Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. "Протонные губки" 11
1.1 Синтез "протонных губок" 12
1.1.1 1,8-Бис(диалкиламино)нафталины 12
1.1.2 Поликис(диалкиламино)нафталины 16
1.1.3 Другие ареновые и гетареновые "протонные губки" 17
1.2 Реакционная способность 18
1.2.1 Реакции с участием диалкиламиногрупп 18
1.2.1.1 Протонирование и основность 18
1.2.1.2 Взаимодействие с другими кислотами Льюиса 25
1.2.1.3 Дезалкилирование 27
1.2.1.4 Превращение в соли 2,3-дигидроперимидиния 27
1.2.2 Реакции по ароматическому ядру 28
1.2.2.1 Нитрование 28
1.2.2.2 Галогенирование 29
1.2.2.3 Формилирование и ацилирование 29
1.2.2.4 Гидроксиметилирование и реакция Манниха 31
1.2.2.5 Реакции с другими С-электрофилами 32
1.2.2.6 Реакции с 5-электрофилами 33
1.2.3 Реакции функциональных групп 33
1.2.4 Превращения нафтилметильных карбокатионов на основе нафталиновых "протонных губок" 34
1.3 Физико-химические свойства 39
1.3.1 Молекулярная структура 39
1.3.1.1 Основания 39
1.3.1.2 Катионы 42
1.3.2 Спектры ЯМР 45
1.3.2.1 Основания 45
1.3.2.2 Катионы 47
1.3.2.3 Спектры ЯМР и молекулярная динамика 50
1.3.3 Другие спектральные характеристики 51
1.3.4 Другие физико-химические свойства 52
1.3.5 Квантово-химические расчеты 55
1.4 Применение "протонных губок" 56
ГЛАВА 2. Новые подходы к синтезу 1,8-бис(диалкиламино) нафталинов 65
2.1 Из солей 2,3-ДИГидроперимидиния 65
2.2 Из (нитро)нафтил аминов 80
2.2.1 1,4,5,8-Тетракис(диметиламино)нафталин 80
2.2.2 Способ исчерпывающего TV-метилирования нафтиламинов 86
2.2.3 1,2,7,8-Тетракис(диметиламино)нафталин и его аналоги 90
2.2.4 Л^//'-Диизопропил-Д,Л^'-диметил-1,8-диаминонафталин 93
2.3 Аценафтиленовая "протонная губка" 94
2.4 Из октафторнафталина 95
2.4.1 Реакции со вторичными аминами 95
2.4.2 Реакции с диалкиламидами лития 98
ГЛАВА 3. Реакционная способность 1,8-бис(диалкиламино) нафталинов 102
3.1 Реакции с участием диалкиламиногрупп 102
3.1.1 Дезалкилирование и переалкилирование 102
3.1.2 Превращение в соли 2,3-дигидроперимидиния 110
3.1.3 Восстановительное элиминирование диметиламиногрупп 111
3.2 Реакции по ароматическому ядру 113
3.2.1 Ион-радикальные реакции 113
3.2.2 Нитрование 118
3.2.3 Галогенирование 125
3.2.4 Азосочетание 128
3.2.5 Особенности реакционной способности двойных и 2,7-дизамещенных "протонных губок" 129
3.3 Реакции функциональных групп 132
3.3.1 Нитро- и аминогруппы 132
3.3.2 Металлорганические синтезы 133
3.3.3 Алкенильные заместители 134
ГЛАВА 4. Протонирование и основность 139
4.1 Влияние N-заместителей на основность 139
4.2 Влияние на основность заместителей в нафталиновом ядре 140
4.3 Двойные и полифункциональные "протонные губки" 147
4.4 1,8-Бис(диметиламино)нафталин-2,7-диолят 148
4.5 "Протонные губки", протонирующиеся по фрагментам, сопряженным с диметиламиногруппами 152
4.6 Квантово-химические расчеты 156
ГЛАВА 5. Молекулярная структура и строение внутримолекулярной водородной связи 160
5.1 Молекулярная структура оснований 160
5.2 Молекулярная структура катионов 167
5.3 Внутримолекулярная водородная связь в некоторых сложных системах 170
5.4 Другие методы исследования строения внутримолекулярной водородной связи в катионах нафталиновых "протонных губок" 177
5.4.1 Спектроскопия ЯМР 178
5.4.2 ИК-спектроскопия 189
5.4.3 Квантово-химические расчеты 192
ГЛАВА 6. Экспериментальная часть 195
6.1 Физико-химические измерения 195
6.2 Синтезы нафталиновых "протонных губок" 197
6.2.1 Реакции с участием солей 2,3-дигидроперимидиния 197
6.2.2 Синтезы на основе (нитро)нафтиламинов 207
6.2.3 Синтезы на основе октафторнафталина 218
6.3 Превращения 1,8-бис(диметиламино)нафталинаи его аналогов 221
6.3.1 Дезалкилирование и переалкилирование 221
6.3.2 Ион-радикальные реакции 224
6.3.3 Нитрование и азосочетание 226
6.3.4 Галогенирование 235
6.3.5 Реакции функциональных групп 237
6.3.6 Синтез протонных комплексов 245
6.4 Превращения 5,6-бис(диметиламино)аценафтилена и его аналогов 246
6.5 Квантово-химические расчеты 249
Выводы 250
Список литературы 254
Благодарности 281
- Реакционная способность
- Спектры ЯМР и молекулярная динамика
- Реакции функциональных групп
- Другие методы исследования строения внутримолекулярной водородной связи в катионах нафталиновых "протонных губок"
Введение к работе
Нейтральные органические основания, обладающие аномально высокой термодинамической основностью, сочетающейся с пониженной скоростью присоединения-отщепления протона (низкая кинетическая основность), принято называть "протонными губками" (proton sponges). Родоначальником "протонных губок" является 1,8-бис(диметиламино)нафталин (1), для которого компанией Aldrich в 1972 году и была предложена данная торговая марка (Pro-ton Sponge ). Термин возник из-за аналогии между поведением таких соединений и обычных губок, медленно впитывающих воду, но очень прочно удерживающих ее и трудно отжимаемых. Об удивительно высокой основности соединения 1 сообщили впервые Альдер и сотр. еще в 1968 году [1]. Действительно, в то время как величины рКа 1,8-диаминонафталина 2 и его моно-, ди- и триметилпроизводных 3-6 находятся в пределах, типичных для обычных ариламинов, основность соединения 1 скачкообразно увеличивается почти в миллион раз, достигая рКа = 12.34 (Табл. 1). Это соотношение сохраняется и в неводных растворителях, например, в ацетонитриле [2], а также в газовой фазе [4].
Таблица 1. Константы основности (рКа) JV-метилированных 1,8-диаминонафталинов (25 С).
R4R3N
nr'r2
(1-6)
Полагают [1,5-7], что существуют две главные причины аномально высокой основности соединения 1:(1) дестабилизация основания за счет сильного отталкивания СНз-групп и не-поделенных электронных пар атомов азота и (2) образование прочной внутримолекулярной водородной связи (ВВС) в протонированной форме ГН+ (уравнение 1).
Позднее эта величина была уточнена, и теперь общепринятым значением рКа сопряженной кислоты ГН* считается величина 12.10 [3]. Здесь и далее для простоты обозначения используется запись рКл вместо более строгого обозначения рХвн+, понимая под рКа кислотную диссоциацию сопряженных кислот азотистых оснований (см., например, уравнение 1).
Ме>, .Н.
*n* + "n;
.Me
(1)
(1) (1-H+)
Для углубленного изучения названных факторов, начиная с середины 1980-х гг., Штаа-бом и сотр. осуществлен синтез подобных соединений на основе флуорена 7 [8], гетерофлуо-ренов 8-Ю [9], фенантрена 11,12 [10], бенз[с]фенантрена 13 [11] и полиядерных диазааренов 14 [12,13], 15 [14] и 16 [15]. Швезингером и сотр. синтезированы винамидины 17,18 [16], обладающие еще более высокой основностью, чем соединения 1, 7-16.
Me Me Mev Me Me( Me
X-X
(7)X = CH2 (8)X = S (9) X = Se (10)X = Te
X-X = CH2CH2
X-X = CH=CH
Me^N N-^Me Me^N N^Me Mel^''N N''^Me
N N
(17) (18)R = H,Me
Через 10 лет после открытия Альдера было обнаружено, что в случае 1,8-бис(диалкил-амино)-2,7-диалкоксинафталинов (19) основность увеличивается еще на 4 порядка, достигая ра = 16.1-16.3 (в шкале Н20) [17,18]. Это объяснили так называемым "эффектом поддержки" ("подпирания", buttressing effect): алкоксигруппы, помимо оказываемого ими электроно-донорного влияния, как бы не позволяют разойтись диалкиламиногруппам, сближая их в пространстве, что усиливает отталкивание неподеленных электронных пар атомов азота. Одно время такие соединения оставались самыми сильными из известных нейтральных оснований: их соли почти не депротонируются крепкими водными щелочами.
7 Работы в данном направлении постепенно привели к формированию критериев того, какие соединения могут быть отнесены к "протонным губкам". В число этих критериев входят: (1) подходящая структурная организация молекулы, обеспечивающая жесткую фиксацию двух атомов N на достаточно близком расстоянии друг от друга; (2) наличие в молекуле основания дестабилизирующего отталкивания неподеленных электронных пар атомов N; (3) реализация в катионе прочной ВВС, снимающей стерическое и электронное напряжение, характерное для основания; (4) наличие у атомов N гидрофобного окружения, чаще в виде ал-кильных групп, что фактически и создает эффект "губки". Последний заключается в замедленном присоединении-отщеплении протона и крайне низкой N-нуклеофильности, выражающейся в неспособности координироваться со всеми кислотами Льюиса, за исключением протона. К сожалению, не все из этих критериев учитываются исследователями: во многих публикациях к "протонным губкам" часто относят соединения, которые фактически ими не являются. В частности, из-за несоблюдения последнего условия это касается соединений 14-18, иминофосфорана 20 [19], бис-гуанидина 21 [20] и 1,8-бис(диметиламинометил)нафталина (22) [21]. Эти и другие случаи неправильного терминологического отнесения привели даже к появлению несуразных оборотов типа "fast proton sponges" и "kinetically active proton sponges" (быстрые и кинетически активные "протонные губки") (см. также работы [22-26]).
(20) (21) (22)
Природа необычно высокой основности "протонных губок" представляет интерес как с точки зрения теории кислот и оснований, так и в целом органической химии. Протонные соли 1,8-бис(диалкиламино)нафталинов оказались удобными моделями для изучения ВВС различных типов, в особенности симметричных низкобарьерных, то есть чувствительных к тонкому молекулярному окружению. Такие водородные связи характерны для многих фермент-но-катализируемых реакций, а вопрос их симметрии является фундаментальным при изучении молекулярной структуры органических соединений. 1,8-Бис(диметиламино)нафталин, наряду с другими подобными соединениями (диизопропиламид лития, 2,6-ди-/-бутилпиридин, основания Хюнига и т.д.) уже занял свое место в органическом синтезе в качестве мягкого малонуклеофильного основания и катализатора.
Долгое время основность и структура "протонных губок" оставались в центре внимания ученых, что нашло отражение в первых обзорах на эту тему [5-7,27]. Между тем, исследова-
8 ния реакционной способности соединения 1, проведенные позднее на кафедре органической химии РГУ, показали, что химия "протонных губок" не менее интересна [28]. Более того, только анализ взаимосвязи между реакционной способностью и физико-химическими характеристиками "протонных губок" позволяет глубоко понять всю их специфику.
Несмотря на существенные достижения, к началу нашей работы, из-за отсутствия достаточно представительного ряда производных диамина 1, оставались нерешенными многие фундаментальные проблемы. К их числу можно отнести:
Простые методы функционализации нафталиновых "протонных губок", преимущественно по стерически затрудненным opwo-положениям.
Пределы роста величин рКа "протонных губок".
Природа "эффекта поддержки" и способы целенаправленного (а не случайного!) повышения основности "протонных губок".
Диапазон изменения свойств ВВС в катионах типа ГЬҐ, в частности, поляризуемость, степень симметрии, линейности и сжатия.
Изучению этих вопросов и посвящено настоящее исследование. Диссертационная работа отражает главные аспекты химии нафталиновых "протонных губок", включая методы их синтеза, реакционную способность и физико-химические свойства, прежде всего основность и молекулярную структуру.
В ходе исследования методов синтеза получены ранее неизвестные типы нафталиновых "протонных губок": гекса- и гептакис(диалкиламино)нафталины, производные 1,Г-бинафтила, МД'-хиральные и .мета-замещенные 1,8-бис(диалкиламино)нафталины. Предложенный простой способ исчерпывающего метилирования полиаминоаренов в системе Me2S04-Na2C03-H20 сделал доступными многие тетракис(диметиламино)нафталины, а также рекордно основные соединения ряда 2,7-ІІ2-1,8-(ЬІМе2)2-нафталинов, где R - алкокси- или диалкил аминогруппа.
Me2N NMe2 Me2N NMe2
r^Nr^ JO]_
(2)
(23) (24)
Аценафтиленовая "протонная губка" 24, полученная нами селективным окислением аце-нафтена 23, может быть поставлена в один ряд с "протонными губками" на основе фенантре-на, флуорена, дибензофурана и других полиядерных систем (уравнение 2). В то же время,
* Эти исследования в период 1979-1989 гг. осуществлялись фрагментарно, начиная с 1989 года- систематически, а в 1993 году к ним подключился и автор настоящей работы.
аценафтилен 24 обладает значительным синтетическим потенциалом, обусловленным наличием активной двойной связи.
(25)
В процессе изучения реакционной способности найдены методы региоселективного хлорирования и бромирования 1,8-бис(диметиламино)нафталина по положениям 2(7) и 4 с помощью JV-галогеназолов. Показано, что атомы галогенов в ряду "протонных губок" посредством металлорганических реакций могут быть переведены в самые разнообразные эле-менто- (напр. D, I, SiMe3, SMe) и углеродсодержащие (напр. Me, CC^Et, С(ОН)Рпг) функции. Найдены условия избирательного моно-ІУ-дезалкилирования 1,8-бис(диалкиламино)нафта-линов и исчерпывающего, однореакторного переалкилирования нафталино- t ^ NEt вых "протонных губок", что дает возможность в один синтетический прием превратить, например, соединение 1 в производное 25. Переходы такого типа, движущей силой которых является образование относительно прочной ВВС, до сих пор неизвестны в бензольном ряду.
Синтез большой серии 2,7-дизамещенных 1,8-бис(диметиламино)нафталинов впервые позволил всесторонне исследовать факторы, способствующие увеличению основности "протонных губок". Показано, что основность в большей степени определяется полярным эффектом заместителей и лишь отчасти упомянутым "эффектом поддержки". В развитие этих представлений синтезирован 1,8-бис(диметиламино)нафталин-2,7-диолят (26), сопряженная кислота которого (26'ЬҐ) (уравнение 3) успешно конкурирует за протон не только с гидро-ксид-, но и с гидрид-анионом! Это означает, что основность 1,8-бис(диалкиламино)-нафталинов может достигать рКя 25-26 (в шкале воды). Впервые получены "протонные губки", протонирующиеся не по NMe2-rpynnaM, а по другим сопряженным с ними фрагментам.
Me2N NMe2
.Н.
Me2N' + NMe2
<Х J\ J^ ,o~
(3)
(26) (26'H+)
Проведены комплексные структурные и физико-химические исследования синтезированных соединений с привлечением ИК-спектроскопии, масс-спектрометрии, мультиядерно-го магнитного резонанса, изотопного замещения и квантово-химических расчетов. Предложены методы надежного установления строения ВВС в протонированных "протонных губках" в растворе. На основе полученных данных сделаны выводы о сравнительном влиянии типа замещения ароматического кольца (орто, мета, пара), nepw-циклизации (6- и 5-членные циклы) и симметрии (моно- и дизамещенные) на свойства ВВС в катионах нафтали-
10 новых "протонных губок". Впервые обнаружены производные "протонной губки", у которых неподеленная пара одной из NMe2-rpynn ориентирована не в межазотное пространство, как обычно, а в сторону орто-заместителя (in/out-конформация).
Показаны новые пути практического применения "протонных губок". Так, легкость
взаимоперехода внутри редокс-системы 23 ^ 24 может быть использована для создания молекулярных переключателей и "протонных губок" с регулируемой основностью. В отличие от диамина 1, резко пониженная С-нуклеофильность 2,7-дизамещенных "протонных губок" в сочетании с их высокой основностью делает эти соединения перспективными реагентами органического синтеза, в частности, для реакций с участием ацидофобных субстратов.
Настоящая работа выполнена на кафедре органической химии Ростовского госуниверситета и вносит вклад в химию нафталина и ариламинов, способствуя углублению знаний в области сильных органических оснований, иери-взаимодействий, водородной связи и переноса протона.
Диссертация обобщает результаты автора, полученные им в период 1993-2006 гг., и состоит из введения, литературного обзора (Глава 1), обсуждения результатов (Главы 2-5), экспериментальной части (Глава 6), выводов и списка использованной литературы. Глава 1 посвящена синтезу и наиболее ярким свойствам "протонных губок" всех типов, охватывая литературные источники до 2005 года включительно. Главы 2-5 содержат результаты, полученные автором лично, либо при его непосредственном участии в ходе работы с нафталиновыми "протонными губками" и их близкими аналогами.
Реакционная способность
Высокая основность, несомненно, является важнейшей характеристикой всех "протонных губок". Анализ как самих величин рКа, так и влияющих на нее факторов, во многом способствует пониманию реакционной способности и структурных особенностей бис(диалкил-амино)аренов. К настоящему моменту известны константы основности чуть более 40 представителей данного ряда, в основном нафталиновых производных. Из-за плохой растворимости веществ лишь некоторые из констант определены в воде или смесях вода-ДМСО спек-трофотометрически. Для большинства других соединений измерения выполнены в неводных растворителях с помощью потенциометрического титрования (в ацетонитриле) или путем конкурентного транспротонирования (обычно в ДМСО) между двумя близкими по силе основаниями. В последнем случае измерение концентраций обычно проводят с помощью метода ЯМР, что дает менее точные результаты. Что касается газофазных основностей, то экспериментальная величина сродства к протону (РА) известна лишь для родоначальника ряда 1; для многих других соединений величины РА были рассчитаны теоретически (Табл. 4). При этом принято [53], что сродство к протону для супероснований РА 1004-1005 кДж/моль. Таким образом, 1,8-бис(диметиламино)нафталин и другие "протонные губки" вполне могут быть классифицированы как супероснования (см. Табл. 4). Недавно Стрейтви-зер и Ким [58] сообщили о ион-парной (ion pair) основности соединения 1 и сравнили ее с аналогичными величинами для других аминов в ТГФ.
Лишь для двух "протонных губок" величины рКя были рассчитаны теоретически; эти значения также приведены в Табл. 4. В Табл. 5 содержатся выборочные данные по основностям "протонных губок" в растворе. Во Введении были указаны две общие причины, обуславливающие высокую основность "протонных губок": (1) снятие стерического напряжения и электростатического отталкивания неподеленных электронных пар атомов азота при переходе от основания к катиону и (2) образование прочной водородной связи в катионе. В настоящее время можно утверждать, что относительный вклад каждого из этих факторов варьируется при переходе от одного соединения к другому [55,65,66]. Кроме того, основность, по-видимому, зависит и от ряда других причин, трудно поддающихся учету. Среди них - изменения в характере гибридизации атомов азота [67], неполное снятие стерического напряжения в катионах [5,15], потеря в энергии сопряжения диалкиламиногрупп с я-системой при переходе к катиону и т.д. С учетом объективной сложности проблемы неудивительно, что мнения исследователей относительно важности каждого из названных факторов сильно расходятся. Ховард на основании ah initio расчетов с использованием методов HF/6-31G и BLYP/6-31+G пришла к заключению, что для нафталиновой 1 и фенантреновой 12 "протонных губок" вклад ВВС в общее увеличение основности составляет не менее 65%, тогда как остальные 35% равномерно распределены между снятием стерических напряжений и отталкиванием неподеленных электронных пар при переходе к катиону [55]. Сама энергия водородной связи в газовой фазе была оценена лежащей в пределах 50-100 кДж/моль. Для расчета энергии напряжения (strain energy) в "протонных губках" Ховард определила этот параметр как сумму энергии отталкивания неподеленных электронных пар N-атомов, E(LP...LP), энергии геометрических искажений, E(distortion), и энергии ароматической дестабилизации, Е(аго-matic destabilization): "Strain energy" = E(LP...LP) + E(distortion) + E(aromatic destabilization).
Полученные для нафталиновых 1 и 45, а также флуореновой 7 и фенантреновой 12 "протонных губок" величины "strain energy", равные 16.9, 40.5, 61.0 и 12.3 кДж/моль, привели к заключению, что "...энергия напряжения редко, если вообще когда-либо, вносит больший вклад в основность "протонных губок", чем ВВС (энергия последней может достигать 100 кДж/моль)" [68]. Ховард отмечает также, что "напряжение в "протонных губках" не может быть оценено лишь на основании структурных параметров; единственным способом его оценки являются ab initio расчеты". Мнение о превалирующей роли ВВС было высказано также в работе [69]. Напротив, согласно MP2/6-31G //HF/6-31G расчетам работы [65], главным фактором ( 50%) увеличения основности "протонньк губок" является дестабилизация основания за счет отталкивания неподеленных электронных пар; на долю же водородной связи приходится не более 30%. Еще меньшее значение стабилизирующему эффекту водородной связи придается в экспериментальных работах Перрина и Охты [42,70] и Ллойда-Джонса [71]. По нашему мнению, в случае растворов истина лежит между этими крайними точками зрения. Так, основность 2,2 -бис(диметиламино)дифенила (67) (рКа = 7.9) на 2.8 порядка выше, чем у ЛУУ-диметиланилина (рКа = 5.1) [5,72]. Поскольку бензольные кольца в молекуле 67 развернуты относительно друг друга на 125, в ней нет заметного отталкивания электронных пар атомов азота, как нет и стерического напряжения. Таким образом, эту разницу в основ-ностях можно с достаточной уверенностью отнести к стабилизирующему действию ВВС в катионе 67 Н+ (уравнение 5). В случае "протонной губки" 1 вклад ВВС должен быть еще выше, составляя, возможно, 3.2-3.5 единицы рКй, т.е. порядка 50% от общего увеличения основности в сравнении с ІУД-диметиланилином.
Причина этого очевидна: основание 1, в отличие от 67, уже предорганизовано для протонирования, и в катионе ГН+ замыкается более устойчивый шестичленный цикл. Исходя из известного соотношения AG0 = 2.3RTpa и беря разность Л AG0 = AG01 - AG2, легко подсчитать, что катион ГН+ (AG01) на 40 кДж/моль стабильнее катиона диметиланили-ния (AG2). Пятьдесят процентов от этой величины, т.е. приблизительно 20 кДж/моль, и представляет собой энергию водородной связи в катионе ГІ-Ґ в воде. Это вполне соответствует средним значениям энергий подобных водородных мостиков [70,73], хотя и намного меньше приведенных выше теоретических оценок для газовой фазы (50-100 кДж/моль). Величина 20 кДж/моль хорошо объясняет легкость протекания ряда процессов, требующих предварительного разрыва ВВС в катионе ГН+, например, таких, как электрофильное замещение вів кислой среде (см. разделы 1.2.2 и 1.2.4) или взаимопревращение стереоизомер-ных катионов хиральных губок (разд. 1.3.2.2). Другая важная особенность "протонных губок" заключается в трудности их второго про-тонирования. Так, измеренная в смесях H2O-H2SO4 константа трКа = -9.0 [60] для соединения 1 оказалась намного ниже первой константы ра1 = 12.1 (Табл. 5). Неудивительно, что в отличие от 1,8-диаминонафталина (2), образующего вполне устойчивый кристаллический ди BF4" Н2 (73) (74а) (74Ь) (74с) Схема гидрохлорид, получить подобные соли "протонной губки" до сих пор не удавалось даже при действии избытка сильных кислот (HCIO4, HBF4 и др.). По-видимому, это связано с энергетической невыгодностью разрыва ВВС в катионах монопротонированных губок. В пользу такого предположения свидетельствует тот факт, что аммониевый катион 73, в котором отсутствует ВВС, при действии HCIO4 или CF3SO3H образует дикатион 74а, находящийся в равновесии с СН-таутомерами 74Ь и 74с (Схема 7) [74,75]. По этой же причине хелатирован-ные катионы 33d H+ и ЗЗе Н+ в сходных условиях не протонируются второй раз по атому азота, тогда как их нехелатированные аналоги 36 Н+ и 37 Н+ образуют К(1),1Ч(8)-дикатионы [75].
Спектры ЯМР и молекулярная динамика
"Протонные губки" в своем большинстве являются стерически напряженными соединениями, поэтому многие из них существуют в различных конформациях, обусловленных затрудненным вращением диалкиламиногрупп, инверсией связей при атомах азота или искажениями ароматического кольца. Спектроскопия ЯМР позволяет наблюдать за соответствующими переходами в широком диапазоне условий. Иногда динамические процессы проявляются уже при комнатной температуре в виде уширения пиков TV-алкильных групп или ароматических протонов. Хотя спектры ЯМР Н и 13С "протонной губки" 1 в растворе при комнатной температуре демонстрируют эквивалентность четырех TV-метильных групп, установлено, что это - результат быстрых обратимых переходов, усредняющих в шкале времени ЯМР соответствующие конформации. Оказалось, что синглет групп СНз в спектре ЯМР Н соединения 1 в CF2CI2 при охлаждении до -120 С расщепляется в дублет [40]. Свободная энергия активации этого конформационного перехода, AG#, оценена в 31 кДж/моль. Предположительно процесс интерконверсии метальных групп имеет синхронный характер и протекает через плоское переходное состояние с симметрией СгУ (Схема 28). Для стерически более затрудненного 1-бензилметиламино-8-диметиламинонафталина (141) превращение синглета группы NMe2 в дублет происходит при -38 С, одновременно синглет метиленовой группы расщепляется в квартет. Величина AG# в этом случае возрастает почти вдвое. Сходные динамические процессы различной сложности наблюдаются в соединениях 11, 95 (Табл. 11) и бинафтильной "протонной губке" 41 [130].
К сожалению, ЯМР Н анализ и определение Тс интерконверсии dl-54 и мезо-54 соединений не могут быть проведены из-за неравной заселенности диастереомеров и малом различии в химических сдвигах метальных групп [41]. Эти параметры, однако, были определены в серии 13С спектров, что дало для ДМФА-сЬ высоту барьера -61 кДж/моль для dl-54 ± мезо-54 и -87 кДж/моль для dl-54 ІҐ мезо-54 Я ; #-"губка" на 2.5 кДж/моль более стабильна, чем жзо-основание, тогда как dl-сопъ по энергии на 5.4 кДж/моль ниже своего мезо аналога [71,129]. ИК спектры "протонной губки" 1 и ее катиона детально исследованы польскими химиками и кратко проанализированы в обзоре [28]. С тех пор они были дополнены исследованиями солей ГН4 с другими анионами [124,131]. Наибольший интерес привлекает полоса валентных колебаний Н-мостика v(NHN). В растворе (MeCN, CH2CI2, CICH2CH2CI) она проявляется в виде очень широкого "континиума" на уровне фона, простирающегося от 3000 до -300 см-1. В кристаллах характер поглощения резко изменяется, и полоса сдвигается в область 800-250 см-1, приобретая тонкую структуру. Это поведение типично для прочных водородных мостиков с небольшим расстоянием N "N (2.55-2.65 А). Изучена зависимость полосы v(NHN) от агрегатного состояния соли [132], природы противоиона [81], дейтерирования [133]. В последнем случае определялось изотопное отношение v(NHN)/v(NDN), которое иногда достигает величины 1.80-2.05 (для слабых ВВС оно обычно менее 1.45). На основании всех измерений сделан вывод, что кривая потенциальной энергии для водородного мостика в солях "протонной губки" соответствует либо двуямному потенциалу с очень низким барьером, либо одноямному с плоским дном (Рис. 4а,Ь). В масс-спектрах фрагментация молекулярного иона "протонных губок", который, как правило, наиболее интенсивен, определяется близостью диметиламиногрупп ("proximity effect") и на первых этапах затрагивает только эти группы. Протекающие процессы представляют собой изомеризацию и отщепление фрагментов MeNH2, МегІЧН, Н" и приводят к образованию стабильных гетероциклических ионов.
Более подробно об этом см. обзоры [5,28]. Вторично-ионное масс-спектрометрическое исследование солей 72 Н1 и 72 DI выявило их превосходную стабильность (МН+ и MD+ = 100%, М+ = 0%) [49]. В жидкой матрице из ме-тд-нитробензилового спирта, содержащего 1% CF3CO2H, 72 DI не обменивает дейтерий. В этих же условиях моноперхлорат диамина 1 остается протонированным (или дейтерирован-ным) лишь в небольшой степени [49]. Известны экспериментальные значения дипольных моментов (в бензоле) только трех соединений данного ряда: "протонной губки" 1, ее 4-формил- 91 и 4,5-диформилпроизводных 93 [119]. Дипольный момент соединения 1 (ц= 1.19Д) в точности равен таковому 1-диметил-аминонафталина. Это ниже ожидаемого значения, поскольку сопряжение с кольцом двух диметиламиногрупп, казалось бы, должно приводить к сложению векторов соответствующих моментов. По-видимому, из-за нарушения планарности молекулы (разд. 1.3.1.1) оба вектора направлены под значительным углом друг к другу. Напротив, дипольные моменты альдегида 91 (ц. = 5.44 Д) и особенно диальдегида 93 (ja = 9.21 Д) оказались неожиданно большими. Это свидетельствует об эффективном сопряжении альдегидных и NMe2 групп в растворе и соответствует PC данным для соединения 93 (Рис. 1в, уравнение 9).
Обладая таким высоким моментом, оно по-существу приближается к ионным соединениям, и неслучайно, в отличие от многих других производных "протонной губки", обладает металлическим блеском и заметно растворяется в воде. Фотовозбужденная молекула диамина 1 в результате внутреннего переноса заряда обладает дипольным моментом 9.5 Д, что подтверждено совокупностью методов флуоресцентной и электронной спектроскопии [134]. Ховард с использованием метода B3LYP/6-3HG //HF/6-31G рассчитала дипольные моменты ряда "протонных губок": 1 (ц = 1.13 Д), 7 (0.96 Д), 8 (2.57 Д), 12 (0.84 Д) [55]. Следует обратить внимание на довольно хорошее соответствие между экспериментальными и теоретическими величинами ц для соединения 1. Газофазные потенциалы ионизации (ПИ) 1,8-диаминонафталинов 1-6, определенные методом электронного удара [2], лежат в диапазоне 7.38-7.47 эВ. Это может свидетельствовать о том, что первый электрон отрывается с тг-орбитали соединений 1-6. Действительно, если бы эти величины характеризовали отрыв n-электрона, то с учетом больших различий в основности веществ величина ПИ і "протонной губки" 1 была бы существенно ниже, чем для диаминов 2-6. Майер, измеривший потенциалы ионизации соединений 1 и 2 методом фотоэлектронной спектроскопии, также отнес величину ПИ] для 1,8-диаминонафталина 2 (7.10 эВ) к тс-ионизационному потенциалу [135]. Однако в случае "протонной губки" 1 (7.05 эВ) на основании теоретических расчетов это значение ПИ] приписано отрыву электрона с п-орбитали. В соответствии с этими расчетами, верхней занятой тг-орбитали соединения 1 лучше соответствует величина ПИг = 7.47 эВ. Измерены фотоионизационные потенциалы флуо-рена 7 и мостиковых диаминов 36,37 (Табл. 12).
Реакции функциональных групп
В ходе исследования реакционной способности 1,8-бис(диалкиламино)нафталинов и их про изводных нами проведено восстановление некоторых нитропродуктов, полученных в разд. 3.2 до соответствующих аминов. Наиболее удобный способ восстановления - каталитиче ское гидрирование на Pd-катализаторе. Таким способом с высоким выходом получены ами ны 330-332, источником которых послужили нитросоединения 75, 289 и 302. Амин 330, кроме того, может быть легко синтезирован восстановлением любого из азосоединений 325, 326 (разд. 3.2.4) дихлоридом олова в кислой среде. Соединения 330-332 - малоустойчивые на воздухе вещества, причем qpmo-амины несколько стабильнее nqpa-изомеров. Аминогруп пы в них, особенно в случае лара-производных, легко подвергаются функционализации, по зволяя получить широкий спектр разнообразных замещенных "протонных губок". Галогенпроизводные 1,8-бис(диметиламино)нафталина сыграли ключевую роль в металло-рганических синтезах многих ценных производных ряда "протонных губок". Следует отметить, что сам 1,8-бис(диметиламино)нафталин, в отличие от МД-диметиланилина [285], 1-диметиламино- [286] и 1,5-бис(диметиламино)нафталинов [287], не металлируется н-бутиллитием, а действие на него металлического натрия (-20 С, диметоксиэтан) [140] или лития (-50 С, ТГФ) [130] приводит к образованию устойчивого анион-радикала или продуктов его превращения (см. разд. 1.3.4 и 3.1.3).
Несколько ранее мы показали, что бромид 88 при действии на него н-BuLi легко обменивает атом брома на литий и далее, после обработки различными электрофилами, с выходом 40-100% переходит в ряд 4-замещенных "протонных губок" [95,275]. В настоящей работе этот подход был использован и для получения серии opmo-дизамещенных соединения 1 путем обработки электрофильными агентами дилитий производного 343, генерированного при -20 С из дибромида 324 (Схема 57) [288]. Для проверки возможности протекания протолиза металлорганического производного 343 под действием растворителя реакционную смесь обрабатывали тяжелой водой. Независимо от времени выдерживания (D20 добавляли через 0.5,1 и 1.5 ч) было выделено дейтеро-производное 344, в котором, по данным спектра ЯМР Н, около 90% o/wzo-протонов подверглось дейтерообмену. Это свидетельствует о том, что, если частичный протолиз и происходит, то относительно медленно и вклад его невелик. Взаимодействие дилитийнафталина 343 с небольшим избытком йода, йодметана, диметилдисульфида, триметилхлорсилана, ди-этилкарбоната и бензофенона привело к соединениям 49, 345, 346-349, из которых только диметилнафталин 49 был получен ранее с невысоким выходом и описан как красноватое масло [32], тогда как нами он был выделен в виде жёлтых кристаллов с т.пл. 51-53 С и выходом 61%). Выход других замещенных "протонных губок" также высок, за исключением производных 347 (11%) и 349 (15%), что, по-видимому, объясняется стерическими причинами. В двух случаях, при действии йода и диэтилкарбоната, наряду с основными продуктами 345,348 можно выделить монозамещённые соединения 350,351 с выходом до 20%. Учитывая важность 1,8-бис(диметиламино)нафталинов с заместителями в положениях 2 и 7 для последующей дискуссии по ие/?и-взаимодействиям, основности и структуре "протонных губок", большая часть соединений, синтезированных в этом разделе (особенно содержащих объемные функциональные группы), была подвергнута PC исследованиям. Их результаты обсуждаются в разд. 5.1.
С целью количественной оценки электронодонорного эффекта двух NMe2-rpynn в молекуле 1 в ходе превращений, протекающих сопоставимо для "протонных губок" и их электронных аналогов, нами были изучены реакции [4+2]-циклоприсоединения в ряду 5,6-бис(диметил-амино)аценафтилена (24) (разд. 2.3) и некоторых модельных соединений - 352, 353 и ПО [289]. Известно, что аценафтилены - весьма активные диенофилы в реакциях циклоприсоеди-нения с обращенными электронными требованиями [290,291], когда диен участвует в переходном состоянии своей нижней свободной МО, в то время как диенофил предоставляет для реакции верхнюю занятую МО. В нашем случае в качестве диена использовался доступный 3,6-дифенил-сгш-тетразин (ДФТ) (354). Установлено, что при нагревании аценафтилена 24 с ДФТ в бензоле, даже при эквимо-лярном соотношении диена и диенофила, в реакционной смеси остается до половины исходного диамина 24, а единственным выделенным продуктом является 8,9-диазафлуорантен 356. Это согласуется с общей схемой превращений, в которой вторая молекула ДФТ служит окислителем [292] первоначально образующегося циклоаддукта 355 (Схема 58). Действительно, кипячение исходных компонентов в стартовом отношении 24:354 = 1:2 в течение 30 ч дает ароматический продукт 356 с выходом 94%, а в реакционной массе обнаруживается 3,6-дифенил-1,4-дигидро-1,2,4,5-тетразин.
В отличие от этого, реакция незамещенного аценафтилена 353 с тетразином 354, как показано в работе [291], проходит до конца уже при мольном соотношении 1:1, поскольку ди-гидродиазафлуорантен 357 должен дегидрироваться труднее и нет оснований ожидать, что часть ДФТ будет расходоваться на его окисление. Тем не менее, и в этом случае был выделен только ароматический гетероцикл 358, предположительно из-за автоокисления формы 357 кислородом воздуха (ксилол, запаянная ампула, 180-200 С, 1 ч, 80%) [291]. Как видно, реакция ДФТ с диамином 24 проходит значительно легче, чем с аценафтиленом 353. Учитывая вышесказанное, заманчиво было использовать для синтеза "протонной губки" 356 непосредственно 5,6-бис(диметиламино)аценафтен (23), однако эксперимент показал,
Другие методы исследования строения внутримолекулярной водородной связи в катионах нафталиновых "протонных губок"
Как показали материалы предыдущего раздела, комплексный подход к рассмотрению структур с внутримолекулярной водородной связью оказывается весьма полезным при изучении их строения и реакционной способности. Особенно важную информацию дает спектроскопия ЯМР, использование которой незаменимо там, где не удается собрать структурные данные (азометин 338, разд. 5.3), либо эти данные противоречат ожидаемым (гидробромид ЗЗО НВг, разд. 5.2). Самостоятельное значение имеют такие фундаментальные свойства ВВС, как симметрия, поляризуемость, высота барьера для переноса протона от атома-акцептора к атому-донору, сам факт наличия или отсутствия этого барьера. Для изучения этих свойств широко привлекается не только спектроскопия ЯМР, но и колебательная спектроскопия, а также квантово-химические расчеты. Каждый из упомянутых методов позволил нам в ходе настоящего исследования получить ряд принципиально новых данных для протонных комплексов 1,8-бис(диалкиламино)нафталинов. Нами было проведено широкое изучение катионов замещенных 1,8-бис(диметиламино)-нафталинов с помощью метода ЯМР Н [274,288], а в ряде случаев - ЯМР 15N и 13С [336,337], - с целью выяснения диапазона возможных изменений асимметрии ВВС, влияния на нее растворителя, зависимости между степенью асимметрии ВВС и химическим сдвигом протона NH и т.п. В качестве объектов исследования были взяты соединения, содержащие в орто- и «ара-положениях как акцепторные, так и донорные заместители. Отдельно проанализированы некоторые л/ета-замещенные соединения вместе с диаминами ряда аценафтена 23 и аце-нафтилена 24. Некоторые параметры спектров ЯМР Н представительной выборки исследованных катионов (почти во всех солях анионом был СІСч") приведены в Табл. 39. В этой таблице содержатся наиболее важные для характеристики ВВС величины: химические сдвиги димети-ламиногрупп и протона NH, константы ССВ 3Лт,ыме и выраженная в процентах степень локализации NH-протона на каждом из атомов азота.
Последние величины фактически характеризуют асимметрию ВВС. При их расчете учитывалось следующее обстоятельство. Известно, что в спектрах ЯМР Н протонных солей диметиламиноаренов, например, катиона Л Д-диметиланилиния, константа Лін.ше составляет 5.2 Гц [84]. При хелатировании, как и в случае катиона ГН+, эта величина уменьшается примерно вдвое, очевидно, из-за распределения протона между атомами N и, как следствие, увеличения среднестатистического расстояния N-H. Та же закономерность сохраняется и для катионов несимметричных "протонных губок". Средняя сумма констант /ынд-ыме и JNH,8-NMe равна 4.80 Гц в ДМСО-сЦ и 5.29 Гц в ацетонитриле, что близко к указанной выше величине. Исходя из этого, степень локализации протона NH на атомах N-1 и N-8 (PL-1 и PL-8 соответственно) может быть рассчитана по следующей формуле: При вычислении величин PL использовались значения J, полученные для данного конкретного измерения, т.е. сумма констант ССВ в каждом случае отличается от средней величины. При округлении значений J до десятых долей погрешность в расчетах составляет ±0.4%, что фактически и является точностью определения индексов PL. Асимметрия водородного мостика. Первый вопрос, который возникает при оценке асимметрии ВВС: к какому из двух пери-атомов азота смещен NH-протон? Логично считать, что в катионах с электроноакцепторными группами, включая галогены, имеющие, как известно, положительные а-константы Гаммета, это более удаленный от них и, следовательно, более основный атом N-8. Данные PC анализа для катиона 75 Н+ подтверждают такую точку зрения [87]. Как видно из Табл. 39, асимметрия ВВС в катионах с -М-заместителями в положении 4 уменьшается в растворе ДМСО-ёб в следующем порядке (в скобках приведен индекс PL-8): COCF3 (69) N02 (65) СНО (64) CN (61) СОМе (59). Легко заметить, что здесь нет строгой симбатности с а„-константами заместителей, составляющими 0.80, 0.81, 0.47, 0.70 и 0.47 соответственно [338]. Последнее неудивительно, поскольку из-за известного [339] перекрывания этих групп с водородом Н-5 они различным образом ориентированы относительно средней плоскости кольца, что должно сказаться и на изменении геометрии всей молекулы, включая водородный мостик. В особенности обращает на себя внимание повышенная асимметрия ВВС в катионе 91 Н+ (Рис. 24), несмотря на то, что ст-константа формильной группы заметно ниже, чем, например, у группы CN. В катионах 4-аминопроизводных 232 Н , 330 Н4, 333 Н+ протон, очевидно, в большей мере принадлежит атому N-1 (оригинальное доказательство этого обстоятельства см. в конце данного раздела). Наиболее асимметричен водородный мостик в катионе с 4-метиламино-группой (PL-1 = 74%), далее идут 4-NH2 (73) и 4-NMe2 (57) производные (данные для рас творов в ДМСО-сіб). Этот ряд в точности соответствует влиянию тех же групп на увеличение основности "протонной губки" (разд. 4.2). Наибольшей асимметрией отличаются ВВС в катионах 2-хлор- (321 Н+) и 2-нитро-1,8-бис(диметиламино)нафталинов (289 Н+). Поскольку, например, орто-галогены снижают основность ароматических аминов на 2 порядка, нет сомнений, что NH-протон должен находиться преимущественно на атоме N-8. Степень асимметрии водородного мостика в катионах 32ГН+ и 289 Н+ настолько высока (PL-8 = 84 и 100% соответственно), что кажется удивительной сама возможность его существования в таком протоноакцепторном растворителе, как диметилсульфоксид.
Тем не менее, для катиона 32ГН+ в этом не приходится сомневаться, поскольку сигнал протона NH в его спектре ЯМР расположен в районе 18 м.д. В случае 2-нитропроизводного 289 Н+ сигнал протона NH существенно смещен в сильное поле (8н 16.16 м.д.). Это указывает либо на крайне слабую ВВС, либо на то, что последняя все же разорвана и NH-протон находится лишь во взаимодействии с группой 8-NMe2 и молекулой ДМСО (как в частице 75 Н+-а, Схема 8, разд. 1.2.1.1). Несколько более сложным является вопрос о принадлежности NH-протона в катионах с малоасимметричным водородным мостиком. К ним относятся соли с такими заместителями как 4-NHAc (225 Н+) и 4-Вг (88 Н+). С учетом положительных а„-констант галогенов, хелати-рованный протон в катионе 88 Н+, скорее всего, смещен к атому N-8, хотя асимметрия ВВС в данном случае и невелика. Действительно, это было подтверждено для катиона 88 Н+ (равно как и для катиона 32ГН+) в результате корреляционных ЯМР-экспериментов на ядрах Н, 13С и 15N, выполненных нами для растворов перхлората 88 НС104 в CD3CN и бромида 32ГНВг в ДМФА-СІ7 [336]. Вопрос об асимметрии ВВС в соли 225 НС104 требует дополнительного исследования, поскольку а-константа ацетамидной группы близка к нулю [338]. Как и в случае симметричных производных, в растворах несимметричных протонных комплексов устанавливается быстрое равновесие двух неэквивалентных таутомерных форм с преобладанием одной из них (см. уравнение 29, Рис. 4d). С использованием влияния изотопного замещения [NHN]+ - [NDN]+ на химические сдвиги ядер 15N, 13С и Н и сравнивая константы ./м,н и JN,D ДЛЯ несимметрично замещенных соединений (на примере катионов 75 Н+, 88 Н+ и 32ИТ1"), нами было показало, что при дейтерировании упомянутое равновесие смещается в сторону доминирующего таутомера [337]. Как и в катионе самой "протонной губки", в спектрах катионов симметричных 2,7-1 и 4,5-1 дизамещенных (примеры см. в Табл. 39) водородный мостик в растворе в шкале времени ЯМР строго симметричен, a NMe2 группы эквивалентны (см. далее Рис. 26). Среди 2,7-дизамещенных производных несимметричный катион образует только триамин 245, причем
![2-(N-фталоил)-N, N, N', N'-тетраметилвинамидиния перхлорат и бис-[1-гидрокси-(4,6-ди-трет-бутил-фенил)]амин как синтоны для получения гетероциклических соединений](/i/i/4486/48519.png "2-(N-фталоил)-N, N, N', N'-тетраметилвинамидиния перхлорат и бис-[1-гидрокси-(4,6-ди-трет-бутил-фенил)]амин как синтоны для получения гетероциклических соединений Валиуллин Василь Акрамович")
