Содержание к диссертации
Введение
1. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ СОВМЕСТНО С ЛИТЕРАТУРНЫМИ ДАННЫМИ 16
1.1. Протолитические равновесия 1,2,3-триазолов 16
1.1.1. Аналитический обзор: кислотно-основные и родственные свойства 1,2,3-триазоловибензотриазола 16
1.1.2. Теоретическое исследование прототропной таутомерии оснований и сопряженных кислот 23
1.1.3. Основность в газовой фазе 27
1.1.4. Основность и таутомерия в растворах 30
1.1.5. Прототропные формы в кристаллическом состоянии 43
1.1.6. 1,2,3-Триазоло-диазоиминная изомерия 47
1.1.6.1. Теоретическое исследование 48
1.1.6.1. Экспериментальное исследование равновесных процессов с участием 4-фенил-1,2,3-триазолов в средах с высокой кислотностью 58
1.2. ПРОТОЛИТИЧЕСКИЕ РАВНОВЕСИЯ ТЕТРАЗОЛОВ 62
1.2.1. Аналитический обзор 62
1.2.1.1. Аннулярная таутомерия 64
1.2.1.2. Таутомерия с участием функциональных групп 74
1.2.1.3. Кислотность 80
1.2.1.4. Основность 87
1.2.2. Теоретическое исследование прототропной таутомерии и ионизации 5-11-тетразолов 98
1.2.3. Теоретическое исследование прототропной таутомерии тетразол-5-онов(тионов) 113
1.2.4. 2-Алкил-5-арилтетразолы как акцепторы протона при образовании водородной связи 121
1.2.5. Кислотность а,*у-дитетразол-5-илалканов 128
1.2.6. NH-Кислотность 2-(тетразол-5-ил)этильных подандов 133
1.2.7. Основность изомерных дитетразолилбензолов 139
1.3. Протолитические равновесия пяти-членных ароматических азот кислородсодержащих гетероциклов 140
1.3.1. Аналитический обзор 140
1.3.2. Основность фенил-1,3-оксазолов 153
1.3.3. Основность фенил- и метал- 1,2,4-оксадиазолов 160
1.3.4. Основность 2-арил-5-фенил-1,3,4-оксадиазолов 168
1.3.5. Основность 2-фенил-5-11-1,3,4-оксадиазолов 174
1.3.6. Влияние кислотности среды на люминесцентные свойства 2,5-дифенил-1,3,4-оксадиазола и 2,5-дифенил-1,3-оксазола 181
1.3.7. Экспериментальное и теоретическое исследование спектров поглощения и флуоресценции 2-фенил-5-11-1,3,4-оксадиазолов и их сопряженных кислот 190
1.3.8. Оксазолы и оксадиазолы как акцепторы протона при образовании водородной связи 195
1.4. Протолитические равновесия азинов 197
1.4.1. Аналитический обзор 197
1.4.2. Протолитические равновесия изомерных фенил-1,2,4-триазинов 216
1.4.3. Кислотно-основные свойства и прототропная таутомерия изомерных 1,2,4-триазин-3-и-5-онов 224
1.4.4. Основность 3-11-6-фенил-1,2,4-триазин-4-оксидов 232
1.4.5. 1,2,4-Триазины как акцепторы водородной связи 240
1.4.6. Основность 1,3,5-триазинов 240
1.4.7. Основность 1,2,4,5-тетразинов 246
1.4.8. Протолитические равновесия аннелированных азоло-азинов 250
1.5. ОБОБЩАЮЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТИПА «СТРУКТУРА-СВОЙСТВО» И «СВОЙСТВО - СВОЙСТВО» 259
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 266
2.1. ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ 266
2.2. Синтез модельных соединений 267
2.2.1. 1,2,3-Триазолы 267
2.2.2. Тетразолы 267
2.2.3. Оксазолы 267
2.2.4. 1,2,4-Оксадиазолы 268
2.2.5. 1,3,4-Оксадиазолы 268
2.2.6. 1,2,4-Триазины 268
2.2.7. 1,3,5-Триазины и тетразины 268
2.2.8. Азоло-азины 268
2.3. Методики проведения физико-химических исследований и обработки данных 269
2.3.1. Подготовка сред с фиксированной кислотностью 269
2.3.2. Определение величин рКа методом потенциометрического титрования 269
2.3.3. УФ-Спектрофотометрические исследования протолитических равновесий 270
2.3.4. Исследования протолитических равновесий методом спектроскопии ЯМР 271
2.3.5. Исследование спектрально-люминесцентных свойств 271
2.3.6. Методы расчета ионизационных отношений 273
2.3.7. Расчет величин рАГ 274
2.3.8. Определение величин рКцв методом Фурье-ИК-спектрокопии 275
2.3.9. Исследование протолитических равновесий в газовой фазе методом ионного циклотронного резонанса 276
2.3.10. Рентгено-структурный анализ 278
2.4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ 279
ВЫВОДЫ 280
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 285
- Протолитические равновесия 1,2,3-триазолов
- Теоретическое исследование прототропной таутомерии оснований и сопряженных кислот
- Синтез модельных соединений
Введение к работе
Актуальность темы: В середине прошлого века Э.М. Арнетт отмечал: «Важность количественного изучения кислотно-основных (протолитических) равновесий обусловлена той фундаментальной ролью, которую реакция переноса протона играет в химических и биологических процессах. Поскольку все органические соединения являются кислотами или основаниями, их способность к участию в протолитических реакциях есть один из главнейших критериев реакционной способности...» [1]. За прошедшее с той поры время органическая химия качественно изменилась. Интенсивно развиваются многие совершенно новые области этой науки, появившиеся на стыке органической химии с физикой и биологией. Это привело к созданию принципиально-новых методов, материалов и технологий, использующихся в различных сферах человеческой деятельности. Теоретические квантово-химические методы все ближе приближаются к решению практических задач и все шире применяются в повседневной практике химиков-органиков. Эти методы перестали быть прерогативой узкого круга исследователей, заминающихся теоретическими аспектами науки, что позволило на реальных примерах глубже понять механизмы сложных химических превращений, а также биологического действия многих органичесюїх молекул. Очевидно, что значительные открытия в химической области знаний ожидаются и в обозримом будущем.
Принимая во внимание, сказанное выше, хотелось бы отметить одно обстоятельство, которое рано или поздно будет сдерживать прогресс в данной области естествознания. А именно, - погоня за «модными» направлениями привела к тому, что некоторые традиционные фундаментальные области исследований остались без должного внимания и развития. Дефицит знаний в этих областях ощущается уже сегодня. Среди прочих, такой областью можно считать и количественное исследование протолитических равновесий. Отмечу, что именно количественное изучение протолитических процессов, определяющих многие свойства органичесюїх
5 молекул в целом и тесно связанных с их электронной структурой, более полувека тому назад заложило фундамент отдельной науки - физической органической химии. У основания этой науки стояли многие выдающиеся ученые: Гаммет, Арнетт, Кабачник и другие.
Ароматические азотсодержащие гетероциклы широко используются в различных областях науки и техники. Области применения данных соединений или композиций на их основе чрезвычайно широки. Это медицина (антивирусные, антибактериальные, противоопухолевые препараты, сердечно-сосудистые средства и средства, действующие на центральную нервную систему) [2,3], техника и технология (ингибиторы коррозии, реагенты органического синтеза, рабочие тела лазеров, люминофоры, комплексообразующие агенты, высокоэнергетические соединения), сельское хозяйство (стимуляторы роста, фунгициды, инсектициды, ингибиторы нитрификации почв) и некоторые другие [4-7]. Эти соединения являются также интересными и показательными моделями для разнообразных физико-химических и теоретических исследований [7,8].
Наличие в гетероциклической системе атомов азота определяет ее способность принимать активное участие в процессах, связанных с переносом протона. Для ароматических гетероциклов можно выделить эндоциклические атомы азота двух типов: пиридиновый - обладает свободной неподеленной электронной парой, пиррольный - неподеленная электронная пара гетероатома включена в Л"-электронную систему цикла (рис.1).
Азотсодержащие гетероциклы могут выступать как в качестве доноров, так и акцепторов протона. Для соединений данного типа возможны следующие протолитические процессы: отщепление протона с образованием соответствующих анионов (кислотная диссоциация), обмен протонами между гетероатомами (таутомерия), присоединение протона с образованием катионов (протонизация) (Схема 1). При этом возможен либо полный перенос иона водорода от (или к) гетероциклу, связанный с разрывом или
6 образованием ковалентной связи, либо частичный (незавершенный), связанный с образованием различного вида комплексов или ассоциатов. Для ароматических азотсодержащих гетероциклов наблюдается существенная зависимость их кислотно-основных свойств от структуры, положения и природы заместителя. Их константы основности и кислотности при этом могут варьировать в пределах десяти и более логарифмических единиц.
Схема 1
Многие химические, физико-химические и биологические свойства вышеназванных гетероциклов определяются или тесно связаны с их способностью выступать в качестве кислоты или основаши. Основность и кислотность, в свою очередь, связаны с термодинамической стабильностью соответствующих нейтральных и ионизованных форм и опосредованно с их электронной структурой и геометрией. Таким образом, количественные исследования протолитических равновесий с участием азотсодержащих гетероароматических соединений принципиально важны как для прогнозирования их реакционной способности, химических свойств, биологической активности, комплексообразующей способности, так и при исследовании структурных и термодинамических параметров данной группы соединений.
Несмотря на очевидную важность и актуальность количественных исследований протолитических равновесий с участием ароматических азотсодержащих гетероциклов, систематических работ в данной области недостаточно, а некоторые ряды гетероциклов в указанном контексте не исследовались вовсе (рис. 2).
-N H
Рисунок 1 - Основные типы атомов азота, входящих в состав гетероциклической системы: пиридиновый и пиррольный
, vT VI »1 1.1 XT
о о в о в N N N N N 0 0 0 0 о о О О'О о о о А н А "А А н N IT N ^N" S N" N N N—л N^ /г"Л я—N x^Y^f х^"^ ^Y^x х^хЛх^і Цґ^ х^хА^н X=C,N Рисунок 2 - Сопоставление ароматических азотсодержащих гетероциклов по уровню изученности их кислотно-основных свойств: D - практически не исследованы, Щ - исследованы частично, щ - исследованы подробно
В ряде случаев количественные характеристики оказались определенными в различных условиях или с использованием различных теоретических концепций, что делает невозможным их прямое сопоставление между собой. Так, среди азолов достаточно подробно оказались исследованы лишь гетероциклы, содержащие один или два атома азота в цикле. Аналогично, для азинов известно множество работ, посвященных пиридину и диазинам, в то время как три- и тетразины оказались либо исследованы фрагментарно, либо не исследованы вовсе. Еще более сложная картина наблюдается для ароматических азоткислородсодержащих гетероциклов и аннелированных азоло-азинов и азино-азинов. В последнем случае среди более 100 известных
8 рядов соединений, исследованными в указанном контексте оказались лишь единицы.
Вышесказанное не позволяет создать целостную картину изменения кислотно-основных свойств гетероароматических циклов в зависимости от их структуры и влияния на эти свойства различных факторов: природы заместителя в цикле, таутомерии нейтральных и ионизованных форм и некоторых других.
Цель и задачи исследования: Целью настоящей работы является установление характера влияния электронной структуры гетероцикла, эффектов среды, природы заместителя, внутримолекулярных и межмолекулярных взаимодействий и некоторых других параметров на протолитические равновесия с участием азотсодержащих гетероароматических соединений на основании количественных исследований, выполненных с применеігаем комплекса современных экспериментальных и теоретических методов.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие принципиальные задачи:
Определение констант, характеризующих кислотно-основные равновесия неизученных или малоизученных рядов важнейших азотсодержащих ароматических гетероциклов (1,2,3-триазолов, тетразолов, оксазолов, 1,3,4-оксадиазолов, 1,2,4-оксадиазолов, 1,2,4-триазинов, 1,3,5-триазинов, 1,2,4,5-тетразинов и их аннелированных аналогов) в растворах и в газовой фазе с применением современных экспериментальных методов. - Исследование электронной структуры и термодинамической стабильности различных прототропных форм вышеназванных гетероциклов с помощью современных методов квантовой химии, а также на основании экспериментальных данных. Установление центров основности различных гетероароматических систем, а также доминирующих таутомеров нейтральных молекул и ионизированных форм.
Количественный анализ влияния электронной природы и положения заместителя в цикле на кислотно-основные свойства исследованных гетероциклических соединений, выполненный на основании данных, полученных экспериментальным путем и теоретическими методами. Исследование эффектов, связанных с участием заместителя в прототропной таутомерии, внутри- и межмолекулярных взаимодействиях.
Оценка влияния процессов переноса протона в азолах, оксазолах и азинах на их спектральные характеристики и возможности использования тех или иных экспериментальных методов для определения количественных характеристик протолитических равновесий с участием данных гетероциклов.
Определение констант, характеризующих эффективность образования водородных связей с участием полиазотистых пяти- и шестичленных гетероциклов по отношению к стандартным донорам или акцепторам протона. Определение структуры образующихся комплексов с водородной связью. - Установление обобщающих зависимостей типа «структура-свойство» и «свойство-свойство», связывающих количественные характеристики протолитических равновесий между собой и другими химическими и физико-химическими параметрами азотсодержащих гетероароматических соединений.
Научная новизна: Настоящая работа является первым систематическим исследованием протолитических равновесий в различных средах широкого ряда ароматических азот- и азоткислородсодержащих гетероциклов, содержащих в своей структуре два и более гетероатома: 1,2,3-триазолы, тетразолы, 1,3-оксазолы, 1,2,4-оксадиазолы, 1,2,5-оксадиазолы, 1,3,4-оксадиазолы, 1,2,4-триазины, 1,3,5-триазины, 1,2,4,5-тетризины, пиразоло[1,5-а]пиримвдины, 1,2,4-триазола[4,3-в]-1,2,4-триазины и 1,2,4-триазоло[1,5-а]пиримвдины. Исследования выполнены с использованием современных экспериментальных (электронная и колебательная
10 спектроскопия, спектроскопия ЯМР, ионный циклотронный резонанс, рентгеноструктурный анализ) и теоретических квантово-химических (HF, B3LYP в базисах 6-31G*, 6-31G** и AMI) методов. Реализован единый методологический подход к исследованию протолитических процессов с участием гетероциклических соедішении, включающий экспериментальное определение соответствующих констант, характеризующих данные процессы (рАГвн+, р^а, р^іів, ^т, PA, GB), теоретическое исследование прототропной таутомерші протошфованных и нейтральных форм, установление наиболее предпочтительной схемы того или иного равновесия, установление обобщающих зависимостей. Проанализировано влияние электронной структуры цикла, эффектов среды, природы и положения заместителя, разнообразных внутри- и межмолекулярных взаимодействий на кислотно-основные свойства гетероциклических соединений.
Впервые теоретическими и экспериментальными методами исследована основность и прототропная таутомерия свободных оснований и сопряженных кислот серии N#- и Л^метил-1,2,3-триазолов, а также бензотриазола в растворах и в газовой фазе. Определено влияние положения и природы заместителя в цикле на данные равновесные процессы. Экспериментально определены доминирующие прототропные формы некоторых ИЯ-незамещенных 1,2,3-триазолов в кристаллическом состоянии. Исследована кольчато-цепная триазоло-диазоиминная изомерия 1,2,3-триазола в различных прототропных формах.
Впервые проведено теоретическое исследование влияния заместителя в тетразольном цикле на его электронную структуру, кислотно-основные свойства и прототропую таутомерию нейтральных и ионизованных форм 5-R-тетразолов (R= Н, СН3, С(СН3)3, Ph, CI, CF3, N02) DFT методом в базисе B3LYP/6-31G*. Экспериментально определены константы кислотности (рК(11 ... pKj1) нескольких серий полиядерных подандов, содержащих два, три и четыре терминальных тетразольных фрагмента. Определено влияние структуры поданда на кислотность тетразольных циклов, а также взаимосвязь величин рКа полиядерных тетразолов с их спектральными свойствами. Установлены константы основности водородного связывания (р^нв) серий 2-замещенных тетразолов. Исследована кето-енольная и тион-тиольная таутомерия тетразол-5-онов(тионов) и их сопряженных кислот.
Впервые исследована основность нескольких серий азоткислородсодержащих ароматических гетероциклов, принадлежащих к рядам 1,3-оксазола, 1,3,4-оксадиазола и 1,2,4-оксадиазола. Обсуждена специфика влияния заместителей, находящихся в различных положениях 1,3-оксазолыюго и 1,2,4-оксадиазольного циклов, на термодинамическую стабильность оснований и соответствующих сопряженных кислот. Для серий 2-фенил-5-арил-1,3,4-оксадиазолов и 2-фенил-5-11-1,3,4-оксадиазолов количественно охарактеризовано влияние заместителя на основность 1,3,4-оксадиазольного цикла. Исследовано влияние кислотности среды на люминесцентные свойства 2,5-дифенил- 1,3-оксазола и 2,5-дифенил-1,3,4-оксадиазола, а также серии 2-фенил-5-ІІ-1,3,4-оксадиазолов в широком диапазоне кислотности (рН 7 -5- #0 -10), а также определены величины рАГвн+ и рК%щ. данных соединений. Установлены величины рАГцв некоторых азоткислородсодержащих гетероциклов.
Впервые определены константы основности и установлены предпочтительные схемы протонирования серии изомерных фенил-1,2,4-триазинов и фенил-1,2,4-триазин-4-оксидов и их монопротонированных форм (рАТвнь рКвт+)- Исследованы кислотность и основность изомерных фенил-1,2,4-триазинонов в водных растворах, а так же аннулярная и кето-енольная таутомерия с их участием. Впервые экспериментально определены константы моно- и дипротонирования 1,3,5-триазинов и 1,2,4,5-тетразинов. Определены константы рХцв некоторых азинов. Проведены теоретические исследования электронной структуры нейтральных, моно- и дипротонированных форм азинов, содержащих три или четыре атома азота в цикле. Количественно исследованы протолитические равновесия некоторых аннелированных азоло-азинов.
12 Проведен анализ обобщающих закономерностей типа «структура-свойство» и «свойство-свойство» для ароматическігх азот- и азоткислородсодержащих гетероциклов с учетом полученных новых экспериментальных и теоретических данных. Рассмотрены общие тенденции изменения основности в зависимости от числа гетероатомов в цикле, а также взаимосвязь кислотно-основных свойств гетероциклов, принадлежащих различным группам.
Практическая значимость: Определенные в настоящей работе фундаментальные константы ароматических азот- и азоткислородсодержащігх гетероциклов, а также корреляционные зависимости типа «структура-свойство» и «свойство-свойство» позволяют предсказывать химические, а также некоторые биологические и физические свойства, как известных, так и еще недоступных соединений, оптимизировать способы их выделения и очистки в лабораторных экспериментах и в химическом производстве. Установленная зависимость люминесцентных свойств 2,5-дифенил-1,3-оксазола и 2,5-дифенил-1,3,4-оксадиазола от кислотности среды показала возможность использования данных люминофоров в качестве индикаторов кислотности среды в широком диапазоне (рН 4 -*- Я0 -10). Результаты исследования кольчато-цепной 1,2,3-триазоло-диазоиминной изомеріш в кислотных средах могут быть использованы в тонком органическом синтезе при разработке новых методов получения ранее недоступных химических соединений, что подтверждено экспериментальными данными. Количественное исследование кислотности серий полиядерных тетразолов позволило рекомендовать данные соединения в качестве эффективных комплексообразующих агентов по отношению к ионам металлов, а также синтонов в органическом синтезе макроциклических соединений. На их основе созданы высоко- и низкоселективные нетканые фильтрующие материалы, прошедшие успешные испытания в качестве эффективных систем очистки биологических жидкостей от ионов тяжелых металлов.
13 Связь работы с научными программами, темами: Работа выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательской работы по следующим грантам и программам: РФФИ №05-08-333490-а (2005-2006 г.г., тема «Тетразолсодержащие поданды»); РФФИ №05-03-32366 (2005-2006 г.г., тема «Новые рациональные методы получения тетразолсодержащих мономеров и полимеров для нанокомпозитов и материалов медицинского назначения»); ведомственная научная программа «Развитие научного потенциала высшей школы» подпрограмма: «Прикладные исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники», per. №0120.0 504746 (2005 г., тема «Синтез новых энергонасыщенных соединений и разработка материалов многофункционального назначения на их основе»); ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)», проект РНП 2.1.1.5656 (2006-2007 г.г., тема «Фундаментальные закономерности синтеза полифункциональных систем в ряду азотистых гетероароматических соединений на основе реакций электрофильного замещения, 1,3-диполярного циклоприсоединепия и молекулярных перегруппировок»); Партнерское Соглашение с МНТЦ №2468 (2002-2005 г.г., тема «Синтез и характеристики новых триазолов, оксадиазолов, азо- и нитраминосоединешій»); федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы. (2005-2006 г.г., тема «Разработка и гармонизация новых методов комплексной диагностики энергоемких и биологически активных соединений и материалов для передовых технологий») и некоторым другим.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту: постановка цели и задач исследования, обоснование актуальности темы; протолитические равновесия 1,2,3-триазолов в растворах, газовой и конденсированной фазах; влияние положения и природы заместителя в цикле
14 на кислотно-основные свойства и прототропную таутомерию данных гетероциклов; - протолитические равновесия моно- и полиядерных тетразолов; основность водородного связывания 2-алкилтетразолов; протолитические равновесия с участием ароматических азоткислородсодержаїщгх гетероциклов, влияние структуры и взаимного расположения гетероатомов в цикле на его основность, электронная структура различных прототропных форм; влияние протолитических равновесий на спектральные характеристики данных соединений; - протолитические равновесия азинов, содержащих три и более атомов азота в цикле; электронная структура и геометрия нейтральных гетероциклов и их моно- и дипротонированных форм, кето-енольная таутомерия 1,2,4- триазинонов; обобщающие зависимости, связывающие кислотно-основные свойства гетероаромагических соединений азота с их другими характеристиками.
Апробация работы: Результаты работы доложены на 9-ой, 10-ой, 11-ой, 12-ой, 14-ой, 15-ой и 16-ой международных конференциях Математика/Химия/Компьютер (Дубровник, Хорватия, 1994, 1995, 1996, 1997, 1999, 2000, 2001 г.г.); XVII-ом, XVIII-om европейских коллоквиумах по гетероциклической химии (Регенсбург, Гермаїшя, 1996 г., Руен, Франция, 1998 г.); международной конференции по органической химии, посвященной памяти И. Постовского (Екатеринбург, 1998); XVI-м Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (С. Петербург, 1998); П-ой Международной конференции «Химия высокоорганизованных веществ и научные основы нанотехнологии» (С.Петербург, 1998); молодежных научных школах по органической химии (Екатеринбург, 1999, 2000, 2001 г.г.); П-ой международной конференции молодых ученых «Актуальные тенденции в органическом синтезе на пороге новой эры (С.-Петербург, 1999г.); конференции «органическая химия в ХХ-ом веке (Звенигород, 2000г.);
15 всероссийской научной конференции "Азотсодержащие гетероциклы: синтез, свойства, применение" (Астрахань, 2000 г); Молодежной конференции "Байкальские чтения 2000" (Иркутск, 2000 г); 1-ой всероссийской конференции по химии гетероциклов памяти А.П. Коста (Суздаль, 2000 г.); симпозиуме «Современная химическая физика» (Туапсе, 2001 г.); конференциях молодых ученых по органической химии «Современные тенденции органической химии (С.-Петербург, 2004, 2005 г.г.), международной конференции по химии гетероциклических соединений, посвященной 90-летию со дня рождения А.Н. Коста (Москва, 2005 г.) и более чем в десяти других конференциях.
Публикации: По теме диссертации опубликовано 35 статей в российских и зарубежных рецензируемых научных журналах, более 60 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях, симпозиумах и коллоквиумах.
Структура диссертации: Нижеследующий раздел «Обсуждение результатов совместно с литературными данными» структурирован по главам, каждая из которых посвящена отдельному ряду гетероциклических соединений азота или группе близких по строению рядов. Каждая глава включает свой аналитический обзор по тем рядам или группам рядов, которым она посвящена. Обобщающие зависимости рассмотрены в последней главе этого раздела. Описание деталей эксперимента и расчетных методов приведены в разделе «Зксперимеїггальная часть».
Протолитические равновесия 1,2,3-триазолов
В сравнении с другими азолами соединения этого ряда изучены наименее подробно. По-видимому, данное обстоятельство обусловлено целым рядом причин, главными из которых являются относительная труднодоступность неаннелированных 1,2,3-триазолов и довольно высокая лабильность цикла.
1,2,3-Триазолы были впервые получены Пехманом в 1888 году [9]. Методам получения, а так же химическим и физико-химическим свойствам соединений данного ряда посвящено несколько обзоров и монографий [9-13]. Как и практически все N-незамещенные азолы, 1,2,3-триазолы способны относительно легко, как отщеплять, так и присоединять протон - выступать в качестве кислоты и основания, превращаясь при этом, соответственно, в триазолат анионы и катионы триазолия.
Основность и кислотность 1,2,3-триазолов и их аннелированных аналогов изучены недостаточно. Имеющиеся литературные данные ограничены и фрагментарны. Практически все известные на сегодняшний день величины рвн+ и рАГа простейших 1,2,3-триазолов, центрами основности и кислотности которых является сам гетероцикл, сведены в таблицу 1. 1,2,3-Триазольный цикл является слабой NH кислотой и слабым основанием (основность 1,2,3-триазола ниже, чем основность пиразола и 1,2,4-триазола). Известны величины основности и кислотности серии 1,2,3-триазолов (около 10 соединешга) с различными функциональными заместителями, которые способны сами выступать в качестве кислоты или основания, а так же вступать в различные виды прототропной изомерии (триазолилкарбоновые кислоты, гидрокси производные, аминопроизводные) [14-16].
Имеющиеся литературные данные, касающиеся количественного определения основности 1,2,3-триазолов в ряде случаев вызывают некоторые сомнения. Так, большая часть работ в этой области выполнена в 50-е -г 60-е годы, когда еще не были развита методология количественного сравнения слабых органических оснований. В ряде случаев экспериментальные методы, используемые для количественного определения основности, были некорректны. Например, для определения величины р/Гвт незамещенного 1,2,3-триазола использовался метод потенциометрического тіпрования, который в диапазоне кислотности (рН 1 -0) может давать очень большую погрешность или даже приводить к принципиально-неверным выводам [17]. Результаты данной работы в последствии неоднократно цитировались и цитируются по настоящее время в статьях и обзорах затрагивающих физико-химические свойства 1,2,3-триазолов и их аналогов, однако, независимыми методами эта величина ни разу не проверялась.
Аннулярная прототропная таутомерия оснований и сопряженных кислот 1,2,3-триазолов обсуждалась в нескольких обзорах [4,11-14,16,18]. ЫН-1,2,3-Триазолы могут присутствовать в Ши 2Н таутомерных формах (Схема 2).
Теоретическое исследование прототропной таутомерии оснований и сопряженных кислот
Как было показано ранее, 1,2,3-триазольная система является одной из самых сложных. Протолитические равновесия 1,2,3-триазолов имеют много особенностей, которые отличают их от диазолов и 1,2,4-триазолов, с одной стороны, и от тетразолов, - с другой. В то время, как термодинамическая стабильность нейтральных 1#- и 2#-таутомеров незамещенного гетероцикла довольно близки [10,12,13,32], 1,3-Я,Я+-1,2,3-триазолиевый катион значительно более устойчив в сравнении с ІД-Д Ґ-таутомером.
В настоящей работе нами исследована основность незамещенного 1,2,3-триазола (1), его N-метил производных (2,3), а также 4-фенил-1,2,3-триазола (4) и его трех изомерных N-метил производных (5-7). Нами учитывалась возможность прототропной таутомерии, как свободных оснований (NH-незамещенные гетероциклы), так и соответствующих сопряжешіьгх кислот.
Как її во многих исследованиях такого рода [22], в качестве модельных соединений использовались "фиксированные производные" (2,3,5,6,7), -соединения, в которых метальная группа замещает таутомерный атом водорода.
Равновесия, соответствующие соединениям (1) и (4), так же, как и их протонизация, представлены на схемах 5 и 6. Следует отметить, что равновесия между некоторыми формами не могут проходить в одігу стадию. Например, образование катиона (1в) из нейтрального основания (16) возможно двумя путями: (16—»1а—»1в) или (16— 1г—»1в).
Методом ab initio в базисе B3LYP/6-31G вычислены абсолютные и относительные свободные энергии (G298 и AG0TH.) возможных прототропных форм оснований и монокатионов триазолов (1-7) в газовой фазе (табл. 2). Свободные энергии рассчитывали на основании общей электронной энергии (Ет), а также поправок на энергию нулевых колебаний и температуру [ZPH, Н(Т), S(T) (уравнение 1).
Синтез модельных соединений
Незамещенный 1,2,3-триазол 1 и бензотриазол 11 были приобретены как коммерческие химические продукты (Aldrich). Бензотриазол 11 дополнительно очищали многократной кристаллизацией из этанола, 1,2,3-триазол - вакуумной перегонкой. Триазолы 2-5 и 7-10 получали и очищали согласно известным процедурам [51,52,55]. Их спектральные и физические характеристики соответствовали литературным данным.
Тетразолы 25-33 получали и очищали согласно известным процедурам [241], полиядерные тетразолы 34-53 - согласно методиками, описанным в работах [239,240]. Спектральные и физические характеристики полученных соединений соответствовали литературным данным.
Оксазолы 60-64 получали и очищали согласно методиками, описанным в работе [370]. Спектральные и физические характеристики полученных соединений соответствовали литературным данным. Дифенилоксазол 102 был приобретен как коммерческий продукт (Aldrich).
Оксадиазолы 82-85 получали и очищали согласно методиками, описанным в работе [372]. Спектральные и физические характеристики полученных соединений соответствовали литературным данным.
Оксадиазолы 87-101 получали и очищали согласно методиками, описанным в работе [369,373]. Спектральные и физические характеристики полученных соединений соответствовали литературным данным.
Производные 1,2,4-триазина 105-111,114-120 получали и очищали согласно методиками, описанным в работах [495,496,512]. Спектральные и физические характеристики полученных соединений соответствовали литературным данным.
1,3,5-Триазин 122 получали и очищали согласно процедуре, описанной в работе [518]; тетразины 124, 125 - согласно [460]. Спектральные и физические характеристики полученных соединений соответствовали литературным данным.
Аннелирвоанные азоло-азины 126-131 получали и очищали согласно методиками, описанным в работе [494]. Спектральные и физические характеристики полученных соединений соответствовали литературным данным.
Водные растворы серной кислоты в диапазоне от 5 до 94%вес. готовили смешением концентрированной серной кислоты и бидистиллированной воды. Определение точной коїщентращш кислоты (мас.%) проводился методом потенциометрического титрования с точностью ±0.05% мае. H2S04.
Водные буферные растворы с заданной ионной силой (ju=0,0I-спектрофотометрический анализ, //=0,/ - спектроскопия ПМР в диапазоне кислотности рН 3-=-10 готовили смешением, приготовленных заранее, стандартных растворов соответствущих кислот и оснований в бидистиллированной воде [519]. Очистку исходных веществ используемых при приготовлении буферных растворов проводили в соответствии со стандартными методиками [449]. В диапазоне кислотности рН 0-И,5 использовались стандартные растворы серной и ортофосфорной кислот. Измерение величины рН полученного буферного раствора проводили на потенциометре рН-121 при температуре 25С. За конечное значение рН принимали среднее от трех измерений. Калибровку потенциометра проводили по трем стандартным буферным растворам в различных диапазонах кислотности
