CC BY
55
УДК 547.484+547.447 Вестник СПбГУ. Сер. 4. 2013. Вып. 4
В. В. Пакальнис, И. В. Зерова, В. В. Алексеев, С. И. Якимович
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТРИФТОРМЕТИЛСОДЕРЖАЩИХ 1,3-ДИКЕТОНОВ С ТИОБЕНЗОИЛГИДРАЗИНОМ
Посвящается 100-летию со дня рождения профессора В.Ф.Мартынова
Ранее нами было показано, что реакция ароилтрифторацетонов, CF3COCH2COC6H4X-4 с тиобензоилгидразином может привести к региоизомерным продуктам конденсации [1, 2]. Так, введение электроноакцепторных заместителей в ароматическое ядро благоприятствует конденсации по ароильной связи С=О; напротив, наличие сильных электронодонорных заместителей, например, метокси-группы приводит к полному преобладанию производных, образующихся реакцией по связи С=О трифторацетильной группы. Следует отметить, что продукты конденсации по первому направлению обладают 5-гидрокси-2-пиразолиновым строением; региоизомерные производные имеют 1,3,4-тиадиазолиновую структуру.
В представленной работе мы изучили взаимодействие тиобензоилгидразина 1 с алифатическими фторированными 1,3-дикетонами RCOCH2COCF3 2а—д, где варьировалась длина цепи и разветвленность терминального алкильного заместителя. Прежде всего нас интересовало, как зависит регионаправленность этого взаимодействия от указанных структурных изменений в 1,3-дикарбонильной составляющей. Отметим, что некоторые аспекты взаимодействия тиобензоилгидразина 1 с трифторацетилацетоном 2а, первым членом выбранного ряда фторированных 1,3-дикетонов, обсуждались нами в работе [3].
Взаимодействие 1,3-дикетонов 2а—д с тиобензоилгидразином 1 осуществлялось в мягких условиях. Растворы равномолярных количеств реагентов в соответствующем растворителе смешивались и выдерживались далее при комнатной температуре, не применялись катализаторы кислотного характера. После окончания реакции, что фиксировалось с помощью тонкослойной хроматографии на силуфоле, растворитель удаляли при пониженном давлении без нагревания, выпавшая кристаллическая масса анализировалась методом спектроскопии ЯМР XH и 13C.
В спектрах ЯМР 1H и 13C растворов продуктов взаимодействия фторированных 1,3-дикетонов 2а—г, полученных в метаноле, имеется по одному набору резонансных сигналов. Это означает, что реакция тиобензоилгидразина 1 с этими 1,3-дикетонами протекает исключительно по одной из карбонильных функций. Данные спектроскопии ЯМР 1H и 13C, результаты элементного анализа показывают, что реакция заканчивается образованием 2-алкил-5-фенил-1,3,4-тиадиазолов 6а—г при первоначальной конденсации по связи С=О, удалённой от трифторметильной группы.
Виктория Валерьевна Пакальнис — ассистентка, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: [email protected]
Ирина Владимировна Зерова — инженер, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: [email protected]
Валерий Владимирович Алексеев — профессор, Военно-медицинская академия им. С.М.Кирова; e-mail: [email protected]
Станислав Иванович Якимович — ведущий научный сотрудник, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: [email protected]
© В. В. Пакальнис, И. В. Зерова, В. В. Алексеев, С. И. Якимович, 2013
СБ
ГУ
о о
2а-д
Я
+
жн
Арь 1
Я
н^ „.ж о
N
СБ,
РГ
3а-г
О РЬ" СБ,
"Я
ж-ж
// \\ V
6а-г
+
СБ3 ^СНЭ
Т
СБ
Н^ О
N
Я
РГ Б
8д —I
он РГ 4а-г
ж-жн
о
7
СБ,
о
9д
И = Ме (2а-6а), Ви (2б-6б), ¿-Ви (2в-6в), в-Ви (2г-6г), Ь-Ви (2д, 8д, 9д).
При проведении реакции 1,3-дикетонов 2а—г с тиобензоилгидразином в хлористом метилене в случае 1,3-дикетонов 2а и 2б с метильным и н-бутильным терминальными заместителями были выделены 5-гидрокси-2-пиразолины 4а, б. В спектрах растворов в CDClз производных 4а, б мы находим по два однопротонных сигнала в виде несимметричных дублетов в области Ьн 3,25-3,28 и 3,41-3,44 м. д., образующих типичную АВ-систему (^аб = 18,9 Гц), и несколько уширенный сигнал при Ьн 8,23-8,30 м. д. Эти сигналы должны быть отнесены к диастереотопным протонам метиленовой группы при атоме углерода в положении 4 цикла и протону гидроксильной группы в положении 5. Достаточно низкопольное положение последнего сигнала свидетельствует о близком соседстве с гидроксильной группой трифторметильного заместителя с его высокими электроноакцепторными свойствами. Наличие в спектрах ЯМР 13С растворов соединений 4а, б квартетных сигналов при Ьс 93,35 и 95,25 м. д. (2,1ср = 33,9 Гц) подтверждает присутствие в положении 5 пиразолинового цикла трифторметильной группы. Спектры ЯМР 1Н и 13С соединений 4а, б имеют большое сходство со спектральными характеристиками продуктов конденсации 1,3-дикетонов 2а, б с бензоилгидразином, образующихся при реакции по связи С=О, соседней с алкильными заместителями, и обладающих 5-гидрокси-2-пиразолиновым строением [2, 4]. При выдерживании растворов соединений 4а, б происходит их превращение в 1,3,4-тиадиазолы 6а, б. В спектрах ЯМР 1Н появляются наборы сигналов, соответствующие этим тиадиазолам, а интенсивность первоначальных сигналов падает, через трое суток они практически исчезают.
Подобные превращения 5-гидрокси-2-пиразолинов 4а, б в 1,3,4-тиадиазолы 6а, б происходят и в метиловом спирте.
Очевидно, в растворах 5-гидрокси-2-пиразолины 4а, б испытывают частичный равновесный переход в 1,3,4-тиадиазолиновые таутомеры (5а, б, соответственно), которые
далее претерпевают превращение в 2-алкил-1,3,4-тиадиазолы 6а, б, при этом отщепляется молекула трифторацетона 7.
Движущей силой этого процесса является определённая ароматичность 1,3,4-тиа-диазольного цикла. Легкий разрыв углерод-углеродной связи с боковым заместителем при втором атоме 1,3,4-тиадиазолинового гетероцикла связан с тем, что выраженные электроноакцепторные свойства трифторметильной группы способствуют делокализа-ции отрицательного заряда в возникающем анионе трифторацетона. Действительно, продукты конденсации ацетилацетона и его а-алкилированных гомологов с тиобензоилгидразином в кристаллическом состоянии имеют 1,3,4-тиадиазолиновое строение; в растворах они существуют как равновесные смеси 5-гидрокси-2-пиразолиновой и 1,3,4-тиа-диазолиновой форм, но не показывают никакой склонности к превращению в 1,3,4-тиа-диазолы [5] при продолжительном выдерживании.
Переход 5-гидрокси-2-пиразолинов 4а, б в 1,3,4-тиадиазолины 5а, б происходит через промежуточные гидразонные структуры 3а, б, не фиксируемые методами спектроскопии ЯМР 1H. Гидразонная форма обеспечивает возобновление текущей концентрации 1,3,4-тиадиазолиновых циклов 5а, б, быстро превращающихся в 1,3,4-тиадиа-золы 6а, б и трифторацетон.
Скорее всего, подобным же образом возникают 1,3,4-тиадиазолы 6в, г при взаимодействии с тиобензоилгидразином фторированных 1,3-дикетонов 2в, г.
Взаимодействие трифторацетилпинаколина 2д с тиобензоилгидразином 1 протекает со 100 %-ной региоселективностью по трифторацетильной связи С=О. В спектре ЯМР 1H хлороформенного раствора выделенного производного 9д, снятом непосредственно после растворения образца, мы находим один набор резонансных сигналов. В спектре присутствуют сигналы при Ьн 3,31 и 3,47 м. д. в виде несимметричных дублетов, образующих Aß-систему ( Jab = 17,4 Гц) и синглетный сигнал при 6,94 м. д., что указывает на циклическое строение обсуждаемого производного при наличии центра хиральности. Сопоставление со спектром ЯМР 1H продукта конденсации трифторацетоуксусного эфира, CF3COCH2COOC2H5, с тиобензоилгидразином, имеющего 1,3,4-тиадиазолиновое строение [1], показывает, что производное 9д также обладает 1,3,4-тиадиазолиновой структурой. Спектроскопия ЯМР 13C подтверждает этот вывод. Здесь следует отметить наличие в спектре соединения 9д квартетного сигнала при Ьс 82,46 м. д. (2 Jcf = 29,9 Гц). Его следует отнести к вр3-гибридизованному атому углерода в положении 2 1,3,4-тиадиазолинового гетероцикла [1, 5].
При выдерживании раствора производного 9д вид его спектров ЯМР 1H и 13C не меняется, не происходит ни перехода в возможные линейные гидразонную или енгид-разинную формы, ни превращения в соответствующий 1,3,4-тиадиазол.
Приведённый материал показывает выраженную склонность алифатических фторированных 1,3-дикетонов реагировать с тиобензоилгидразином по связи С=О, удалённой от трифторметильной группы. Даже использование втор-бутильной группы в качестве терминального заместителя (1,3-дикетон 2г ) не приводит к какому-либо изменению ре-гионаправленности. Только в случае трифторацетилпинаколина 2д с его симметричной объёмистой трет-бутильной группой реакция всё же меняет свое направление. Аналогичная картина наблюдается и при взаимодействии алифатических фторированных 1,3-дикетонов с ароилгидразинами [4]. Лишь при взаимодействии трифторацетилпи-наколина с ароилгидразинами образовывались продукты конденсации по связи С=О трифторацетильной группы. Отметим, что эти производные трифторацетилпинаколи-на имеют гидразонное строение, а в растворах показывают кольчато-цепное равновесие с участием гидразонного и 5-гидрокси-2-пиразолинового таутомеров [4].
Экспериментальная часть. Спектры ЯМР XH DX-300 в CDCl3 и ДМСО-^б, рабочие частоты 300,13 (хН) и 75,47 МГц (13C). Элементный анализ выполнен на CHN-анализаторе CHN "Analyzer Hewlett-Packard" (185B). Контроль за ходом реакции и чистотой полученных соединений осуществляли методом ТСХ на пластинах "Silufol UV-254", элюент — хлороформ.
Тиобензоилгидразин 1 получен по стандартной методике [6]. Трифторметилсодер-жащие 1,3-дикетоны 2а—д были получены сложноэфирной конденсацией этилового эфира трифторуксусной кислоты и метилалкилкетонов, в качестве конденсирующего агента использовался гидрид натрия.
[5-Гидрокси-3-метил-5-(трифторметил)-4,5-дигидро-1Н^-пиразол-1-ил] (фенил)тиокетон (4а) [3]. К раствору 0,456 г (3 ммоль) тиобензоилгидразина 1 в 5 мл хлористого метилена при перемешивании при 20 С по каплям прибавляли 0,462 г (3 ммоль) 1,1,1-трифторпентан-2,4-диона 2а. Реакционную массу выдерживали 20 мин, растворитель удаляли при пониженном давлении без нагревания, кристаллический остаток промывали охлажденным метиловым спиртом и сушили в вакууме. Выход 0,58 г (67 %), W 41 С. Спектр ЯМР 1H (CDCls), 5, м. д.: 2,86 (3Н, с, СН3); 3,25 (1Н, д, Jab = 18,9 Гц, C4HB); 3,41 (1Н, д, Jab = 18,9 Гц, С4На); 7,27-7,50 (5Н, м, HapoM.); 8,23 (1Н, уш. с, OH). Спектр ЯМР 13C (CDCls), 5, м. д.: 15,46 (СНз); 43,34 (С4); 93,35 (к, 2 Jcf = 33,9 Гц, С5); 122,52 (к, 1 Jcf = 285,2 Гц, СБз); 127,72, 128,21, 128,87, 129,49 (CapoM.); 157,68 (С3); 200,72 ^=S). Найдено, %: С 49,84; Н 3,76; N 9,61. C12H11F3N2OS. Вычислено, %: С 50,00; Н 3,85; N 9,72.
[3-Бутил-5-гидрокси-5-(трифторметил)-4,5-дигидро-1^-пиразол-1-ил] (фенил)тиокетон (4б). Получен аналогичным образом при взаимодействии 1,1,1-трифтороктан-2,4-диона 2б с тиобензоилгидразином в хлористом метилене. Выход 0,487 г (51 %), ¿пл. 69-71 С. Спектр ЯМР 1H ^DCh), 5, м. д.: 0,91 (3Н, т, J = 7,3 Гц, СНз); 1,29-1,41 (2Н, м, СН2); 1,47-1,54 (2Н, м, СН2); 2,34 (2Н, т, J = 7,3 Гц, СН2); 3,28 (1Н, д, Jab = 18,9 Гц, C4Hb); 3,41 (1Н, д, Jab = 18,9 Гц, С4На); 7,34 (2Н, т, J = 7,3 Гц, HapoM.); 7,44 (1Н, т, J = 7,3 Гц, HapoM.); 7,57 (2Н, д, J = 8,3 Гц, HapoM.); 8,30 (1Н, с, ОН). Спектр ЯМР 13C (CDCls), 5, м. д.: 14,01 (СНз), 22,58 (СН2); 28,38 (СН2); 29,94 (СН2); 46,67 (С4); 95,25 (к, 2 Jcf = 33,9 Гц, С5), 124,22 (к, 1 Jcf = 291,2 Гц, CF3); 127,84, 128,81, 131,05, 143,04 (CapoM.); 169,72 (С3); 200,63 ^=S). Найдено, %: С 54,42; Н 5,21; N 8,50. C15H17F3N2OS. Вычислено, %: С 54,53; Н 5,19; N 8,48.
2-Метил-5-фенил-1,3,4-тиадиазол (6а) [3]. К раствору 0,456 г (3 ммоль) тиобензоилгидразина 1 в 10 мл абсолютного метилового спирта при 20 С прибавляли при перемешивании 0,462 г (3 ммоль) 1,1,1-трифторпентан-2,4-диона 2а. Реакционную массу выдерживали при 20 С в течение 1 сут. Растворитель удаляли при пониженном давлении без нагревания. Выход 0,72 г (75 %) 6а, ¿пл. 108 С (из метилового спирта, ¿пл. 107-108 С [6]). Спектр ЯМР 1H (CDO3), 5, м. д.: 2,28 (3Н, м, СН3); 7,52 (3Н, м, HapoM.); 8,02 (2Н, м, HapoM.). Спектр ЯМР 13C (CDO3), 5, м. д.: 16,16 (СН3); 128,25, 129,53, 130,71, 131,32 (CapoM.); 165,18 (С2); 169,30 (С5). Найдено, %: С 61,30; Н 4,51; N 15,81. C9H8N2S. Вычислено, %: С 61,34; Н 4,58; N 15,89.
2-Метил-5-фенил-1,3,4-тиадиазол 6а также образуется при выдерживании [5-гид-рокси-3-метил-5-(трифторметил)-4,5-дигидро-1В-пиразол-1-ил](фенил)тиокетона 4а в метиловом спирте в течение суток при 20 С.
2-Бутил-5-фенил-1,3,4-тиадиазол (6б). Получен при взаимодействии 1,1,1-три-фтороктан-2,4-диона 2б с тиобензоилгидразином 1 в метиловом спирте по методике, аналогичной получению 2-метил-5-фенил-1,3,4-тиадиазола 6а. Реакция заканчивается через 3 сут. Выход 0,42 г (64 %), жёлтое масло. Спектр ЯМР 1H (CDCl3), 5, м. д.: 1,00
(3Н, т, J = 7,3 Гц, СНз); 1,43-1,56 (2Н, м, СН2); 1,80-1,90 (2Н, м, СН2); 3,16 (2Н, т, J = 8,0 Гц, СН2); 7,49 (3Н, м, Наром.); 7,96 (2Н, м, Наром.). Спектр ЯМР 13C (CDCI3), Ь, м. д.: 14,07 (СНз); 22,54 (СН2); 30,33 (СН2); 32,52 (СН2); 128,24, 129,49, 130,7, 131,25 (CapoM.); 168,77 (С2); 169,01 (С5). Найдено, %: С 65,98; Н 6,49; N 12,77. C12H14N2S. Вычислено, %: С 66,06; Н 6,42; N 12,84.
2-(2-Метилпропил)-5-фенил-1,3,4-тиадиазол (6в). Получен взаимодействием 1,1,1-трифтор-6-метилгептан-2,4-диона 2в с тиобензоилгидразином 1 в метиловом спирте по методике, аналогичной получению 2-метил-5-фенил-1,3,4-тиадиазола 6а. Выход 0,29 г (44 %), тёмно-жёлтое масло. Спектр ЯМР 1H (CDCl3), Ь, м. д.: 1,04 (6Н, д, J = 6,5 Гц, (СН3)2СН); 2,07-2,20 (1Н, м, (СН3)2СН); 3,01 (2Н, д, J = 7,3 Гц, СН2), 7,47 (3Н, м, Наром.); 7,9)4 (2Н, м, Наром.). Спектр ЯМР 13C (CDCI3), Ь, м. д.: 22,62 (СЩ^СН); 30,18 (СН3)2СН); 39,33 (СН2); 128,22, 129,48, 130,73, 131,25 ^аром.); 168,86 (С2); 169,45 (С5). Найдено, %: С 65,94; Н 6,52; N 13,01. C12H14N2S. Вычислено, %: С 66,06; Н 6,42; N 12,84.
2-(Бутан-2-ил)-5-фенил-1,3,4-тиадиазол (6г). Получен взаимодействием 1,1,1-трифтор-5-метилгептан-2,4-диона 2г с тиобензоилгидразином 1 в метиловом спирте по методике, аналогичной получению 2-метил-5-фенил-1,3,4-тиадиазола 6а. Выход 0,24 г (37 %), жёлтое масло. Спектр ЯМР 1Н (OTCI3), Ь, м. д.: 0,97 (3Н, т, J = 7,3 Гц, СН3СН2); 1,43 (3Н, д, J = 7,3 Гц, СН3СН); 1,72-1,89 (2Н, м, СН3СН2); 3,24-3,36 (1Н, м, СН3СН); 7,46 (3Н, м, Наром.); 7,93 (2Н, м, Наром.). Спектр ЯМР 13C (CDCI3), Ь, м. д.: 12,01 (СН3), 21,51 (СН3); 31,34 (СН2); 38,04 (СН); 128,18, 129,47, 130,76, 131,72 ^аром.,); 168,41 (С2); 176,48 (С5). Найдено, %: С 66,13; Н 6,44; N 12,90. C12H14N2S. Вычислено, %: С 66,06; Н 6,42; N 12,84.
3,3-Диметил-1-(2-трифторметил-5-фенил-2,3-дигидро-1,3,4-тиадиазол-2-ил)бутан-2-он (9д). К раствору 0,456 г (3 ммоль) тиобензоилгидразина 1 в 5 мл метилового спирта при перемешивании прибавляют 0,588 г (3 ммоль) 1,1,1-трифтор-5,5-диметилгексан-2,4-диона 2д в 5 мл метилового спирта. Реакционную массу выдерживают при комнатной температуре в течение 3 сут. Растворитель удаляют при пониженном давлении без нагревания, кристаллический остаток анализировали с помощью спектроскопии ЯМР 1Н, затем перекристаллизовывали из метилового спирта. Выход 0,68 г (69 %), W 55 °С. Спектр ЯМР 1Н (OTCI3), Ь, м. д.: 1,18 (9Н, с, (СН3)3С); 3,31 (1Н, д, Jab = 17,4 Гц, C4^); 3,47 (1Н, д, Jab = 17,4 Гц, С4На); 6,94 (1Н, с, №н); 7,40 (3Н, м, Наром.); 7,64 (2Н, м, Наром.). Спектр ЯМР 13C (CDCI3), Ь, м. д.: 26,14 ((СЩ^С); 31,53 ((СН3)3С); 40,56 (СН2); 82,46 (к, 2 Jcf = 29,9 Гц, С2); 125,13 (к, 1 Jcf = 285,2 Гц, СЕ3); 127,39, 129,03, 130,46, 131,20 ^аром.); 147,15 (С5); 210,95 (С=0). Найдено, %: С 54,59; Н 5,14; N 8,52. C15H17F3N2OS. Вычислено, %: С 54,53; Н 5,19; N 8,48.
Литература
1. Пакальнис В. В., Зерова И. В., Якимович С. И., Алексеев В. В. Взаимодействие ароил-и гетероароилтрифторацетонов с тиобензоилгидразином // Химия гетероцикл. соед. 2008. № 5. С. 765-775.
2. Якимович С. И., Зерова И. В., Пакальнис В. В. Кольчато-цепные равновесия азотистых производных 1,3-дикарбонильных соединений // Современные проблемы органической химии: сб. статей. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2010. Вып. 15. С. 217-250.
3. Алексеев В. В., Пакальнис В. В., Зерова И. В., Якимович С. И. Взаимодействие трифтор-и гексафторацетилацетона с тиобензоилгидразином // Изв. РАН. Серия химич. 2012. № 4. С. 855-859.
4. Пакальнис В. В., ЗероваИ.В., Плясунова А. И., Якимович С. И. Взаимодействие алифатических фторалкилсодержащих 1,3-дикетонов с гидразидами // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 4: Физика, химия. 2008. Вып. 4. С. 79-86.
5. Зеленин К. Н., Алексеев В. В., Хрусталёв В. А. и др. Кольчато-кольчатая и коль-чато-цепная таутомерия тиобензоилгидразонов алифатических ß-дикарбонильных соединений // Журн. орган. химии. 1983. Т. 20. С. 180-187.
6. HolmbergB. Zur kenntnis des thiobenzhydrazides // Ark. Kemi. 1947. Bd. 25A, N 18. S. 1-18.
Статья поступила в редакцию 23 апреля 2013 г.
