Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Таутомерия азолов 13
1.1. Аннулярная прототропия азолов 21
1.1.1. Вырожденная прототропия 4-замещенных пиразола 21
1.1.2. Невырожденная таутомерия 3(5)-замещенных пиразола 31
1.1.3. Таутомерия других азолов 44
1.2. Аннулярная прототропия бензазолов 50
1.2.1. Бензимидазолы 54
1.2.2. Бензимидазолоны 59
1.2.3. Бензотриазолы 65
Глава 2. Электронное строение азолов. Эффекты заместителей 71
2.1. Введение. Электронные эффекты заместителей в азолах и родственных соединениях
2.2. Передача эффектов заместителей в бензимидазольных системах
2.3. Передача эффектов заместителей в нитробензолах 113
Глава 3. Кремнийорганические производные азолов 119
3.1. Некоторые проблемы химии триалкилсилилазолов 119
3.2. Спектроскопия ЯМР С-и N-триметилсилилазолов 133
3.3. Катализ силилотрии в азолах 139
3.4. Строение продуктов триметилсилилирования 1,2,3-триазола 150
3.5. Силилотропные перегруппировки других N-триметилсилилазолов
3.6. Установление строения продуктов триметилсилилирования производных 1,2,4-триазолона-5 и продуктов последующего пересилилирования диметил(хлорметил)хлорсиланом
Глава 4. Строение азолов, не способных к таутомерии 174
4.1. Введение 174
4.2. Продукты викариозного нуклеофильного замещения водорода в N-органилзамещенных нитроазолах 176
Глава 5. Экспериментальная часть 218
5.1. Физико-химические методы исследования 218
5.2. Квантово-химические расчеты 222
5.3. Корреляционный анализ 222
5.4. Исследованные вещества и растворители 224
Выводы 225
Литература 229
- Вырожденная прототропия 4-замещенных пиразола
- Передача эффектов заместителей в бензимидазольных системах
- Спектроскопия ЯМР С-и N-триметилсилилазолов
- Продукты викариозного нуклеофильного замещения водорода в N-органилзамещенных нитроазолах
Введение к работе
Актуальность темы. Азолы занимают важное место в химии гетероциклических соединений. Их уникальные свойства и специфическая биологическая активность привлекают пристальное внимание исследователей всего мира. Производные азолов используются в качестве лекарственных препаратов, радиосенсибилизаторов, анестетиков, пестицидов и гербицидов, красителей, пластификаторов, ионных жидкостей.
Столь значительное практическое применение азолов требует понимания особенностей их электронного строения, спектральных свойств и таутомерных превращений. Таутомерия азолов составляет один из наиболее интересных разделов теории их строения и реакционной способности. Корректная интерпретация химического поведения и биологической активности этих гетероциклических систем невозможна без знания структуры таутомерных форм и факторов, определяющих их относительную устойчивость.
К началу наших исследований электронное строение, таутомерные превращения пиразолов, имидазолов, триазолов и их бензаннелированных аналогов не были детально изучены. Практически отсутствовали данные о влиянии заместителей и среды на таутомерное равновесие этих соединений, способных претерпевать многочисленные химические превращения.
Систематизация и обобщение имеющихся на этот счет сведений, разработка новых подходов к изучению строения и таутомерии С- и N-замещенных азолов с использованием современных методов мультиядерной и динамической спектроскопии ЯМР и квантовой химии являются актуальной задачей. Получение новых знаний в этой области необходимо для создания на основе азолов новых веществ и материалов с потенциально полезными свойствами.
Данная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Иркутского института химии им. А.Е. Фаворского
СО РАН по темам: "Исследование строения, стереодинамики и комплексообразования молекул, их взаимодействия со средой и излучением методами квантовой химии и спектроскопии (номер гос. регистрации
01860109689), "Теоретические и спектральные исследования строения и реакционной способности ненасыщенных гетероатомных и элементоорганических соединений" (номер гос. регистрации 01990000413) и * "Спектрометрия и квантовая теория стереоэлектронного строения ненасыщенных гетероатомных соединений и их реакций" (номер гос. регистрации 01200107929). Проводимые исследования были поддержаны грантами Международного научного фонда (Грант № 1300 и № 1000),
Международного Научно-Технического Центра (Грант № 427), Российского О фонда фундаментальных исследований (Гранты № 94-03-09836 и № 98-03-
32899), Национального центра научных исследований Франции (CNRS) (фонд Кастлера) совместно с фирмой Rhodia (01.07.99-31.03.00).
Исследования выполняются в рамках программы Отделения химии и наук о материалах РАН № 4.1.7 "Теоретическое и экспериментальное изучение О природы химической связи и механизмов важнейших химических реакций и процессов".
Цель работы: развитие представлений о строении, стереодинамическом поведении, химических и таутомерных превращениях широкого круга азолов
Э и их кремнийорганических производных. В рамках этой фундаментальной проблемы автор ставил перед собой следующие задачи: -исследование строения, прототропии и реакционной способности азолов; -изучение передачи эффектов заместителей через азольные системы; -исследование силилотропии в N-триметилсилилазолах; -исследование химических превращении азолов и их кремнийорганических производных. Научная новизна и практическая значимость. Методами мультиядерной и динамической спектроскопии ЯМР (!Н, 13С, 15N, 29Si), ЭПР и квантовой химии 0 систематически установлены особенности строения и таутомерных превращений широкого круга С-замещенных азолов (пиразолы, имидазолы, 1,2,3-триазолы, 1,2,4-триазолоны и их бензаннелированные аналоги), их N- и О-триметилсилилированных и модельных производных, а также структура перспективных для практического использования продуктов прежде неизвестных реакций некоторых из них с рядом органических и кремнийорганических соединений. Показана высокая эффективность использования спектроскопии ЯМР 15N в решении структурных задач химии этих гетероциклических систем.
Исследованы особенности прототропных перегруппировок функционально замещенных азолов, включая важнейшие для фармако-химии нитропроизводные. Установлены и проанализированы зависимости констант таутомерного равновесия и свободной энергии активации прототропных превращений от электронной природы заместителей азолов.
Впервые количественно оценена проводимость эффектов заместителей в азолах, их катионах и анионах, а какже в дианион-радикалах нитробензимидазолов. Установлен анизотропный характер передачи эффектов заместителей в несимметрично замещенных гетероциклах, а также общность ее механизма в нейтральном бензимидазоле и его катионе.
Определено строение С- и N-триметилсилилпроизводных азолов, их бис- и трис-триметилсилильных аналогов, проанализировано влияние природы гетероцикла и заместителя на константы равновесия и значения свободной энергии активации силилотропных превращений.
Открыто каталитическое воздействие галогенов и триметилгалоген-силанов на процессы силилотропии N-триметилсилилпиразолов, ключевая стадия которого заключается в промежуточном образовании галогенида К,1Ч'-бис(триметилсилил)пиразолия.
Изучено строение и перегруппировка новых бициклических кремнийорганических производных азолов, полученных путем триметилсилилиро-вания замещенных 1,2,4-триазолона-5 и последующего пересилилирования диметил(хлорметил)хлорсиланом. Установлено, что триметилсилилирование высокоэнергетического 3-нитро-1,2,4-триазолона-5 приводит к N,0-6hc-
ТМС-1,2,4-триазолу, а триметилсилилирование 1,2,4-триазолона-5 и его
3-хлорзамещенного - к смеси трех (N,N', N,0 и N'sO) и двух (N,0 и N',0) бис-ТМС-изомеров, соответственно. Показано, что их взаимодействие с диметил(хлорметил)хлорсиланом приводит к образованию ранее неизвестных производных 5-силаоксазоло[2,3-Ь]-, 5-силаоксазоло[2,3-с]- и
5//-4-силаоксазоло[2,3-с1]-1,2,4-триазолов, а взаимодействие родственных моно-ТМС-производных N-алкилированных 1,2,4-триазолов - к соответствующим бициклическим ониевым солям.
Установлено строение М-(триметоксисилилметил)азолов и потенциально биоактивных продуктов их переэтерификации триэтаноламином -
М-(силатранилметил)азолов, а также тонкие особенности влияния природы азольного кольца на степень трансаннулярного взаимодействия в последних.
Оптимизированы процессы С-аминирования N-метилированных нитроазолов и нитробензолов 1,1 Л- триметилгидразиний галогенидами и
4-амино-1,2,4-триазолами в реакции викариозного нуклеофильного О замещения (ВНЗ) водорода в суперосновной среде. Изучено строение образующихся аминопроизводных нитроазолов.
Полученные результаты существенно расширили сложившиеся представления о механизме химических и таутомерных превращений азолов,
О открыли новые пути управления их реакционной способностью.
Апробация работы и публикации. Результаты работы представлены на II Всесоюзном совещании по химии гетероциклических соединений (Рига, 1979); VI Симпозиуме по межмолекулярному взаимодействию и конформа-циям молекул (Вильнюс, 1982); IX Всесоюзном совещании по квантовой химии (Иваново, 1985); 11 Всесоюзном совещании по электрохимии органических соединений (Львов, 1986); Международной конференции по хемометрии (Брно, 1990); V Всесоюзной конференции по химии азотсодержащих гетероциклических соединений (Черноголовка, 1991); Всесоюзной
Ф конференции по теоретической органической химии (Волгоград, 1991); XII и XIII Международном симпозиуме по спектроскопии ЯКР (Цюрих, 1993,
Провиденс, США, 1995); XV Международном симпозиуме по молекулярно- му строению (Остин, США, 1994); IV и V Международной конференции по гетероатомной химии (Сеул, 1995, Лондон, Канада, 1998); 1 Российско- Японском симпозиуме по реакционной способности органических соединений (Иркутск, 1995); VII Международной конференции по корреля- ционному анализу в химии (Фукуока, Япония, 1996); XI Международном симпозиуме по кремнийорганической химии (Монпелье, Франция, 1996); V Всероссийском симпозиуме "Строение и реакционная способность кремний-органических соединений" (Иркутск, 1996); Международной конференции памяти И.Я. Постовского по органической химии (Екатеринбург, 1998); О
Конференции "Петербургские встречи-98" "Химия и применение фосфор-, сера- и кремнийорганических соединений" (С-Петербург. 1998); XVII
Международном конгрессе по гетероциклической химии (Вена, 1999); VIII
Международном симпозиуме "Голубой Дунай" по гетероциклической химии (Блед, Словения, 2000); XIX Европейском коллоквиуме по гетероцикличес-О кой химии (Авиеро, Португалия, 2000); I Международной конференции "Современные проблемы органической химии, экологии и биотехнологии" (Луга, 2001); Международной конференции по механизмам реакций и органическим интермедиатам (С-Петербург, 2001); 38 Конгрессе ЮПАК О (Брисбан, Австралия, 2001); Всероссийском симпозиуме "Химия органичес- ких соединений кремния и серы" (Иркутск, 2001); 20 Международном симпозиуме по органической химии серы (Флагстаф, Аризона, США, 2002); Международном симпозиуме памяти М.Е. Вольпина "Современные направления в металлорганической и каталитической химии" (Москва, 2003).
По материалам диссертации автором прочитаны лекции в Институте органической химии ПАН (Польша, 1990), в Университете Киото (Япония, 1996), в Университете Одензе (Дания, 2000) и в Университете Мадрида (Испания, 2000).
По теме диссертации опубликовано 83 печатных работы в отечественных и зарубежных изданиях, из них шесть обзоров и одно авторское свидетельство [1-7]. Предложенные публикации составляют основу диссертационной работы и подготовленной к печати монографии по нитроазолам.
Объем и структуру работы. Диссертационная работа изложена на 285 страницах машинописного текста, включает 64 таблицы и 15 рисунков.
Библиография насчитывает 446 наименований. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка цитируемой литературы.
Вырожденная прототропия 4-замещенных пиразола
К началу наших работ сведения о таутомерии азолов носили отрывочный характер. Нами проведено систематическое изучение таутомерии азолов и обобщение имеющихся на этот счет данных. Полученные результаты позволили по новому взглянуть на некоторые аспекты таутомерии, выявить ошибочные результаты и выводы прежних работ.
Пиразол является удобной системой для изучения аннулярной таутомерии, в литературе имеются отдельные сведения по 1,2-миграции протона в пиразоле и некоторых его производных [например, 10-19].
Нам удалось обойти эти трудности и впервые исследовать вырожденную прототропную аннулярную таутомерию представительного ряда 4-замещенных пиразола (1.8) в метаноле . Этот растворитель является наиболее приемлемым в плане растворимости объектов и съемки спектров при низких температурах (до -95 С). Результаты определения барьеров 1,2-миграции протона в соединениях 1, 8а-ж методом динамического ЯМР представлены в таблице 1.2 [1, 28-30].
Понижение температуры (-50 С) приводит к замедлению процесса обмена, резонансный сигнал протонов Н-(3,5) уширяется и при температуре -80 -f- -90 С расщепляется на два сигнала. Повышение температуры до комнатной приводит к первоначальному виду спектра - происходит слияние сигналов, что указывает на обратимость прототропной перегруппировки.
Вероятно, понижение концентрации растворов уменьшает вклад межмолекулярного протонного обмена N-H—N в интегральную скорость миграции протона. Поэтому в своих исследованиях мы использовали разбавленные растворы (не более 0.2 моль/л.). К сожалению, в немногочисленной литературе часто не сообщается [например, 19] о рабочей концентрации соединений.
Обнаружено влияние электронной природы заместителя в пиразолах 1-8 на положение резонансного сигнала протонов гетерокольца. Увеличение л-электроноакцепторных свойств заместителя R приводит к уменьшению констант экранирования протонов Н-3,5 (табл. 1.2) и повышению кислотности соединений (рКа). Казалось бы, последнее должно способствовать снижению барьера 1,2-миграции протона, однако понижение основности (рКвн+) оказывает на барьер противоположное влияние. В результате величина барьера обмена протона между N-1 и N-2 в изученных соединениях 1, 8а-ж меняется сложным образом (табл. 1.2).
Таким образом, использование концентрированных растворов объясняет заниженные значения AG , приведенные в ранних работах.
В насыщенных растворах равновесие сдвигается в сторону самоассоциатов, которые могут иметь линейное или, что более вероятно, циклическое строение [11, 16, 34-36]. Данные рентгеноструктурного анализа, ЯМР твердого тела и квантово-химических расчетов показывают, что N-незамещенные пиразолы в твердом теле в зависимости от заместителя в гетерокольце существуют в виде циклических димеров, тримеров или тетрамеров [36-51].
В имидазолах несколько иная картина. Особенность имидазольных таутомерных систем заключается в том, что миграцию протона в них в о принципе нельзя рассматривать как внутримолекулярный процесс [36, 53]. Методами квантовой химии показано, что внутримолекулярный механизм 1,3-изомеризации имидазола в газовой фазе и водном растворе энергетически невыгоден [53].
Тем не менее, предполагалось образование ассоциатов производных имидазола в виде стопок, межплоскостное взаимодействие в которых обусловлено перекрыванием гс-электронных облаков соседних молекул (данные ЯМР) [56]. На основании изучения протонной проводимости в кристаллическом имидазоле методом ЯМР 14N твердого тела высказано предположение о существовании так называемых миграционных и реориентационных механизмов в олигомерных цепях имидазола [57]. Методом УФ спектроскопии изучена самоассоциация имидазола и его 1-, 2- и 4(5)-метилпроизводных в водных растворах и показана их склонность к димеризации и полимеризации [58].
Передача эффектов заместителей в бензимидазольных системах
Характеристики таутомерных процессов и химическое поведение азолов во многом определяются электронными эффектами заместителей. В этой связи нами получены уникальные сведения о механизме передачи эффектов заместителей не только в нейтральных молекулах азолов, но и в их заряженных формах (ионных производных азолов). Последнее особенно важно, т.к. ионные частицы играют определяющую роль в реакционной способности и энергетике таутомерных процессов этих соединений. Подход раздельного учета индукционных и резонансных эффектов заместителей позволил выявить, например, специфические особенности в передаче электронных влияний заместителей через бензотиазольный [219], 0 1,2,4-триазольный [220] и пиримидиновый циклы [221, 222]. о Тем не менее этот подход в исследовании бензимидазолов до нас практически не применялся.
Нами изучено влияние электронной природы заместителя на химические сдвиги ЯМР Н и 13С 2-замещенных бензимидазола (42), находящихся в таутомерном (вырожденном) равновесии (2.11), их катионов (43) и анионов (44) и установлена относительная роль индукционного и резонансного эффектов [4, 223-226].
По данным ЯМР увеличение л-электроноакцепторных свойств заместителя вызывает дезэкранирование ядер водорода (Н-4,7 и 5,6) и углерода (С-4,7 и 5,6) фениленового фрагмента (табл. 2.7). Та же закономерность свойственна катионам и анионам бензимидазола (табл. 2.8 и 2.9).
В спектрах ЯМР С несколько иная картина. Резонансный сигнал атомов С-5,6 в спектре катиона сдвигаются в слабое поле, тогда как сигналы С-2, С-4,7 и С-8,9 испытывают сильнопольное смещение (табл. 2.8). При образовании аниона сигнал С-5,6 смещается в сильное поле по сравнению с нейтральной молекулой, а С-2, С-4,7 и С-8,9 — в слабое поле . В этой таблице и других приведены результаты корреляций только с параметрами FH « Результаты корреляций свидетельствуют, что независимо от выбранных параметров заместителей соотношение индукционной и резонансной составляющих в общей проводимости бензимидазольного кольца практически не меняется (по этой причине результаты корреляций с другими параметрами заместителей не приводятся).
Использование в регрессионном анализе индукционной константы і (йота) [228, 229], значения которой для большинства заместителей можно легко вычислить из электроотрицательностей, приводит к более низким коэффициентам корреляции в серии 42 [см. 224].
Бензимидазолы являются амфотерными соединениями и способны образовывать соли как с кислотами, так и с основаниями. Поскольку реакции протонирования и депротонирования обратимы, а степень ионизации оказывает на величину химического сдвига заметное влияние, в рассмотрение были включены лишь те соединения, кислотно-основные свойства которых позволяют считать, что в условиях эксперимента заряженные формы существенно преобладают (табл. 2.8 и 2.9). Тем не менее достоверно судить о передаче эффектов заместителей в анионах и катионах на ограниченном ряду заместителей не представляется возможным, можно лишь отметить тенденцию на передачу эффектов заместителей в анионе по резонансному механизму .
Для выяснения характера передачи электронных влияний из С-2 в С-5(6) и проводимости в обратном направлении в бензимидазоле проведена корреляция значений химических сдвигов С-5(6) в 2-замещенных бензимидазола (42) (вырожденная таутомерия) и химических сдвигов С-2 их 5(6)-изомеров (41) (невырожденная таутомерия). Значения 5С-2 для последних взято из [230].
Из этого уравнения следует, что в обеих таутомерных системах независимо от степени таутомерной вырожденности эффекты заместителей из положения 2 в положение 5(6) и обратно передаются по единому механизму. Интенсивность передачи электронных влияний в направлении 2- 5(6) примерно на 20% слабее, чем в противоположном направлении (о чем свидетельствует угловой коэффициент в уравнении регрессии). По-видимому, это связано с более высокой поляризуемостью (л-поляризацией) фениленового фрагмента по сравнению с пятичленным гетерокольцом, что и обеспечивает большую чувствительность 5(С-2) к электронным влияниям заместителя в положении 5(6). Таким образом, показана анизотропность характера передачи эффектов заместителей в несимметрично-замещенных азолах.
Аналогичные исследования эти же авторы пытались провести на примере замещенных изоксазолов [219], однако получили лишь ограниченную информацию из-за слабого влияния природы заместителя на химические сдвиги ЯМР Н и С
Для подтверждения сходства механизмов передачи эффектов заместителей в нейтральных молекулах бензимидазолов и их катионах нами изучена серия четвертичных солей бензимидазолия (47) с таким же набором заместителей [231].
Как и в катионах (43), резонансное поглощение протонов Н-4,7 и Н-5,6 в кватернизованных солях бензимидазолия (47) (табл. 2.11) находится в более слабом поле (в среднем на 0.5 м.д.) по сравнению с таковым в бензимидазольной серии (42, табл. 2.7). В спектрах ЯМР 13С также наблюдается дезэкранирование ядер С-5,6 (на 5-6 м.д.) при кватернизации, и дополнительное экранирование ядер С-2, С-4,7 и С-8,9 .
Спектроскопия ЯМР С-и N-триметилсилилазолов
Резонансное положение сигналов ЯМР 29Si С- и N-триметилсилильных групп существенно различается. Для первых величины 5 Si имеют отрицательные значения (-8 ч- -11 м.д.), а для вторых - положительные в диапазоне 13 -5- 22 м.д. (табл. 3.3 и 3.4). Соединения 8в и 12 имеют практически одинаковые значения 529Si, в то время как химический сдвиг 29Si SiMe3-C-rpynn в соответствующих NMC-производных (76 и 83) отличаются почти на 2 м.д. .
Положение резонансного сигнала кремния-29 в N-триметилсилил-азолах определяется электронной природой С-4 заместителя, с увеличением электроноакцепторных свойств которого экранирование ядра кремния уменьшается .
В обычных условиях обменные силилотропные перегруппировки N-триметилсилилпиразолов (74-81) являются достаточно медленными во временной шкале ЯМР, поэтому наблюдение динамических процессов миграции группы МезБі возможно лишь при повышенной температуре. При комнатной температуре положения 3 и 5 в N-ТМС-пиразолах (табл. 3.4) являются неэквивалентными в отличие от 4-замещенных пиразола (8) (табл. 1.2). Поэтому в их спектрах ЯМР (74-81) наблюдаются раздельные сигналы протонов (и углеродов) в положении 3 и 5. При повышении температуры скорость миграции Мез8і-группьі увеличивается, положения 3 и 5 становятся эквивалентными и в спектрах наблюдается один сигнал Н-3,5. Понижение температуры до комнатной снова приводит к разделению этих сигналов. Таким образом, наблюдается обратимый силилотропный обмен триметилсилильной группы между атомами азота (N-1 и N-2).
Нами впервые методом динамического ЯМР !Н определены барьеры силилотропного обмена МезЗі-группьі (AG/) в 4-замещенных N-триметилсилилпиразола (74-81) (табл. 3.4). Значения AG как и для прототропного процесса рассчитывались по формуле Oki (6.1) (см. главу 1). Отнесение сигналов сделано на основании [115, 327].
По данным динамической спектроскопии ЯМР Н, для большинства 4-замещенных N-триметилсилилпиразола (74-81) значения свободной энергии активации 1,2-миграции ТМС-группы (AG ) изменяются в пределах 22 -г- 25 ккал/моль и сложным образом зависят от природы заместителя . И вновь мы столкнулись с неожиданным явлением - барьеры таутомерных процессов для некоторых соединений оказались слишком велики для их измерения методом ЯМР . Следует отметить, что авторы [315] смогли достичь коалесценции сигналов Н-3 и Н-5 в N-триметилсилилпиразоле (77) только благодаря тому, что они работали на спектрометре с меньшей рабочей частотой (60 МГц). При этом, величина барьера силилотропии в N-триметилсилилпиразоле, «ь рассчитанная нами из данных температурно-зависимого спектра ЯМР в [315], сопоставима (23.1 ккал/моль) со значениями барьеров для изученных нами соединений (22 -І- 25 ккал/моль) .
Нам удалось открыть неожиданное ускорение формально силилотропных превращений NMC-азолов в присутствии галогенов или триметилгалогенсиланов. Впервые катализ силилотропной перегруппировки нами обнаружен на примере 4-замещенных 1-триметилсилилпиразола (75-81). Аннулярная прототропная таутомерия в азолах описывается общим уравнением кислотно-основного катализа [10, 32, 75]. В то же время катализ О элементотропии в азолах (миграция других отличных от протона групп) до настоящего времени не наблюдался. Известны случаи лишь необратимой миграции, например, алкильных и фенацильных групп в молекуле 1,2,4-триазола под действием каталитических количеств алкил- и фенацилгалогенидов [328].
При нагревании 4-замещенных NMC-пиразола (74-79, 81) до температуры 159-165 С происходит коалесценция сигналов протонов в положении 3 и 5 пиразольного цикла, при охлаждении температуры образца до комнатной сигналы опять разделяются. Таким образом, нагревание 4-иодпроизводного (80) приводит к непредсказуемому резкому понижению барьера 1,2-миграции Мез8і-группьі. Детальное изучение причин столь необычного явления позволило прийти к следующему заключению.
Нагревание 4-иод-1-триметилсилилпиразола сопровождается его частичным разложением. Наиболее вероятный механизм распада сводится к термолизу связи С-І с элиминированием свободного иода . Обнаруженное нами на примере 4-иод-Ы-ТМС-пиразола явление каталитического ускорения силилотропного превращения носит общий характер. Специальными опытами нами показано, что добавление небольших количеств иода практически сразу и без какого-либо нагревания приводит к слиянию сигналов Н-3 и Н-5 в спектрах ЯМР Н N-триметилсилилпиразола. Бром и хлор проявляют меньшую активность: для достижения аналогичного эффекта необходимо время или нагревание образца (60-80 С)
Продукты викариозного нуклеофильного замещения водорода в N-органилзамещенных нитроазолах
В 1978 году, в результате поиска новых путей взаимодействия электронодефицитных ароматических систем с С-нуклеофилами, приводящего к анионным ст-комплексам, найден и успешно развивается новый тип реакций ароматического нуклеофильного замещения [367-382]. В ходе реакции происходит элиминирование аниона Х от образовавшегося Стн-аддукта вместо отщепления гидрид-аниона от кольца.
Характерной особенностью ВНЗ является то, что в случае нитроаренов, содержащих такие уходящие группы, как галогены и т.д., оно, как правило, протекает значительно быстрее, чем обычное нуклеофильное замещение S Ar тех же групп. Это обусловлено тем, что карбанионы значительно быстрее присоединяются к углероду, несущему атом водорода, а не заместитель, а также относительно высокой скоростью отщепления НХ от ан-аддукта в подходящих условиях (избыток основания, осуществляющего это элиминирование) [367, 380-382].
Наиболее широко изучены реакции нитроаренов и нитрогетероаренов с карбанионами, содержащими в качестве уходящей группы X галогены, PhS, PhO, R2NC(S)S и др., стабилизирующей группы Y - CN, COOR, S02Ar, SO2OR, SO2NR2, SOAr, P(0)(OEt)2 и др. Почти любая комбинация таких заместителей дает карбанион, способный вступать в реакцию ВНЗ, хотя в действительности существуют некоторые ограничения, обусловленные следующими факторами: высокая активность предшественника карбаниона как алкилирующего агента; нестабильность карбаниона или его низкая нуклеофильность, когда группы X, Y и R эффективно делокализуют отрицательный заряд.
Характерным примером такого процесса является реакция нитробензола с хлорметилфенилсульфоном, в результате которой получена смесь о- и и-нитробензилфенилсульфонов (схема 4.2) [367, 368, 380-382]. Таким образом, галоген выполняет роль уходящей группы вместо водорода кольца, который не способен к отщеплению в виде гидрид-аниона.
В реакциях этого типа у субстрата происходит замещение водородного атома остатком карбаниона, а из промежуточного а-аддукта уходит анион галогенида, а не водорода.
Однако отдельные элементарные стадии процесса викариозного нуклеофильного замещения водорода изучены недостаточно, еще менее изучено ВНЗ водорода с использованием нитроазолов в качестве субстратов процесса [369, 371-373,376,379-382].
В частности, нами изучены продукты С-аминирования (по типу реакции ВНЗ водорода) 1-метил-4-нитропиразола (121), 1-метил-4 О нитроимидазола (22), 1-метил-5-нитробензимидазола (122) и 2-фенил-1,2,3 триазола (123) галогенидами 1,1,1-триметилгидразиния или 4-амино-1,2,4-триазолом (124) в суперосновной среде (схема 4.3) [383, 384, 386-388]. Анализ спектров ЯМР Н, ,3С и I5N исходных нитросоединении и л продуктов аминирования показал, что аминогруппа в пятичленных нитроазолах 125, 126 и 128 вступает в положение 5, а в нитробензимидазоле в положение 4. В результате реакции выделены 5-амино-1-метил-4-нитропиразол (125), 5-амино-1-метил-4-нитроимидазол (126), 4-амино-1-метил-5-нитробензимидазол (127) и 2-фенил-1,2,3-триазол (128) (табл. 4.1) [383,384,386-388].
В результате взаимодействия 1-метил-4-нитропиразола (121) с 4-амино-1,2,4-триазолом (124) наряду с продуктом аминирования 125 образуется (1-метил-4-нитропиразол-5-ил)(1,2,4-триазол-4-ил)амин (129) (табл. 4.1) [384, 387,388]. В спектре ПМР 129 кроме сигналов протонов метильной группы и Н-3 в слабом поле проявляется синглет (8.51 м.д.), относящийся к эквивалентным протонам триазольного цикла и широкий сигнал NH-протона.
Введение аминогруппы в пиразольное кольцо (121— 125) приводит к значительному смещению резонансных сигналов атомов азота N-1 и N-2 в сильное поле (в среднем на 30 м.д.), что может свидетельствовать об увеличении 7С-электронной плотности в ароматической системе [67] и, естественно, о я-донорном характере ЫНг-группы. Сильнопольное смещение сигналов ЯМР15Ы атомов N-1 и N-2 (на 13.3 и 25 м.д., соответственно) также наблюдается для (1-метил-4-нитропиразол-5-ил)(1,2,4-триазол-4-ил)амина (129) по сравнению с характерными для 125.
