Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Электронный перенос при электрохимическом восстановлении азолов в апротонных средах 14
1.1. Электрохимическое восстановление азолов и N-винилазолов в апротонных средах 16
1.2 Нитроазолы в окислительно-восстановительных реакциях 27
1.2.1. Электрохимическое восстановление нитроимидазолов в апротонной среде 35
1.2.2. Нитробензимидазолы 44
1.2.2.1. Полярография и ЭПР 5(6)-нитробензимидазола и его 2-замещенных 44
1.2.2.2. Зависимость параметров спектров ЭПР дианион-радикалов 2-замещенных 5 (б)-нитробензимидазолов
от эффектов заместителей 51
1.2.2.3. Влияние кислотно-основных свойств 2-замещенных 5 (б)-нитробензимидазолов на полярографические параметры 58
1.2.2.4. Механизм электрохимического восстановления незамещенных по атому азота нитроазолов 59
1.2.3. Электрохимическое восстановление нитропиразолов 66
1.2.3.1. Механизм электрохимического восстановления N-незамещенных нитропиразолов
1.2.3.2. Механизм электрох] [мического восстановления 1-алкилнитропиразс лов
1.2.3.3. Механизм злектрохі [мического восстановления N-нитропиразолов восстановление
1.2.3.3 Л. N-Нитропиразол
1.2.3.3.2. 1,4-Динитропиразоі
1.2.4. Электрохимическое
нитро-1,2,4-триазол ш
1.2.4.1. ЭПР и полярографш:
5(3)-замещенных-3(; і)-нитро-1,2,4-триазола
1.2.4.1Л. Незамещенные по аг ому азота 5(3)-производные
3(5)-нитро-1,2,4-три ізола 1.2.4.1.2. 1-Метил-3,5-динитрі >-1,2,4~триазол
1.2.4.2. Анион-радикалы изс меров N-метил-С-нитро-І^ ,4-триазола
1.2.4.3. 3(5)-Нитро-1,2,4-три^зол-5(3)-он
1.3. Заключение
ГЛАВА 2. Одноэлектроннь|й перенос в реакциях викариозного ю клеофильного замещения водорода в нитр азолах Краткий обзор реакц ий нуклеофильного замещения, включак щих стадию одноэлектронного переноса
Викариозное нуклео шльное замещение (ВНЗ) водорода 123
Одноэлектронный перенос в реакциях викариозного нуклеофильного замещения водорода 127
Нитробензол в реакциях викариозного нуклеофильного замещения водорода 127
Нитроазолы в реакциях ВНЗ водорода 132
2.2.1.2.1. Викариозное С-аминирование 1-метил-4-нитроимидазола 132
2.2.1.2.2. Нитробензимидазолы в реакции ВНЗ водорода 137
2.2.1.2.2.1. Реакция викариозного С-аминирования 1 -метил-5-нитробензимидазола 1,1,1 -триметилгидразиний йодидом и 4-амино-1,2,4-триазолом 137
2.2.1.2.2.2. Реакция викариозного С-аминирования 1 -метил-6-нитробензимидазола 1,1,1 -триметилгидразиний йодидом и 4-амино-1,2,4-триазолом 139
2.2.1.3. Викариозное С-аминирование нитропиразолов 142
2.2.1.4. Нитротриазолы в реакциях ВНЗ водорода 150
2.2.1.4.1. З-Нитро-1,2,4-триазолы 150
2.2.1.4.2. 2-Фенил-4-нитро-1,2,3-триазол 151
2.3. Заключение 157
ГЛАВА 3. Одноэлектронныи перенос в нуклеофильных реакциях присоединения 161
3.1. Реакции пирролов с ацетиленами 162
3.1.1. Винилирование 4,5,6.7-тетрагидроиндола 162
3.1.2. Винилирование пиррола и его 2-замещенных 165
3.1.3. Природа свободных радикалов в реакциях винилирования пирролов в суперосновной среде 169
3.1.4. Пирролы как С-нуклеофилы 173
3.1.5. Радикальные интермедиаты нуклеофильного присоединения пирролов к дизамещенным активированным ацетиленам 177
3.1.6. Твердофазное винилирование пирролов 182
3.1.7. Реакции пирролов с электрофильной двойной связью 185
3.1.7.1. Реакции пирролов с тетрацианэтиленом 185
3.1.7.2. Самоассоциация 5-фенил-2-трициановинилпиррола 191
3.1.7.3. Реакции пирролов с тетрацианохинодиметаном 195
3.2. Неожиданная реакция 5-меркаптохинолина с 4-гидрокси-2-алкиннитрилами 199
3.3. Реакции фенилцианоацетилена с фосфинами 200
3.3.1. Реакции вторичных фосфинов с фенилцианоацетиленом 201
3.3.2. Реакции первичных фосфинов с фенилцианоацетиленом 204
ГЛАВА 4. Экспериментальная часть 211
4.1. Аппаратура, технические характеристики и методические подробности 211
4.2. Обработка спектров ЭПР, статистическая обработка и квантово-химические расчеты 214
4.3. Синтез и характеристики исследованных соединений 215
4.3.1. Парамагнитные твердые продукты 217
4.3.2. Продукты трициановинилирования пирролов 218
4.4. ЭПР-мониторинг 219
4.5. ЭПР-мониторинг в технике спинового захвата 220
Выводы 221
Список литературы
- Электрохимическое восстановление нитроимидазолов в апротонной среде
- Механизм электрох] [мического восстановления 1-алкилнитропиразс лов
- Нитробензол в реакциях викариозного нуклеофильного замещения водорода
- Радикальные интермедиаты нуклеофильного присоединения пирролов к дизамещенным активированным ацетиленам
Введение к работе
Самым элементарным химическим процессом является передача электрона между двумя молекулами. В такой реакции химические связи в реагентах не нарушены, но происходят изменения в молекулярном строении взаимодействующих молекул и их ближайшего окружения. Вследствие этих изменений энергия молекулярной системы временно возрастает, и эта избыточная энергия передается электрону, чтобы он был в состоянии преодолеть энергетический барьер и перейти от одной реагирующей молекулы к другой [1].
Электронный перенос является важной стадией в механизмах химических реакций, фотосинтезе, катализе. Потрясают масштабность и характеристики этого явления: электронный перенос осуществляется во временной шкале от фемтосекунд до секунд, в шкале расстояний от менее ангстрема до более 20 ангстрем.
В последние 15-20 лет реакции электронного переноса привлекают все большее внимание, о чем свидетельствуют самые свежие монографии [2, 3] и обзоры [4-7]. Этот интерес касается и внешнесферных реакций (т.е. не включающих существенного ковалентного связывания между донором и акцептором после электронного переноса) [8], а также более сложных процессов, где электронный перенос сопровождается одновременным или последовательным разрывом или образованием связи [9-14].
Выяснение механизма и проблем реакционной способности в химии одноэлектронного переноса может иметь особое значение и в таких областях, как синтез и катализ, радикальная химия, фотохимический синтез, биохимия живого организма [2].
С этой точки зрения, решающим фактором становится возможность исследования одной и той же реакции различными методами - фотохимии,
электрохимии, пульсирующего радиолиза, электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).
Электрохимические данные, в особенности в комплексе с результатами спектроскопии ЭПР являются ценным источником информации о механизмах многих реакций и реакционной способности различных классов органических, металлоорганических и неорганических соединений, которая может быть использована далеко за рамками электрохимии. В литературе уже накоплен достаточно обширный материал, свидетельствующий об определяющей роли одноэлектронного переноса в гетеролитических процессах, протекающих с участием различных классов органических соединений [15,16].
Теория внешнесферного и диссоциативного электронного переноса разработана применительно к электрохимическим и гомогенным реакциям [1, 17, 18] и хотя она, по-видимому, полностью применима и к гетерогенным процессам, количественное моделирование таких реакций еще только начинается [19]. Однако именно гетерогенные системы в исследованиях реакций свободных радикалов представляют большой интерес для органической, биоорганической и медицинской химии [20, 21].
Поскольку лекарственное действие препаратов в живом организме включает процессы с переносом электрона [27-29], на передний план в исследованиях нитроазольных систем (многие из которых находят широкое применение в качестве высокоэффективных лекарств) выдвигаются вопросы, связанные с изучением их окислительно-восстановительных реакций. В этих исследованиях наиболее эффективными методами зарекомендовали себя полярография и ЭПР, так как электрохимические методы имеют огромные возможности - in situ генерация позволяет исследовать очень высокореакционные частицы -свободные радикалы, а комбинация методов электрохимии и ЭПР -устанавливать их строение и свойства.
Однако последовательность элементарных стадий далеко не всегда возможно обнаружить и разделить инструментальными методами вследствие несоответствия масштабов их временных шкал со скоростями переноса электрона. В таких случаях оказываются очень полезными специфические методы и приемы, специально разработанные и широко использующиеся как, например, в полярографии метод вращающегося дискового электрода с кольцом (ВДЭК) [22], а в спектроскопии ЭПР техника спинового захвата {spin-trapping) [23-26].
Азолы и их функциональные производные проявляют себя как лекарственные препараты, радиосенсибилизаторы, красители, антисептики, инсектициды, ингибиторы коррозии металлов, что делает их весьма заманчивыми объектами исследования и практического использования. Уже само гетероциклическое ядро, содержащее один или два атома азота, природа создала как жизненно важные строительные элементы: пиррольное - структурный фрагмент гемма, хлорофиллов, имидазольное - гистамина, гистидина, трансферинов, витамина В^. Некоторые производные пиррола обнаружены среди летучих компонентов черного чая, японского хмеля, в листьях табака, в валериане, жареных зернах какао и кофе.
Особый интерес вызывают к себе нитроазолы, среди которых следует отметить природный антибиотик азомицин - 2-нитроимидазол, и 4- и 5-нитропроизводные имидазола - весьма эффективные препараты в лучевой терапии раковых заболеваний, а также N-нитропиразолы, проявляющие способность восстанавливать функцию сетчатки глаза после ишемического инсульта.
Несмотря на огромный поток публикаций в области изучения процессов электронного переноса, охватывающий множество типов электрохимических, химических и биохимических реакций, реакции нуклеофильного присоединения к тройной связи и викариозного
нуклеофильного замещения водорода остались в стороне. Их механизм в этом плане либо не изучался вообще, либо недостаточно.
Выполненное нами исследование электронного переноса в нуклеофильных химических и электрохимических реакциях и строения образующихся при этом промежуточных радикальных частиц позволило внести определенный вклад в развитие представлений о механизмах реакций, осуществляющихся, в гетерогенной среде: по крайней мере, зарождение реакционных центров в которых происходит на границе фаз -на электродной поверхности или в суперосновной системе. Это дает основание считать, что выполненное исследование является современным и актуальным как в практическом (впервые методом ЭПР обнаружены стадии электронного переноса в классических нуклеофильных реакциях пирролов и фосфинов с ацетиленами, в реакциях викариозного нуклеофильного аминирования нитроазолов, что дает химикам ключ к управлению такими процессами), так и в теоретическом плане.
Настоящая работа выполнялась в соответствии с планами НИР ИрИХ СО РАН по темам "Спектрометрия и квантовая теория стереоэлектронного строения ненасыщенных гетероатомных соединений и их реакций" (номер госрегистрации 01200107929), "Теоретическое и спектральное исследование строения и реакционной способности ненасыщенных гетероатомных и элементоорганйческих соединений" (номер госрегистрации 01990000413), "Исследование строения, стереодинамики и комплексообразования молекул, их взаимодействия со средой и излучением методами квантовой химии и спектроскопии" (номер госрегистрации 01860109689), "Направленный синтез биологически важных циклических и открытых гетероатомных структур на базе ацетилена и его производных" (№ государственной регистрации 01990000410) при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 02-0333017а), по программе научного интеграционного проекта «Спиновая химия элементорганических
соединений» (№ 41), реализуемого Сибирским отделением РАН (Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского, Новосибирский институт химической кинетики и горения, Новосибирский институт физики полупроводников, Новосибирский институт цитологии и генетики).
Целью работы являлось развитие и дополнение представлений о механизмах нуклеофильных реакций в свете одноэлектронного переноса.
В рамках этой фундаментальной проблемы решались следующие основные задачи:
1. исследование процессов электрохимического поведения азолов в апротонных средах; 2. исследование механизма реакций викариозного нуклеофильного замещения водорода в нитроазолах; 3. исследование механизма реакций нуклеофильного присоединения пирролов к активированным ацетиленам; 4. исследование механизма реакций нуклеофильного присоединения вторичных и первичных фосфинов к фенилцианоацетилену.
Научная новизна и практическая значимость работы. До настоящего исследования в литературе имелись сведения об электрохимическом поведении лишь некоторых нитроазолов в водных средах. Хотя такие исследования наиболее приближены к условиям in vivo, их возможности ограничены и не позволяют наблюдать образующиеся свободные радикалы из-за параллельно протекающих процессов протонирования. Лишь в условиях пульсирующего радиолиза, моделирующего поведение лекарственных средств в радиотерапии раковых заболеваний, были получены и исследованы анион-радикалы некоторых нитроимидазолов.
Нами впервые выполнены систематические исследования методами полярографии и ЭПР широкого ряда нитроазолов в апротонных средах, где появляется возможность останавливать электрохимическую реакцию на отдельных стадиях электронного переноса, и изучено строение и свойства образующихся при этом промежуточных ион-радикалов.
Выявлены общие закономерности и установлены механизмы электронного переноса в реакциях электрохимического восстановления N- и С-производных азолов, что представляет теоретическую и практическую значимость для понимания механизма лекарственного действия в живом организме препаратов на их основе.
Предложенный нами механизм электрохимического восстановления N-нитропиразолов оказался справедливым и для химических редокс-процессов и лег в основу исследования N-нитропиразолов [30, 31] в качестве источников монооксида азота - продукта биотрансформации органических нитратов и нитритов, использующихся в качестве сосудорасширяющих и болеутоляющих препаратов.
Впервые с использованием ЭПР-мониторинга обнаружены стадии одноэлектронного переноса в реакциях викариозного нуклеофильного замещения (ВНЗ) водорода, представляющего собой ценнейший синтетический подход к получению продуктов замещения водорода в нитроароматических и нитрогетероциклических соединениях. Электрохимическое моделирование стадии одноэлектронного переноса в реакции викариозного нуклеофильного аминирования нитроазолов позволило идентифицировать промежуточные первичные анион-радикалы субстратов.
Впервые исследованы методом ЭПР реакции нуклеофильного присоединения пирролов и фосфинов к тройной связи и обнаружен канал одноэлектронного переноса. Установлено строение промежуточных свободных радикалов и предложен механизм их образования, что дает химикам ключ к управлению такими процессами.
Обнаружена способность трицианвинилпирролов к самоассоциации в твердом состоянии за счет межмолекулярного переноса электрона, что открывает новые возможности в создании органических металлов. Апробация работы и публикации. Основные результаты работы представлялись на 6 Международном конгрессе по гетероциклической
химии (Тегеран, Иран, 1977), VI Симпозиуме по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул, Вильнюс, 1982), Всесоюзной конференции по квантовой химии (Днепропетровск, 1983), 8 Всесоюзном совещании по полярографии (Днепропетровск, 1984), VI Всесоюзном совещании по проблеме КОМИС. (Черноголовка, 1984), Всесоюзной конференции по химии и технологии органических красителей и промежуточных продуктов (Ленинград, 1985), 9 Всесоюзном совещании по электрохимии органических соединений (Львов, 1986), XIV Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Алма-Ата, 1989), 41 Совещании Международного электрохимического общества (Прага, Чехословакия, 1990), 2 Чехословацкой хемометрической конференции (Брно, Чехословакия, 1990), 3-ей Европейской конференции по электроанализу, (Лейпциг, Германия, 1991), 2 Всесоюзной конференции по химии, биохимии и фармакологии производных индола (Тбилиси, 1991), 4-ой Европейской конференции по электроанализу, (Нордвайкерхаут, Нидерланды, 1992), 4 Международном симпозиуме по спиновому захвату и органической ЭПР спектроскопии (Оклахома Сити, Оклахома, США, 1993), Конференции по химии фосфорорганических соединений и перспектив ее развития на пороге 21 века (Москва, 1998), 6 Международном симпозиуме по спиновому захвату и спиновым ловушкам (Марсель, Франция, 2000), Международной конференции по механизмам реакций и органическим интермедиатам (Санкт-Петербург, 2001).
Материалы диссертации изложены в 52 публикациях в отечественных и зарубежных изданиях, включая 1 обзор и 1 авторское свидетельство.
Автор искренне благодарит химиков-синтетиков, спектроскопистов и теоретиков - соавторов всех своих публикаций, тесное и благотворное сотрудничество с которыми вылилось в настоящую работу.
Особая благодарность моим учителям академику Б.А. Трофимову и профессору В.А. Лопыреву за постоянную помощь, поддержку и предоставление творческой свободы.
Электрохимическое восстановление нитроимидазолов в апротонной среде
Перечисленные работы свидетельствуют, что изучение процессов электрохимического поведения нитроазолов занимает исследователей до настоящего времени [122,163-166,169-171] и не теряет актуальности.
Как следует из приведенного материала, в большинстве исследований, за исключением работ [29, 139-141], в которых использовался пульсирующий радиолиз, не представляется возможным изучать механизм постадийного восстановления нитроазолов и наблюдать образующиеся свободные радикалы методом ЭПР из-за параллельно протекающих процессов протонирования. (Кстати, следует отметить, что даже в условиях пульсирующего радиолиза сигналы ЭПР первичных анион-радикалов 2,(4)5-динитроимидазола зарегистрировать не удалось [172]).
Восстановление нитрогруппы в лекарственных препаратах на основе нитроазолов осуществляется в организме в анаэробных условиях (схема 1.5). Моделируя эти процессы электрохимически в апротонных средах, можно останавливать электрохимическую реакцию на отдельных стадиях электронного переноса и методом ЭПР исследовать строение и свойства промежуточных анион-радикалов.
Именно с этой целью нами было впервые предпринято детальное изучение электрохимического поведения методами полярографии и ЭПР в апротонных средах широкого ряда нитропроизводных азолов - имидазола, бензимидазола, пиразола и 1,2,4-триазола [173,174]. Нами выявлены принципиальные различия в электрохимическом поведении нитроазолов, содержащих «кислый» протон или алкильныи заместитель у пиррольного атома азота, зарегистрированы и идентифицированы продукты электронного переноса - промежуточные ион-радикалы, получена информация о распределении в них спиновой плотности и установлены механизмы электрохимического восстановления нитроазолов в апротонных средах.
Следует отметить, что параллельно с нашими исследованиями некоторые нитроимидазолы изучались методом полярографии казанскими электрохимиками в диметилформамиде [175, 176]. Однако полученные ими результаты, касающиеся первой - наиболее ответственной стадии электрохимического восстановления незамещенных по атому азота нитроимидазолов - интерпретированы, с нашей точки зрения, неоднозначно (см. стр. 59). (Гораздо позже, в 1996 году, такие исследования были сделаны за рубежом на 2-нитро- и 4- нитроимидазолах циклической вольтамперометрией в ацетонитриле, ДМСО и ДМФА и их смесях с водой и методом ЭПР в ДМСО и ДМФА и получены результаты, идентичные нашим [169]).
В дальнейшем нами был предложен и доказан методом полярографии с использованием вращающегося дискового платинового электрода с кольцом (ВДЭК) механизм электрохимического восстановления незамещенных по атому азота нитроазолов [177].
Нами изучены N- и (или) С-алкилзамещенные нитроимидазолы методами ЭПР и классической полярографии на ртутном капающем электроде в ацетонитриле [174].
Из таблицы 1.2 следует, что нитроимидазолы 16, 17, 19, 22-29 восстанавливаются в ацетонитриле в две стадии. Причем нитроимидазолы 17, 19 и 25, не имеющие заместителя у пиррольного атома азота, восстанавливаются значительно легче их алкилированных аналогов. Это связано со значительной поляризацией связи NH, в результате чего на нитрогруппе создается некоторый дефицит электронной плотности, облегчающий ее восстановление. Обе волны восстановления являются одноэлектронными, но соответствуют различным по характеру электродным процессам: первая - необратимому, а вторая - обратимому.
Несмотря на то, что между первой и второй полуволнами восстановления на полярограммах имеется достаточно протяженное плато, в спектрах ЭПР обнаружены хорошо разрешенные сигналы только при потенциалах вторых полуволн. Характер сверхтонкой структуры (СТС) сигналов ЭПР соответствует взаимодействию неспаренного электрона с ядром атома азота нитрогруппы и со всеми магнитными ядрами гетероцикла, за исключением одного протона.
Механизм электрох] [мического восстановления 1-алкилнитропиразс лов
Как видно из табл. 1.2 (стр. 37), величины азотных констант нитрогруппы внутри одного типа нитроимидазолов, как замещенных, так и незамещенных по атому азота, изменяются симбатно с величинами потенциалов восстановления. Введение в гетероцикл алкильной группы затрудняет восстановление и приводит к увеличению константы на нитрогруппе (в рассмотрение включались значения потенциалов, соответствующих образованию анион-радикалов для N-алкилзамещенных нитроимидазолов и дианион-радикалов для нитроимидазолов, не замещенных по атому азота).
Оказалось, что в первичных анион-радикалах на нитрогруппе сосредоточено примерно 50% спиновой плотности, в то время как в дианион-радикалах более 60%. Сравнение констант нитрогрупп в анион-радикалах показало, что степень передачи спиновой плотности в гетероциклическое кольцо уменьшается в зависимости от положения нитрогруппы в следующем порядке: 2- 5- 4- (таблица 1.2). Симметричному строению дианион-радикала 2-нитроимидазола (17) соответствует и симметричное распределение спиновой плотности, выражающееся в выравнивании констант СТС гетероциклических атомов азота и протонов.
Природа алкильного заместителя в значительно большей степени сказывается на распределении спиновой плотности в гетероцикле, чем на нитрогруппе. Наличие одновременно двух алкильных заместителей в нитроимидазолах (26, 29) существенно увеличивает константу СТС на нитрогруппе относительно моно N-алкилзамещенных (23,27).
Конденсированные аналоги нитроимидазола - производные 5(6)-нитробензимидазола (34, 38-47, табл. 1.4) восстанавливаются на ртутном капающем электроде в ацетонитриле также в две стадии. Потенциалы восстановления 2-замещенных 5(6)-нитробензимидазола (34, 38-47) и ЭПР параметры их дианион-радикалов (346, 386 - 476) (ДН = 0.01 - 0.03 мТл)
По сравнению с нитроимидазолами их конденсированные аналоги -нитробензимидазольї - исследовались электрохимическими методами не столь интенсивно, хотя интерес к ним очень высок, особенно в последние два десятилетия в силу их специфической биологической активности [208-215] и применения в фотографии [216,217].
Ранее процесс восстановления 5(6)-нитробензимидазола был изучен методом полярографии на переменном [218, 219] и постоянном [218] токе при различных рН, где отмечалось, что с ростом рН происходит сдвиг волны в катодную область и наблюдается высокая абсорбируемость деполяризатора на катоде [218]. При рН = 7.5 восстановление 5(6)-нитробензимидазола осуществляется с участием шести электронов до соответствующего аминопроизводного.
Примерно в это же время в дианион-радикалах нитропроизводных 2-фенилбензимидазола, полученных электрохимическим путем в диметилформамиде, наблюдалась неравноценность передачи электронных эффектов заместителей в противоположных направлениях [220].
Обнаружив методом ЯМР неэквивалентность передачи эффектов заместителей в нейтральных молекулах 2-замещенных бензимидазола [221], мы заинтересовались проводимостью эффектов заместителей в 2-замещенных 5(6)-нитробензимидазола [222] и в их дианион-радикалах, полученных электрохимическим восстановлением на ртутном капающем электроде в апротонной среде [197].
Все указанные в табл. 1.4 нитробензимидазолы дают на полярограммах по две волны. Потенциалы восстановления весьма чувствительны к природе Причем Е\ц более Обе волны носят диффузионный характер, как свидетельствуют графики линейной зависимости их предельных токов г пр и г"пр от высоты ртутного столба Vhug (рис. 1.9).
Нитробензол в реакциях викариозного нуклеофильного замещения водорода
Следует подчеркнуть, что при реализации такой схемы электрохимического процесса на первой стадии не должно наблюдаться образования водорода. Выше отмечалось, что мы зачастую даже визуально наблюдали в процессе электролиза незамещенных по атому азота нитроазолов в электрохимических ЭПР-ячейках выделение пузырьков газа. Кроме того, хотелось бы напомнить (см. стр. 40), что в органических растворителях таких, как ацетонитрил, ДМСО, диметилформамид даже сильные кислоты восстанавливаются без предварительной диссоциации.
Чтобы разрешить этот принципиальный вопрос, было предпринято исследование производных нитробензимидазолов с помощью вращающегося платинового дискового электрода с кольцом (ВДЭК) [177]. Во-первых, на металлах платиновой группы водород является электрохимически активным. Во-вторых, указанный метод позволяет изучать процессы, идущие непосредственно в растворе, и исключить некоторые явления, связанные с влиянием двойного электрического слоя. Кроме того, этот метод позволяет разделять на отдельные стадии и количественно характеризовать сложные процессы, включающие в себя одновременно до пяти электрохимических и химических стадий [22].
В табл. 1.13 приведены потенциалы первых волн восстановления соединений 34, 38, 40, 41, 45-47 в ацетонитриле на платиновом диске и окисления их анион-радикалов на кольце.
При последовательных записях происходит смещение вольтамперограмм в область отрицательных потенциалов (без очистки электрода). Вместе с тем на кольцевом электроде фиксируется волна окисления анион-радикалов (за исключением соединения 46), т.е. процесс переноса первого электрона в действительности является обратимым (в шкале метода ВДЭК), хотя зарегистрировать спектры ЭПР первичных анион-радикалов не представляется возможным. Это подтверждает высказанное нами ранее предположение, что процесс переноса первого электрона сопровождается последующими быстрыми (в шкалах классической полярографии и ЭПР) реакциями анион-радикалов.
Оказалось, смещение волны связано с адсорбцией на платине водорода, образующегося при распаде анион-радикалов, и, следовательно, с изменением поверхности электрода. Для идентификации водорода были записаны вольтамперные кривые на кольцевом электроде. При этом на дисковом электроде устанавливался потенциал, равный началу площадки предельного тока первой волны. В большинстве случаев (исключение составляют вольтамперограммы соединений 46 и 47) наблюдалась волна окисления водорода (табл. 1.14).
Получено при продувке водорода. В этой же области потенциалов наблюдается интенсивная волна окисления водорода в случае продувки раствора газообразным водородом. Некоторый разброс в значениях потенциала волны окисления водорода обусловлен адсорбцией протона на кольцевом электроде, что вызывает смещение волны в положительную область при последовательных записях (рис. 1.14).
Выделение водорода при распаде анион-радикалов 2,4-динитроанилина было обнаружено также в работе [233]. При этом было показано, что образование водорода происходит за счет реакции двух молекул анион-радикалов. Действительно бимолекулярный механизм предпочтителен, поскольку образование атомарного водорода -сильнейшего восстановителя в виде кинетически независимой частицы -процесс менее вероятный. 1 , мкл
Чтобы подтвердить справедливость такого предположения для восстановления производных нитробензимидазола, нами была исследована зависимость предельного тока первой волны от корня квадратного из числа оборотов 7 np/Vm) как на диске, так и на кольце. В последнем случае постоянный потенциал кольца соответствовал началу площадки предельного тока окисления водорода (рис. 1.15а). Очевидно, что линейная зависимость /прд от Vm на дисковом электроде свидетельствует, что расходование нитроазолов происходит по реакции первого порядка. В то же время на кольце зависимость і от Vm имеет нелинейный характер (рис. 1.156), т.е. образование водорода происходит по реакции более высокого порядка, чем первый.
Причем константа скорости образования водорода попадает во временной диапазон используемого метода и является лимитирующей [22] С другой стороны, если бы образование молекулярного водорода было, как мы первоначально и полагали, связано с простой димеризацией атомарного водорода (константа скорости близка к диффузионной), то лимитирующей стадией должно было быть отщепление Н\ а зависимость zIipK от Vm должна быть линейной, т.к. распад анион-радикалов происходил бы по мономолекулярному механизму.
Радикальные интермедиаты нуклеофильного присоединения пирролов к дизамещенным активированным ацетиленам
В этой связи казалось очень интересным изучить электрохимическое поведение в идентичных условиях N-метилированного производного 3,5-динитро-1,2,4-триазола (62), в котором отсутствует кислый протон NH. На полярограмме этого соединения обнаружены 3 одноэлектронные волны, причем две первые являются обратимыми, а третья - пологая вблизи разряда фона (рис. 1.19 на стр. 80). Сигнал ЭПР удалось зарегистрировать только при потенциалах третьей волны. Характер его СТС обусловлен взаимодействием неспаренного электрона с 5 атомами азота и 3 эквивалентными протонами (табл. 1.18 на стр. 85), то есть, структура образующегося свободного радикала соответствует исходному соединению. Однако константа СТС атома азота нитрогруппы должна быть много меньше, чем в анион-радикале соответствующего ему мононитропроизводного 54 (табл. 1.18).
Спрямление первой волны восстановления в координатах lg( /4р - і) - Е свидетельствует о протекании быстрых реакций димеризации первичных анион-радикалов. По-видимому, именно по этой причине первичные анион-радикалы (62а) 1-метил-3,5 -динитро-1,2,4-триазола (62) невозможно зарегистрировать методом ЭПР в электрохимической ячейке на стационарной ртутной капле. При потенциалах второй полуволны первичные анион-радикалы восстанавливаются до диамагнитных дианионов. Перенос на молекулу третьего электрона при потенциалах третьей волны соответствует образованию трианион-радикала 626 (табл. 1.18, схема 1.20).
Таким образом, отсутствие иминного протона делает невозможным в апротонной среде более глубокое восстановление нитрогруппы. Любопытно отметить, что при электрохимическом восстановлении Ьметил-3-нитро-5-амино-1,2,4-триазола (63) вообще не зарегистрировано сигналов ЭПР, хотя судя по полярограмме (см. табл. 1.18: две волны, причем первая одноэлектронная, вторая - трехэлектронная) процесс восстановления должен протекать аналогично восстановлению нитробензола и 1-метил-3-нитро-1,2,4-триазола (54).
Однако оказалось, что первая волна спрямляется лишь в координатах IgO / іцР -ї) Е, что свидетельствует о протекании параллельно переносу электрона бимолекулярной химической реакции [270], что, по-видимому, препятствует накоплению достаточной для регистрации методом ЭПР стационарной концентрации первичных анион-радикалов.
Как уже отмечалось, замена водорода у атома азота в нитроазолах на метальную группу приводит к сдвигу потенциалов восстановления в сторону отрицательных значений. В результате такой замены перенос первого электрона становится обратимым процессом, что позволяет наблюдать первичные анион-радикалы N-метилированных нитроазолов [174, 234, 235]. Однако такой вопрос, как стереоселективное влияние метальной группы на электрохимическое восстановление изомеров N-метилпроизводных С-нитро-1,2,4-триазола: 1-метил-З-нитро- (54), 1-метил-5-нитро- (64) и З-нитро-4-метил- (65) 1,2,4-триазола требует отдельного рассмотрения.
Все три изомера 54, 64 и 65 восстанавливаются в ацетонитриле на ртутном капающем электроде при более отрицательных потенциалах, чем сам 3(5)-нитро-1,2,4-триазол [173, 235], при этом прослеживается явная зависимость их электрохимического поведения от положения метильнои группы в триазольном цикле. Сдвиги потенциалов первой и второй волн для всех изомеров различны, причем протяженность плато между ними увеличивается в следующем порядке 65 64 54 (рис. 1.21 , табл. 1.19).
