Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор. внутримолекулярное в аммониевых соединениях 8
1.1. Перегруппировки Стивенса и Соммеле 8
1.2. Реакция перегруппировки-расщепления 12
1.3. Катализируемая основанием внутримолекулярная циклизация солей аммония 17
2. Обсуждение результатов 30
2.1. Механизм циклизации аммониевых солей, содержащих пропаргильную и 3-арилпропаргильную группы 30
2.1.1. Механизмы,предложенные для циклизации указанных солей, кинетика их циклизации под действием небольших количеств щелочи 30
2.1.2. Принцип анализа кинетических данных, катализируемых основаниями 37
2.1.3. Кинетика циклизации бромистого диметилпропаргил-(3-фенилпропаргил)аммония (І) в водных растворах КОН 40
2.1.4. Влияние заместителей у атома азота на циклизацию аммониевых солей, содержащих пропаргильную и 3-арил пропаргильную группы в водных растворах КОН 51
2.1.4а. Кинетика циклизации бромистых диатил-(УІ) и дибутил-(УП)пропаргил(3-фенилпропаргил)аммониевых солей 63
2.1.5. Влияние заместителей в фенильном кольне на пиклиза-пига аммониевых солей, содержащих пропаргильную и 3-арилпропаргильную гругаш в водных растворах КОН 74
2.1.6. Взаимодействие бромистого диметилаллил(3-п-толил-цропаргил)аммония (XI) с водной щелочью 83
2.2. Сравнительная кислотность С-Н связей в молекулах амониевых солей, содержащих пропаргильную и З-арилпропаргильную группы 85
2.3. Кинетика пиклизапии четвертичных аммониевых солей, содержащих две 3-фенилпропаргильные группы 89
2.3.1. Электрофильное содействие катиона гидроокиси 97
2.3.2. Температурная зависимость константы скорости пиклизапии бромистого диметилди(З-фенилпропаргил)-аммония при различных концентрациях ЮН 99
2.4. Экспериментальные доказательства участия воды в стадии алленообразования 107
2.5. Механизм образования бромистых 4-хлор-2,2-диалкил-бенз-(| )изоиндолиниевых солей из диалкилпропар-гил(3-фенил-2,3-дихлораллил)аммониевых солей в водно-щелочной среде
3. Экспериментальные часть 116
3.1. Материалы и методы 116
3.2. Экспериментальные данные 122
3.2.а. Соли, содержащие цропаргильную и З-арилпропаргильную группы 122
3.2.6. Взаимодействие бромистого диметилаллил(3-п-толилпропаргил)аммония (XI) с водной щелочью 124
3.2.в. Соли,содержащие две 3-фенилпропаргильные группы 125
3.2.г. Взаимодействие хлористого метилметаллилди-(3-фенилпропаргил) аммония с каталитическим количеством едкого кали в водном растворе 126
3.2.д. Взаимодействие бромистого диметилди(3-фенилпропаргил)аммония с порошкообразным едким кали 127
3.2.е. Взаимодействие хлористого диметилметаллил-(3-фе-нилпропаргил)аммония (ХП) с порошкообразным едким кали 128
3.2.ж. Взаимодействие солей ХХІ-ХХШ с двухкратным количеством КОН,при 26 128
3.2.3. Водно-щелочное расщепление бромистого триметил (3-фенил-2,3-дихлораллил)аммония (XXII) 129
Выводы 130
Литература 133
- Катализируемая основанием внутримолекулярная циклизация солей аммония
- Кинетика циклизации бромистого диметилпропаргил-(3-фенилпропаргил)аммония (І) в водных растворах КОН
- Кинетика пиклизапии четвертичных аммониевых солей, содержащих две 3-фенилпропаргильные группы
- Взаимодействие бромистого диметилаллил(3-п-толилпропаргил)аммония (XI) с водной щелочью
Введение к работе
Внутримолекулярные перегруппировки четвертичных аммониевых солей, происходящие в присутствии оснований открывают широкие синтетические возможности. К ним относятся реакпии Огивенса, оммеле, пиклизапии расщепления и перегруппировки-расщепления, в результате которых получаются производные третичных аминов, диалкиламино-метилароматические соединения, альдегиды, кетоны, кислоты, шифровые основания намины, синтез которых другими путями затруднен. Преимущественное направление превращения четвертичной аммониевой соли определяется условиями проведения реакции и строением исходной молекулы. Именно условия реакции определяют селективность реакции. Эти условия (крайне важные для целенаправленного синтеза) могут быть установлены путем изучения кинетики и механизма реакции. При изучении детального механизма реакции в растворе кислоты или основания кинетическим методом желательно про -водить исследование с малыми концентрациями исходных веществ, чтобы поддерживать неизменными каталитические свойства среды. Этот принцип и был положен в основу данной работы. Для идентификации продуктов реакции и установления полноты ее протекания были выполнены синтезы необходимых веществ. Данные по составу продуктов реакции в кинетических и синтетических опытах практически совпали.
Катализируемая основанием внутримолекулярная циклизация солей аммония
После опубликования работ по циклизации солей, содержащих 3-фенилпропаргильную группу наряду с группами аллильного типа, проведенных в нашей лаборатории /II9-122/, в 1972г. в литературе появилось краткое сообщение английских ученых об аналогичных исследованиях /123/; в 1981г. та же работа была обупликована с экспериментальной частью /124/.
Об интересном примере внутримолекулярной циклизации аминов строения I имеется сообщение английских ученых /125/, Ими показано, что при нагревании амины I циклизуются в производные бифе-нила. Авторы предполагают, что вследствие 3,3-сигматропной пере -группировки образуется алленовый амин П, изомеризующийся в гек-сатриен Ш, циклизацией которого образуется соединение с цикло-гексадиеновой группировкой. Отщепление диметиламина приводит к ароматизации.
С целью получения физиологически активных веществ японские исследователи Иван и Гираока изучали Стивенсовскую перегруппировку диметилпропаргил (3-фенилпропаргил)аммония под действием спиртового раствора щелочи /126/. В качестве продукта ими был выделен 2-метилбенз( \ )изоиндолин с 22$ выходом, образование которого авторы представляют по нижеприведенной схеме.
Из схемы видно, что образование амина с циклогексатриеновой системой представляется авторами как протекающее синхронно цик-лоприсоединение с нуклеофильным замещением. Однако, образование шестичленного кольца с алленовои группировкой представляется маловероятным.
На основании проделанных в нашей лаборатории работ в области циклизации можно было предположить, что и в условиях /126/ должна образоваться бромистая 2,2-диметилбенз(4 )изоиндолиниевая соль. И, действительно, при повторении опыта японских исследователей, внеся изменения лишь в процесс извлечения продуктов реакции, А.Т.Бабаян с сотр. наряду с 2-метилбенз( \ )изоиндолином (19$) был выделен бромистый 2,2-диметилбенз( \ )изоиндолиний (50$) /122/. Отдельным опытом было показано, что 2-метилбенз({ )изоин-долин образуется расщеплением бромистого 2,2-диметилбенз( )изо-индолиния под действием алкоголята натрия /127/.
В дальнейшем было установлено, что соли, содержащие пропар-гильную группу наряду с 3-арилпропаргильной группой даже в присутствии каталитических количеств щелочи с саморазогреванием почти количественно подвергаются циклизации /122,128-130/. И.Иван и Т.Гираока в работе /126/ было изучено также взаимодействие бромистого диметилбис(З-фенилпропаргил)аммония с этила-том натрия в среде этанола, а также с водным раствором едкого натра. Авторы ожидали образования 2-метил-4-фенилбенз(4 )изоин-долина по схеме, аналогичной предложенной ими для образования 2-метилбенз( \ )изоиндолина. Но вопреки ожиданиям аминный продукт не образовался, на основании чего авторами был сделан вы -вод, что испытуемая соль в результате неблагоприятных пространственных факторов не подвергается циклизации.
Исходя из работ, проделанных в нашей лаборатории в области циклизации, можно было бы в данном случае ожидать образования продукта циклизации - бромистого 2,2-диметил-4-фенилбенз(4 )изо-индолиния, а не свободного амина. И, действительно, было установлено, что вышеуказанная соль в присутствии каталитических количеств КОН или No.ОН в водном растворе с саморазогреванием количественно циклизуется /I3I-I33/. Авторами установлено, что в вышеуказанных условиях с саморазогреванием циклизуются бромистые соли диалкилбис(З-арилпропаргил)аммония и -бис(3-алкенилпропар гил)аммония. Интересно отметить, что циклизация вышеуказанных солей в отличие от солей, содержащих незамещенную пропаргильную группу, протекает и в отсутствие основания, простым нагреванием их водных растворов /132/. И в этих условиях циклизованный продукт получается с количественным выходом.
Спустя полтора года после опубликования этих работ в литературе появилось краткое сообщение английских ученых /123/ об изучении циклизации диметилбис(З-фенилпропаргил)аммония, со -гласно которому указанная соль в присутствии следов NaOH в водном растворе с саморазогреванием количественно циклизуется.
В нашей лаборатории изучена также циклизация солей аммония, содержащих одновременно и З-фенилпропаргильную, и 3-алкенилпро-паргильную группы /133/. В этом случае в качестве диенового фрагмента в реакции циклизации может участвовать одна из ука -занных групп. Не исключена возможность протекания реакции по обоим направлениям.
Кинетика циклизации бромистого диметилпропаргил-(3-фенилпропаргил)аммония (І) в водных растворах КОН
Кинетика циклизации бромистого диметилпропаргил(3-фенилпро-паргил)аммония (I) была изучена в водных растворах КОН от 1,2 до 44,75 масс# /159/. Эффективная константа скорости при этом изменялась от 0,154 ТО мин до 33,2 10 мин (табл.1), т.е. существенно быстрее аналитической концентрации КОН (например, при увеличении Cfcow от 2,0 г-моль/л до 5,35 г-моль/л, т.е. в 2,7 раза, &э ь увеличивается в 6,7 раза. Это по-нашему мнению, означает, что реакционноспособной формой исходной соли в реакции циклизации является равновесно образующаяся ионизованная форма. Соли исследованного строения могут ионизоваться только согласно равновесию (8) с образованием ВН" и отщеплением молекулы воды. При сопоставлении величин fc с величинами W M оказалось,что вплоть до 24 масс# раствора щелочи & растет практически пропорционально O/$KZO , в более же концентрированных растворах КОН ее рост замедляется рис.1. Мы считаем, что замедление роста кщ от состава раствора вызвано существенной ионизацией реагента.
В лимитирующей стадии может происходить либо мономолекулярное превращение формы ВН ", либо ее взаимодействие с молекулой растворителя. По-нашему мнению, реакция циклизации аммониевых солей изучаемого строения происходит через промежуточную стадию с образованием соединения с алленовой группировкой. В пользу алленообразования свидетельствуют данные работ /160-167/, согласно которым соли, содержащие готовую диеновую группировку в отличие от солей с потенциальной диеновой группировкой -(3-фе-нил-) или (З-алкенил)пропаргильной группой циклизуются в отсутствие щелочи при нагревании их диметилформамидных, ацетонит -рильных или водных растворов. А.Т.Бабаян с сотр.в качестве готовой диеновой группировки были использованы 2,4-пентадиенильная, фурфурильная, тенильная. Термической циклизации подвергаются также N-аллил- N -2,4-пентадиенил-(фурфурил)амиды карбонових кислот /168-170/.
Промежуточное алленообразование принимается и авторами работы /134/, изучавшими под действием трет-бутоксида калия в бута-ноле циклизацию эфиров, содержащих наряду с пропаргильной или аллильной группой 3-алкенил-(3-фенил)цропаргильную. Циклизация представляется ими как последовательность стадий изомеризации алкенил-(арил-)ацетиленовой группировки в алкенил-(арил-)аллен, внутримолекулярного + циклоприсоединения с последующей ароматизацией. При циклизации пропаргил(З-изопропенилпропаргил) эфира авторами были получены дигидробензофураны А и В с 45 и 15% выходами соответственно. Образование дигидроизобензофурана А является доказательством промежуточного алленообразования. Циклизацию через моно- или ди-алленовые соединения представляют и авторы работ /123-126/.
Подобное представление механизма через промежуточное аллено-образование обосновано легко идущей изомеризацией производных ацетилена в производные аллена /172-174/. Например /173/ в сульфониевых соединениях. Приведенные данные свидетельствуют о возможном промежуточном алленообразовании в молекулах изучаемых нами аммониевых солей, т.к. в исходных молекулах есть благоприятные условия для изомеризации: электроотрицательный эффект аммониевого комплекса и наличие в 3-положении алкенильной или арильной группы. В пользу алленообразования при циклизации солей изученного строения свидетельствует протекание перегруппировки-расщепления с образованием к -металлилкоричного альдегида при взаимодействии бромистого диалісшшеталлил(З-фенилпропаргил)аммония с 0,2 г-экв щелочи /175/
Образование продукта перегруппировки-расщепления трудно представить без промежуточного алленообразования. При взаимо -действии бромистого метилдиаЕлил(З-фенилпропаргил)аммония продукт перегруппировки-расщепления может образоваться либо за счет двух аллильных групп, либо аллильной в сочетании с 3-фенилпро -паргильной. Как и следовало ожидать, к -алленообразование происходит в 3-фенилпропаргильной группе и образуется -аллилко ричный альдегид с количественным выходом /176/ На основании приведенных примеров мы считаем, что при циклизации четвертичных аммониевых солей изученного строения продукты реакции образуются через промежуточную стадию образова -ния алленовой формы исходной соли. В реакциях подобного типа промежуточное соединение с алленовой группировкой детектировано не было. Это указывает на то, что в условиях реакции его относительная концентрация очень мала. Для установления детального механизма реакции крайне важно знать, образуется ли аллено-вая форма в лимитирующей стадии реакции циклизации ( а также в реакциях других превращений четвертичных аммониевых солей),или она находится в равновесии с исходными реагентами. Именно эти вопросы могут быть разрешены на основании зависимости кж, реакции циклизации от ионно-молекулярного состава и термодинамических свойств раствора катализатора.
Кинетика пиклизапии четвертичных аммониевых солей, содержащих две 3-фенилпропаргильные группы
Например, если заместитель облегчает алленообразование, но затрудняет ионизацию исходной соли, отношение констант Jw/Kpможет либо не изменяться, либо увеличиваться, либо уменьшаться в зависимости от того, на какую из констант введение заместителя влияет сильнее. Следовательно сопоставление отношений ow/кр не всегда приводит к разумным выводам и может не согласоваться с механизмом реакции в целом, В табл.6 приведено сопоставление влияния заместителей у атома азота на величины констант исх,КР. Для солей П и Ш была проведена оценка нижних пределов величин к и Юр следующим образом. Было принято, что в опытах с наибольшей концентрацией КОН, при которой справедливо уравнение (226), отношение С-вн/С-ьНй не превышает 0,1. С солью П такой опыт проведен в растворе 26,8 масс.
Из сравнения полученных данных следует, что замена двух ме-тильных групп на пентаметиленовую и тетраметиленовую существенно затрудняет процесс ионизации и облегчает алленообразование. Замена метильной группы на пропаргильную (соль У) приводит к небольшому облегчению ионизации реагента и одновременному затруднению алленообразования. Приведенное влияние заместителей качественно согласуется с ходом изменения индукционных постоянных Тафта для указанных групп, приведенных в /149/. Из изученного ряда солей выделяется морфолиниевая соль (ГУ) для которой примерно в 4 раза меньше, а [АЫ. в 3,8 раза выше, чем для соли I. Облегчение ионизации очевидно вызвано довольно значи-тельным отрицательным индукционным эффектом группы 0\ /149/, увеличение же ucr мы объясняем внутримолекулярным содействием неподеленной пары кислорода морфолиниевого кольца.
Таким образом, влияние заместителей у атома азота для солей 1-У на стадии равновесной ионизации исходной соли и алленообра-зования согласуется с предложенным механизмом циклизации.
Влияние заместителей у атома азота на скорость циклизации рассматривалось ранее по результатам исследования кинетики циклизации солей 1,П,У1 под действием небольших количеств щелочи /146-148/. Оказалось, что по величине &2= &эор/СсОН диэтильная (а), пиперидиниевая (б) и диметильная (в) соли образуют следующий ряд: Q tj -fc(,. В том же порядке происходит увеличение электроотрицательности заместителей, что должно способствовать облегчению алленообразования в 3-арилпропаргильной группе. На этом основании авторами был сделан вывод о промежуточном аллено-образовании при циклизации солей изученного ряда. В работах /146-148/ не рассматривается механизм каталитического действия гидроксильного иона в циклизации. Оценка влияния заместителей по сопоставлению величин -І ср/С он менее корректна по сравнению с сопоставлением констант &uu-/Kp по двум причинам: $ о -fcou » хотя в разбавленных растворах эти величины отличаются мало, б) необходимо быть уверенным, что для всех соединений степень их ионизации мала. Это может быть установлено лить из полного описания зависимости -fc от состава среды. Подобные сопоставления не всегда приводят к правильным выводам о сравнительной реакционной способности в ряду. Например,отношение соли Iу в 5 раз выше, чем для соли П, однако, из сопоставления величин tucr следует, что алленообразование в соли П происходит легче, чем в соли ІУ. Согласно нашим результатам (табл.6), соль П по сравнению с солью I более реакционно-способна и по величине tuu , и по отношению констант iuu/lCp, При этом нужно подчеркнуть, что при одинаковом составе среды соль I ионизована с образованием формы БІГ в большей степени, чем соль П.
При изучении соли УІ было установлено, что во всем изученном интервале концентраций КОН -fc растет пропорционально. Однако, величины -fc , измеренные в растворе КОН одинаковой концентрации по убыли исходной соли ( j\ = 244 нм) больше к дер і измеренных в максимуме поглощения продукта циклизации ( Л = 275 нм) табл.7. В том и другом случае кинетические кривые удовлетворительно описываются уравнением первого порядка до полного окончания реакции рис.9,10.
В координатах fc -f t0- C O/Q O (Уравнение 226) Кф, рассчитанные по изменению оптической плотности на Л =244 нм и 275 нм для соли УІ образуют две прямые с тангенсом угла наклона, равным 3,8 10 мин и 3,1 10 мин соответственно, рис.II. В дальнейшем при сопоставлении реакционной способности солей было использовано значение Ьи / Р = 3,1 10 мин.
Взаимодействие бромистого диметилаллил(3-п-толилпропаргил)аммония (XI) с водной щелочью
Неблагоприятное влияние п-метильной группы на циклизацию было замечено и при изучении циклизации бромистого диэтил(3-п-толилпропаргил)аммония в водном растворе простым нагреванием /132/. Авторами было установлено, что указанная соль в отличие от ди(З-фенилпропаргильного) аналога в водном растворе простым нагреванием не подвергается циклизации. Следует отметить, что продукт циклизации диэтилди(З-п-толилпропаргил)аммония в условиях основного катализа образуется с несколько низким выходом (83$) по сравнению с диэти.л(3-фенилпропаргил) аммониевой солью (94$).
С-Н связей в молекулах аммониевых солей,содержащих пропаргильную и 3-арилпропаргильную группы /184/ В молекулах солей исследованного ряда подвижными являются атомы водорода 1,2,3,которые обмениваются на дейтерий в дейте роводных растворах КОН при 25С /143/.
Для подтверждения механизма циклизации, предложенного нами для солей с пропаргильной и 3-фенилпропаргильной группами,необходимы данные по относительной кислотности С-Н связей в трех указанных положениях. Этот вопрос был разрешен нами косвенным методом, путем сопоставления величин циклизации бромистых диме-тилпропаргил(З-фенилпропаргил)аммония (I) и пропаргил(3-$енилпро-паргил)пиперидиния (П) при различных соотношениях концентраций соль: гидроокись, полученных в этой работе и по данным /147/при 25С, а также анализа влияния заместителей в м-положении 3-арил-пропаргильной группы на величину IL /184/.
Можно утверждать, что вследствие электроноакцепторности группы C&US атом водорода I кислее, чем 2. Как соотносятся по кислотности атомы водорода I и 3 неизвестно. Ионизация с отщеплением атомов водорода 1,2,3 происходит согласно равновесию 8 с константой равновесия К р = ВНа - .
Ниже сопоставлены данные для солей I и П, полученные в области концентраций КОН,где степень ионизации солей мала (т.е. С и« Co ) и для -fe cp справедливо уравнение 226. Не исключено, что в водном растворе щелочи присутствуют также анионы,образовавшиеся депротонизацией из положений 2,3, но относительные концентрации таких частиц невелики. Однако, уравнение 226 будет справедливо и в другом случае, а именно, если кислотность атома водорода 3 существенно выше по сравнению с кислотностью атома водорода I и в исследованных растворах КОН практически вся соль находится в форме fl N H C. .в таком случае частицы, обозначенные символом ВН являются двухзарядными анионами. Выбор между этими двумя случаями был сделан на основании сопоставления кинетических данных для солей I и П при 25С при различных соотношениях концентраций соль: гидроокись (см.табл.ІЗ). В опытах 1-3,5,6,10 концентрация реагента не превышала 10 моль/л, т.е. концентрация катализатора была на несколько порядков выше концентрации соли. В опытах 4,7-9 концентрации соли и гидроокиси были соизмеримы. Более того,в некоторых опытах концентрация соли существенно превышала концентрацию гидроокиси /147/. Так, для соли I константы скорости циклизации ( &эф = &г# Скои ) были получены при концентрациях соли от 0,025 до 0,016 и КОН от 0,123 до 0,031 моль/л и соотношение концентраций соль: гидроокись изменялось от 2 до 0,5 ( -Ь 25С). Для соли її в /147/ приведены значения z= & $ / кои = 3,9 10 л/моль сек (44) с отклонением от среднего 2% при изменении концентрации КОН в 100 раз и изменении соотношения концентраций соль: гидроокись от 1:10 до 10:1. Значения fc90p в опытах 4,7-9, приведенные в табл.13, были получены так. Сначала были получены значения t, для соли I и П при 25С экстраполяцией по температурной зависимости данных /147/ с использованием энергий активации 111,2 кДя/моль и 104,67 кДк/моль соответственно. Затем, при предположении, что при 25С также соблюдается пропорциональ -ность между fcz и С кон » были рассчитаны значения &9 р, которые приведенн для некоторых из концентраций КОН, использованных в /147/.
Из данных табл.13 видно, что для солей I и П величина тг практически сохраняет постоянство при ЗНаЧИ-ъо С ц2о "р тельных изменениях концентраций гидроокиси и соли и их соотношения, в частности и в опытах, в которых концентрация соли существенно выше концентрации основания в растворе. Это не согласуется с предположением о том, что в разбавленных растворах КОН исходные соли практически полностью депротонированы в положении 3. Следовательно, в разбавленных и умеренно концентрированных растворах КОН при 25С реакционноспособная форма соли ВН , действительно,соответствует однозарядному иону, который образуется при ионизации Ж. - водородного атома 3-фенилпропаргиль-ной группы. В приведенном выше анализе кинетических данных замедление роста &эвр было объяснено тем, что концентрация реакционноспособных ионов БН"" становится соизмеримой с концентрацией реагента. И было получено выражение для 22а. Это же уравнение будет описывать зависимость & р от состава среды, если в значительной степени образуется нереакционноспособныи ион при отщеплении водородного атома в положении 3 с константой равновесия Кр , в таком случае уравнение 22а примет вид:
