Теоретическое и экспериментальное Исследование реакционной способности 1,2-ДИ(пиразол-1-ил)-1,2-дихлорэтанов в реакциях замещения и элиминирования Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 547.791.8

А.С. Потапов, А.И. Хлебников

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ 1,2-ДИ(ПИРАЗОЛ-1-ИЛ)-1,2-ДИХЛОРЭТАНОВ В РЕАКЦИЯХ ЗАМЕЩЕНИЯ И ЭЛИМИНИРОВАНИЯ

Пиразолсодержащие 1,2-дихлорэтаны

представляют интерес в качестве полупродуктов для получения широкого круга хелатообразующих лигнадов. Наличие вицинальных атомов галогена делает возможными для них как реакции нуклеофильного замещения с образованием производных этана, так и элиминирования, приводящего к пиразолил-замещенным этиленам.

В данной работа была исследована реакция нуклеофильного замещения атомов галогена в 1,2-бис(пиразол-1-ил)-1,2-дихлорэтанах в

суперосновной среде КОН-ДМСО.

При взаимодействии 3,5-диметилпиразола и дихлорпроизводного 3 с двумя метильными группами в пиразольных циклах был впервые получен 1,1,2,2-тетракис(3,5-диметилпиразол-1-ил)этан 4 (схема 1), недоступный по реакции 3,5-диметилпиразола с 1,1,2,2-тетрабромэтаном. Объемные заместители в этом лиганде должны придавать ему способность специфической координации, что является важным для построения кристаллических структур с заданной топологией.

В отличие от незамещенного 1,1,2,2-тетракис(пиразол-1-ил)этана, лиганд 4 растворим во многих органических растворителях, что существенно облегчает проведение реакций с его участием, в частности - синтеза координационных соединений. В соответствии со значительными

стерическими затруднениями, неоптимизирован-ный выход соединения 4 составлял только 2 %, а основным продуктом реакции являлся трис(3,5-диметилпиразол-1-ил)этен 5.

Пиразолсодержащие 1,2-дихлорэтаны

являются удобными полупродуктами для синтеза несимметричных 1, 1,2,2-тетра(пиразол-1 -

ил)этанов с разными парами пиразольных циклов. Так, например, при взаимодействии дихлорпроизводного 1 с двумя эквивалентами 3,5-диметилпиразола в среде КОН-ДМСО был получен 1,2-бис(3,5-диметилпиразол-1 -ил)-1,2-бис(пиразол-1-ил)этан 6 (схема 2).

В связи с наличием двух стереогенных центров для соединения 6 возможно существования двух диастереомеров, оба из которых образовались в результате реакции в практически равных количествах (по данным ЯМР, см. таблицу).

Следует отметить, что диастереомерный состав полученных продуктов (50:50) отличается от состава исходного хлорпроизводного 1 (60:40), это позволяет делать предположения о механизме замещения. При полностью бимолекулярном механизме SN2 соотношение диастереомеров не должно изменяться.

Наблюдаемое при образовании соединения 6 соотношение диастереомеров 50:50, говорит о происходящей в процессе замещения рацемизации

Таблица. Продукты взаимодействия пиразолсодержащих 1,2-дихлорэтанов 1-3 с пиразолами в ___________________________суперосновной среде ДМС0-K0H_____________________________

Дихлорпроизводное Продукт замещения (выход) Соотношение диастереомеров Продукт элиминирования

1 6 (15 %) 50:50 8 (90 %)

3 6 (21 %) 60:40 9 (86 %)

2 7 (16 %) 60:40 10 (56 %)

2 - - 11(88 %)

и свидетельствует в пользу мономолекулярного механизма с равновероятной атакой нуклеофила по обе стороны плоскости карбокатиона [1]. Помимо продукта замещения 6 в результате реакции образуется также продукт элиминирования - алкен 7, причем из двух возможных стереоизомеров (Е- или 2-) образуется только один.

Соединение 6 также было получено другим путем - взаимодействием диметилзамещенного производного 1,2-дихлорэтана 3 с пиразолом (схема 2).

При этом увеличивается выход продукта, что связано, по видимому, с меньшим объемом нуклеофила. Отличается также диастереомерный состав продуктов - один из диастереомеров несколько преобладает над другим (см. таблицу). Учитывая то, что субстрат нуклеофильного замещения представлял собой один диастереомер (мезо--форма), в случае бимолекулярного механизма следовало ожидать образования только мезо-формы соединения 6. Небольшой

диастереомерный избыток говорит о преобладании мономолекулярного механизма

замещения с небольшой долей бимолекулярного, либо, учитывая значительный объем заместителей в субстрате и объем самого нуклеофила, о более предпочтительной атаке пиразолат-иона с одной из сторон карбокатиона.

Продукт элиминирования 8 (схема 2), как и в предыдущем случае, образуется только в виде одного геометрического изомера (см. таблицу).

Аналогично описанным выше протекает реакция с участием 3-метилзамещенного

субстрата 2 - при этом образуется 1,1,2,2-тетракис(пиразол-1-ил)этан 9 с соотношением диастереомеров 60:40 (см. таблицу) и один из изомеров алкена 10 (схема 2).

При увеличении объема нуклеофила (3,5-диметилпиразол) продукт замещения выделен не был, а образовался только продукт элиминирования - алкен 11 (схема 2).

Для установления строения несимметричных трис(пиразол-1-ил)этенов, 8, 10, 11 мы применили подход, включающий сравнение корреляций экспериментальных химических сдвигов и вычисленных методами квантовой химии. Как видно из молекулярных моделей Е- и 2-изомеров алкена 7 (рисунок 1 ), полученных оптимизацией геометрии в рамках ТФП (функционал ВР86,

базисный набор Т2\РР), в 2-изомере два незамещенных пиразольных цикла находятся практически в одной плоскости с двойной связью этиленового линкера (торсионные углы ЫМСС 9.8° и 28.8°), а плоскость 3,5-диметил-пиразольного цикла почти перпендикулярна ей (угол №ЫСС 90.4°). В связи с этим атомы водорода в положениях 5 пиразольных циклов (атомы номер 24 и 32 на рисунке 1) оказываются экранированными кольцевым током 3,5-диметилпиразольного цикла и их расчетные химические сдвиги находятся в относительно сильном поле. В молекуле Е-изомера 7 в область экранирования попадает только один атом водорода (номер 32 на рисунке 1), причем из-за расположения соседнего пиразольного цикла это экранирование гораздо слабее (химический сдвиг протона 7.67 м. д.

В экспериментальном ЯМР 1Н спектре соединения 7 в области сильного поля ароматических протонов зарегистрировано пять сигналов - синглет протона в положении 4 замещенного пиразольного цикла, два триплета протонов в положениях 4 незамещенных пиразольных циклов и два дублета, положения которых хорошо согласуются с вычисленными для атомов водорода в положениях 5 незамещенных пиразольных колец. Исходя из этого, соединению 7 следует приписать строение 2-изомера.

В экспериментальном спектре соединения 8 дублеты протонов в положениях 3 и 5 пиразольных циклов находятся в характерном для них слабом поле (7.86 и 7.74 м. д. соответственно). В то же время, синглет протона этиленового линкера смещен в более сильное поле (6.94 м. д.) по сравнению с соответствующим сигналом в спектре соединения 7 (7.96 м. д.). Также в несколько более сильном поле, чем обычно, находятся сигналы двух метильных групп (1.89 м. д.).

Эти особенности спектра хорошо воспроизводятся квантово-химическими

расчетами, выполненными для Е-изомера алкена 8. В соответствии с рисунком 2, метильные группы в положении 5 пиразольного цикла Pz2 и положении 3 цикла Pz1 находятся в области экранирования незамещенным пиразольным циклом, что объясняет нахождение их сигналов в сильном поле (расчетные значения химических

сдвигов 1.80 и 2.15 м. д.). В ¿-изомере соединения 8 3,5-диметилпиразольные циклы выведены из плоскости двойной связи (углы NNCC 37.8° и 18.4°), поэтому они не оказывают дезэкранирующего действия на этиленовый протон (атом номер 18 на рисунке 2, расчетный химический сдвиг 7.26 м. д.). Напротив, в 2-изомере незамещенный пиразольный цикл лежит в одной плоскости с двойной связью (угол №ЫСС 12.4°) и дезэкранирует этиленовый протон (расчетный химический сдвиг 8.42 м. д.). Таким образом, на основании изложенного соединению 8 следует относить строение ¿-изомера, что подтверждается также хорошей корреляцией расчетных и экспериментальных значений химических сдвигов.

В спектрах ЯМР 1Н алкенов 10 и 11 сигналы протонов в положении 5 одного из пиразольных колец находятся в сильном поле. Равновесные структуры, полученные оптимизаций геометрии Е- и 2- изомеров этих соединений, указывает, что экранирование указанных протонов возможно для соединений Е-10 и 2-11.

Таким образом, во всех четырех рассмотренных реакциях взаимодействия пиразолсодержащих 1,2-дихлорэтанов и пиразолов (схема 2) образуются трис(пиразол-1-ил)этены, в молекулах которых пиразольные циклы из исходного производного 1,2-

дихлорэтана находятся по разные стороны двойной связи.

Наблюдаемую стереоспецифичность можно объяснить на основании вероятного механизма реакции. Очевидно, что трис(пиразол-1-ил)этены образуются в результате элиминирования молекулы HCl из 1,1,2-трис(пиразол-1-ил)-2-хлорэтанов A (схема 3), для которых, в следстиве наличия двух неэквивалентных стереогенных центров, возможно существование четырех

стереоизомеров, образующих две

диастереомерные пары оптических антиподов

(эритро- и трео-формы). В результате антидегидрохлорирования эритро-форма образует

алкен, в котором одинаковые пиразольные циклы находятся по одну сторону двойной связи, в трео-форма - по разные.

Стреоспецифичное получение алкенов с одинаковыми пиразольными циклами по разные стороны двойной связи говорит о предпочтительном образовании трео-формы промежуточного продукта A (схема 3). Частичная рацемизация, наблюдаемая в процессе нуклеофильного замещения атомов хлора на пиразольные остатки свидетельствует о неравновероятной атаке нуклеофила на разные стороны плоскости карбокатиона B,

образующегося из исходного дихлорпроизводного (схема 3).

Для оценки пространственных затруднений, возникающей при атаке катиона В по одну и другую сторону плоскости была выполнена оптимизация его геометрии в рамках ТФП, из которой следует, что карбокатионный центр сверху плоскости экранирован атомом хлора при соседнем атоме углерода, поэтому в этом направлении атака объемного пиразолат-аниона оказывается невозможной. В то же время, снизу плоскости карбониевый центр является доступным для нуклеофильной атаки, в результате которой образуется трео-диастереомер соединения А, дегидрохлорирование которого приводит к геометрическому изомеру алкена с одинаковыми пиразольными циклами по разные стороны двойной связи (схема 3).

Таким образом, нами предложен способ получения трис(пиразол-1-ил)этенов -

представителей практически неизученного класса соединений - поли(азолил)этиленов, включающий взаимодействие пиразолов с 1,2-бис(пиразолил)-1,2-дихлорэтанами и позволяющий получать алкены с различными азольными остатками, причем при этом образуется только один из возможных геометрических изомеров.

Экспериментальная часть

Спектры ЯМР регистрировали на приборе Вгикег ЛУ-300 (рабочая частота 300 МГц для протонов, 75 МГц для ядер 13С).

1.2-Бис(пиразол-1 -ил)-1,2 -дихлорэтаны синтезировали по ранее описанной методике [2].

1.1.2.2- Тетраки с(3,5-диметилпиразол-1-ил)этан (4). Смесь 0.533 г (5.55 ммоль) 3,5-диметилпиразола и 0.622 г (11.1 ммоль) порошкообразного КОН в 6 мл ДМСО перемешивали при 80 °С в течение 30 мин., затем, после охлаждения до комнатной температуры, добавляли 0.794 г (2.78 ммоль) дихлорпроизводного 3. Реакционную смесь перемешивали при 80 °С 24 ч, разбавляли 25 мл воды, выпавший осадок отфильтровывали, промывали водой и высушивали. Выход 0.020 г (2 %), бесцветные кристаллы, т. пл. 210-212 °С. Спектр ЯМР 'Н (ДМСО-й?6), 5, м. д.: 2.02 с (12Н, 3-Ые^), 2.32 с (12Н, 5-Ые^), 5.64 с (4Н, Н4^),

7.46 с (2Н, СН). Спектр ЯМР 13С (ДМСО-й?6), 5, м. д.: 10.3 (5-Ые-Р7), 13.4 (3-Ые-Р7), 66.5 (СН), 105.2 (С4^), 139.6 (С3-Р7), 147.2 (С5^).

Трис(3,5-диметилпиразол-1-ил)этен (5).

Фильтрат, полученный при выделении соединения 4 обрабатывали хлороформом (5 х 15 мл), экстракт высушивали над хлоридом кальция, после удаления растворителя получали 0.95 г (84 %) соединения 5. Спектр ЯМР 1Н (СБС13), 5, м. д.: 1.76, 1.77, 1.89, 2.04, 2.11, 2.16 с (18Н, 3-Ме-Р^ 5-Ые-Р7), 5.70, 5.77, 5.84 с (3Н, Н4^), 7.01 с (1Н, С=СН). Спектр ЯМР 13С (СБС13), 5, м. д.: 10.4 (5-Ые-Р7), 13.3 (3-Ые-Р7), 106.4, 106.7, 108.1 (С4^), 115.9 (СН=С), 125.4 (СН=С), 140.7, 141.0, 142.2 (С3-Р7), 149.5, 150.5, 150.8 (С5^).

1,2-Бис(3,5-диметилпиразол-1-ил)-1,2-бис(пиразол-1-ил)этан (6). Метод А. Смесь 0.415 г (4.328 ммоль) пиразола, 0.485 г (8.656 ммоль) тонко растертого гидроксида калия и 4.5 мл ДМСО перемешивали при 80 °С в течение 30 мин.

0.5 г (2.164 ммоль) соединения 3 разделили на три части, добавляли каждые 30 мин. После этого систему перемешивали при 80 °С еще 7 ч, разбавляли 45 мл воды, нейтрализовали соляной кислотой. Выпавший осадок отфильтровывали, промывали водой, высушивали на воздухе. Масса осадка (соединение 6 в виде смеси диастереомеров) 0.155 г (21 %). Спектр ЯМР 1Н (СБС13), 5, м. д.: 2.14-2.16 (6Н, 3-Ые-Р7), 2.34-2.36 (6Н, 5-Ые-Р7), 5.59-5.62 (2Н, Н4-Р7Ые2), 6.10-6.12 (2Н, Н4^), 7.36-7.48 (2Н, Н3), 7.59-7.69 (2Н, Н5), 7.73-7.82 (2Н, СН).

Метод Б. Взаимодействие 0.96 г (10 ммоль) 3,5-диметилпиразола, 1.16 г (5 ммоль) дихлорпроизводного 1 и 1.12 г (20 ммоль) КОН в 10 мл ДМСО осуществляли аналогично методу А. В результате получили 0.262 г (15 %) соединения 6 (смесь диастереомеров).

(.2)-1-(3,5-Диметилпиразол-1-ил)-1,2-6ис(пиразол-1-ил)этен (7). Фильтрат,

полученный после выдедения продукта 6 (метод Б) обрабатывали хлороформом (4*10 мл), экстракт промывали водой (2*10 мл), высушивали над безводным хлоридом кальция, упаривали в вакууме. Выход 90 %. Спектр ЯМР 1Н (СБС13), 5,

м. д.: 1.87 с (3Н, 3-Ые^), 2.23 с (3Н, 5-Ые-Р7), 5.97 с (1Н, H4-Ыe2Pz), 6.15 т (1Н, Н4-Р7, 3 2 Гц), 6.26 т (1Н, Н4-Р7, 3 2 Гц), 6.42 д (1Н, Н5-Р^ 3 2 Гц), 7.09 д (1Н, Н5-Р7, 3 2 Гц), 7.50 д (1Н, Н3-Р^ 3

2 Гц), 7.57 д (1Н, Н3-Р7, 3 2 Гц), 7.96 с (С=СН). Спектр ЯМР 13С (СБС13), 5, м. д.: 10.0 (5-Ые-Р7),

13.5 (3-Ые-Р7), 107.4 (С4-Ые2Р7, С4^), 108.3 (С4-Р7), 118.2 (С=СН), 122.8 (С=СН), 127.8 (С5^), 128.2 (С5^), 141.2 (С3-Р7), 141.6 (С5^), 142.2 (С5-Ые2Р7), 152.1 (С3-Ые2Р7).

(Е)-1,2-бис(3,5-Диметилпиразол-1-ил)-1-(пиразол-1-ил)этен (8). Фильтрат, полученный при синтезе соединения 6 (метод А) обрабатывали хлороформом (4*10 мл), экстракт промывали водой (2*10 мл), высушивали над безводным хлоридом кальция, упаривали в вакууме. Масса твердого остатка (соединение 8) 0.423 г (86 %). Спектр ЯМР 1Н (СБС13), 5, м. д.: 1.87 с (3Н, 3-Ые-Р7), 1.89 с (3Н, 3-Ые-Р7), 2.19 (3Н, 5-Ые-Р7), 2.27 (3Н, 5-Ые-Р7), 5.79 (1Н, Н4-Р7Ые2), 5.96 (1Н, Н4-Р^е2), 6.29 (1Н, Н4^), 6.94 (1Н, Н3), 7.26 (1Н, Н5), 7.63 с (1Н, СН).

1,2-£ис(3-метилпиразол-1-ил)-1,2-бис(пиразол-1-ил)этан (9) получен аналогично соединению 6 из 1.29 г (5 ммоль) дихлорпроизводного 2, 0.68 г (10 ммоль) пиразола и 1.12 г (20 ммоль) КОН в 10 мл ДМСО. Выход соединения 9 (смесь диастереомеров) 0.259 г (16 %), бесцветные кристаллы. Спектр ЯМР 1Н (ДМСО-й?6), 5, м. д.: 2.04 (3Н, Ме^), 2.06 (3Н, Ые-Р7), 5.89 (1Н, Н4-ЫеР7), 5.93(1Н, Н4-ЫеР7), 6.10 (1Н, Н4^), 6.14 (1Н, Н4^), 7.36 (1Н, Н5-ЫеР7), 7.39 (1Н, Н5-ЫеР7), 7.97 (1Н, Н5^), 8.01 (1Н, Н5^), 8.07 (3Н, Н3-Р7, СН), 8.13 (1Н, Н3^). Спектр ЯМР 13С (ДМСО-й?6), 5, м. д.: 13.3 (СН3-Р7), 72.6 (СН), 105.7 (С4-ЫеР^ С4^), 130.4 (С5-ЫеР7), 131.2 (С5^), 139.8 (С3-ЫеР7), 148.4 (С3-

Р7).

(Е)-1,2 -бис(3 -Метилпиразол-1 -ил)-1 -(пиразол-1-ил)этен (10) выделен в качестве

побочного продукта при синтезе соединения 9 аналогично алкенам 7 и 8. Выход 56 %. Спектр ЯМР 1Н ^С13), 5, м. д.: 2.20, 2.32 с (6Н, СН3-Р7), 5.96 д (1Н, Н4-ЫеР^ 3 2 Гц), 6.24 д (1Н, Н4-ЫеР^

3 2 Гц), 6.29 т (1Н, Н4-Р7, 3 2 Гц), 6.36 д (1Н, Н5-ЫеР^ 3 2 Гц), 7.19 д (1Н, Н5-ЫеР^ 3 2 Гц), 7.31 (1Н, Н3^), 7.40 д (1Н, Н5-Р^ 3 2 Гц), 7.74 (С=СН). Спектр ЯМР 13С (СБС13), 5, м. д.: 13.2, 13.6 (СН3^), 107.5 (С4-ЫеР7), 108.5 (С4^), 117.6 (С=СН), 123.8 (С=СН), 125.1 (С5^), 128.3 (С5-Р7), 132.9 (С3-Р7), 141.6 (С5^), 150.6 (С5-ЫеР7),

152.5 (С3-ЫеР7).

(.2)-1-(3,5-Диметилпиразол-1-ил)-1,2-бис(3-метилпиразол-1-ил)этен (11). Смесь 0.384 г (4 ммоль) 3,5-диметилпиразола, 0.448 г (8 ммоль) порошкообразного КОН и 4 мл ДМСО перемешивали при 80 °С в течение 30 мин, затем охлаждали до комнатной температуры и прибавляли 0.518 г (2 ммоль) дихлорпроизводного 2. После этого реакцинную смесь перемешивали при 80 °С 24 ч, разбавляли 40 мл воды, обрабатывали хлороформом (4*10 мл), экстракт промывали водой (2*10 мл), высушивали над безводным хлоридом кальция, упаривали в вакууме. Выход 0.49 г (88 %). Спектр ЯМР 1Н (СБС13), 5, м. д.: 1.93-2.33 (12Н, 3-Ые-Р7, 5-Ые-Pz), 5.96 д (1Н, Н4-ЫеР7, 3 2 Гц), 5.99 с (1Н, Н4-Ые^), 6.07 д (1Н, Н4-ЫеР7, 3 2 Гц), 6.29 д (1Н, Н5-ЫеР^ 3 2 Гц), 6.96 д (1Н, Н5-ЫеР7, 3 2 Гц). Спектр ЯМР 13С (СБС13), 5, м. д.: 10.1-13.5 (СН3-Р7), 107.2 (С4-ЫеР7, С4-Ые2Р7), 108.3 (С4-ЫеР7), 117.4 (С=СН), 121.9 (С=СН), 128.3 (С5-ЫеР7), 128.7 (С5-ЫеР7), 142.1 (С5-Ые2Р7), 150.3 (С3-ЫеР7), 151.1 (С3-ЫеР7), 151.8 (С3-Ые2Р7).

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 13-03-98033 р_сибирь_а.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Shiner, V. 3. a-Deuterium effects on the rates of solvolysis of a 2-adamantyl sulfonate ester / V. J. Shiner, R. D. Fisher // J. Am. Chem. Soc. - 1971. - V. 93.- P. 2553-2554.

2. Каросева, М. Ю. Исследование взаимодействия пиразолсодержащих диолов с тионилхлоридом / М.Ю. Каросева, А.С. Потапов, А.И. Хлебников // Ползуновский вестник. - 2011. - № 4-1. - С. 6-9.

□Авторы статьи:

Потапов Андрей Сергеевич, д.х.н., доцент, зав. каф.«Химия и химическая технология», Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, г. Барнаул , e-mail: asp99@yandex.ru

Хлебников Андрей Иванович, д.х.н., профессор, декан факультета пищевых и химических производств, Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, г. Барнаул, e-mail: aikhl@nm.ru