CC BY
12УДК 547.791.1 (083.744)
ЦИАНОМЕТИЛИРОВАНИЕ / НИТРОТРИАЗОЛИРОВАНИЕ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ 3-НИТРО-1,2,4-ТРИАЗОЛАТА НАТРИЯ
С ХЛОРАЦЕТОНИТРИЛОМ
Г.Т. Суханов, А.Г. Суханова, Ю.В. Филиппова, К.К. Босов, И.А. Крупнова, А.Н. Новицкий
Установлено, что взаимодействие 3-нитро-1,2,4-триазолата натрия с хлорацетонит-рилом сопровождается тандемными процессами: цианометилирование / гетерилирование. Цианометилирование протекает неселективно по всем трем атомам азота гетероцикла с образованием смеси N(1)-, N(2)- и Щ4)-цианометил-3(5)-нитро-1,2,4-триазолов. Гетерилирование С(3)-нитрогруппы более реакционно-способного из ряда изомерных производных - N(2)-замещенного нитротриазола - протекает с образованием 2-(3-нитро-1,3'-би(2Н-1,2,4-триазол)-2'-ил)ацетонитрила.
Ключевые слова: 3-нитро-1,2,4-триазолат натрия, хлорацетонитрил, цианометилирование, нуклеофильное замещение, гетерилирование.
Наиболее распространенный метод модификации 3-нитро-5-Р-1,2,4-триазолов - ал-килирование.
Селективность алкилирования гетероцик-лов, обладающих амбидентными свойствами и содержащих в структуре несколько реакционных центров - три атома азота различной природы и реакционно-способную С-нитрогруппу, это скорее исключение, нежели правило.
В зависимости от алкилирующего реагента и условий реакции изменяется соотношение продуктов алкилирования и продуктов сопутствующих реакций нуклеофильного замещения.
Изучено взаимодействие 3-нитро-5-Р 1,2,4-триазолата натрия с алкилирующими реагентами различной структуры: первичные-и вторичные галогеналканы [1-3], диалкил-сульфаты [4-6] и олигомерные, содержащие терминальные нитратные группы [7]. Показано, что во всех случаях процесс протекает неселективно с образованием смеси продуктов замещения по всем трем атомам азота N(1)-, N(2)- и ^4)-нитротриазолового гетероцикла.
Кроме того, производные 3-нитро-1,2,4-триазола содержат в структуре реакционно-способную в процессах Бм'^-замещения О- и ^нуклеофилами нитрогруппу. Квантово-хи-мическое и экспериментальное исследования нуклеофильного замещения нитрогруппы N алкил-3-нитро-5Р-1,2,4-триазолов О-нуклео-филами показали, что реакционная способность изомерных производных зависит от местоположения заместителя и изменяется в ряду N(2) > N(4) >>>>N(1) [8-10].
Из смеси изомерных N(1)-, N(2)- и N(4)-изопропил-3-нитро-1,2,4-триазолов и произ-
водных полиэтиленгликоля-600 с концевыми N(1)-, N(2)- и ^4)-3-нитро-1,2,4-триазолами, полученных в процессе взаимодействия с соответствующими алкилирующими реагентами, в процессах гетерилирования ^нуклео-филами принимают участие только N(2)- и ^4)-замещенные производные [1, 7].
Из алкилирования активированными га-логеналканами в литературе имеется краткое сообщение о взаимодействии 3-нитро- и 3-бром-1,2,4-триазолов с хлорацетонитрилом с образованием только одного изомера [11]. На основании неполного анализа ЯМР 1Н-спектра с указанием одного из сигналов протонов, относящихся к метиленовой группе заместителя, и элементного анализа только на содержание азота продуктам реакции приписана структура ^1)-замещенных 2-(3-Р-1Н-1,2,4-триазол-1ил)ацетонитрилов (Р = N02, Вг) [11]. Такое течение реакции кажется маловероятным.
Целью данной работы является исследование селективности функционализации 3-нитро-1,2,4-триазолата натрия по атомам азота гетероцикла в процессах цианометили-рования хлорацетонитрилом, содержащим реакционноспособные функциональные группы и высокоэнтальпийную нитрильную группу, и исследование вторичных реакций нук-леофильного замещения С-нитрогруппы присутствующими в реакционной массе N и О-нуклеофилами.
Показано, что взаимодействие 3-нитро-1,2,4-триазолата натрия с хлорацетонитри-лом в среде этилового спирта сопровождается тандемными процессами: цианометилиро-вание / нуклеофильное замещение (схема 1).
O2N NaBr O2N
N
Na
N
ClCH2CN
Г
ON
N
Г'
N ON
1
N
V
n' > + N'1 ^
+ N
N
2
4
O4
J 'H
N, ^ a N 6
SN N=\
- I * N.
1
N N^N 5
Схема 1 - Взаимодействие 3-нитро-1,2,4-триазолат аниона с хлорацетонитрилом.
3
Цианометилирование 3-нитро-1,2,4-триазо-лата натрия хлорацетонитрилом протекает неселективно по всем трем атомам азота с образованием смеси N(1)-, N(2)- и ^4)-изомеров.
Последовательно-параллельно реакции цианометилирования 3-нитро-1,2,4-триазола хлорацетонитрилом протекают реакции нук-леофильного замещения С(3)-нитрогруппы наиболее реакционноспособного ^2)-заме-щенного нитротриазола N- и О-нуклеофилами, присутствующими в реакционной массе.
N-Нуклеофил - нитротриазолат натрия вступает в реакцию гетерилирования с N(2)-изомером 3 с образованием N-C-бицикли-ческого производного - 2-(3-нитро-1,3'-би(2Н-1,2,4-триазол)-2'-ил)ацетонитрила (5).
О-нуклеофилом может выступать гидро-ксид-ион. В этом случае нуклеофильное замещение нитрогруппы ^2)-замещенного производного 3 приводит к образованию 2-(5-оксо-4,5-дигидро-1,2,4-триазол-1 ил)ацетонит-рила (6). Ранее нами показано, что при взаимодействие ^2)-метил-3-нитро-1,2,4-триазо-ла с гидроксид-ионом образуется 1-метил-4Н-1,2,4-триазол-5-он, который вступает в реакцию с N-триазолонид-анионом с образованием N-С-триазолилтриазолоновой структуры с долей в смеси 3,8 % [9]. Вследствие низкой доли триазолона 6 в реакционной массе в отличие от процесса взаимодействия 1-ме-тил-4Н-5-нитро-1,2,4-триазола с n-бутиловым спиртом [9] в продуктах реакции не зафиксирован N-С-триазолилтриазолон.
В результате продуктом реакции является смесь, состоящая из 2-(3-нитро-1Н-1,2,4-триазол-1-ил)ацетонитрила (2), 2-(5-нитро-1Н-1,2,4-триазол-1-ил)ацетонитрила (3), 2-(3-нитро-4Н-1,2,4-триазол-4-ил)ацетонитрила (4) и 2-(3-нитро-1,3'-би(2Н-1,2,4-триазол)-2'-ил)аце-тонитрила (5) и 2-(5-оксо-4,5-дигидро-1,2,4-триазол-1ил)ацетонитрила (6). Соотношение продуктов реакции 2 / 3 / 4 / 5 / 6, определен-
ное по интегральным интенсивностям сигналов протонов кольцевых атомов углерода С(5)-Н в спектрах ЯМР 1Н, составляет 86,3 / 7,1 / 1,5 / 5,0 / 0,1 (масс. %), соответственно.
Контроль процесса взаимодействия натриевой соли 3-нитро-1,2,4-триазола с хлор-ацетонитрилом проводили с использованием ЯМР 1Н-спектроскопии до полного расходования нитротриазолята натрия 1 в реакционной массе (рисунок 1). Полная конверсия нитротриазола 1 достигается за 9 часов при температуре кипения растворителя и полуто-рократном избытке алкилирующего агента. Анализ состава смеси полученных соединений 2-6 проводился с использованием метода ЯМР 1Н-спектроскопии. Обнаруженная ранее особенность ^замещенных производных нитротриазолов, связанная с существенной зависимостью резонанса протонов эндоцик-лического атома углерода ^5) гетероцикла в спектре ЯМР 1Н от структуры и местоположения экзоциклических заместителей при атомах азота N(1), N(2) и N(4) [3, 5], позволяет сделать однозначное отнесение сигналов в спектре полученных соединений.
Спектры ЯМР 1Н регистрировали на спектрометре АМ-400 фирмы «Вгикег» (400,13 МГц) в ДМСО^6, внутренний стандарт ДМСО^6. Протон ^5)-Н ^1)-изомера 2 регистрируется в ЯМР 1Н-спектре при 8,94 м. д. и находится в более слабом поле по отношению к сигналу протона ^2)-изомера 3 (8,47 м. д.), а сигнал протона ^4)-изомера 4 регистрируется в области 8,82 м. д. ЯМР 1Н-спектр изомерных производных 2-4 содержит сигналы метиле-новой группы в виде синглетов ^-СН2С^ при 5,79 м. д., 5,72 м. д. и 5,08 м. д. Химсдви-ги С(5)-Н протонов гетерилзамещенного бициклического производного 5 находятся в спектре при 9.63 м.д. (а ) и равноинтенсив-ный сигнал при 8.36 м.д. (Ь5), соответственно (рисунок 1).
N
0.0055q
0.0050-= 0.0045-= | 0.0040Í
s i
I 0.0035-=
а
ON
^H a2
ON
JTN
V
а
D.0D20Í 0.0015-= 0.0010-= 0.0005-=
•Л" 4
ON
b5
N \
N-N
O2N
)=N a3 -N
b5
а
а4
0.998 U
0.296 U
1.414 Ы
0.99« Ы
"I.........I.........11 1
8.9 e.S 8.7 Chemical Shifi {pprnj
1
Рисунок 1 - ЯМР Н-спектр сигналов С-Н протонов реакционной смеси продуктов взаимодействия хлорацетонитрила с 3-нитро-1,2,4-триазолом
1
В ЯМР Н-спектре полученного триазоло-на 6 сохраняется полоса протонов заместителя, связанного с атомом азота N(2) в области 5,25 м.д. Кислые протоны, связанные с циклическими атомами азота и углерода триазолона 6, регистрируется синглетами в характеристичной для триазолоновых структур области [12], в первом случае - слабых полей при 10,77 м.д., во втором - при 7,69 м.д.
В ЯМР 13С-спектре ^1)-замещенного производного 2 присутствуют сигналы угле-родов С(3), связанного с нитрогруппой в области 162,83 м.д., и С(5) гетероцикла в области 151,89 м.д., а также полосы углеродов заместителя у атома азота N(1) в области 114,77 м.д. (-СН2-С^ и 148,39 м.д. (-СН2-ОЧ).
Масс-спектроскопический анализ проводили по фиксации молекулярных, основных по интенсивности, а также аддукт-ионов, характерных для изомерных производных 2-5. Регистрацию масс-спектров проводили с помощью квадрупольного масс-селективного детектора хроматографа ВЭЖХ-МС.
Анализ масс-спектров ацетонитрильных растворов изомерных нитротриазолов 2-5 в условиях ионизации электростатическим рас-
пылением при атмосферном давлении (АР1-ES) с добавлением в элюент 1 мкМ трифто-руксусной кислоты (ТФК) показал, что для молекул производных 2-5 в большей степени характерно формирование аддуктов с ре-актант-ионами (такими как оксиды азота из атмосферы, ТФК из элюента) и в меньшей степени образование молекулярного иона.
Вследствие этого наибольшей интенсивностью в масс-спектре ацетонитрильного раствора нитротриазола 2 обладает пик с m/z 266, образующийся в результате взаимодействия молекулярного иона с трифторуксусной кислотой ([C2HF3O31-CN-CH2-3H-H]-). Пик молекулярного иона нитротриазола 2 c m/z 152 ([1-CN-CH2-3H-H]-) в спектре характеризуется значительно меньшей интенсивностью сигнала в сравнении с сигналом пика аддукт-иона.
Характерной особенностью масс-спектра ^2)-замещенного производного 3 является то, что пик молекулярного иона с m/z 153 отсутствует, а в масс-спектре преобладают ионы с m/z 199 и 266, соответствующие аддук-там (NO2-[2-CN-CH2-3H-Hf) и ([C2HF3O32-CN-CH2-3H-H]-).
N
N
5
a
H
N
100 — o2n 2 ^n n. ^ ( n
80- — n
60-
40-
20- |
о- , . .. ... 1, .. ......l.............. l .
200 400 m/2
Рисунок 2 - Масс-спектр N(1)- и Ы(2)-замещенных производных 2 и 3.
Пик, обладающий наибольшей интенсивностью в масс-спектре (3-нитро-[1,3']би[[1,2,4]триазолил]-2'-ил)-ацетонитрила, соответствует молекулярному иону ([2-CN-CH2-3H-3H-H]") с m/z 219. Особенностью N-С-бициклического производного 5 является отсутствие аддуктов с реактант-ионами.
I
I, . I
н .ll LI. . L 11>. iL.....I .1
. I ,1
Рисунок 3 - Масс-спектр 2-(3-нитро-1,3'-би(2Н-1,2,4-триазол)-2'-ил)ацетонитрила
Особенностью полученных производных 2-5 является малая интенсивность пиков молекулярных ионов (нитротриазол 2), либо полное его отсутствие (нитротриазол 3), а преобладающими по интенсивности являются пики аддукт-ионов, причем для N(1)-изомера в качестве реактант-иона выступает ТФК, а для ^2)-изомера - N02
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Истошина, В. А. Новое в реакции алкилиро-
вания 3-нитро-1,2,4-триазолата натрия изопропил-бромидом / В. А. Истошина, Г. Т. Суханов, Ю. В. Филиппова, А. Г. Суханова // Ползуновский вестник. -
2014. - № 3. - С. 20-23.
2. Суханов, Г. Т. Алкилирование 3-нитро-5-Р-триазолята натрия йодистым метилом при повышенных температурах / Г. Т. Суханов, А. Г. Суханова, Ю. В. Филиппова, В. А. Истошина // Ползуновский вестник. - 2013. - № 3. - С. 58-61.
3. Суханов, Г. Т. Реакции производных 3-нитро-1,2,4-триазола с алкилирующими агентами. Сообщение 1. Алкилирование в присутствии щелочи / Г. Т. Суханов, А. Ю. Лукин // Химия гетероциклических соединений. - 2005. - № 7. - С. 10201025.
4. Суханов, Г. Т. Исследование селективности алкилирования 3-нитро-5-Р-1,2,4-триазолов диметилсульфатом в основных средах / Г. Т. Суханов, А. Г. Суханова, Ю. В. Филиппова, К. К. Босов, И. А. Крупнова // Ползуновский вестник. -
2015. - №2. - С. 132-135.
5. Суханов, Г. Т. Реакции производных 3-нитро-1,2,4-триазола с алкилирующими агентами 9. Новое в реакции взаимодействия 3-нитро-5-Р-1,2,4-триазолат-анионов с диэтилсульфатом / Г. Т. Суханов, Ю. В. Филиппова, А. Г. Суханова // Химия гетероциклических соединений. - 2012. - № 9. - С. 1438-1444 [СИет. с^ Не1егосус!. Сотрс1. - 2012. -V. 48, № 9. - Р. 1340-1346].
6. Суханов, Г. Т. К вопросу селективности этилирования натриевой соли 3-нитро-1,2,4-триазола в среде воды / Г. Т. Суханов, Ю. В. Филиппова, А. Г. Суханова // Ползуновский вестник. -2010. - № 3. - С. 12-14.
7. Истошина, В. А. Тандемные реакции в синтезе полиэтиленгликоля-600 с концевыми нитро-триазолсодержащими группами / В. А. Истошина, К. К. Босов // Ползуновский вестник. - 2014. - № 3. - С. 142-145.
8. Матулис, В. Э. Квантовохимическое и экспериментальное исследование нуклеофильного замещения в ряду Ы-алкил-3-нитро-1,2,4-триазолов / В. Э. Матулис, Ю. В. Григорьев, А. Г. Суханова, Ю. В. Филиппова, И. А. Крупнова, О. А. Ивашкевич //
Доклады НАН Беларуси. - 2014. - № 6. - С. 47-52.
9. Суханов, Г. Т. Влияние структуры первичных спиртов на нуклеофильное замещение нитро-группы 1-метил-5-нитро-1,2,4-триазола алкоксид-анионами / Г. Т. Суханов, А. Г. Суханова, Ю.В. Филиппова, К. К. Босов, И. А. Мерзликина // Ползу-новский Вестник. - 2013. - № 3. - С. 70-73.
10. Мерзликина, И. А. Влияние Сэ-замес-тителей на процесс Эы^-замещения нитрогруппы 1-изопропил-5-нитро-3Р-1,2,4-триазолов метиловым спиртом / И. А. Мерзликина, А. Г. Суханова, Ю. В. Филиппова // Ползуновский вестник. - 2014. -№ 3. - С. 13-16.
11. Терпигорев, А. Н. Алкилирование 3-R-1,2,4-триазолов активированными галогеналкана-ми / А. Н. Терпигорев, М. Б. Щербинин, А. Г. База-нов, И. В. Целинский // Журнал органической химии. - 1982. - Т. XVIII, вып. 2. - С. 463.
12. Al-Awadi, Nour'a A. Reg'oselect've synthesis of 1,2,4-triazol-3(2H)-ones and their 3(2H)-th'ones: Kinetic studies and selective pyrolyt'c deprotect'on // Heteroatom Chemistry. - 2003. - V.14, № 1. - Р. 50-55.
Суханов Г.Т. - доктор химических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), ipcet@mail.ru, тел. (3854)301976.
Суханова А.Г. - кандидат химических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт про-
блем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), ipcet@mail.ru, тел. (3854)301976.
Филиппова Ю.В. - кандидат химических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), ipcet@mail.ru, тел. (3854)301976.
Босов К.К. - кандидат технических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), ipcet@mail.ru, тел. (3854) 301976.
Крупнова И.А. - Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), ipcet@mail.ru, тел. (3854)301976.
Новицкий А.Н. - Бийский технологический институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» (БТИ Ал-тГТУ), ipcet@mail.ru, тел. (3854)301976.
