Содержание к диссертации
Введение
1. Окислительно-восстановительные свойства нитроксильнои группы в алифатических нитроксильных радикалах 9
1.1. Восстановление нитроксильных радикалов 11
1.1.1. Электрохимическое восстановление 11
1.1.2. Каталитическое гидрирование нитроксильных радикалов 15
1.1.3. Восстановление нитроксильных радикалов металлами и комплексными гидридами металлов 16
1.1.4. Восстановление другими неорганическими реагентами. 20
1.1.5. Использование органических восстановителей для восстановления нитроксильнои группы 21
1.1.6. Взаимодействие нитроксильных радикалов с металлоор-ганическими соединениями 23
1.1.7. Нитроксильные радикалы - как одноэлектронные окислители 26
1.1.8. Взаимодействие нитроксильных радикалов со свободными радикалами 31
1.2. Окисление нитроксильных радикалов 34
1.2.1. Электрохимическое окисление 34
1.2.2. Химическое окисление нитроксильных радикалов 36
1.3. Диспропорционирование нитроксильных радикалов 40
1.3.1. Взаимодействие нитроксильных радикалов с протонными кислотами 40
1.3.2. Взаимодействие нитроксильных радикалов с кислотами Льюиса 45
2. Изучение влияния структуры 3-имидазолинового цикла на химические свойства нитроксильнои группы в имидазолиновых радикалах 48
2.1. Взаимодействие нитроксильных радикалов имидазолина с окислителями 49
2.2. Поведение нитроксильных радикалов 3-имидазолина в сильнокислых средах 56
2.3. Фотохимические превращения нитроксильных радикалов 3-имидазолина и З-имидазолин-3-оксида 66
3. Влияние заместителей в положении I имидазолинового цикла на химические свойства функциональных групп 73
3.1. Взаимодействие нитроксильных радикалов З-имидазолин-3-ок-сида с гидразином и метилгидразином 73
3.2. Взаимодействие 4-дигалоидметил-З-имидазолин-З-оксидов с нуклеофильными агентами 82
3.2.1. Взаимодействие 4-дигалоидметил-З-имидазолин-З-оксидов с водно-спиртовой щелочью 84
3.2.2. Взаимодействие 4-дигалоидметил-3-имидазолин-З-оксид-1-оксилов с аминами и аммиаком 94
3.3. Взаимодействие 4-циано-З-имидазолинов и 4-циано-З-имида- золин-3-оксидов с нуклеофильными агентами 97
4. Электронный эффект нитроксильной группы в имидазолиновых нитроксильных радикалах 103
4.1. Определение электронного зарядового влияния оксильной группы в нитроксильных радикалах З-имидазолин-3-оксида 103
4.2. Изучение распространения электронной спиновой плотности в нитроксильных радикалах имидазолина 106
4.2.1. Влияние Ы-оксидной группы в бирадикалах ряда имидазолина на внутримолекулярный спиновый обмен по системам сопряженных связей 106
4.2.2. Изучение методом ПМР делокализации спиновой плотности в нитроксильных радикалах имидазолина 111
4.3. Влияние нитроксильной группы на кето-єнольнута таутомерию в 4-карбометоксиацетил-З-имидазолинах 120
5. Экспериментальная часть 128
5.1. Взаимодействие нитроксильных радикалов 3-имидазолина с галогенами и азотистой кислотой 130
5.2. Взаимодействие амидов 94а и 96а с гипобромитом натрия 133
5.3. Облучение имидазолиновых нитроксильных радикалов 134
5.4. Взаимодействие нитроксильных радикалов З-имидазолин-3-оксида с гидразин-гидратом 135
5.5. Взаимодействие имидазолиновых нитроксильных радикалов с метилгидразином 137
5.6. Взаимодействие 4-дигалоидметил-З-имидазолин-З-оксидов с водно-спиртовой щелочью 138
5.7. Взаимодействие 4-дихлорметил-2,2,5,5-тетраметил-3-имида-золин-3-оксид-І-оксила 138а с аминами и аммиаком 142
5.8. Взаимодействие 4-циано-З-имидазолинов и 4-циано-З-имида-золин-3-оксидов со спиртовой и водно-спиртовой щелочью. 143
5.9. Синтез бирадикалов производных 3-имидазолина 148
5.10. Синтез -дикарбонильных производных 3-имидазолина 149
Выводы 161
- Окисление нитроксильных радикалов
- Поведение нитроксильных радикалов 3-имидазолина в сильнокислых средах
- Взаимодействие 4-дигалоидметил-З-имидазолин-З-оксидов с нуклеофильными агентами
- Изучение распространения электронной спиновой плотности в нитроксильных радикалах имидазолина
Введение к работе
Химия нитроксильных радикалов выделилась в своеобразную и интересную область органической химии в последние 20 лет после того, как оказались доступными соединения, в которых радикальный центр экранирован двумя трет.-алкильными заместителями, а также в связи с осуществлением на многочисленных примерах химических реакций, протекающих без затрагивания радикального центра. Доступность и многообразие различных функциональных производных нитроксильных радикалов предопределило широкое использование их в различных областях промышленности и науки. Так, нитроксильные радикалы находят применение в качестве ингибиторов радикально-цепного окисления полимеров и стабилизаторов мономеров /1,2/. Простота спектра ЭПР нитроксильных радикалов в сочетании с наличием в них реакционноспособных функциональных групп позволили использовать их в исследовании строения полимеров и биополимеров в качестве спиновых меток /3-7/ и спиновых зондов /7,8/. Синтез нитроксильных радикалов, имеющих в своем составе хелатообразующие группы, позволил разработать в аналитической химии высокочувствительный экстракционно-радибспектроскопический метод определения металлов /9/.
В последние годы широкое развитие получили работы по синтезу и исследованию гетероциклических нитроксильных радикалов, имеющих в составе цикла помимо атома азота нитроксильной группы дополнительный гетероатом /10/. Особое место среди гетероциклических нитроксильных радикалов занимают нитроксильные радикалы производные 3-имидазолина и З-имидазолин-3-оксида. Наличие в их молекулах активирующих нитронной или иминной групп, легкий переход к имидазо-линиевым солям и далее к енаминам позволили осуществить синтез большого числа функциональных производных. Кроме того, нитроксильные радикалы 3-имидазолина оказались устойчивее нитроксильных радикалов других типов к действию кислот, что позволяет использовать
- б -
их в более широком диапазоне рН /10/.
До настоящего времени основное внимание исследователей, занимающихся изучением нитроксильных радикалов, было сосредоточено на двух аспектах реакционной способности молекул, несущих нитроксиль-ную группу. I. Изучение реакционной способности нитроксильной группы (см. лит. обзор). 2. Осуществление химических реакций по другим функциональным группам, протекающих без затрагивания и без участия нитроксильной группы /I/ с целью синтеза различных спин-меченых реагентов для молекулярной биологии и аналитической химии.
По-видимому, в силу этих причин практически отсутствуют примеры химических реакций, в которых нитроксильная группа оказывала бы влияние на реакционную способность других непосредственно не связанных с ней функциональных групп.
В имидазолиновых нитроксильных радикалах в геминальном положении к нитроксильной группе расположены иминная или нитронная группы. Такое расположение функциональных групп предполагает, по нашему мнению, значительное взаимодействие между ними и взаимное влияние их друг на друга, что должно сказываться на химических и физико-химических свойствах как нитроксильной, так и иминной или нитронной групп.
В настоящей работе нами изучены свойства имидазолиновых нитроксильных радикалов с целью получения данных о реакционной способности нитроксильной группы, входящей в состав имидазолинового цикла, и данных о влиянии нитроксильной группы на реакционную способность функциональных групп, отделенных от нее несколькими G-связями. Кроме того, были разработаны удобные методы синтеза ключевых соединений для получения практически важных функциональных производных имидазолиновых нитроксильных радикалов и их диамагнитных аналогов.
Нами обнаружено, что нитроксильные радикалы З-имидазолин-3-оксида существенно устойчивее к действию окислителей и УФ-облуче-
ния, в то время, как-З-имидазолин-1-оксилы легко окисляются галогенами и азотистой кислотой и разрушаются при УФ-облучении. При наличии в положении 4 гетероцикла З-имидазолин-1-оксилов карбоксильной или оксимной групп протекает реакция рециклизации имидазо-линового цикла с образованием производных 5-оксо-З-оксазолина и 2Н-имидазола, соответственно. При облучении 2,2,5,5-тетраметил-4-фенил-3-имидазолин-З-оксид-І-оксила в бензоле или толуоле реакция протекает без участия нитроксильной группы и образуется 2,2,4,4-тетраметил-5-фенил-б-окса-1,3-диазабицикло[з,1,0j гексан-3-оксил, а в четыреххлористом углероде реакция идет и по нитроксильной группе с образованием 2,2,4,4-тетраметил-3-трихлорметокси-5-фенил-6-окса-1,3-диазабицикло [3,1,0] гексана.
Имидазолиновые нитроксильные радикалы в среде концентрированной серной кислоты и в более кислых средах претерпевают обратимое диспропорционирование на гидроксиламин и оксоаммониевую соль.
Спектральными и физико-химическими методами изучен электронный эффект нитроксильной группы. Методами ЭПР и IMP спектроскопии показано, что введение Н-оксидного атома кислорода в имидазолино-вый радикальный фрагмент способствует более эффективной делокали-зации спиновой плотности в функциональную группу в положении 4 гетероцикла. Это положение иллюстрируется различием в реакционной способности парамагнитных и диамагнитных производных 3-имидазолин-3-оксида. Так, для парамагнитных З-имидазолин-3-оксидов обнаружена реакция дезоксигенирования нитронной группы, тогда как для диамагнитных З^имидазолин-З-оксидов эта реакция не идет. Существенно различается и реакционная способность 4-дигалоидметильной группы в реакции щелочного гидролиза 4-дигалоидметил-З-имидазолин-З-оксидов. На примере кето-енольной таутомерии I-замещенных 4-кар-бометоксиацетил-3-имидазолинов и 4-карбометоксиацетил-З-имидазо-лин-3-оксидов показано, что в радикалах ряда З-имидазолин-3-окси-да, в отличие от радикалов 3-имидазолина, проявляется спиновое
- 8 -влияние нитроксильной группы на положение таутомерного равновесия - енольная форма в большей степени стабилизируется радикальным центром. Определение констант ионизации ряда 1-замещенных 3-имидазолин-З-оксид-4-карбоновых кислот и констант псевдопервого порядка реакции щелочного гидролиза соответствующих метиловых эфиров показало, что наиболее близкими аналогами оксильной группы в имидазолиновых нитроксильных радикалах являются нитро- и нитро-зо-группы, моделирующие диамагнитную (зарядовую) составляющую электронного влияния оксильной группы. В соответствии с этим реакционная способность циано-группы в 4-циано-2,2,5,5-тетраметил-З-имидазолин-3-оксид-І-оксиле близка реакционной способности циано-группы в 1-нитрозо- и 1-нитро-2,2,5,5-тетраметил-4-циано-3-имидазолин-3-оксидах.
Таким образом, в настоящей работе изучено влияние иминной и нитронной групп в составе 3-имидазолинового цикла на химические и фотохюшческие свойства нитроксильной группы и влияние нитроксильной группы на реакционную способность непосредственно не связанных с ней функциональных групп. Синтезирован ряд спиновых меток для молекулярной биологии и аналитической химии.
Окисление нитроксильных радикалов
Первой работой по электрохимическому окислению нитроксильных радикалов была работа Хоффмана и Хендерсона /18/ по окислению ди-трет.-бутилнитроксила I. Потенциал полуволны окисления в ацетонит-риле оказался равен +0,55 В. В табл. 4 приведены потенциалы полуволн окисления для ряда пиперидиновых нитроксильных радикалов. Авторы работы /НО/ связывают возрастание потенциалов полярографического окисления нитроксилов в ряду 2 4 3 с уменьшением дипольных моментов для этих радикалов (3,14; 3,12; 1,36 Д соответственно) , хотя, по-видимому, более правильно было бы сравнивать дипольные моменты нитроксильной группы в этих радикалах. Из табл. 4 видно, что в пиперидиновых нитроксильных радикалах с введением в молекулу акцепторных заместителей повышается устойчивость нитроксильной группы к окислению, потенциалы полуволн окисления становятся более положительными. Применение растворителей разной полярности (ацетонитрил, пропиленкарбонат) приводит к очень малому изменению величины потенциала окисления /ПО/. Примечание: в работе /19/ потенциалы полуволн приведены относительно flo/flq , а в /ПО/ - относительно Н.К.Э. Аналогичная закономерность наблюдается для нитроксильных радикалов имидазолинового ряда, при переходе от радикалов 3-имидазоли-на к нитроксилам З-имидазолин-3-оксида потенциал полуволны полярографического окисления повьшается, что авторы работы /III/ объясняют сильным электроноакцепторным влиянием нитронной группы. Для радикалов 3-имидазолина наблюдается незначительный рост потенциала полуволны с увеличением рН (Ет/р/ел DTT = 0,02 В) в интервале рН I 7 /III/. Потенциал полуволны окисления нитроксильной группы зависит не только от электронных свойств заместителей, входящих в молекулы нитроксильных радикалов, но и от величины цикла. Так, потенциалы окисления нитроксилов возрастают в ряду: трет.-бутилнитрок-сил С моноциклические 4. бициклические /109/. В полирадикалах нитроксильные группы разряжаются одновременно, кроме того, обе нитроксильные группы и ферроценовый фрагмент ди-(2,2,6,6-тетраметил-1-оксилпиперидил)ового эфира I,1-ферроцен-дикарбоновой кислоты на платиновом электроде претерпевают одно- временный трехэлектронный разряд /112/. В работе /19/ показано, что структура анода незначительно влияет на значение потенциала полуволны окисления. 1.2.2. Химическое окисление нитроксильных радикалов. Как показало электрохимическое окисление нитроксильных радикалов потенциал полуволны полярографического окисления зависит от структурных факторов: величины цикла и электронных эффектов заместителей.
Можно полагать, что способность к окислению нитроксильной группы будет определяться при одинаковой величине цикла так же наличием в цикле других гетероатомов или кратных связей. Моноциклические нитроксильные радикалы (при отсутствии в молекуле близкорасположенных сильных электроноакцепторных заместителей) окисляются хлором и бромом до соответствующих оксоаммониевых солей. Так, при действии хлора на пиперидиннитроксилы 2-5 образуются хлориды 1-оксопиперидиния 59-62 /II3-II4/, а окислением бромом были получены трибромиды 1-оксопиперидиния 63-65 /ПЗ-П5/,а из пирролидиннитроксилов 66,67 - трибромиды 1-оксопирролидиния 68, 69 /116,117/: На примере окисления нитроксилов галогенами хорошо проявляется влияние электроноакцепторных заместителей. Введение атома гало- гена в положение 3 4-оксопиперидинового цикла приводит к тому, что 4-оксо-2,2,6,6-тетраметил-3-хлорпиперидин-1-оксил становится устойчив к действию хлора, брома, М -бромсукцинимида /118/. Следует отметить, что нитроксилы пиперидинового ряда 2-4 окисляются N -бромсукцинимидом /119/. Дитрифторметилнитроксил 18 устойчив к действию не только хлора, но и фтора /120/. Пентахлорид сурьмы является эффективным окислителем нитрок-сильных радикалов до оксоаммониевых солей: Этим способом были получены оксоаммониевые соли пиперидина /121/, пирролидина /117/, пирролина /122/, окислен в оксоаммониевую соль дитрет.-бутилнитроксил I /123/. Аналогично протекает взаимодействие гексахлорида вольфрама с пиперидиновыми нитроксильными радикалами в бензольном растворе с образованием оксоаммониевых солей 59-61 /124/: Устойчивость оксоаммониевых солей зависит от структуры цикла, включающего образующуюся оксоаммониевую группу.
Выше были приведены примеры образования устойчивых оксоаммониевых солей из различных типов нитроксильных радикалов. Однако, при окислении нитроксилов оксазолидинового ряда 75 двуокисью азота или хлором с высоким выходом образуются кетоны 76 ./128/. Предполагается,что образование кетонов протекает через оксоаммониевые соли /129/: Свойство радикала 2 образовывать с м-хлорнадбензойной кислотой оксоаммониевую соль было использовано для разработки способа окисления спиртов в кетоны смесью пиперидиннитроксила 2 и надкислоты /130-132/. Дитрет.-бутилнитроксил I окисляется озоном с образованием нитробутана и тритрет.-бутилгидроксиламина в качестве основных продуктов /133/. Между нитроксильными радикалами и трифенилметилкарбониевыми солями ( Рп С С10ц ) происходит реакция электронного переноса, приводящая к равновесию. В присутствии кислорода равновесие сдвигается за счет образования трифенилметилперекиси, а нитроксильный радикал окисляется до оксопиперидиниевой соли /134/. 1.3. Диспропорционирование нитроксилышх радикалов. Нитроксильные радикалы способны протонироваться в сильных кислотах по неподеленной паре нитроксильной группы с образованием катион-радикалов и образовывать комплексы с кислотами Льюиса. Образующиеся катион-радикалы и комплексы, являющиеся очень сильными окислителями, способны реагировать с нитроксильными радикалами с переносом электрона от нитроксильной группы: в результате протекает реакция диспропорционирования и образуются оксо-аммониевые соли и гидроксиламины. Возможность протекания реакции диспропорционирования зависит от многих факторов: силы кислоты, наличия более основных функциональных групп в молекуле нитрок-сильного радикала, основности нитроксильной группы. 1.3.I. Взаимодействие нитроксилышх радикалов с протонными кислотами. Нитроксильные радикалы пиперидинового ряда диспропорциони-руют под действием хлористого водорода. Скорость реакции диспропорционирования и строение образующихся продуктов зависят от применяемого растворителя и концентрации хлористого водорода /ИЗ/. При взаимодействии радикала 4 с сухим хлористым водородом в сухом четыреххлористом углероде образуются 1-оксопиперидиний хлорид 61 и хлоргидрат гидроксиламина 27: В нейтральных органических растворителях равновесие полностью смещено влево; кислота, протонируя ион гидроксиламина, смещает равновесие вправо, одновременно идет раскрытие цикла в катионе. Предположено, что процесс идет в комплексе между ионной парой и кислотой по синхронному механизму /127/. Полученные в работе /138/ кинетические данные отвергают предложенную схему ион-радикального диспропорционирования. Нитрозосо-единение 73, по-видимому, является продуктом распада оксоаммоние- вой соли. В разбавленных водных растворах реакция диспропорциони-рования нитроксилов является обратимой, при рН 2 скорость прямой реакции много больше скорости обратной, при рН 3 скорость обратной реакции много больше скорости прямой, в области 2 рН 3 прямая и обратная реакция имеют дробные порядки по реагентам. Прямая и обратные реакции протекают через одно и то же промежуточное соединение, а именно, через протонированный по кислороду пиперидин-нитроксил. Предложен общий механизм диспропорционирования нитро-ксильных радикалов /138/:
Поведение нитроксильных радикалов 3-имидазолина в сильнокислых средах
Практически все известные нитроксильные радикалы при действии протонных кислот претерпевают диспропорционирование на гидроксил-амин и оксоаммониевую соль (см. стр. 40). Исключение составляют ни-троксилы, содержащие либо более основные функциональные группы, чем нитроксильная группа, либо содержащие электроноакцепторные заместители, существенно понижающие основность нитроксильнои группы. К такому классу соединений относятся нитроксильные радикалы ряда 3-имидазолина и З-имидазолин-3-оксида (см. лит. обзор), первоначальное протонирование которых по-иминной или нитронной группам должно еще сильнее понизить основность нитроксильнои группы в парамагнитных солях 99 и 100. В связи с этим протонирование нитроксильнои группы и реакция диспропорционирования может осуществляться в весьма кислых средах, где кислотность среды, по крайней мере, более отрицательна, чем -0,35, поскольку по данным работы /III/ радикал Юа не разрушается в 10% Н2.504 в течение нескольких суток. При растворении нитроксильных радикалов 3-имидазолина 78 и 3-имидазолин-3-оксида 40 в конц. Н ЗОц , H&OgCl и HSO F наблюдается интенсивное окрашивание раствора в малиновый или фиолетовый цвет, что, по-видимому, свидетельствует о появлении в растворе оксоам-мониевых солей 101 и 102, образующихся в результате реакции дис-пропорционирования. Следует отметить, что реакция радикалов с Jr\S0 Ct и WSO3F очень экзотермична и при быстром прибавлении радикала может проходить со взрывом. Состав реакционной смеси был установлен при помощи спектроскопии ЯМР % и 13С. В спектрах IMP растворов радикалов 40 в D&SO , HSO3G2 и HSO F отсутствуют широкие линии в сильном поле (-10 t -20 м.д.), отвечающие сигналам гем-метильных групп нитроксильных ради- калов /166/. В спектре ЭБР радикала 40а в конц. HzSOt при начальной концентрации радикала Ю"3 моль/л сигнал отсутствует и появляется при начальной концентрации радикала 10" моль/л, причем, спектр ЭПР представляет собой триплет с константой СТВ Оц 16,Оэ. Вид спектра ЭПР и значение константы СТВ указывают на то, что нит-роксильная группа в оставшихся в смеси радикалах не протонирована, так как в противном случае спектр ЭПР представлял бы собой триплет дублетов с константой СТВ йц 21 э и/? 3 э, как это имеет место для протонированных нитроксильных радикалов пиперидинового ряда /143,144/. Спектры IMP растворов радикалов 40 в конц.Ф О представляют собой суперпозицию спектров двух диамагнитных продуктов: протони-рованной по нитронной группе оксоаммониевой соли 102 и дипротониро-ванного гидроксиламина 103 (табл.7).
Для однозначного отнесения сигналов, принадлежащих каждому из продуктов 102 или 103 был записан спектр IMP гидроксиламина 104а в конц. 15. Отнесение сигналов гем-CHg групп проведено на основании анализа спектра соединения 104ак, содержащего гем-СДд группы в положении 2 гетероцикла. В результате протонирования гидроксиламиногруппы в дикатионе 103а наблюдается магнитная неэквивалентность всех 4-х метильных групп в положениях 2 и 5 имидазолинового цикла, тогда как в органических растворителях гем-метильные группы проявляются в виде двух синглетов. Подтверждением того, что гидроксиламин и оксоаммониевая соль про-тонируются по нитронному атому кислорода, является сдвиг в слабое то поле сигнала атома С в спектре ЯМР х С. Для дипротонированного гидроксиламина 103а сигнал С смещается на 30 м.д. (в непротонирован-ном гидроксиламине " С4 в ДС0-с - 140,1 м.д., в протонированной форме I03a -f С 171,4 м.д.) (табл. 8). Кроме того, сигналы узловых атомов Сг и CCJ смещаются на 8 и 16 м.д., соответственно, в слабое поле по сравнению с сигналами Cg и С5 в спектре непротонированного гидроксиламина. Следует отметить, что в спектре IMP сигналы гем-CHg групп, отвечающие оксоаммониевой соли 102а уширены, тогда как соответствующие сигналы гидроксиламина 103а имеют ширину линий, характерную для диамагнитных соединений (рис. I). Большую ширину линий и более смазанную картину спин-спинового взаимодействия имеют и сигналы ароматических протонов в 102а по сравнению с гидрокси-ламином 103а. Еще большее уширение линий наблюдается при переходе от 100% l-feSfy. к 95%. Исходя из этого, можно сделать заключение, что в конц. UzSOit реакция диспропорционирования радикалов смещена вправо не на 100%, и вследствие быстрого одноэлектронного переноса между оставшимися радикалами 40а и оксоаммониевой солью 102а происходит уширение сигналов последней.
При разбавлении, т.е. при переходе к более положительным значениям функции кислотности раствора концентрация радикалов возрастает, следствием чего является еще большее уширение сигналов оксоаммониевой соли. При дальнейшем разбавлении цвет раствора меняется от малинового, характерного для оксоаммониевой соли, до желтого, характерного для нитроксильного радикала. Хроматографический анализ по ТСХ образующейся при этом смеси свидетельствует о регенерации нитроксильного радикала 40а и частичном присутствии гидроксиламина 104а. После выдерживания раствора радикала 40а в конц. НгЗОь в течение суток и последующего разбавления водой было выделено 90% исходного радикала 40а и 10% гидроксиламина 104а. Из этого следует, что реакция диспропорционирования радикала 40а имеет обратимый характер. Присутствие гидроксиламина 104а можно объяснить тем, что ок-соаммониевая соль, являясь сильным окислителем, способна взаимодействовать с водой по схеме /ИЗ/: сторону диамагнитных продуктов: в спектрах ПМР наблюдаются узкие сигналы, отвечающие оксоаммониевой соли 102 и гидроксиламину 103. В отличие от растворов в Wi ЯОц в среде WSOtfit помимо реакции диспропорционирования радикала Фа. происходит окисление образующегося гидроксиламина 103а в радикал Юа, который вновь диспропорци-онирует, и в течение суток реакция приводит исключительно к оксоаммониевой соли 102а. Зная точное положение сигналов гем-CHg групп оксоаммониевой соли 102а и положение соответствующих сигналов в спектре радикала 40а (предполагая слабую зависимость парамагнитного сдвига от среды /166/), можно оценить концентрацию радикала в конц. WzWtj., которая составляет К 1%, Для продуктов диспропорционирования радикала 78а не удалось получить интерпретируемых спектров ЯМР С и Н в конц. WzSOtf. , по-видимому, из-за неустойчивости продуктов диспропорционирования в используемой кислоте. С другой стороны, в U Oidl и ИSOif были получены хорошо разрешенные спектры с узкими сигналами, которые свидетельствуют о присутствии двух диамагнитных соединений: протонированных по иминогруппе оксоаммониевой соли 101а и гидроксиламина то 105а (табл. 9,10). В спектре"ЯМР С для дикатионной частицы 105а (в HSO Ci) наблюдаются по сравнению с непротонированным гидроксил-амином сдвиги в слабое поле сигнала атома Си на II м.д., сигналов узловых атомов Cg и Cg на 6,4 и 14,4 м.д., соответственно. Следует отметить большую по сравнению с 103а устойчивость дипротонирован-ного гидроксиламина 105а: в И200 - спектр IMP не меняется в течение нескольких суток.
Взаимодействие 4-дигалоидметил-З-имидазолин-З-оксидов с нуклеофильными агентами
Первым примером проявления изменения реакционной способности функциональной группы в нитроксильных радикалах является взаимодействие 4-дигалоидметил-3-имидазолин-3-оксид-1-оксилов с первичны- ми аминами и водно-спиртовой щелочью /176/. При взаимодействии диамагнитных 4-дигалоидметил-З-имидазо-лин-3-оксидов 138д,139б,д с первичными аминами образуются продукты нуклеогоильного замещения - 4-алкилиминометил-З-имидазолин-З-оксиды І40и,к, 141и. К продуктам иного строения приводит взаимодействие с первичными аминами соответствующих нитроксильных радикалов - 4-дигало-идметил-3-имидазолин-З-оксид-І-оксилов 138а, 139а. При этом 4-алкилиминометил-3-имидазолин-3-оксид-1-оксилы не образуются, а были выделены при X =СЕ трет.-бутиламиды 4-карбоно-вых кислот 142а и 1426, а,при X = 0 г кроме амидов 142а,б с неболь- шим выходом 4-алкилиминометил-З-ш.шдазолин-З-оксид 141и. Аналогичные результаты получены при проведении этой реакции в атмосфере аргона. При проведении реакции между радикалом 139а и трет.-бутиламином в присутствии эквимольного количества радикала 40а наблюдалось увеличение выхода амид-радикала 142а, уменьшение выхода амида 1426, а радикал 40а частично восстанавливался до амина НО. / На основании этих данных был сделан вывод, что окислителем в реакции образования амидов из дигалоидпроизводных 138а,139а является нитроксильная группа, восстанавливающаяся до аминогруппы, а для образования амидной группы из дигалоидметильной в реакции 4-дигалоидметил-З-имидазолин-З-оксидов с первичными аминами необходимо одновременное присутствие в молекуле субстрата нитроксиль-ной группы /176/. Для этой реакции была предложена схема, включающая промежуточное образование галоидангидрида 143: Для выяснения факторов влияющих на протекание реакций галоид-производных 138а,139а с аминами и щелочью в настоящей работе более подробно изучено взаимодействие этих соединений с водно-спиртовой щелочью, а также с первичными и вторичными аминами и аммиаком в сопоставлении с реакционной способностью диамагнитных 4-дигалоид-метил-3-имидазолин-З-оксидов, имеющих в положении I гетероцикла заместители, обладающие различным электронным влиянием на реакционный центр. 3.2.1. Взаимодействие 4-дигалоидметил-З-имидазолин-З-оксидов с водно-спиртовой щелочью. Изучение химических свойств парамагнитных 138а,139а и диамагнитных 138в,е,139в,е производных 3-имидазолин-З-оксида, содержащих дигалоидметильную группу, показало, что на ее реакционную способность в реакции щелочного гидролиза наиболее существенное влияние оказывает радикальный центр.
Это влияние проявляется как в значительном изменении скорости реакции, так и в изменении ее направления. Выбор диамагнитных производных, содержащих 1-метил 138в,139в и І-нитрозо 138е,139е группы продиктован, во-первых, различным электронньм влиянием на реакционный центр (см. ниже) и, во-вторых, их устойчивостью к окислению в радикалы 138а,139а в условиях реакции . Под действием йОЙ в воднометанольном растворе диамагнитные производные 138в (240 час) и 139в (120 час) (контроль за ходом и окончанием реакции осуществляли по TGX) превращаются в ацеталь 144в (выход 60-90%) и карбоновую кислоту 80в (1-2%), 1-нитрозопро-изводное 139е (70 час) - в ацеталь 144е (40%) и кислоты 80е (20%) и 81е (15%). Отметим, что такие же результаты получаются и при проведении реакции в атмосфере аргона. Соотношение кислот 80е и 81е было определено по соотношению интенсивностей сигнала гем-CHg групп кислоты 80е при 2,06 м.д. и сигналов гем-CHg групп кислоты 81е при 1,67 и 1,76 м.д. в спектре IMP смеси 80е и 81е, а также в виде эфиров 145е и 146е после разделения их методом колоночной хроматографии (эфиры получены обработкой смеси кислот диазометаном). Парамагнитные производные 138а,139а в тех же условиях независимо от атмосферы (воздух или аргон) превращаются за 0,5-1,0 мин. и 100 мин. (контроль по ТСХ), соответственно, в радикал-кислоту 80а и аминокислоту 806, выделенные в виде метиловых эфиров 145а и 1456. Следует отметить, что соотношение образующихся кислот 80а и 806 зависит от способа прибавления реагентов. Образующиеся при этом дихлор-1386 и дибромпроизводное 1396 в щелочных условиях неустойчивы и при более длительном контакте со щелочами разлагаются.
Дихлорпроизводное 1386 удалось выделить при быстрой обработке реакционной смеси или при использовании недостатка щелочи. Ацеталь 144а в этой реакции не образуется и не является промежуточным соединением, поскольку в условиях, аналогичных описываемым, не претерпевает в течение нескольких суток никаких изменений. Таким образом, реакция радикалов 138а,139а со щелочью протекает значительно быстрее, чем аналогичная реакция диамагнитных производных 138в,е и 139в,е, причем, дихлорпроизводное 138а реагирует быстрее дибромпроизводного 139а в отличие от диамагнитных дихлор-138в и дибромпроизводных 139в. Процесс нуклеоо-ильного замещения сопровождается окислением реакционного центра нитроксильнои группой, которая восстанавливается до аминогруппы, при этом образуются вторичные амины 806,1386,1396. Причиной такого различия химического поведения диамагнитных и парамагнитных производных 3-имидазолин-3-оксида, вероятно, является наличие в последних радикального центра, который с одной стороны особым образом модифицирует реакционную способность дигалоидметилнитронной группы, а с другой стороны способен выступать в качестве окислителя. Подтверждением двоякой роли радикального центра являются еледующие данные. При взаимодействии радикала 138а с jylaOH в описанных выше условиях, но в присутствии эквимольного количества радикала 40а происходит увеличение выхода радикал-кислоты 80а, уменьшение выхода аминокислоты 806, а радикал 40а частично восстанавливается до аминопроизводного 110а. При увеличении в реакционной смеси концентрации радикала 40а выход радикал-кислоты 80а возрастает еще больше, выход аминокислоты 806 падает, а суммарный их выход возрастает до 80% (см. эксп. часть, стр. и табл. 13). Следует отметить, что в этой реакции наряду с 80а,б и 110а в ряде случаев образуются 1-оксипроизводные 80д и 104а. Таким образом, при увеличении в реакционной смеси концентрации нитроксильных радикалов, способных выступать в качестве окислителя, доля превращения радикала 138а или 139а возрастает до 80%, а соотношение общего выхода продуктов окисления нитроксильной группой 80а и 806 к сумме выходов продуктов восстановления 806 и 110а становится равным 2:1. Иными словами, на две карбоксильные группы образуется одна аминогруппа, т.е. радикальный центр выступает окислителем сразу двух реакционных центров субстрата. Гипотетической схемой этой реакции может быть схема, включающая промежуточное образование галоидангидрида 143. В пользу такой схемы свидетельствует образование в ряде случаев 1-оксипроизводных 8фц и 104а, а также необходимость минималь- ных стерических затруднений для радикалов-окислителей, тлеющих более доступный радикальный центр (см. ниже), т.е. имеющих плоский цикл, включающий нитроксильный фрагмент /177,178/.
Изучение распространения электронной спиновой плотности в нитроксильных радикалах имидазолина
Исследование бирадикалов с системой сопряженных связей между радикальными фрагментами позволяет выявить особенности делокализа-ции спиновой плотности по молекуле и ее изменение при введении различных функциональных групп /166, 184-186/. С целью определения величины спинового обмена в бирадикалах, имеющих в своем составе монорадикальные фрагменты как 3-имидазолин-3-оксида (R0), так и 3-имидазолина (R ), и выяснения влияния на обмен, а следовательно, и на делокализацию спиновой плотности /\[ -оксидной группы, с помощью метода ЭПР исследованы косвенные обменные взаимодействия в таких жестких бирадикалах, монорадикальные фрагменты которых соединены мостиками с двойными связями. Ранее были описаны спектры ЭПР трех нитроксильных бирадикалов, содержащих радикальные фрагменты З-имидазолин-3-оксида (169а-171а) /163, 185,187/. Спектры ЭПР этих бирадикалов соответствовали случаю сильного косвенного обмена. В настоящей работе исследованы спектры ЭПР толуольных растворов следующих бирадикалов: Колебательные спектры бирадикалов 169-171 не изменяются при переходе от кристаллических образцов к растворам, что указывает на существование каждого из этих соединений как в кристаллическом состоянии, так и в растворе в одной и той же единственной конформации /188/. В ИК-спектрах бирадикалов, имеющих одинаковые нитроксильные фрагменты ( к или 0 ), отсутствуют полосы поглощений, разрешенные в спектрах комбинационного рассеяния света (КР)(табл.19),что указывает на наличие центра симметрии в молекулах бирадикалов 169а - І7Іа,І7ІВ /189/. Исходя из этого, можно предположить, что в бирадикалах 171а-в реализуется конгоормация Конформация А бирадикалов ITIa-в подтверждается тем, что в спектрах ПМР (табл.20) их диамагнитных аналогов 172а-в, имеющих аналогичную нонформацию, о чем свидетельствует характер колебательных спектров, наблюдается одинаковое дезэкранирующее влияние ( -0,45 м.д.) N-оксидного атома кислорода на протон при C=hl -связи при переходе от соединения 172в к соединению 172а и в соединении 1726, сочетающим оба случая. Такое влияние hi -оксидного кислорода на положение сигнала ЯМР протона при C=rt -связи характерно именно для соединений с S -транс-конформацией двух = -групп или хС=л/ - и d = tf -групп /163,190/.
В соответствии с изложенными результатами можно было предположить, что исследование спектров ЭПР бирадикалов, существующих в растворе в единственной конформации А позволит выявить влияние [vl -оксидной группы на степень делокализации электронной спиновой плотности по системе сопряженных связей. Спектры ЭПР бирадикалов 171б,в приведены на рис.3 . Спектры ЭПР бирадикалов 169а-171а представляют собой квинтет линий с отношением близким к 1:2:3:2:1. Вид спектров ЭПР, т.е. количество, относительная интенсивность и положение компонент спектра не зависят от температуры раствора. Это означает, что в этих биради-калах отсутствует возможность прямого обмена и имеется только косвенный обмен по связям бирадикала, что находится в соответствии с их строением. Вид спектров ЭПР бирадикалов с одной конформацией определяется только отношением $/а , где j -обменный интеграл и а-констан- 14 кі та изотропного сверхтонкого взаимодействия с магнитным ядром N равная 2,5x10 рад/сек /166,184/. Использование экспериментальных спектров ЭПР, приведенных на рис. 3, позволило определить для соответствующих бирадикалов отношение $/а, характеризующее величину электронного спинового обмена по мостику связей, соединяющих радикальные фрагменты (табл. 21). Сравнение рассчитанных расщеплений и экспериментальных ширин линий в спектрах ЭПР позволило оценить только нижний предел этого отношения для бирадикалов 169а-171а $/а 25-30. Полученные данные, представленные в табл. 21, позволяют сделать ряд выводов о закономерностях, которые характеризуют электронный спиновый обмен в этих бирадикалах. Сравнение величин ($7а в паре бирадикалов 1716 и 171в показало , что замена одного фрагмента ft на R о приводит к увеличению абсолютной величины обменного интеграла в 9,7 раза. Кроме того в бирадикалах 169а-171а с двумя R0 фрагментами реализуется ситуация сильного обмена с /а 25-30. Из этих данных следует, что в бирадикалах с одинаковыми мостиками, соединяющими радикальные фрагменты, замена к на Re, т.е. введение К -оксидного атома кислорода в радикальный фрагмент приводит к существенному увеличению величины электронного спинового обмена по системе сопряженных связей. 4.2.2. Изучение методом ПМР делокализации спиновой плотности в нитроксильных радикалах имидазолина. Величину делокализованной на дальние атомы спиновой плотности в стабильных радикалах можно установить, определяя константы изотропного сверхтонкого взаимодействия (СТВ) неспаренного электрона с магнитными ядрами этих атомов. Важную роль в изучении дальних СТВ в свободных радикалах и представлении о механизмах делокализации спиновой плотности играет метод ЯМР /166/. В спектрах ПМР всех исследованных нитроксильных радикалов для -протонов гем-СНз групп в положениях 2 и 5 имидазолинового цикла наблюдаются те же закономерности, которые были отмечены ранее/187/. Для радикалов, не содержащих N -оксидного кислорода 7а,78,133,167а, 175,176, характерно наличие двух широких сигналов в сильном поле при -10 и 18 м.д., принадлежащих двум парам магнитно неэкви валентных СНд групп,соответственно, в положениях 2 и 5 имидазолино вого цикла. В отличие от этого в спектрах ПМР радикалов 3-имидазо- лин-3-оксида 8а,40,173а,174,177,178 в сильном поле имеется один ши рокий симметричный сигнал 4-х СНд групп (рис.4 , табл. 22). Это различие парамагнитных сдвигов %-протонов гем-СН3 групп может слу жить отличительным признаком при установлении принадлежности ради калов к ряду 3-имидазолина или З-имидазолин-3-оксида.
С целью выяснения влияния Н -оксидной группы на степень дело- кализации спиновой плотности на более далекие расстояния были про анализированы спектры ПМР структурно подобных радикалов, условно разбитых на типы А, Б, В и Г. Внутри каждого типа сравнивались па ры радикалов 7а,167а и а»ДЗа (А), 78 и 40 (Б), 133 и 174 (В), 125,176 и 177,178 (Г), отличающиеся только наличием М-оксидного атома кислорода. Для удобства в табл. 22 параметры спектров ПМР сравниваемых пар радикалов приведены в одной строке. Прежде всего нас интересовал парамагнитный сдвиг метильной группы в конце сопряженной системы (в составе заместителя X), поскольку величина константы СТВ йн на этих протонах позволяет судить о величине спиновой плотности, проникающей на эту группу по сопряженной системе по механизму сверхсопряжения /166/. Другими словами, концевая метильная группа является своего рода индикатором способности системы проводить $ -электронную спиновую плотность. Отметим, что в спектрах ПМР диамагнитных аналогов, соответствующих сравниваемым парам радикалов, химические сдвиги метильных групп в заместителе X практически не зависят от наличия А/ -ОКСИДНОГО атома кислорода и слабо зависят от растворителя: даже при переходе от Odiif к СД3ОД изменение хим. сдвига не превышает 0,03 м.д. Исключение составляют диамагнитные аналоги радикалов типа А, у которых протоны сравниваемых групп находятся в непосредственной близости от ti -оксидного кислорода. В спектрах IMP радикалов типа А сигналы протонов СНд и ОСНд групп радикалов с N -оксидной группой 8а и 173а имеют более широкие линии и парамагнитные сдвиги в 5 и 2,5 раз больше, чем в спектрах радикалов 7а и 167а. При большем удалении группы X от радикального hi-0 фрагмента (7-9 связей) в радикалах типа Б-Г, т.е. когда основную роль в передаче спиновой плотности играет X-механизм /166/, различия в парамагнитных сдвигах группы X структурно подобных радикалов 78 и 40, 133 и 174, 175е и 177е, 176е и 178е становятся более заметными. Во всех случаях введение М -оксидного атома кислорода приводит к увеличению спиновой плотности на концевой СНд группе, характеризуемой константой СТВ QHt в 8-19 раз (табл. 22). В спектрах IMP радикалов 78 и 40 отнесение сигналов ароматических протонов проведено на основании анализа ширин линий, исходя из того, что для орто-протонов ширина линии больше, чем для мета- и пара-протонов вследствие большего вклада внутримолекулярного дипольного взаимодействия с парамагнитным центром (см., например, рис. 4) /166,187/.
