС (табл. 2).

Химические сдвиги для протонов и атомов углерода отсчитывались от ТМС, для атомов азота — от нитрометана. В спектре 1Н,15Ы НМВС (рис. 2) присутствуют корреляционные пики для орто-протонов фенильного кольца Н18 и Н22 и атома азота Ы1 с химическим сдвигом —158 м.д. и протонов метильной группы Н16 и другого атома азота Ы2 с химическим сдвигом —59 м.д., что однозначно свидетельствует о протекании реакции по пути II (пиразол 2Ь). При протекании реакции по пути I Н18 и Н22 и И16 коррелировали бы с одним и тем же атомом азота Ы1.

Структура изоксазола (3) также однозначно установлена с помощью спектроскопии ЯМР, включая ее двумерные гетероядерные методики 1Н,13С и 1Н,15Ы НМВС (табл. 2).

В спектре 1Н,15Ы НМВС (рис. 3) виден корреляционный пик для метильной группы и атома азота с химическим сдвигом —5 м.д., что однозначно свидетельствует о протекании ре-

акции по пути II (изоксазол 3Ь). При протекании реакции по I пути не было бы корреляционного пика для метильной группы и атома азота.

2% -158 м.д. 22 Л7)

Ю.

20

2я

16 СН3

16

Н3С. 3

-59 м.д. -158 м.д.

. ( о

^ м V

2^ щ

21\^19

20

?ь

180-

170'

1€0- 1 4

150- H-I7.II,К 1 Н-4/Ч-1

140-

130-

120-

110-

100-

-90- ■во-

-70- 1 0

-50-40- 11-4/М-2

1.0 ь.а З.Н Л.Й

1.в з.и ¡.а |.в рр-

Рис. 2. Спектр1H, 15N HMBC продукта взаимодействия фенилгидразина с 1-(1-адамантил)-1,3-бутан-дионом (1)

12

9

7

16

h3c

2 V

-5 м.д.

О 3a

16

N »L

n 2 \

О1 3b

7 " 9

Рис. 3. Спектр 1H,15N HMBC продукта взаимодействия гидроксиламина с 1-(1-адамантил)-1,3-бутан-дионом (1)

Экспериментальная часть

Спектры ЯМР снимались на спектрометре Bruker Avance 600 для растворов веществ в дейтерохлороформе. Химические сдвиги для протонов и атомов углерода отсчитывались от ТМС, для атомов азота — от нитрометана. При съемке и обработке спектров использовались стандартные методики фирмы. Эксперименты 1H,13C и 1H,15N HMBC были оптимизированы для КССВ 8 и 6 Гц, соответственно.

5-(1-Адамантил)-3-метил-1-фенил-1 H-пиразол (2b). К раствору 0.5 г (2.3 ммоль) соединения 1 в 8—10 мл этанола прибавляли при охлаждении по каплям 0.25 г (2.3 ммоль) фенилгидразина. Реакционную массу кипятили 3ч, охлаждали. Выпавший осадок отфильтровывали, перекристаллизовывали из этанола. Выход 0.5 г (76%), желтые кристаллы, т.пл. 73—76 0С (этанол). ИК спектр, v, см-1: 2903, 2847 (C-HAd), 1569 (C=N), 779, 767, 700 (С-Наром.). Найдено, %: С 83.08; H 6.67; N 8.23. C20H20N2. Вычислено, %: С 83.33; H 6.94; N 8.33.

5-(1-Адамантил)-3-метилизоксазол (3b).

Раствор из 0.44 г (6.4 ммоль) гидрохлорида гидроксиламина, 0.34 г (3.2 ммоль) карбоната натрия в 4 мл воды приливали к раствору 1.4 г (6.4 ммоль) дикетона 1 в 10 мл этилового спирта. Реакционную смесь перемешивали 2 ч, выпавший осадок отфильтровывали и перекрис-таллизовывали из 2-пропанола. Выход 1.20 г (87%), бесцветные кристаллы, т.пл. 54-56 0С

(2-пропанол). ИК спектр,н, см 1 3274 (C=N—

Оцикл.), 2905, 2847 (C-HAd). Найдено, %: С

77.32; Н 8.64; N 6.21. C14H19NO. Вычислено, %: С 77.42; Н 8.76; N 6.45.

Литература

1. Машковский М. Д. Лекарственные средства. Т.1,2.- Москва: Новая Волна, 2002.- 325.

2. Rosengarten G. D. // Lieb. Ann. Chim.- 1894.-V. 279.- P. 237.

3. Seidel F. // Ber.- 1932.- V. 65.- P. 1205.

4. Seidel F., Thier W., Uber A., Dittmer J. // Ber.- 1935.- V. 68.- P. 1913.

5. Ruggli P., Maeder A. // Helv. Chim. Acta.-1942.- V. 25.- P. 936.

6. Jae-Chul J., Blake W. E., Avery M. A. // Tetrahedron.- 2002.- V.58.- P. 3639.

7. Pawer A., Patil A. A. // Ind. J. Chem.- 1994.-V. 33B.- P. 156.

8. Грапов А. Ф. // Усп. хим.- 1999.- №68.- C. 773.

9. Nazarinia M., Sharifian A., Shafiee A. // J. Het. Chem.- 1995.- V. 32- P. 223.

10. Пат. № 6056792, Япония. / Suzuki F., Iwazawa Y., Sato T., Igai T., Oguch T.

11. Butler D. E., De Wald H. A. // J. Org. Chem.-1971.- V. 36.- P. 2542.

12. Пат. № 3823157, США / De Wald H. A.

13. Пат. № 2423642, ФРГ / De Wald H. A.

14. Патент № 2072991, Россия / Шен А., Пенье Р., Вор Жан-Пьер, Мортье Ж., Кантегрий Р., Круаза Д.

15. Коньков С. А., Моисеев И. К. // ЖОрХ.-2009.- T. 45.- C. 1828.

16. Коньков С. А., Моисеев И. К. / Тез. докл. Всероссийской конференции по органической химии, посвященной 75-летию со дня основания ИОХ им. Н.Д. Зелинского РАН.- М.- 2009.- C. 229.

17. Texier-Boullet, F.; Klein, B.; Hamelin, J. // Synthesis.- 1986. - V.5.- P. 409.

18. Haddad N., Baron J. // Tetrahedron Lett.-2002.- V. 43.- P. 2171.

19. Norris T., Colon-Cruz R., Ripin D. H. B. // Org. and Biomol. Chem.- 2005.- V. 3.- P. 1844.

20. Curini M., Rosati O., Campagna V., Montanari F., Cravotto G., Boccalini M. // Synlett.- 2005.-V. 19.- p. 2927.

21. Chen X., She J., Shang Z., Wu J., Wu H., Zhang P. // Synthesis.- 2008.- V. 21.- P. 3478.

22. Gosselin F., O'Shea P. D., Webster R. A., Reamer R. A., Tillyer R. D., Grabowski E. J. // Synlett.- 2006.- V.19.- P. 3267.

23. Becke A. D. J. Chem. // Phys.- 1993.- V. 98.-P. 5648.

24. Tirado-Rives J., Jorgensen W. L. // J. Chem. Theory Comput.- 2008.- V. 4.- P. 297.

25. Matsuda S. P. T., Wilson W.K., Xiong Q. // Electronic Supplementary Information for Organic & Biomolecular Chemistry.- 2005, S1-S91.

11