CC BY
23_ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ_
Т 52 (7) ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2009
УДК 547.057-7/.8
Е.М. Волков, В.Ю. Орлов, В.В. Ганжа, А.Д. Котов
ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЕ РАСКРЫТИЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКОГО ФРАГМЕНТА СОЕДИНЕНИЙ РЯДА 2,1-БЕНЗИЗОКСАЗОЛА В УСЛОВИЯХ МЕТАЛЛОКОМПЛЕКСНОГО КАТАЛИЗА
(Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова) E-mail: volkov-asp@mail.ru
При проведении реакции нуклеофильного ароматического замещения галогена в условиях металлокомплексного катализа показано, что взаимодействие 5-галоген-3-арил-2,1-бензизоксазола с фенолами в реакционной системе: карбонат калия/М,Ы-диметилформамид/8-хинолинол/хлорид меди неожиданно приводит к восстановительному раскрытию гетероциклического фрагмента и образованию соответствующего о-аминокетона.
Ключевые слова: модификация ароматических соединений, нуклеофильное замещение, метал-локомплексный катализ, гетероциклический фрагмент
Проблеме модификации ароматических и гетероароматических соединений уделяется значительное внимание в современной органической химии. Одним из перспективных направлений модификации ароматических систем, содержащих слабоактивированные уходящие группы, является ароматическое нуклеофильное замещение галогена в условиях внешней активации (использование в качестве катализаторов разнообразных металло-комплексов) [1-4]. Данный метод является весьма привлекательным для синтеза ариловых эфиров из неактивированных субстратов. Такие соединения используют в качестве устойчивых, инертных высокотемпературных теплоносителей, смазочных материалов, мономеров и т.д. [5-9]. Нами исследовались особенности взаимодействия неактивированных галогенаренов в условиях внешней активации при использовании различных лигандов в медьсодержащем катализаторе (8-хинолинол, 5-нитро-8-хинолинол, 5-хлор-8-хинолинол, 5,7-ди-хлор-8-хинолинол, а,а'-дипиридил, глицин, пирокатехин, ацетилацетон, 1,10-фенантролин). На примере модельной реакции (схема 1) ранее нами был проведен подбор каталитической системы [10].
Активность исследованных металлоком-плексных систем, в зависимости от используемого лиганда, изменяется в следующем ряду: 8-хи-нолинол > 5-нитро-8-хинолинол > 1,10-фенан-тролин > а,а'-дипиридил > глицин > ацетилацетон >
> пирокатехин > 5-хлор-8-хинолинол > 5,7-ди-хлор-8-хинолинол. Это оценивалось исходя из величины выходов продуктов и времени проведения реакции.
K2CO3
DMF
R = H, -NH-C-CH3 O
Hal = Cl, Br
L = 8-хинолинол, 5-нитро-8-хинолинол, 5-хлор-8-хино-линол, 5,7-дихлор-8-хинолинол, а,а'-дипиридил, глицин, пирокатехин, ацетилацетон, 1,10-фенантролин.
Схема 1 Scheme 1
Полученные зависимости могут быть объяснены различной способностью лигандов к ком-плексообразованию. Этот параметр оценивали методом УФ-спектроскопии [11]. По сравнению с другими лигандами, 8-хинолинол проявлял наибольшую способность при комплексообразовании с медью, что подтверждалось максимальным смещением полосы поглощения. Это согласовывалось с выходами продуктов - наибольшую эффективность проявил 8-хинолинол, что позволило выбрать его для дальнейших исследований.
Выбранная реакционная система также применялась нами в случае взаимодействия гало-генсодержащих субстратов ряда 2,1-бензизокса-зола (многоплановых реагентов для тонкого органического синтеза [12]), с о-нуклеофилами (схема 2). Установлено, что при использовании гетероциклических субстратов, таких как 5-галоген-3-фенил-2,1-бензизоксазолов, вместо реакции нуклеофиль-ного замещения галогена, протекает их восстановление до 2-амино-5-галогенбензофенонов.
N=
/
O,
II (a, b)
I (a,b)
I (a). Hal = Cl, I (b). Hal = Br
II (a). R = H , II (b). R —NH^-CH.
III (a). Hal = Cl, III (b). Hal = Br O
Cu2Cl2, L А
K2CO3
DMF
III (a,b)
Схема 2 Scheme 2
Нами установлено, что необходимым условием восстановительного раскрытия гетероцик-ла является присутствие в реакционной системе о-нуклеофила и соединений меди. В данном случае ионы меди не могут являться восстанавливающим реагентом, поскольку их количества недостаточно для формирования продукта с наблюдаемыми выходами - количество катализатора составляет 15% от количества моль реагента. В пользу этого свидетельствует и тот факт, что замена хлорида меди (I) на CuCl2-2H20 не только не препятствует восстановлению, но даже приводит к увеличению выхода продукта (таблица, № 2). При использовании металлической меди время реакции существенно увеличивается, и выход снижается до 33% (таблица, № 3). Продукт восстановительного раскрытия гетероцикла образуется также при проведении реакции без использования меди и ее соединений, однако время реакции значительно увеличивалось при сравнимых выходах конечного продукта (таблица, № 4).
Наиболее вероятным восстанавливающим реагентом является феноксид-анион, формирующийся при взаимодействии фенола с карбонатом калия [7-9]. Из литературы известно, что он может быть донором электрона [13]. Можно предположить, что при передаче электрона субстрату (необходимый элемент восстановительного процесса) образуется феноксид-радикал [13,14], который впоследствии вступает в дальнейшие реакции: димеризации, полимеризации [15]. При этом образуется целый набор многоядерных продуктов,
описанных в литературе [13, 15]. Это подтверждается наличием в реакционной массе примесей, не поддающихся разделению и индивидуализации, что согласуется с литературными данными. Повышенный выход продукта реакции при использовании 4-К-ацетиламинофенола объясняется формированием более стабильной анионной формы арилоксида [16]. Комплексы меди с органическими лигандами являются катализатором процесса восстановительного раскрытия гетероцикла. В отличие от реакции внешне активированного нуклеофильного ароматического замещения галогена в данном случае природа лигандов (8-хи-нолинол, 5-нитро-8-хинолинол, 5-хлор-8-хино-линол, 5,7-дихлор-8-хинолинол, а,а'-дипиридил, глицин, пирокатехин, ацетилацетон, 1,10-фенан-тролин), а также их отсутствие, незначительно влияет на направление процесса.
Таблица
Зависимость выхода 2-амино-5-хлорбензофенона от условий реакции Table. Dependence of 2-amino-5-chlorbenzophenon
№ Лиганд Катализатор Депрото-нирующий агент Нуклеофил Время, час Выход
1 — CuCl К2С03 Соединение II (Ь) 5 32%
2 8-х CuCl2-2H20 К2С03 Соединение II (Ь) 4 68%
3 8-х Cu К2С03 Соединение II (Ь) 11 33%
4 8-х — К2С03 Соединение II (Ь) 17 65%
5 8-х CuCl — Соединение II (Ь) 4 79%
6 8-х CuCl К2С03 Соединение II (Ь) 4 62%
7 8-х — — — 12 —
8 8-х CuCl К2С03 — 16 —
9 8-х — К2С03 — 12 —
10 8-х CuCl К2С03 Соединение II (а) 5 62%
11 8-х CuCl — Соединение II (а) 4 59%
12 — CuCl — Соединение II (а) 4 56%
13 8-х — — Соединение II (а) 10 —
14 --- --- --- Соединение II (а) 10 ---
Примечание: температура реакции - 140°С, растворитель -ДМФА.
Note: the reaction temperature is 140°С, solvent is DMFA.
Таким образом, установлено нетривиальное поведение 5-хлор-3-фенил-2,1-бензизоксазола в условиях реакции неактивированного ароматического нуклеофильного замещения галогена в системе: ^^диметилформамид / хлорид меди (I) или (II) / карбонат калия / органический лиганд, что связано с восстановлением гетероцикла фе-ноксид-анионом, который выступает в качестве донора электронов. Показана ключевая роль нук-леофила и соединений меди в данном процессе.
R
Hal + HO
R
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Взаимодействие галогенаренов с о-нуклео-филами проводили в колбе, снабженной мешалкой, обратным холодильником, термометром. Загружали хлорид меди (I) и лиганд, добавляли 10 мл ^^диметилформамида и перемешивали в течение 30 мин. Затем вносили нуклеофил, карбонат калия, галогенарен и добавляли 20 мл диметилформамида. Соотношение реагентов (мольное) галогенарен:нуклеофил:К2С03=1:1:1,2. Реакционную смесь выдерживали при интенсивном перемешивании и температуре 140°С (масляная баня) до окончания реакции. Контроль осуществляли методом ТСХ. Затем реакционную массу выливали в 300 мл воды. Выпавший осадок отделяли фильтрованием. Очистку проводили по следующей методике: осадок растворяли в К,К-ди-метилформамиде и отфильтровывали. К фильтрату добавляли смесь растворителей: пропанол-2 и петролейный эфир (в соотношении 4:1 соответственно). Вымораживали и отфильтровывали. Фильтрат выливали в воду. Выпавший осадок отделяли фильтрованием. Структура и чистота полученного продукта подтверждена методами ЯМР-:Н спектроскопии и масс-спектрометрии.
ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПОЛУЧЕННЫХ СОЕДИНЕНИЙ
4-К-Ацетиламинодифенилокид: т.пл. 122.0... 124.0°С (пропанол-2) (Лит. 126.0.,.128.0°С). ЯМР :Н спектр (ДМСО, 5, м.д.): 10.1 с (1Н, 1ЧН), 7.6 д (2Н, Н26), 7.36 т (2Н, Н35), 6.95.7.1 м (5Н, С6Н5), 2.1 с (3Н, СН3). Найдено %: С 74.04; Н 5.72; N 6.15. С14Н13Ш2. Вычислено %: С 74.01; Н 5.73; N 6.17. М 227.
2-Амино-5-хлорбензофенон: т.пл. 99.0. 101.0°С (пропанол-2) (Лит. 100.0.,.101.0°С). ИК спектр, см-1: пС=О = 1637, V №Н = 1600. ЯМР 1Н спектр (ДМСО, 5, м.д.): 7.26 дд (1Н, Н4), 6.93 д (1Н, Н3), 7.34 д (1Н, Н6), 7.65.7.35 м (5Н, С6Н5). Найдено %: С 67.34; Н 4.47; N 6.15. ClзH1oClN0.
Вычислено %: C 67.39; H 4.35; N 6.05. М 231.68.
2-Амино-5-бромбензофенон: т.пл. 109.0. 111.0°С (пропанол-2) ИК спектр, см-1: vC=0 = 1637, V N-H = 1600. ЯМР 1Н спектр (ДМСО, 5, м.д.): 7.24 дд (1Н, Н4), 6.97 д (1Н, Н3), 7.32 д (1Н, Н6), 7.61.7.33 м (5Н, C6H5). Найдено %: C 56.54; H 3.63; N 5.10. C13H10BrNO. Вычислено %: C 56.56; H 3.62; N 5.07. М 276.02.
Работа выполнена при поддержке программы РНП.2.2.3.1.7764.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шейн С.М., Литвак В.В. ЖВХО им. Д.И. Менделеева. 1976. T. 21. № 3. C. 274-282.
2. Lindley J. Tetrahedron. 1984. Vol. 40. N 9. P. 1433-1437.
3. Кожевников И.В. Успехи химии. 1983. Т. 52. № 2. C. 206-227.
4. Kumada M. Pure Appl. Chem. 1980. Vol. 52. N 3. P. 663-672
5. Аронская Н.Ю., Маховер Е.И., Гельштейн Р.М. В сб.: Методы получения химических реактивов и препаратов. М. 1974. Вып. 26. С. 63-65.
6. Raswyer J.S., Shmittlig E.A., Palkowitz J.A. J. Org. Chem. 1998. Vol. 63. N 18. P. 6338-6356.
7. Landini D., Penso M. J. Org. Chem. 1991. Vol. 56. P. 421426.
8. White D.M. et al. J. Polym. Sci. 1981. Vol. 19. N 7.
P. 1635-1658.
9. Schulze D.K. W. Schmierugstechnik. 1985. Vol. 16. N 7. P. 216-218.
10. Волков Е.М., Ганжа В.В., Орлов В.Ю. Материалы научно-практической конференции. Ярославль. 2007. С. 246-249.
11. Волков Е.М., Ганжа В.В., Котов А.Д. Материалы научно-практической конференции. Ярославль. 2006. С. 254-259.
12. Граник В.Г., Печенина В.М., Мухина Н.А. Хим.-фарм. 1991. Т. 25. № 1. С. 57-66.
13. Рогинский В.А. Фенольные антиоксиданты. М. 1988. С. 19.
14. Нейланд О.Я. Органическая химия. М. 1990. С. 317.
15. Романовская И.И., Кузьмин В.Е., Осейчук О.В. Вестник Одесского национального университета 2006. Т. 11. № 4. С. 69-76.
16. Робертс Дж., Касерио М. Основы органической химии. М., 1978. С. 305.
Кафедра общей и биоорганической химии
