Исследование изомеризации некоторых 1,2-бифункциональных производных пропана тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

МОСКОВСКИИТ.О^УДАРСТВЕННЫИ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

-

и ХИМИЧЕСКИМ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 541Л2:542.952Л :547.549Л

РЕН ЛОРИСА ФРИДРИХОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗОМЕРИЗАЦИИ НЕКОТОРЫХ 1,2-БИФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ ПРОПАНА.

(02.00.03 - органическая химия)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва -

1996

Работа выполнена на кафедре органической химии Химического факультета Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова

Научные руководители: академик РАН, профессор

Реутов O.A.

кандидат химических наук, доцент Гопиус Е.Д.

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Аннсимов A.B.

кандидат химических наук, вед.научн.сотр. Никаноров В.А.

Московская академия нефти и газа им. И.М.Губкина

7 А) 00

Защита состоится _октября 1996года в 11 час.

на заседании Диссертационного Совета Д 053.05.46 по химическим наукам при Московском Государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, ГСП, Москва, В-234, Воробьевы горы, МГУ, Химический факультет. аудитория_

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан

сентября 1996года.

Ведущая организация:

Ученый секретарь диссертационного совета^ кандидат химических наук

Т. В. Магдесиева.

Актуальность проблемы. Изучение механизмов различных перегруппировок, сопровождающих реакции нуклеофильного замещения у насыщенного атома углерода, занимает одно из важнейших мест в современной теоретической органической химии. Наиболее часто встречающимся типом нуклеофильных перегруппировок является 1,2-миграция функциональной группы к соседнему электронодефицитному центру. Однако, явление 1,2-нуклеофильного сдвига наиболее детально изучено на примерах реакций сольволиза. Содействие соседней группы в этом случае является сопутствующим процессом, и вычленить его из общей схемы сольволитических превращений невозможно. В этом аспекте весьма актуальным представлялось изучить 1,2-нуклеофильный сдвиг при нагревании в апротонных растворителях, где исключена возможность атаки внешнего нуклеофила, и изомеризация протекает внутримолекулярно. Механизм и направление процесса в таких условиях определяются лишь взаимной комбинацией нуклеофильных и нуклеофугных свойств соседних групп.

Цель работы. Исследование 1,2-нуклеофильного сдвига при нагревании в апротонных растворителях 1,2-дизамещенных пропанов, содержащих в качестве заместителей сульфонатную и сложноэфирную группировки. Выяснение механизма этого процесса. Изучение способности к термической изомеризации также таких 1,2-бифунк-циональных производных пропана, где в качестве нуклеофила выступают кислород-, азот-, серосодержащие группировки. /

Научная новизна. Впервые исследована изомеризация по типу 1,2-нуклеофильного сдвига сульфонатов различных 1-бензоилоксипропанолов-2 и ¡-ацетоксилро-панола-2 при нагревании в апротонных растворителях. Предложен и обоснован ацилоксониевый механизм, учитывающий влияние различных факторов (электронных, пространственных и др.) на скорость процесса. Впервые исследована термическая изомеризация мезилатов 1-(Ы-метил)анилинопропанола-2 в апротонных растворителях. Установлено, что в качестве нуклеофуга в данном случае выступает мезилатная группа, а Ы-метил-анилиногрунпа при этом является нуклеофилыю содействующей. Впервые исследована способность к термической изомеризации по типу 1,2-нуклеофильного сдвига сульфонатов 1(2)-метоксипропанолов-2(1) и 1-арилтиопропаполов-2. Было обнаружено, что данные субстраты претерпевают термическую изомеризацию, которая, однако, является не единственным направлением реакции; при нагревании в апротонных растворителях изученные сульфонаты дают также продукты элиминирования и димеризации.

Практическая ценность. Результаты, полученные при нагревании сульфонатов 1 -бензоилоксипропанолов-2, 1 -ацетоксипропанола-2, I (2)-метоксипропанолов-2( 1), 1-(Ы-метил)апилинопропанолов-2 и 1-арилтиопропанолов-2 в апротонных растворителях, представляют собой как теоретический интерес, так и имеют практическую значимость. Данные об имеющих место перегруппировках могут быть использованы при изучении реакций нуклеофильного замещения у насыщенного атома углерода. Помимо этого, результаты настоящей работы могут иметь практическое значение для синтеза ряда изомерно чистых 1,2-ди-замещенных пропанов.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 5 работ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа изложена на страниц машинописного текста и состоит из введения, трех глав, выводов,

приложений и списка литературы. Библиография содержит названий.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Настоящая работа является продолжением цикла работ по исследованию термической изомеризации в апротонных растворителях некоторых 1,2-би-функциональных производных алканов, которая осуществляется по типу 1,2-нуклеофиль-ного сдвига: /

R—СН-СН2 R—СН—СН2

X Y Y X

Движущей силой изомеризации является комбинация нуклеофильных и нуклеофугных свойств групп X и Y. В зависимости от сочетания заместителей направление и механизм процесса могут меняться в широком диапазоне.

I. Исследование реакции изомеризации некоторых сульфонатов замещенных 1-бснзонлоксипропанолов-2.

1.1. Синтез исходных соединений.

Для решения поставленной задачи нами были синтезированы сульфопагы ряда замещенных 1-бсизоилоксипропанолов-2 и 1-ацетоксипропанола-2.

Исходные замещенные 1-бензоилоксипропанолы-2 и 1-ацетоксипропанол-2 получали, исходя из пропиленгликоля и ацетона по следующим схемам:

Вг2 ЯСООК

1. СН3—С—СН3 -► СН3—С—СН2Вг -►

|| СН3СООН 3 || О О

ЫаВНл

-*• СН3—С—СН2ОСОИ > СН3—СН—СН2ОСОЯ

О ОН

к = СбН5 , сн3

2 сн3—сн—сн2он-► сн3—сн—сн2осок/

I Ру |

он он

Я' = п -СН3С6Н4 , п -ВгС6Н4 , П-Ы02СКН4 , 2,4, &-(СН3)3СбН2

Полученные спирты вводили в реакцию с хлорангидридами соответствующих сульфокислот:

■• , рГЗ02С1

СН3—СН—СН2ОСОК ( > СН3—СН—СНгОСОЯ ( Р?)

ОН 0302я"

Я = С6Н5 , п-СН3С6Н4 , п-ВгСбН4/ СН3

Все сульфонаты, указанные в схеме, получены впервые. Чистота соединений на всех стадиях синтеза контролировалась методами ПМР-спектроскопии, хроматографии и элементного анализа.

1.2. Методы исследования. Условия проведения реакции.

Кинетические измерения.

Для установления механизма, по которому осуществляется изомеризация сульфонатов 1-бензоилоксипропанолов-2 и 1-ацетоксипропанола-2 ( схема I ), мы исследовали зависимость скорости реакции изомеризации от различных параметров: от характера заместителя в сульфонатной, сложноэфирной группе, стерического фактора и др. Реакцию проводили в запаянных ампулах ЯМР при 75°С до установления равновесия:

СН3—СН—СН2ОСОН' ,, . **■ сн3—сн—сн2озо2я

ОЭОгЯ ОСОР'

изомер I изомер II

35% 65%

Схема I.

В качестве растворителей применялись ацетонитрил, нитробензол, хлористый метилен, бензол, четыреххлористый углерод. Во всех растворителях, независимо от характера заместителя в бензольном кольце как сульфонатной, так и сложноэфирной группы, равновесная смесь содержит 35% изомера I и 65% изомера II. Определение концентрации изомеров I и II в реакционной смеси проводилось с помощью метода количественной ПМР-спектроскопии.

Для оценки скорости изомеризации мы использовали константу скорости обратимой мономолекулярной реакции, представляющую собой сумму констант прямой и обратной реакций:

к„, = к| + к_| = М Хр/ (х„ - х)),

где хр - равновесная концентрация продукта реакции, х - концентрация продукта в момент времени I.

Расчет величин констант скоростей реакции изомеризации проводился с применением статистических методов обработки экспериментальных данных.

1.3. Влияние природы заместителя в сульфонатной группе на скорость реакции изомеризации.

С целью выяснения влияния природы заместителя в сульфонатной группе на скорость 1,2-нуклеофильной перегруппировки была изучена кинетика изомеризации ряда сульфонатов I-бензоилоксипропанола-2 и 1-ацетоксипропанолд-2.

СН3—СН—СН2ОСОСбН5^-- СН3—СН—СН20302Я

ОБОгИ ОСОС6Н5

П = С6Н5 , п-СНзСбН4 , п -ВгСбН4 , СН3

сн3—сн—СН2ОСОСН3 1 сн3—сн—сн2озо2н'

ОЗОгЯ' ОСОСНз

Р?' = С6Н5 , п-ВгС6Н<

Рассчитанные на основе экспериментальных данных величины констант скорости изомеризации сульфонатов 1-бензоилоксипропанола-2 приведены в таблице 1. Таблица I. Константы скорости реакции изомеризации сульфонатов

1 -бетой локсипропанола-2 в апротопных растворителях при 75°С.

СНл—СИ—С Но 1 1 ЯЭОгО ОСОС6Н5 к« 105, с'1

с6н5мо2 СО,СЫ С02С12 С6Н6 ССЦ

а = п-сНзСбН4 9.3 6.9 5.0 2.3 1.8

я = с6н5 12.2 10.2 7.0 3.9 3.0

Я = п-ВгС6Н4 18.8 10.9 8.1 5.2 4.4

Я = СНз 3.9 3.3 2.6 1.1 0.9

Как видно из данных таблицы 1, с увеличением полярности растворителя наблюдается рост константы скорости изомеризации. Кроме того, во всем ряду растворителей переход от электронодонорных к электроноакцепторным заместителям в бензольном кольце сульфонатной группы сульфонатов 1-бензоилоксипропанола-2

приводит к повышению скорости процесса. Причем, скорость изомеризации увеличивается с ростом акцепторной силы заместителя. Медленнее всего осуществляется изомеризация мезилата 1-бензоилоксипропанола-2.

Наблюдаемые закономерности можно объяснить, предположив, что в стадии,определяющей скорость реакции, происходит разрыв связи С-0502Я, который осуществляется тем легче, чем выше нуклеофугность сульфонатной группы, иными словами, чем выше стабильность образующегося сульфонат-аниона. Устойчивость сульфонат-аниона возрастает в ряду:

СНзБОгО- < п-СНзС6Н45020- < С6Н58020- < п-ВгС6Н43020-Подобкого типа зависимость наблюдалась также для сульфонатов 1-ацетоксинро-паиола-2. Так, например, брозилат 1-ацетоксипропанола-2 изомеризуется значительно быстрее бензолсульфонага (константы изоме-рнзации в ацетоишриле равны соответственно 8.9 10"'с"1 и 2.3 10 * с'1).

Учитывая все вышесказанное, можно высказать следующее предположение: в изучаемом процессе изомеризации сульфонатная группа является уходящей группой. В противном случае наблюдалась бы обратная зависимость скорости реакции от электронного характера заместителя в сульфогруппе.

Для дальнейшего выяснения механизма изучаемого процесса мы провели также корреляцию Гамметовских констант заместителей ап с константами скоростей изомеризации (таблица 1). Зависимость ^ к из от о[] имеет линейный характер, что указывает на сохранение механизма реакции в изученном ряду заместителей. Рассчитанное значение константы реакции р во всех растворителях мало и больше нуля (таблица 2), чго является свидетельством ускорения реакции электроноакцепторными заместителями.

Таблица 2. Величины р реакции изомеризации сульфонатов 1 -бензоилоксипропанола-2 в апротонных растворителях при75°С.

Растворитель СЙН,Г-Ю2 С03СЫ С02С12 С6Н6 ССЦ

Р 0.67 0.63 0.80 0.90 1.17

При сравнении значений констант скоростей реакции изомеризации сульфонатов 1-бен-зоилоксипропанола-2 с полученными ранее величинами констант скорости изомеризации сложных эфиров 2-бромпропанола-1, где было строго доказано, что в качестве уходящей группы выступает бром, оказалось, что скорость изомеризации исследуемых в настоящей работе сульфонатов значительно выше (» в 100 раз) скорости превращения соответствующих бромпроизводных. Это может быть объяснено большей нуклеофугностьго сульфонатной группы по сравнению с бромом.

Таким образом, изучение влияния электронного характера заместителя в сульфонатной группе позволило нам высказать предположение, что в качестве нуклеофуга при изомеризации различных сульфонатов 1-бензоилоксипропанола-2 и 1-ацетокси-пропанола-2 выступает группа ОБОД.

1.4. Влияние природы заместителя в беизоатиой группе па скорость реакции изомеризации.

Дальнейшее исследование было посвящено изучению влияния заместителя в сложноэфирной группе на скорость перегруппировки. С этой целью нами была исследована кинетика реакции изомеризации тозилатов некоторых замещенных 1-бен-зоилокснпрона1юлов-2'.

сн3—СН—СН2ОССЖ' ■ ■ СН3—СН—СН2ОТэ

ОТэ ОССЖ'

Я' = п -СН3С6Н4 , п -ВгС6Н4 , п-Ы02С6Н4 , 2, 4, &-(СН3)3С6Н2

Полученные значения констант скоростей реакции изомеризации приведены в таблице 4.

Таблица 4. Константы скорости реакции изомеризации тозилатов некоторых замешенных 1-бензоилоксипропанолов-2 при 75°С в апротонных растворителях.

сн3—сн—сн2 1 I ТбО осой ^из 105, с'1

СбН5Н02 С03СЫ с02с12 СбН6 ССЦ

к = п-сн3с6н4 16.1 7.9 5.1 2.9 2.2

а = СбН5 9.3 6.9 5.0 2.3 1.8

И = п-ВгСаН4 1.9 - • 1.1 0.6 -

Я. = П-Ы02С6Ш не изомеризуется

Как видно из данных таблицы 4, переход от электронодонорных заместителей в бензольном кольце бензоатной группы к электроноакцепторным вызывает значительное уменьшение скорости реакции изомеризации. Тозилат 1-(п-нитро)бензоилоксипропако-ла-2, содержащий в пара-положении бензольного кольца бензоатной группы нитро-группу, обладающую сильными акцепторными свойствами, является термически устойчивым и не подвергается изомеризации при нагревании при 75°С в течение 75 часов, в то время, как в случае тозилата 1-(п-бром)бензоилоксипропанола-2 система достигает равновесия за 15 часов.

В ряду тозилатов различных замещенных 1-бекзаилакси[фопанолов-2 также наблюдается корреляция Гамметовских констант заместителей о„ с константами скоростей реакции изомеризации. Зависимость ^ к„, от а„ в ряду различных бензоатов при фиксированной сульфонатной группе также имеет линейный характер, что и в этом случае указывает на сохранение механизма реакции во всем ряду заместителей.

Мы рассчитали также константы р реакции изомеризации тозилатов некоторых замещенных 1-бензоилоксипропанолов-2 (таблица 5).

Таблица 5. Величины р реакции изомеризации тозилатов некоторых замещенных 1-бензоилоксипропанолов-2 вапротонных растворителях при 75°С.

Растоворитель С6И5Ы02 СЭгСЬ с6и6

Р -1.95 -1.43 -1.52

Во всех растворителях константа реакции р имеет отрицательное значение. Это свидетельствует о том, что в данном случае электронодонорные заместители ускоряют, а электроноакцепторные, напротив, замедляют реакцию изомеризации.

Таким образом, установленная зависимость скорости изомеризации тозилатов различных 1-бензоилоксипропанолов-2 от электронного характера сложноэфирной группы свидетельствует о том, что в роли нуклеофила выступает сложноэфирная группа, а сульфогруппа, соответственно, является нуклеофугом.

1.5. Исследование механизма реакции изомеризации с помощью метки О.

Исследования влияния характера заместителя в сульфонатной и сложноэфирной группах на скорость реакции изомеризации позволили высказать предположение о том, что уходящей в данном случае является сульфонатная группа, мигрирует сложноэфирная, иными словами, процесс осуществляется по ацилоксониевому механизму. Для доказательства высказанного предположения нами был использован метод меченых атомов. Мы изучили изомеризацию мезилата 1-бензоилоксипропанола-2, меченного 180 в сложноэфирной группе. Анализ продуктов изомеризации проводился с помощью метода масс-спектроскопии. Меченый сульфонат получали по схеме:

С6Н5СС1:

н,о,

БОС!

СбН5С?УЪн -С6Н5С?ОС1

С6Н5С?3ОС1

сн3-сн-сн2 он он

> сн3-сн-сн2 Ме3°2°>. сн3-сн—сн2

он оЛс6н5 Ру

омэ осЪс6н5

Изомеризацию полученного меченого мезилата 1-бензоилоксииропанола-2 проводили в таких же условиях, как и в случае немеченого субстрата (растворители: бензол, нитробензол, ацетонитрил).

При условии реализации ацилоксониевого механизма процесс должен

осуществляться по следующей схеме:

сн3-сн-сн2-о-с^

OMs С6Н5

18 .О

CH3-CH-CH2OMs

с

с6н5

снэ-сн-сн2

о

sc' OMs

С6Н5

изомер II

изомер I

В изомере I связь сложноэфирной группы с пропильным фрагментом осуществляется за счет немеченого атома кислорода, в случае же изомера II бензоилоксигруппа связана с пропильным фрагментом молекулы посредством атома "о. Хроматомасс-спекральный анализ обоих изомеров показал наличие характерного осколка СОСбН5. Для изомера I этот осколок должен иметь массу 107 а.е.м. ( фрагмент Cl8OC6Hj ), для изомера II, в случае осуществления ацилоксониевого механизма - 105 а.е.м.( фрагмент COQHs ). В масс-спектре исходного соединения было зафиксировано наличие только осколка с массой 107 а.е.м.. В спектре же изомера II, полученного путем изомеризации исходного соединения, присутствует только осколок СОС6Н5 с массой 105 а.е.м..

Все вышесказанное является убедительным аргументом в пользу осуществления изомеризации сульфонатов 1-бензоилоксипропанолов-2 через ацилоксониевый интермедиат.

1.6. Исследование механизма реакции изомеризации в присутствии добавки метилового спирта.

В качестве еще одного независимого доказательства осуществления изомеризации по ацилоксониевому механизму нами был проведен следующий эксперимент. Мы исследовали реакцию изомеризации мезилата 1-бензоилоксипропанола-2 при описанных выше условиях (75°С, ацетонитрил) в присутствии 1М добавки метилового спирта. Метиловый спирт, обладающий ярко выраженными нуклеофнльными свойствами, использовался нами в.качестве "ловушки" ацилоксониевого интермедката.

После установления равновесия в реакционной смеси помимо двух изомеров и метилового спирта мы обнаружили образование продукта взаимодействия метилового спирта с ацилоксониевым ннтермедиатом - соответствующего орто-эфнра. Общая схема превращений может быть представлена в следующем виде:

СН3-СН-СНг-ОСОСбН5 ~

I

OMs

CHj-CH-CH,

Л + и

ск.лэ ©

чс' OMs СбИ5

CH3-CH-CH2OMs

OCOC<¡H5

МеОН

СН3-СН-СН2 + CH3S03H

о о \ / с

Meo" ЧСбН5

Таким образом, на начальной стадии реакции происходит образование ацилоксониевого интсрмедиата, который подвергается конкурентной атаке метиловым спиртом и мезилат-анионом.

1.7. Исследование влияния стернческого фактора на скорость реакции изомеризации.

Для исследования влияния стернческого фактора на скорость реакции изомеризации нами был синтезирован тозилат 1-(2,4,6-триметил)бензоилоксипропанола-2. Исходя только из электронных представлений (наличие трех' электронодонорных метильных заместителей в бензольном кольце), тозилат 1-(2,4,6-триметил)бензоил-оксипропанола-2 должен изомеризоваться значительно быстрее, чем тозилаты 1-бензоил-оксипропанола-2 и 1-п-толуилоксипропанола-2. В таблице б приведены значения констант скоростей реакции изомеризации этих трех сульфонатов в апротонных растворителях.

Таблица 6. Константы скорости реакции изомеризации тозилатов 1 -(2,4,6-триметил)бензоилоксипропанола-2, 1 -п-толуилокси-пропанола-2 и 1-бензоилоксипропанола-2 в апротонных растворителях при 75°С.

сн3—сн—сн2 1 1 TsO OCOR k„, loV

CeHsNOj CDjCN CD2C1j CSH6 ССЦ

R = C,.H5 9.3 6.9 5.0 2.3 1.8

R = ti-СПзСвИл 16.1 7.9 5.1 2.9 2.2

R = 2.4,6-(СНз)зС(1Н2 7.3 4.9 4.3 2.4 2.0

Из данных таблицы 6 следует, что переход оттозилата 1-бензоилоксипропанола-2 к тозилату I-п-толуилоксипропанола-2 сопровождается закономерным повышением скорости реакции за счет донорного участия пара-метильного заместителя. В случае же тозилата 1-(2,4,6-триметил)бензоилоксипропанола-2 происходит снижение скорости процесса. Обнаруженную закономерность можно объяснить возрастанием роли стерического фактора при переходе от тозилата 1-п-толуилоксипропанола-2, содержащего один метильный заместитель, к тозилату 1-(2,4,6-триметил)бензоилоксипропанола-2 с тремя метальными группами. Наличие двух заместителей в орто-положениях бензольного кольца сложноэфирной группировки приводит к экранированию ацильной группы, что, в свою очередь, вызывает уменьшение миграционной способности сложноэфирной группы и снижает скорость процесса.

Еще одним подтверждением влияния стерического фактора на скорость изучаемого нами процесса изомеризации может служить сравнительно высокая скорость перегруппировки сульфонатов 1-ацетоксипропанола-2. В качестве примера в таблице 7 приведены значения констант скоростей реакции изомеризации брозилатов 1-ацетокси- и 1 -бензоилоксипропанолов-2.

Таблица 7. Константы скоростей изомеризации брозилатов 1-ацетокси- и

1-бензоилоксипропанолов-2 ^апротонных растворителях при75°С.

СН-5—С н ~— сн? 1 1 ВбО осоя к„ 105, с"1

СОзСЫ С02С12 С6Н6

И = СНз 8.9 3.4 2.6

я = с6н3 10.9 8.1 5.2

Константы скоростей изомеризации брозилатов 1-ацетокси- и 1-бензоил-оксипропанолов-2 имеют значения одного порядка. Исходя из электронных представлений, стабилизация интермедиата ацилоксониевой структуры за счет участия бензольного кольца бензоатной группы брозилата 1-бензоил-оксипропанола-2 должна вызывать значительное увеличение скорости процесса изомеризации по сравнению с брозилатом 1-анстоксипропанола-2. В нашем случае оба сульфоната изомеризуются с близкими по значению константами скорости.

Полученные в данном разделе результаты также являются дополнительным аргументом в пользу ацилоксониевого механизма изомеризации изучаемых субстратов, поскольку увеличение объема заместителя может влиять на скорость процесса, если он (заместитель) играет роль мигрирующей группы, для нуклеофуга такой эффект наблюдаться не должен.

Таким образом, все результаты, изложенные в этом разделе, однозначно свидетельствуют о том, что 1,2-бифункциональные производные пропана, где в качестве соседних заместителей выступают сульфонатная и сложноэфирная группы при нагревании в апротонных растворителях изомеризуются по ацилоксониевому механизму; сульфогруппа при этом является уходящей, а сложноэфирная играет роль мигрирующей:

СН3—СН—сн2оссж; 0302Р1

СН-1-СН СН-> 1> ч

|| + /I

сх./о

с ©

1, 0302И

к

. сн3—сн—СН20302Н осой'

II. Исследование способности к изомеризации по типу 1,2-нуклеофильного сдвига некоторых 1,2-бнфу11кцно1|альных производных пропана.

Исследования изомеризации 1,2-бифункциональных производных пропана, где в качестве групп X и У выступают сложноэфирная и сульфонатная группы, завершили цикл работ, посвященный изомеризации соединений, содержащих в качестве соседних групп попарно бром, сложноэфирную и сульфонатную группы.

Расширяя круг исследований, представлялось интересным изучить способность претерпевать подобного типа превращения таких 1,2-бифункцнональных производных пропана, где по соседству с нуклеофугной сульфонатной группой находятся другие заместители, обладающие нуклеофильными свойствами.

11.1. Исследование реакции изомеризации мезилатов некоторых 1-(М-метил)а1|нлннопропанолов-2.

Нами было исследовано поведение при нагревании в апротонных растворителях мезилатов 1 -(М-метил)анилинопропанолов-2, где по соседству с сульфонатной группировкой находилась >)-метиланилиногруппа, потенциально обладающая нуклеофильными свойствами. Мезилаты 1-(М-метил)анилинопропанолов-2 получали по следующей схеме:

-О

сн3—СН—СН2-»сн3-сн-сн2 -сн3-сн-сн2

л 3 мвс1

V СН£00Н' ¿нА-СН,** мзб Л-СИз

Г* = Н, Вг

Чистота соединений на всех стадиях синтеза контролировалась методами ПМР-спектроскопии и хроматографии.

В качестве метода исследования применялся метод ПМР-спектроскопии. Полученные мезилаты нагревались при юо'с в запаянных ампулах ЯМР. В качестве растворителей использовались ацетонитрил, нитробензол, хлористый метилен, бензол. В результате проведенного эксперимента было установлено, что изучаемые субстраты подвергаются изомеризации по типу 1,2-нуклеофильного сдвига:

СН3—СН—СН2 ^ СН3-СН—СН2

НЗН омз

СН3—' СН3

изомер I изомер II

55 % 45 %

Схема II.

Количество изомера И в спектре ПМР увеличивается до тех пор, пока система не Достигает состояния равновесия. Содержание изомеров I н II в равновесной смеси составляет соответственно 55% и 45%.

Константы скорости реакции изомеризации мезилатов 1 -(М-метил)ани-линопропанолов-2, полученные с помощью метода количественной ПМР-спектроскопии, приведены в таблице 8.

Таблица 8. Константы скорости реакции изомеризации мезилатов 1-(М-метил)анилинопропанолов-2 в апротонных растворителях при Ю0°С.

СН;}"~СН—СН2 МБО СН3 к„ Ю5, с'1

С6Н5М02 С03СЫ С02С12 с«н6

Л=Н 16.8 9.0 3.6 2.4

Я = Вг 6.3 3.8 2.6 1.5

Как видно из данных таблицы 8, переход от мезилата 1-(Ы-метил)анили-нопропанола-2 к мезилату 1-(Ы-метил)-п-броманилинопропанола-2, содержащему в пара-положении бензольного кольца бром в качестве заместителя, вызывает значительное уменьшение скорости реакции'изомеризации. Этот факт является свидетельством того, что Ы-метиланилиногруппа является цуклеофильно содействующей, аналогично тому, как это наблюдалось выше при изучении изомеризации сульфонатов 1-бензоил-оксипропанолов-2. Процесс изомеризации, скорее всего, осуществляется через трехчленный азотсодержащий ннтермедиат по следующей схеме:

СН3-СН СН2 _ ^

МэО

сн3у-у

11.2. Исследование способности к изомеризации некоторых сульфонатов 1(2)-метокснпропаиолов-2(1).

В этом разделе работы исследовалась способность к изомеризации некоторых сложных эфиров 1(2)-метоксипропанолов-2(1), содержащих в качестве соседнего нуклеофильного заместителя ОМе-группу. Эфиры сульфо- и карбоновых кислот 1-мет-оксипропанола-2 мы синтезировали по следующей схеме:

сн3-с^сн2 ' Э

со;омз

СН^-СН—СН2

сн.

ОМэ

и

сн3-сн-сн2 сн сн_сн сн3-сн-сн2

\ / N3 II (И502)20 I I

о он осн3 (КС0)г0 ох осн3

х = п-СНзСбН^Ог.п-ВгСбН^Ог, С6Н5302, 2,4, 5-(1-Рг)3С6Н2502, СР3802, СН3502, СР3СО, СН3СО.

Получение сульфонатов 2-метоксипропанола-1 осуществлялось, исходя из пропионовой кислоты:

-Р В г, 'Я ^и ,?

СН3—СН3—С^ - 2 ► СН3—СН—с' Сгн5°^ сн3—сн—с'

ОН Р I Вг I ос,н5

Вг Вг

СН3ОН ,р иА1Нл. , о,, РЭСШ гм _Гм_гц —^ сн3—СН—С V СН3—СН—СН2 -£->. сн3—сн—сн2

° I 4_____I о,» I

№ I чог м I I Ру •

ОСН3 сн3о ОН СН30 0502Я

к' = С6Н5, п-ВгСбН4

Все эфиры, за исключением мезилата 1-метоксипропанола-2, получены впервые, охарактеризованы данными элементного анализа и физико-химическими константами.

Нами было обнаружено, что поведение сульфонатов 1-метоксипропанола-2 при нагревании в апротоннных растворителях при 100°С не укладывается в простую схему изомеризации по типу 1,2-нуклеофильного сдвига. Превращения изучаемьгх субстратов имеют более сложный характер. Прежде всего, так же как и в предыдущих примерах, можно однозначно утверждать, что в стадии, определяющей скорость реакции, происходит разрыв связи С-ОЗОгЯ. В пользу этого утверждения свидетельствует зависимость скорости превращения сульфонатов 1-метоксипропанола-2 от нуклеофугности сульфонатной группы (таблица 9).

Таблица 9. Периоды полупревращения сульфонатов 1 -метокси-пропанола-2 в апротонных растворителях при ЮО°С.

ОН-?—сн—сн? 1 1 ИБОгО ОСН3 Т|/2, Ч

с6н5ыо2 С03СЫ С6Н6

Я = 2,4.6-0-Рг)эС4Н2 по - -

Л = СН3 46 63 80

Я = п-СН3С6Н< 38 58 77

Я = С6Н5 26 46 60

К = п-ВгС6Н4 8 18 24

Из данных таблицы 9 следует, что с увеличением нуклеофугности сульфогруппы происходит значительное возрастание скорости процесса. Переход к наиболее "хорошей" уходящей трифторсульфонатной группе приводит к тому, что полученный трифлат 1-мет-оксипропаиола-2 устойчив только в атмосфере инертного газа.

Было показано, что сложные эфиры некоторых карбоновых кислот 1-метоксипро-панола-2 являются термически устойчивыми. Так, например, ацетат и трифторацетат 1-метоксипропанола-2 не подвергаются химическим превращениям при нагревании в течение более чем 300 часов при 100°С. Этот факт свидетельствует о том, что нуклеофугность сложноэфирной группировки недостаточна для осуществления разрыва связи С-О, и соответствующие соединения проявляют высокую термическую стабильность.

Таким образом, на начальной стадии превращения с сульфонатов 1-метоксипро-панола-2 происходит отщепление сульфонатной группы и образование вторичного электронодефицитного центра, который может стабилизироваться различными способами. Прежде всего, возникающий положительный заряд частично гасится за счет нуклеофильного участия соседней метоксигруппы. В этом случае осуществляется изомеризация по обычной схеме 1,2-нуклеофильного сдвига. Количество второго изомера в конечном спектре ПМР превращенных сульфонатов 1-метоксипропаиола-2 составляет около 15%.

Помимо этого в конечных спектрах реакционной смеси нами было зафиксировано наличие метилаллилового эфира, образование которого, по всей вероятности, является

результатом стабилизации промежуточно образующегося карбокатиона за счет выброса протона.

Для дальнейшего выяснения характера процессов, протекающих при нагревании в апротонных растворителях сульфонатов 1-метоксипропанола-2, мы провели следующие эксперименты. Для упрощения картины ПМР-спектра нами было изучено поведение при нагревании в апротонных растворителях меченного дейтерием по метоксигруппе брозилата 1-метоксипропанола-2, полученного по следующей схеме:

Кроме того, исследовалась зависимость скорости превращения исходного сульфоната от концентрации раствора. Было установлено, что с увеличением начальной концентрации сульфоната происходит рост скорости реакции. Обнаруженная нами зависимость скорости процесса от начальной концентрации и характер сигналов в ПМР-спектре превращенного меченного по метоксигруппе брозилата позволили нам предположить, что существует еще один путь стабилизации образующегося при отщеплении сульфонатной группы карбокатиона. Он осуществляется не внутримолекулярно, а за счет участия принадлежащей другой молекуле метоксигруппы, что, в конечном итоге, приводит к продуктам .реакции димеризации.

Подводя итоги, можно сказать, что при нагревании сульфонатов 1-метоксипропанола-2 в апротонных растворителях осуществляется миграция метоксигруппы по типу 1,2-нуклеофилыюго сдвига, но не она является основным направлением процесса. Метоксигруппа не проявляет себя в этом случае как классическая "хорошая" соседняя группа. Основными путями превращения изучаемых нами субстратов являются реакция элиминирования и образование димеров.

Сульфонаты 2-метоксипропанола-1 (изомер II) превращениям не подвергаются и являются термически стабильными. При нагревании в апротонных растворителях в течение 200 часов картина ПМР-спектра этих соединений не меняется. Устойчивость сульфонатов 2-мстоксипропанола-1 по сравнению с сульфонатами 1-метоксипропанола-2 легко объяснить, исходя из того, что на начальной стадии реакции происходит разрыв связи углерод-сульфонатная группа. В случае сульфонатов 2-метоксипропанола-1 уход сульфогрупны, связанной с первичным атомом углерода, привел бы к образованию

СН3—СН—СН,

\/ N3

О

ВэС1

>- СН3—СН—сн2 ВэО 0С03

СН3—СН—сн2 I I он 0С03

Ру

первичного карбокатиона, что является термодинамически невыгодным процессом. Поэтому изомер II не проявляет склонности к химическим превращениям.

П.З. Исследование способности к изомеризации по типу 1,2-нуклеофилыюго сдвига мезилатов некоторых 1-арилтнопропанолов-2.

Продолжая исследования термической устойчивости 1,2-бифункциональных производиых пропана в апротонных растворителях, мы выбрали в качестве соседней нуклеофильной группы простую тиоэфирную группировку, поскольку сера обладает существенно большей нуклеофильностью по сравнению с кислородом.

Были получены мезилаты некоторых 1-арилтиопропанолов-2, исходя из окиси пропилена по следующей схеме:

АгБН (СНзвСУгО

СН3—СН—СНэ ■ ■ ► СН3—СН—СН, -—% сн3—сн—сн2

\ / N3 II II

О ОН ЭАг МэО БАг

Аг = СеН5, п -СН3СбН4, п -аСбН,

Исследовалось поведение полученных мезилатов 1-арилтиопропанолов-2 при в нагревании в апротонных растворителях ( нитробензоле, ацетонитриле, хлористом метилене, бензоле, четыреххлористом углероде) в запаянных ампулах ЯМР при 100°С.

Характер превращений мезилатов 1-арилтиопропанолов-2 в целом аналогичен наблюдаемому ранее для сульфонатов 1-метоксипропанола-2. В спектрах ПМР превращенных мезилатов 1-арилтиопропанолов-2 присутствуют сигналы, соответствующие продуктам изомеризации, элиминирования и димеризации.

В таблице 10 приведены периоды полного превращения мезилатов некоторых 1-арилтиопропанолов-2.

Таблица 10. Периоды полного превращения мезилатов

некоторых 1-арилтиопропанолов-2 и 1-метоксипропаиола-2 в апротонных растворителях при 100°С.

СН3—сн сн2 Период полного

1 1 МэО X превращения, мин.

X = ЗСбН4СН3-п 119

X = 5С«Н5 257

х = БСбШа-п 350

X = ОСНз 3217

Как видно из данных таблицы 10, введение электронодонорного заместителя в бензольное кольцо тиоэфирной группы увеличивает скорость процесса (изомеризации, элиминирования, димеризации), электроноак-цепторный заместитель, напротив, вызывает снижение скорости. Так, мезилат 1-(п-хлор)тиофенилпропанола-2 полностью переходит в продукты реакции почти в 3 раза медленнее, чем мезилат 1-(п-метил)тиофенилпропан-ола-2.

В таблице 10 приведено значение периода полного превращения мезилата 1-мет-оксипропанола-2. Значительное падение скорости превращения метокси-производного по сравнению с арилтноаналогами (более, чем в 10 раз) может быть объяснено большей нуклеофильностыо соседней тиоэфирной группы.

Этот же фактор может быть причиной обнаруженной ранее высокой термической стабильности сульфонатов 1-арилоксипропанолов-2, где даже брозилат 1-п-метокси-феноксипропанола-2 (оптимальное сочетание нуклеофугности сульфонатной и нуклеофильности арилоксигруппы) не претерпевает химических превращений при длительном нагревании в апротонкмх растворителях. Замена в ОАг кислорода на более нуклеофильную серу приводит к возможности осуществления описанных выше превращений даже в том случае, когда в качестве нуклеофуга выступает относительно "плохая" уходящая мезилатная группа.

✓

ВЫВОДЫ.

1. Установлено, что сульфонаты различных 1-бензоилоксипропанолов-2 и 1-ацет-оксипропаиола-2 при нагревании в апротонных растворителях претерпевают изомеризацию по типу 1,2-нуклеофильного сдвига с образованием равновесной смеси изомеров, состав которой не зависит от характера заместителей в бензоатной и сульфонатной группах.

2. Методом спектроскопии ПМР исследована кинетика реакции изомеризации сульфонатов 1-бензоилоксипропанолов-2 и 1-ацетоксипропанола-2 в апотонных растворителях. Установлено, что электронодонорные заместители в бензольном кольце сложноэфнрной группы вызывают увеличение скорости процесса, а те же заместители в бензольном кольце сульфонатной группы замедляют реакцию изомеризации. Рост скорости перегруппировки наблюдается также с повышением полярности растворителя.

3. Предложен ацилоксониевый механизм 1,2-нуклеофильной перегруппировки сульфонатов различных 1-бензоилоксипропанолов-2 и 1-ацетоксипропанола-2, учиты -вающий влияние электронных и пространственных факторов на скорость процесса. Получены независимые экспериментальные доказательства осуществления изомеризации через интермедиат ацилоксониевой структуры с помощью метода меченых атомов (180), а также на основании анализа продуктов реакции изомеризации, проводившейся в присутствии добавок метилового спирта.

4. Исследована термическая изомеризация мезилатов I -(N-метил)-анилинопропанолов-2 в апротонных растворителях. Установлено, что в качестве нуклеофуга в данном случае выступает мезилатная группа, N-метиланилиногруппа при этом является нуклеофильно содействующей.

5. Изучена способность к термической изомеризации сульфонатов 1-метоксипро-панола-2 и !-арилтиопропанолов-2. Установлено, что данные субстраты претерпевают изомеризацию по типу 1,2-нуклеофильиого сдвига, которая, однако, является не единственным направлением реакции при нагревании в апротонных растворителях. Изученные сульфонаты дают также продуеты реакций элиминирования и димеризации.

Основное содержание диссертации изложено в следющих публикациях:

1. Таланова М.Ю.,Громова Е.М.,Гопиус Е.Д., рмолина Т.А., Нестерова O.A., Рен Л.Ф. Термическая устойчивость арилсульфонатов I (2)-арилокси-пропанолов-2(1).// Вест.Моск.Ун-та, сер. Химия, 1993, т.34, №5, с.490-493.

2. Рен Л.Ф., Гопиус Е.Д., Громова Е.М., Смолина Т.А., Реутов O.A. Изомеризация брозилатов 1-метоксипропанола-2 и 2-метоксипропано-ла-1.// Вест.Моск.Ун-та, сер. Химия, 1994, т.35, №4, с.358-359.

3. Рен Л.Ф., Гониус Е.Д., Смолина Т.А. Синтез некоторых сложных эфиров 1(2)-метоксипронанолов-2(1).// Вест.Моск.Ун-та, сер. Химия, 1996, т.37, №1,

4. Таланова М.Ю., Рен Л.Ф., Гопиус Е.Д., Смолина Т.А., Реутов O.A. Изучение способности к изомеризации некоторых эфиров 1(2)-алкоксипропано-лов-2( 1).// Вест.Моск.Ун-та, сер. Химия, 1996, т.37, №1, с.74-75.

5. Рен Л.Ф., Таланова М.Ю., Гопиус Е.Д. Термическая изомеризация бензолсульфоната 1-ацетоксипропанола-2.// Вест.Моск.Ун-та, сер. Химия,

с.71-73.

1997, т.38, №1.