CC BY
4УДК 547.791.1 (083.744)
ВЛИЯНИЕ Сз-ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ НА ПРОЦЕСС 8мф80-ЗАМЕЩЕНИЯ НИТРОГРУППЫ 1-ИЗОПРОПИЛ-5-НИТРО-3Р-1,2,4-ТРИАЗОЛОВ
МЕТИЛОВЫМ СПИРТОМ
Мерзликина И.А., Суханова А.Г., Филиппова Ю.В.
Установлено, что 1-изопропил-3^5-нитро-1,2,4-триазолы вступают в реакцию нук-леофильного замещения нитрогруппы с метоксид-анионом. Показано, что заместитель С3 в значительно меньшей степени влияет на активность замещения нитрогруппы, чем структура и местоположение заместителя у атомов азота N-алкил-3-R-5-нитро-1,2,4-триазола. Увеличение длительности процесса замещения нитрогруппы 1-изопропил-3-этил-5-нитро-1,2,4-триазола метиловым спиртом приводит к протеканию побочной реакции с гидроксид-анионом и образованию 1-изопропил-3-этил-4Н-1,2,4-триазол-5-она.
Ключевые слова: Б^^-замещение нитрогруппы, О-нуклеофил, 1-изопропил-3R-5-метокси-1,2,4-триазолы, 1-изопропил-3R-5-нитро-1,2,4-триазолы, 1 -изопропил-3-этил-4Н-1,2,4-триазол-5-он
К настоящему времени накоплены обширные данные по исследованию процесса нуклеофильного замещения в ряду ароматических соединений. Результаты таких исследований в полной мере представлены и обобщены в обзорах [1, 2]. В ряду гетеро-ароматических соединений эта реакция исследовалась в основном на нитро-пиридинах [3], азинах, нитроаренах, динитро-1,2,4- [4] и
1.2.3-триазолах [5].
Реакции нуклеофильного замещения нитрогруппы в ряду Ы-алкил-3-нитро-1,2,4-триазолов мало изучены. В работе [6] имеются сведения о кинетике замещения нитрогруппы гидроксильной группой в 1-метил-3-нитро-, 1-метил-5-нитро- и 3-нитро-4-метил-
1.2.4-триазолов, однако данные о структуре и свойствах образующихся соединений отсутствуют.
На процесс нуклеофильного замещения нитрогруппы оказывают влияние структуры субстрата и нуклеофильного реагента.
Изучение влияния структуры нуклео-фильного реагента на процесс замещения нитрогруппы 1-метил-5-нитро-1,2,4-триазола показало, что активность спиртов снижается в ряду: метиловый > этиловый > п-пропиловый > п-бутиловый спирты [7].
Недавно нами установлено, что изомерная природа субстрата оказывает влияние на процесс замещения нитрогруппы метиловым спиртом региоизомерных N(1)-, N(2)- и N(4)-метил-5-нитро-1,2,4-триазолов. Подвижность нитрогруппы увеличивается в ряду: N(1) <<< N(4) < N(2) [8, 9].
Процессы нуклеофильного замещения нитрогруппы монозамещенных нитро-
триазолов в зависимости от алкильного заместителя в положении С3 в мировой практике не изучены.
Данное сообщение посвящено исследованию сравнительной подвижности нитро-группы 1-изопропил-3Р-5-нитро-1,2,4-
триазолов в реакции Бм'^-замещения в зависимости от заместителя в положении С3 гете-роцикла. В качестве субстратов выбраны наиболее активные в ряду изомерных производных - ^1)-алкилзамещенные 5-нитро-1,2,4-триазолы [8] - 1-изопропил-3Р-5-нитро-1,2,4-триазолы (Р=Н (1), СН3 (2), С2Н5 (3)). Выбор 1,5- и 1,3-замещенных нитротриазолов с вторичным ^-заместителем обусловлен их доступностью вследствие селективности процесса алкилирования нитротриазолов 1-3 спиртами в кислых средах [10].
В качестве нуклеофильного реагента для замещения нитрогруппы триазолов 1-3 использован наиболее реакционноспособный в ряду первичных спиртов - метиловый спирт [7].
Экспериментально установлено, что на процесс Бм'^-замещения оказывает влияние заместитель у атома углерода С3 гетероцик-ла.
Показано, что наиболее активным в ряду исследуемых нитротриазолов 1-3 в реакции нуклеофильного замещения нитрогруппы является 1-изопропил-5-нитро-1,2,4-триазол 1, взаимодействие которого с метиловым спиртом в щелочной среде протекает за 5 часов 40 минут с образованием единственного продукта реакции - 1-изо-пропил-5-метокси-1,2,4-триазола (4) с достаточно высоким выходом (таблица 1).
Замена протона при атоме углерода С3 на метильную группу сопровождается незначительным увеличением времени реакции до 6 часов 10 минут. Реакция протекает селективно с образованием 1-изо-пропил-3-метил-5-метокси-1,2,4-триазола (5) с выходом более 90 % (таблица 1).
Увеличение алкильного заместителя в положении С3 приводит к дальнейшему замедлению реакции.
Нуклеофильное замещение нитрогруппы 1-изопропил-3-этил-5-нитро-1,2,4-триазола 3 метоксид-анионом замедляется в сравнении с нитротриазолом 1 практически в 2 раза (таблица 1). Увеличение длительности процесса привело к протеканию побочной реакции замещения нитрогруппы триазола 3 с находящимся в реакционной массе гидроксид-анионом с образованием 1-изо-пропил-3-этил-4Н-1,2,4-триазол-5-она (7).
Таблица 1 - Времена реакции 1-изопропил-3Р-5-нитро-1,2,4-триазолов 1-3 с метиловым спиртом при 67-68 °С и выход образующихся 1-изопропил-3Р-5-метокси-1,2,4-триазолов 4-6
Заместитель R в Время реак- Выход 4-6,
положении С5 ции %
Н 5 ч 40 мин 85,1
СН3 6 ч 10 мин 90,3
С2Н5 10 ч 00 мин 88,7*
* Содержит менее 1 % триазол-5-она 7
Различие во временах удержания исходного и целевого продуктов позволило контролировать процесс нуклеофильного замещения нитрогруппы 1-изопропил-3Р-5-метокси-1,2,4-триазолов метиловым спиртом методом газожидкостной хроматографии. Метокситриазолы 4-6, являясь более летучими, имеют меньшее время удержания по сравнению с исходными нитротриазолами 1-3.
Исследование влияния структуры субстрата на процесс нуклеофильного замещения нитрогруппы Ы-алкил-3-Р-5-нитро-1,2,4-триазолов показало, что в отличие от изо-
мерной природы (местоположение заместителя) [8] и структуры заместителей у атомов азота [11], тип заместителя в положении С3 нитротриазолового гетероцикла оказывает существенно меньшее влияние на сравнительную подвижность нитрогруппы.
Структура полученных соединений подтверждена методами ЯМР 1Н, 13С- спектроскопией.
В ЯМР Н-спектрах 1-изопропил-3Р-5-метокси-1,2,4-триазолов 4-6 регистрируются все протоны алкильных заместителей. Протоны метокси-групп у атома углерода С3 (О-СН3) регистрируются в виде синглета в области 3,97 -г 4,01 м.д.
Структура триазол-5-она 7 доказана методом ЯМР 1Н-спектроскопией. В ЯМР 1Н-спектре регистрируются все протоны алкиль-ных заместителей. Вследствие дейтерообме-на сигнал кислого протона, связанный с атомом азота (N-H) не регистрируется.
В ЯМР 13С-спектрах 1-изопропил-3Р-5-метокси-1,2,4-триазолов 4-6 присутствуют сигналы углеродов С5, связанных с метокси-группой в области 147,58 г 158,25 м.д., и углеродов в положении С3 гетероцикла в области 155,59 г 160,32 м.д. В ЯМР 13С-спектрах 4-6 регистрируются сигналы углеродного скелета всех алкильных заместителей.
В ИК-спектрах 1-изопропил-3Р-5-метокси-1,2,4-триазолов 4-6 наблюдается характерная интенсивная полоса поглощения простой эфирной связи С-О-С в области 1120,8 г 1137,8 см-1.
В масс-спектрах всех изученных 1-изо-пропил-3Р-5-метокси-1,2,4-триазолов 4-6 наблюдаются довольно интенсивные пики молекулярных ионов [М]+, что свидетельствует об их высокой стабильности под действием электронного удара с энергией 70 эВ.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
1 13
Спектры ЯМР Н и С регистрировали на Фурье-спектрометре серии Avance 200 фирмы «Bruker AM-400» с рабочей частотой 400,13 МГц и 100,61 МГц для ядер 1Н и 13С, растворитель - ДМСО-d^ Контроль за ходом реакций и чистотой веществ осуществляли методом газохроматографического анализа проводили на хроматографе «Кристалл-2000М» с пламенно-ионизационным детектором, колонкой 5 % SE-30 (длина 2 м, диаметр 3 мм), с насадкой Supelcoport 80/100, при следующих режимах прибора: скорость газа-носителя (азота) - 30 мл/мин., температура испарителя - 170 °C, температура де-
ВЛИЯНИЕ Сз-ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ 1-ИЗОПРОПИЛ-5-НИТРО-3Р-1,2,4-ТРИАЗОЛОВ НА ПРОЦЕСС 8м'р5°-ЗАМЕЩЕНИЯ нитрогруппы метиловым спиртом
тектора 240 °C. ИК-спектры соединений записывали на приборе Фурье-спектрометр ФТ-801 в таблетках KBr. Масс-спектры регистрировали с использованием газового хроматографа/масс-спектрометра «Agilent GC 7890A MSD 5975C inert XL EI/CI» (США) с квадру-польным масс-спектрометрическим детектором (ГХ-МС) в режиме электронной ионизации при энергии электронов 70 эВ.
Исходные 1-изопропил-3Р-5-нитро-1,2,4-триазолы 1 и 2 синтезированы по методике [10]. В условиях аналогичных работе [10] ал-килированием 3-этил-5-нитро-1,2,4-триазола изопропиловым спиртом в концентрированной серной кислоте впервые был получен 1-изопропил-3-этил-5-нитро-1,2,4-триазол 3.
1-Изопропил-5-нитро-3-этил-1,2,4-триазол 3. Выход 49 %. Спектр ЯМР 1Н, 5, м.д.: 5,24 (м., 1Н, -СН-(СН3)2); 2,69 (м., 2Н, -СН^-СНз); 1,46 (д., 6Н, -СН-(СН3)2); 1,23 (т., 3Н, -СН2-СНз). Спектр ЯМР 13С, 5, м.д.: 162,82 (С3); 151,64 (С5); 54,22 (N-CH); 21,77 (N-CH2-); 22,23 (-CH-(CH3)2); 12,40 (-CH2-CH3). ИК (NO2), v, см-1: 1503,5; 1330,5; 840,11. Масс-спектр (ЭУ, 70 эв), m/z (1отн, %):143 (100), 43 (53), 97 (50), 41 (38), 42 (33), 169 (32), 184 (24), 56 (22), 81 (21), 39 (20).
Общая методика получения 1-изо-пропил-5-метокси-3^1,2,4-триазолов 4-6. Раствор 0,01 М соответствующего 1-изопропил-3Р-5-нитро-1,2,4-триазола 1-3 в 6 мл метилового спирта нагревают при интенсивном перемешивании. К кипящему раствору (67-68 °С) порционно прибавляют по 0,01 М гидроокиси натрия. Времена реакции приведены в таблице 1. По окончании выдержки реакционную массу охлаждают, кристаллический нитрит натрия отфильтровывают. Органический раствор упаривают досуха при пониженном давлении. Остаток растворяют в хлористом метилене, отфильтровывают остаточные неорганические соли. Раствор продукта в хлористом метилене промывают водным раствором Na2CO3 и водой до нейтрального рН, высушивают над безводным MgSO4, растворитель отгоняют при пониженном давлении. Получают соответствующий 1-изопропил-3Р-5-метокси-1,2,4-триазол 4-6. Выход полученных алкокситриазолов 4-6 приведен в таблице 1.
1-изопропил-5-метокси-3Н-1,2,4-1-изо-пропил-5-метокси-3Н-1,2,4-триазол 4. Спектр ЯМР 1Н, 5, м.д.: 7,54 (с., 1Н, С5-Н); 4,37 (м., 1Н, -СН-(СН3)2); 4,01 (с., 3Н, О-СН3); 1,31 (д., 6Н, -СН-(СН3)2). Спектр ЯМР 13С, 5, м.д.: 158,39 (С3); 147,58 (С5); 58,34 (-О-СН3); 48,06 (N-CH-); 21,85 (-СН-(СН3)2). ИК (С-О-С), v, см-1: 1120,8. Масс-спектр (ЭУ, 70 эв), m/z (1отн, %): 99 (100), 126
(99), 98 (94), 141 (85), 69 (60), 42 (35), 43 (31), 70 (29), 41 (23), 58 (16).
1-Изопропил-5-метокси-3-метил-1,2,4-триазол 5. Спектр ЯМР 1Н, 5, м.д.: 4,28 (м., 1Н, N-СН); 3,97 (с., 3Н, О-СН3); 2,11 (с., 3Н, С-СН3); 1,29 (д., 6Н, -(СН3)2). Спектр ЯМР 13С, 5, м.д.: 155,59 (С5-СН3); 150,00 (С-О-СН3); 58,23 (С-О-СН3); 47,67 (N-СНз); 21,858 (-(СН3)2); 14,80 (С5-СН3). ИК (С-О-С), v, см-1: 1137,5. Масс-спектр (ЭУ, 70 эв), m/z (1отн, %): 83 (100), 113 (99), 140 (99), 155 [М]+ (99), 112 (98), 42 (87), 56 (52), 84 (46), 43 (44), 41 (36).
1-Изопропил-5-метокси-3-этил-1,2,4-триазол 6. Спектр ЯМР 1Н, 5, м.д.: 4,29 (м., 1Н, N-СН); 3,97 (с., 3Н, О-СН3); 2,45 (кв., 2Н, С-СН2); 1,27 (д., 6Н, -(СН3)2); 1,24 (т., 3Н, -СН2-СН3). Спектр ЯМР 13С, 5, м.д.: 160,32 (С3-СН2-); 158,25 (С5-О-); 58,22 (С-О-СН3); 47,76 (N-CH-); 39,87 (С3-СН2-); 21,84 (-(СН3)2); 12,68 (-СН2-СН3). ИК (С-О-С), v, см-1: 1137,8. Масс-спектр (ЭУ, 70 эв), m/z (1отн, %):169 [М]+ (100), 154 (99), 127 (99), 126 (99), 97 (85), 56 (68), 112 (53), 42 (42), 43 (35), 41 (31).
1-Изопропил-3-этил-1,2,4-триазол-5-он 7. Спектр ЯМР 1Н, 5, м.д.: 4,38 (м., 1Н, N-СН); 2,56 (кв., 2Н, С-СН2); 1,19 (д., 6Н, -(СН3)2); 1,10 (т., 3Н, -СН2-СН3).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Beck J.R. // Tetrahedron. - 1978. - V. 34. - P. 2057.
2. Власов В.М. Нуклеофильное замещение нитрогруппы, фтора и хлора в ароматических соединениях. // Успехи химии. - 2003. - Т. 72. - № 8. - С. 764.
3. Ochiai E. // Journal Organic Chemistry. - 1953. - V. 18. - P. 53.
4. Певзнер М.С., Самаренко В.Я., Багал Л.И. Кинетика реакции 1-метил-3,5-динитро-1,2,4-триазола с алкоксид-ионами // Химия гетероциклических соединений. - 1972. - № 1. - С. 117-119.
5. Шафеев М.А., Мещеряков В.И., Верещагин Л.И. Нуклеофильное замещение нитрогруппы в ряду 4,5-динитро-2-алкил-1,2,3-триазолов // Журнал органической химии. - 1994. - Т. 30. - Вып. 6. - С. 915-917.
6. Певзнер М.С., Самаренко В.Я., Багал Л.И. Кислотно-основные свойства нитропроизводных 1,2,4-триазола. // Химия гетероциклических соединений. - 1970. - № 4. - С. 568-571.
7. Суханов Г.Т., Суханова А.Г., Филиппова Ю.В., Босов К.К., Мерзликина И.А. Влияние структуры первичных спиртов на нуклеофильное замещение нитрогруппы 1-метил-5-нитро-1,2,4-триазола ал-коксид-анионами // Ползуновский Вестник. - 2013. - № 3. - С. 70 - 73.
8. Суханов Г.Т., Мерзликина И.А., Суханова А.Г., Филиппова Ю.В., Босов К.К. Нуклеофильное замещение нитрогруппы реакциями N-метил^-нитро-1,2,4-триазолов с метиловым спиртом. // Материалы докладов III Всероссийской научно-
практической конференции молодых ученых и специалистов. - Бийск, 18-20 сентября 2013 г. - С. 117-121.
9. Суханов Г.Т., Суханова А.Г., Филиппова Ю.В., Босов К.К., Мерзликина И.А. Эм'^-замещение нит-рогруппы 1-метил-3-нитро-1,2,4-триазола метиловым спиртом // Ползуновский Вестник. - 2013. - № 1. - С. 24 - 26.
10. Суханова А.Г., Сакович Г.В., Суханов Г.Т. Ал-килирование нейтрального гетероцикла спиртами
в кислых средах // Химия гетероциклических соединений. - 2008. - № 11. - С. 1680 - 1687. 11. Суханова А.Г., Мерзликина И.А., Суханов Г.Т., Босов К.К., Филиппова Ю.В. Исследование сравнительной подвижности нитрогруппы в ряду изомерных Ы-алкил-3-нитро-1,2,4-триазолов в реакциях Бы^-замещения нитрогруппы // Материалы докладов IV НТК молодых ученых 27 - 28 сентября 2012 г. - Бийск, 2012. - С. 58 - 65.
УДК 547.791.1 (083.744)
СВОЙСТВА 3-НИТРО-1,2,4-ТРИАЗОЛЯТА НАТРИЯ
Босов К. К.
Изучены физико-химические, термические характеристики и параметры безопасности 3-нитро-1,2,4-триазолята натрия - базового реагента для синтеза №алкилзамещенных нитротриазолов.
Ключевые слова: 3-нитро-1,2,4-триазол, нитротриазолят анион, 3-нитро-1,2,4-триазолят натрия дигидрат, кристаллогидрат
ВВЕДЕНИЕ
N-алкилзамещенные производные
3-нитро-5-Р-1,2,4-триазолов представляют повышенный интерес фундаментальной и прикладной науки. Их целенаправленному синтезу, а также исследованиям взаимосвязи между фундаментальными, технологическими свойствами и структурой нитротриазолсо-держащих соединений уделяется достаточно большое внимание.
Известные универсальные и доступные пути синтеза высоко-молекулярных и органических N-алкилзамещенных нитротриазолов широкого назначения основаны на реакциях функционализации нитротриазолят анионов в щелочных или близких к нейтральным условиях [1-13].
Наиболее распространенным и доступным исходным нитротриазолят анионом является 3-нитро-1,2,4-триазолят натрия (Na-3H). В большинстве случаев получают его in situ взаимодействием 3-нитро-1,2,4-триазола со щелочным агентом как в водной, так и спиртовой среде [3-8], минуя выделение соли Na-3H в чистом виде, используя анионсодер-жащий раствор для дальнейших химических превращений.
Вышеуказанное объясняет отсутствие в литературных источниках данных по свойствам индивидуальных соединений такого рода. Кроме спектральных характеристик (ин-
фракрасные спектры и спектры комбинационного рассеивания) и изучения строения анионов нитропроизводных 1,2,4-триазола, в том числе 3-нитро-1,2,4-триазолята натрия [4, 5] подробных исследований, посвященных свойствам соли Na-ЗН в литературных источниках не обнаружено.
В связи с этим исследования, направленные на изучение физико-химических, термических характеристик и параметров безопасности индивидуального нитротриазолята натрия, являются актуальными.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Спектры ЯМР Н снимали на спектрометре «Bruker AM-400» с рабочей частотой 400.2 МГц в растворе ДМСО-d^ внутренний стандарт ДМСО-d^
Регистрацию ИК-спектров проводили на Фурье-спектрометре «ФТ-801», в таблетках с КВг.
Элементный состав определяли на элементном С, Н, N, О анализаторе «FlashEA™ 1112».
Температуру плавления (разложения) образцов определяли на дифференциально сканирующем калориметре (ДСК) «Mettler Toledo» DSC 822е.
Расчет количества молей кристаллизационной воды, содержащейся в соли Na-3H,
