ЗАКОНОМЕРНОСТИ РЕАКЦИИ 1,1-ДИХЛОР-2,2-БИС(4-НИТРОФЕНИЛ)ЭТИЛЕНА И 1-ХЛОР-2,2-БИС(4-НИТРОФЕНИЛ)ЭТИЛЕНА С NaNO2 В ДМФА И ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ ПРЕВРАЩЕНИЙ Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 547.631,6

Н.Г. САВИНСКИЙ, Н.Г. САПОЖНИКОВА, С.Г. СИБРИКОВ, В.Н. КАЗИН

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РЕАКЦИИ 1,1-ДИХЛОР-2,2-БИС(4-НИТРОФЕНИЛ)ЭТИЛЕНА И 1-ХЛОР-2,2-БИС(4-НИТРОФЕНИЛ)ЭТИЛЕНА С N8^2 В ДМФА И ВОЗМОЖНЫЕ

ПУТИ ПРЕВРАЩЕНИЙ

(Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова)

Изучено поведение 1,1-дихлор-2,2-бис(4-нитрофенил)этилена и 1-хлор-2,2-бис(4-нитрофенил)этилена в реакции с ЫаЫ02 в ДМФА. Рассмотрены возможные механизмы реакций с привлечением данных квантовохимического моделирования (метод АМ1).

Химия хлораля и его конденсированных производных - 1,1,1-трихлор-2,2-диарилэтанов широко представлена в российских и зарубежных публикациях. Несмотря на разнообразие превращений трихлорэтановой мостиковой группировки и преобразований функций в ароматическом кольце [1] в литературе отсутствуют данные о реакционной способности 1,1,1-трихлор-2,2-дифенилэта-на и его производных в реакциях с нитритами щелочных металлов.

Нами подробно изучено влияние различных факторов на закономерности данной реакции. В ходе исследований установлено, что в алифатических спиртах взаимодействие 1,1,1-трихлор-2,2-диарилэтанов с NaNO2 заканчивается на стадии дегидрохлорирования с образованием соответствующих замещенных 1,1-дихлор-2,2-дифенилэти-ленов, причем природа заместителя в бензольном кольце не влияет на результат реакции. При проведении реакции в апротонных диполярных растворителях (ДМФА, ДМАА, ДМСО, ^МП) в зависимости от структуры субстрата продуктами реакции являются 1,1-дихлор-2,2-диарилэтилены или бензофеноны, т.е. может происходить дальнейшее преобразование дихлорэтиленовой группы в карбонильную [2-5].

В работах [2, 3] описан способ получения 3,3'-динитро-4,4'-дигидроксибензофенона (выход 93-96 %) взаимодействием 1,1,1-трихлор-2,2-бис(3-нитро-4-хлорфенил)этана с нитритами щелочных металлов в апротонных диполярных растворителях при температуре 100-130 0С, мольном соотношении субстрат : реагент = 1:10-15. Основным неочевидным моментом данного процесса является преобразование трихлорэтановой мостико-вой группы в карбонильную.

Последующими исследованиями показано, что необходимым условием для превращения 1,1,1-трихлор-2,2-диарилэтанов в бензофеноны в реакции с нитритами щелочных металлов в апро-тонных диполярных растворителях является при-

сутствие в ароматическом кольце электроноакцеп-торной нитрогруппы. Однако на результат реакции существенное влияние оказывает природа второго заместителя и количество нитрогрупп [6].

Установлено, что превращение трихлорэ-тановой группы в карбонильную протекает через стадию дегидрохлорирования, поскольку нитрит-ион в диполярных апротонных растворителях является дегидрохлорирующим агентом. Таким образом, интерес представляет выяснение закономерностей преобразования динитрозамещенных 1,1-дихлор-2,2-дифенилэтиленов в соответствующие бензофеноны.

Целью настоящей работы является изучение особенностей поведения реакционных центров в различных субстратах при взаимодействии с нитритом натрия в ДМФА, рассмотрение возможных путей превращений и разработка эффективных методов синтеза практически важных ароматических соединений.

Для исследования возможных путей превращения дихлорэтиленовой мостиковой группы в карбонильную в качестве модельного соединения выбран 1, 1 -дихлор-2,2-бис(4-нитрофенил)этилен. Анализ реакционной смеси методом ГЖХ показал, что накопления промежуточных и образования побочных продуктов не происходит. Продуктом реакции является 4,4'-динитробензофенон, который образуется в среде ДМФА при температуре 100-110 оС с выходом 96-98 %. Реакция протекает в присутствии 2 моль NaNO2 в расчете на 1 моль субстрата.

Для понимания закономерностей получения соответствующих динитробензофенонов, кроме изучения роли заместителя в бензольном кольце, рассмотрено влияние строения мостиковой группы. С этой целью синтезирован 1-хлор-2,2-бис(4-нитрофенил)этилен [7].

Реакцию взаимодействия 1-хлор-2,2-бис(4-нитрофенил)этилена с нитритом натрия проводили в ДМФА при следующих концентрациях реагентов:

[субстрат]0=0.03 моль/л, [NaNO2]0 = 0.6 моль/л. Отмечена высокая скорость реакции. Проведение реакции при 100 оС приводит к тому, что она завершается за 5 минут, тогда как при использовании в качестве субстрата 1,1-дихлор-2,2-бис(4-нитрофенил)этилена окончание реакции наступает через 1-1.5 ч. Полная конверсия 1-хлор-2,2-бис(4-нитрофенил)этилена отмечена уже при температуре 40-50 0С, время реакции 0.5-1.0 ч. Методом жидкостной хроматографии установлено, что в результате реакции образуется смесь трех продуктов, одним из которых является 4,4'-динитробен-зофенон.

Анализ продуктов методами масс-спектро-метрии, ПМР- и ИК-спектроскопии показал, что в результате реакции кроме 4,4'-динитробензофено-на образуется оксим 4,4'-динитробензофенона. Последний выделен из анализируемой смеси с помощью колоночной хроматографии. Для дополнительного подтверждения образования в результате реакции оксима 4,4'-динитробензофенона осуществлен встречный синтез последнего взаимодействием 4,4'-динитробензофенона с гидроксилами-ном. Результаты физико-химических методов исследования синтезированного продукта идентичны данным анализа соединения, выделенного из смеси.

Так как нам не удалось выделить третий продукт индивидуально, был проведен комплексный анализ смеси. Зная химические сдвиги протонов идентифицированных соединений (4,4'-ди-нитробензофенона и оксима 4,4'-динитробензофе-нона), определены сигналы, относящиеся к неизвестному продукту. С помощью данных хромато-масс-спектрометрии в масс-спектре смеси также выделены фрагменты, относящиеся к рассматриваемой структуре. Результаты анализов свидетельствуют, что в реакции образуется 6-нитро-3-(4-нитрофенил)-2,3-дигидробензоизоксазол.

Результаты балансовых опытов показывают, что 4,4'-динитробензофенон, оксим 4,4'-ди-нитробензофенона и 6-нитро-3-(4-нитрофенил)-2,3-дигидробензоизоксазол образуются с выходами 50%, 30 % и 20 %, соответственно.

Высокая реакционная способность всех интермедиатов исследуемых реакций затрудняет их изучение с помощью экспериментальных методов. Поэтому исследование возможных вариантов превращений исходных соединений в продукты реакции проводили с привлечением квантово-химического моделирования (метод АМ1).

Взаимодействие 1, 1 -дихлор-2,2-бис(4-нит-рофенил)этилена (субстрат I) и 1-хлор-2,2-бис(4-нитрофенил)этилена (субстрат II) с нитритом на-

трия в ДМФА можно классифицировать, как пример реакции нуклеофильного винильного замещения. Согласно обзору, посвященному данной тематике [8], большинство экспериментальных данных указывает на двухстадийный механизм SNVin реакций. Реакционная способность этиленовой связи в субстрате в значительной степени зависит от эффектов влияния электроноакцепторной нит-рогруппы в фенильном заместителе, что, в свою очередь, отражает геометрия молекулы. Молекулы обоих субстратов неплоские, нитрогруппа находится в плоскости кольца, а плоскости последних развернуты относительно этиленовой связи. Понятно, что различная степень некопланарности двух фенильных заместителей и двойной связи обуславливает неэквивалентное влияние нитро-групп в каждом из них на двойную связь.

Согласно величинам СpZ2 в обоих субстратах реакционным центром двойной связи при атаке нитританионом является атом углерода, соединенный с галогенами. Последовательность направлений возможных превращений приведена в таблице. Подробное рассмотрение альтернативных путей протекания нуклеофильной атаки и обсуждение деталей механизма последующих химических превращений выходят за рамки данной работы.

Реакция нуклеофильного присоединения нитрит-иона к обоим субстратам с образованием карбанионов (реакции 1 и 2, соответственно) имеют нулевые энергии активации. Этот результат не является неожиданным, так как аналогичные данные расчетов, приводящие к безбарьерным реакциям, описаны в работе [8]. Механизм синхронного замещения с отщеплением уходящей группы (хлорид-аниона) дает высокие барьеры активации, поэтому не может рассматриваться, как альтернативный. Механизм SNVin предусматривает за стадией нуклеофильной атаки отщепление уходящей группы хлорид-иона. Однако выполненные расчеты процесса элиминирования хлорид-аниона от карбаниона дают относительно высокие барьеры активации (около 20 ккал/моль) по сравнению с процессами циклизации образовавшегося карба-ниона. Различные изоморфные процессы циклизации карбанионов обоих субстратов (реакции 3-6) идут безбарьерно. Продукты превращений представляют собой изоэлектронные аналоги. Реакции 7 и 8 (расширение цикла) проходят с невысокими барьерами, причем в случае субстрата (I) барьер ниже. Разрыв циклов субстратов может осуществляться по двум механизмам - последовательному и синхронному. Последовательный разрыв цикла в субстрате (II), сначала углерод-углеродной связи, а затем кислород-азот (реакции 9, 10), имеет низ-

кие барьеры активации, первый из которых меньше, чем второй. В альтернативной реакции (11) -изомеризации промежуточного интермедиата (продукта реакции 10) - локализовать переходное состояние не удалось. Для субстрата (I) (реакции 12 и 13) первая стадия имеет самый высокий барьер среди всех последующих превращений (28 ккал/моль). Эта величина близка к экспериментальному значению энергии активции, полученному в кинетическом эксперименте (20 ккал/моль) [9]. Высокое отрицательное значение величины энтропии активации (-26.42 кал/мольхК) косвенно свидетельствует о циклической структуре аниона в реакции (12). Необходимо отметить, что синхронный механизм разрыва цикла сразу двух связей через четырехцентровое переходное состояние дает существенно более высокие барьеры, чем наблюдаются в кинетическом эксперименте.

Таблица.

Последовательность химических превращений.

№ т

Реакция продукты и реагенты

С1

I

С1-С

Р-С

I

Р

0=№

О С1—<

о

С

Р-С® /

о

У

С1

С

Н-С

С

Р-С

С

_

0=№

-0>

НС

р—С© /

I о

р

С1

С1-с-

1е

Р-С

Б!

\

/

С1

С1-С^

\

Р-С___ /

I о

р

С1

I

Н-С'

о

I© „ы

Р~С /

С1

I

НС

\,е

Р-С.__/

о

С1

I

С

I© \

Р"С /

-с \

Р~Г&

Энергия активации, ккал/моль

3

Продолжение таблицы.

10

11

12

13

14

15

С1

I

Н-С

Р

Р

о

I©

-С /

С1

НС РС Р

\

С1

С1-С'

Р-С^

Р

С1-

о " /©

С1

1-оч

ТV

о

Р-С__/

Р

С1

I

Н—с

I

Р-С^

I

Р

о " /©

С1

I

НС

С|

1

НС \

1 о

РС /

1 -не

Р

С|

\

РС

I ____о

С|—С5 \

о

Р 'Т^^ы

С1

^о Н—^ \

о

Р-/

I ^ы

Р

С1

НС РС Р

/

да

С1

Н

Р-С

I

Р

__о

-С0-- \

о /

С1

НС

,0

1—С^ //

С1

С1-С^

V

Р-С^__/

I__-о

С|—сз^ \

о

Р

С|—^ \

о

р—с^^ / I ^ы

Р

я©

р

С1

I

С1-С'

Р—С---/

\ +Н2О / С|-\

> —£ /

10 I

Р-С^ /

I ^-ы

да +и2о

он

РС

ы

I Н

Р

да

3

0.92

4.58

1.23

1.55

28.11

1.39

0.06

1

2

6

0

о

о

7

о

8

9

Р

2

С|

о

1

0

Р

ы

С|

Р

С|

2

0

Р

Р

С|

С|

3

0

о

С|-С

Р

С|

4

0

Р

Р

С|

Р

5

0

Р

Р

Р

Окончание таблицы.

1 2 3

16 ?н -и2с да г3 и_0 / -»- -/ н 1 и и 0.03

17 он н© он Уон и-о__/ и-о^ / 1 1 нн и и 1.64

18 он 0 1 /Он II и-^ / -- и-0 | N -ын2он | I н и и и 0.66

19 0 он 1 кн2он | он и-0 -и-0__/ 1 |н Р: Р! 6.47

20 ^он о . ■ ^ о / у ф ф^ N - Л 20.20

21 -¿аон о __ ^^ о / у Ф фг N, Л, 68.40

Дальнейшее рассмотрение направлений возможных превращений основано на том экспериментальном факте, что в ДМФА, осушенном стандартными методами (без применения боргидридных материалов и молекулярных сит), содержание воды составляет более 1% масс. Являясь нуклеофильным агентом, вода участвует в дальнейших превращениях, причем необходимое количество последней, в соответствии со стехиометрией, составляет не более 0.05% масс. Высокореакционный побочный продукт реакции 13 (дихлорангидрид угольной кислоты) разлагается водой в условиях реакции с образованием двуокиси углерода и двух молей соляной кислоты, один из которых расходуется далее на разложение одного моля нитрита натрия, второй - на нейтрализацию гидроксиламина (продукт реакции 18). Таким образом, предложенная схема по стехиометрическо-му соотношению реагентов полностью подтверждается балансовыми опытами, выполненными для субстрата (I). Нуклеофильная атака молекулой воды циклического анионного интермедиата не приводит к его гидролизу (реакция 14). Гидролиз ионной формы оксима (продукта реакций 10 и 13 для соответст-

вующих субстратов), приводящий к тетразамещен-ному интермедиату, является обратимой реакцией. Реакция 15 - прямая, реакция 16 - обратная. Барьеры реакций очень малы и равновесие сдвинуто в сторону обратной реакции. Реакции (17) и (18) иллюстрируют двухстадийный механизм образования замещенного производного бензофенона. Протонизация ионной формы тетразамещенного интермедиата (реакция 17) приводит к нейтральным формам, которые, в отличие от заряженных (48 ккал/моль), имеют значительно меньший барьер активации. Побочный продукт (гидроксиламин) реакции образования замещенного производного бензофенона связывается вторым молем соляной кислоты (реакция 13), образуя неактивный гидрохлорид гидроксиламина. Причем закономерности накопления кетона свидетельствуют об автокаталитическом характере реакции, что подтверждается кинетическим экспериментом. Таким образом, обратимая реакция (18) смещена в сторону образования бензофенона. Процесс образования последнего определяется константой равновесия прямой (18) и обратной (19) реакций, причем отношение активационных барьеров соответствующих реакций составляет около 0.1. Если, в случае субстрата (I) высокий барьер на стадии образования производного кетоксима, и малые на последующих стадиях, определяют в качестве единственного продукта реакции - производное бензофенона, то для субстрата (II) - соотношение примерно равных барьеров реакций (10) и (17) определяют накопление в продуктах реакции, как кетооксима, так и бензофе-нона. Вторым фактором, определяющим неполное расходование кетоксима в случае субстрата (II), является обратная реакция (19) кетона с активной формой гидроксиламина. Так как при разложении хлорангидрида муравьиной кислоты (побочный продукт реакции 10) водой образуется только один моль хлористого водорода в отличие от субстрата (I), где образуется два моль, то, учитывая избыток нитрита натрия в реакционном растворе, необратимо связывающий хлористый водород, свободный гид-роксиламин участвует в накоплении кетоксима в обратной реакции. Циклическое производное может образовываться в соответствии с реакциями 20 и 21. В первой из них кетоксим находится в «удобной конформации», во второй - в неудобной конформа-ции для циклизации. Относительно высокий барьер активации реакции (20) определяет невысокую концентрацию циклического соединения в продуктах реакции.

На основе полученных результатов и балансовых опытов предложена следующая схема превращения:

ДМФА

\ Г

6-Нитро-3-(4-нитрофенил)-2,3-дигидробеюо-изоксазол. С учетом интегральной интенсивности установлено, что данное соединение содержит семь ароматических протонов и имеет следующую структуру:

Таким образом, впервые выполненное комплексное исследование реакционной способности замещенных диарилэтанов в реакции с нитритами щелочных металлов выявило ряд неочевидных моментов их превращения, которым дано объяснение на основе данных препаративных, кинетических исследований и квантовохимического моделирования.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

ИК спектры снимали на спектрофотометре Specord M-80. Спектры ЯМР 1Н записаны на спектрометре Bruker AC-300 SF=3000.13 MHz в DMSO-d6 , внутренний стандарт - ГМДС. Молекулярную массу определяли из масс-спектра, полученного на приборе МХ 1310. Полуэмпирические квантовоме-ханические вычисления выполнены с использованием оригинальной параметризации программы АМ-1. Предварительная оптимизация геометрии осуществлялась методом молекулярной механики и молекулярной динамики (метод Монте-Карло). Расчет геометрии осуществлялся с полной оптимизацией длин связей, валентных углов, торсионных углов без предположения гипотетической симметрии. Точность процесса оптимизации устанавливалась значением нормо-градиента 0.005. Анализ заселенности Малликена использовался для обсуждения распределения электронной плотности. Локализация переходных состояний осуществлялась «методом синхронного транзита», достоверность локализации подтверждалась решением «колебательной задачи».

Оксим 4,4'-динитробензофенона. Т.пл. 196-198 °С. ПМР-спектр оксима 4,4'-динитробензофе-нона содержит четыре дублета с орто-константа-ми. В слабом поле находятся сигналы, относящиеся к протонам 1 и 4: ô1=8.33 м.д., 54=8.18 м.д. В более сильном поле находятся протоны 2 и 3, расположенные в орто-положении к мостиковой группе: 52=7.66 м.д., 53=7.59 м.д. Значение химического сдвига протона гидроксильной группы составляет 5сн =12.0 м.д. ИК-спектр v (см -1): 1340, 1520 (NO2); 1655 (С=1Ч); 3200 (О-Н). Масс-спектр оксима 4,4'-динитробензофенона, m/z (1отн, %): 287 [M+] (55.2), 271 (10.7), 270 (44.9), 257 (4.5), 240 (14.5), 225 (17.9), 224 (34.6), 212 (11.2), 195 (14.3), 194 (19.2), 179 (29.6), 178 (67.5), 167 (17.6), 166 (29.5), 150 (45.7), 139 (33.2), 120 (10.0), 104 (29.4), 103 (47.1), 92 (36.5), 76 (100), 50 (69.1).

Одно ядро представляет собой четырехспи-новую систему, а другое - трехспиновую. Протону Hi соответствует дублет дублетов с орто-константой со значением химического сдвига 51 = 8.30 м.д. Протон Н2 представляет собой дублет с орто-константой, а протон Н3 - дублет с мета-константой 52-3 = 7.937.98 м.д. Два дублета с орто-константой со значениями 54 = 7.78 м.д. и 55 = 8.22 м.д. относятся к протонам Н4 и Н5. Синглет при 5сн=6.95 м.д. соответствует метиновому протону моста. Согласно данным ПМР спектра смесь состоит из 4,4'-динитробензофе-нона, оксима 4,4'-динитробензофенона и 6-нитро-3-(4-нитрофенил)-2,3-дигидробензоизоксазола в количествах 10 %, 30 % и 60 %, соответственно.

В масс-спектре смеси также выделены фрагменты, относящиеся к 6-нитро-3-(4-нитрофе-нил)-2,3-дигидробензоизоксазолу, m/z (1отн, %): 287 [M+] (10.1), 254 (15.2), 224 (25.0), 179 (25.1), 139 (15.1), 120 (13.7), 103 (55.1), 92 (26.3), 76 (100), 63 (18.8), 50 (58.7), 44 (17.5).

ЛИТЕРАТУРА

1. Сибриков С.Г. и др. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 1993. Т. 36. Вып. 10. С. 13-23.

2. Казин В.Н. и др. ЖОрХ. 1991. Т. 27. Вып. 2. С. 380-382.

3. А.с. 1606507 СССР, МКИ5 С 07 С 205 /45. Способ получения 3,3'- динитро-4,4'-дигидроксибензофенона / В.Н. Казин, С.Г. Сибриков, В.В. Копейкин и др. // Бюл. изобр. 1990. № 42.

4. Сибриков С.Г. и др. ЖОрХ. 1994. Т.30. Вып. 7. С. 1080.

5. Сибриков С.Г. и др. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 1995. Т. 38. Вып. 6. С. 32-35.

6. Сибогатулина Н.Г. и др. Реакционная способность замещенных 1,1,1-трихлор-2,2-диарилэтанов с NaNO2 в ДМФА // Современные проблемы биологии и химии: региональный сб. науч. тр., Ярославль. 1998. С.100-105.

7. Сапожникова Н.Г. и др. Синтез и идентификация продуктов реакции 1-хлор-2,2-бис(4-нитрофенил)этилена с NaNO2 // Современные проблемы биологии и химии: региональный сб. науч. тр., Ярославль. 2000. С. 208-210.

8. Шаинян Б.А. Успехи химии. 1986. Т. 55. Вып. 6. С. 942-973.

9. Сибогатулина Н.Г. и др. Кинетические закономерности реакции 1,1-дихлор-2,2-бис(4-нитрофенил)-этилена с нитритом натрия в ДМФА //Тез. докл. науч. конф. «Современные проблемы естествознания». Ярославль. 1997. С. 15-17.

ON

NO

ON

NO

+ NaNO

O

NO

ON

NO

ON

N

OH

H

H

Кафедра общей и биоорганической химии