Исследование механизмов аминирования галогеналкиламинов в различных средах тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ¿МИНИРОВАНИЯ ГАЛОГЕНАЛКИЛАКИНОВ В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ

Специальность 02.00.03. - Органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

На правах рукописи

ЧЁЧИК Виктор Оскарович

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена в Российском научной центре «Прикладная химия».

Научны« руководитель: БЕНИН

доктор технических наук Александр Исаакович I

Научны* консультант: БОБЫЛЕВ

кандидат химических наук Владимир Александрович

Официальные оппононты: СИНЕВ

доктор химических наук, профессор Владимир Васильевич

кандидат химических наук ЧЕЗЛОВ

Игорь Георгиевич

Ведушое предприятие - Государственное предприятие Научно-исследовательский институт синтетического каучука (С. -Петербург)

Запита диссертации состоится карта 1994 г. на'

заседании специализированного Совета Л 063.25.04 в Санкт-Петербургском государственном технологической институте (техническом университете) (С.-Петербург. Московский пр., 2Б).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного технологического, института (технического университета)..

Отзывы и замечания в 2-х экземплярах. заверенные Горбовой печать». просим направлять по адресу: 198013, С.-Петербург, Московский пр., 26, Санкт-Петербургский технологичоский институт. Ученый Совет.

Автореферат разослан "1Вп<р*(р*ЛА 199« г.

Ученый секретарь специализированного совета

Н. Б. Сонолова

ОБ'ЛА Я ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность р?1боты. Процессы аминирования гллогон-алкиламинов широко применяются как в тяжэлон, так и в тонком органическом синтезе при получении этилондкамина. полиэтиленполиаминов. ингибиторов коррозии, фармацеатичоских препаратов и в других производствах. Конкуренция различных путей протекания этих реакций в значительной норе влияет на селективность и выходы целевых продуктов. Вличние

растворителя на' эти процессы ранее практически но исследовалось. Вследствие^ этого сравнительное изучение кинетики и механизмов аминирования галогеналкиламинов в различных растворителях является актуальной практической н теоретической задачей.

Цель работы.

1. Исследование . кинетики и механизма внутри- и мгжмолекулярного аминирования галогеналкиламинов в различных системах растворителей. Определение на основе анализа кинетических данных факторов, управляющих конкуренцией этих процессов.

2. Сравнительный анализ влияния растворителя на кинетику образования и раскрытия гетероциклов различного размера в результате внутримолекулярного нуклеофильного замещения. Выявление структурных особенностей переходного состояния при образовании малых циклов.

3. Поиск условий, благоприятствующих протеканию прямого иуклеофильного замещения при взаимодействии 2-галогеналкиламинов с азотистыми нуклеофилами.

Научная новизна. Исследовано влияние растворителя на кинетику циклизации 2-галогенэтиламинов, 5-галогенамил-аминов, Ы- (2-галогенэтил)полиэтиленполиаминов, приводящей к образованию гетероциклов различного размера. Установлено, что уменьшение как полярности, так и кислотности или основности растворителя затрудняет образование малых циклов по сравнению с циклами обычного размера или аналогичными межмолекулярными реакциями. На основании этого вывода впервые определены условия. при которых анинирование

г-галогенапккламинов протекает по механизму прямого замещения. минуя стали» промежуточного образования аэиридина. Анализ полученных данных позволил предположить более позднее переходное состояние при образовании 3-х члонких циклов по сравнению с аналогичными реакциями, приводящими к ненапряженным продуктам.

Практическая ценность. Определены условия, благо-приятству*лиие протеканию кежнолекулярных реакции

нуклеофкльного замешения по сравнению с" внутримолекулярным образовалиом малых циклов. На их основе разработана синтетическая методика селективного аминирования Z-галогоналкиланинов.

Кинотичоскио данные, описывающие циклизации

2-галогенэтилполизтилонполиакинов, позволяют объяснить ряд закономерностей, наблюдавшихся при промышленной производстве зтил&ндиамина п полиэтилоиполиаминоп лихлорэтановын нетосои. днтнваиионныо ларамотры были. использованы при состпвлении кинетической модели синтеза полиэтнлонполианинов.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были ДОЛОЖОКЫ ИЛ V ВСОСОЮЗНОЙ К0!1ф0р01ШИМ ПО ХШ1И11

азотсодержащих гетероциклических соединений (Черноголовка. 1991) и на городском сонинаро «.Прмнаионно спектроскопии ядерного магнитного резонанса & химии» (С. -Петербург. 1990), По материала« диссертации иноотсн С пубявтшмй.

Обгон и структура рдботы. Диссертация состоит из еводекия, посыч« глав, выводов к списка литературы. Работа изложина «а ИВ листах нтикнописпого текста, включает El таблицу, р рксуимов и перечень • литературы из 1«о наииапоьопий

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

При Гппчолпии«« диссорт«цио1(пой работы для анализа рп&нииоишх очсеоМ » промае««« кинетических исследований били «епельзоканы слевуюаио физико-химические метолы iumjinaü ироматем&ес-спектрокотрня, спектроскопия ЯНР 13с и 511. Г«Х па Ш!<1р»евих капиллпрных колонках. потонциометрия с

использованием рН-стата, стеклянного олектродн, хлор- я бромселективных электродов.

I. Влияние растворителя на обратиноо образование н

раскрытие азиридина

Удобной системой растворителей для изучения указанной реакции являются бинарные смеси ДМСО-вода, так как они химически инертны в использованных условиях и обеспечивают как раствориность всех субстратов, так п. низкую степень ассоциации аммониевых солей. Кроне того, ДНСО и вода значительно различаются по протонодонорным и протоноакцепторнык характеристикам, . поэтому их сноси охватывают широкий диапазон свойств растворителя.

К сожалению, для системы ДМСО-вода, как и дли большинства смешанных растворителей, в литературе отсутствуют параметры, характеризующие их сольватируюшую способность. В то же время имеется обширный экспериментальный материал по энергиям переноса неорганических ионов из воды в снеси ДМСО-вода. Известно, что эти • величины хорошо коррелируют с широко используемыми параметрами Камлета-Тафта тг , а и (3, описывающими полярность, Н-донорные и Н-акцепторные свойства растворителя, соответственно.

Для расчета параметров Камлета-Тафта смесей ДМСО-вода решали системы линейных уравнений типа (1).

А' (Х1 - Хх) - £?1 (1)

Здесь Л - матрица, строки которой содержат известные из литературы коэффициенты корреляционных уравнений для энергий переноса различных неорганических ионов из воды в другие растворители, Х^ - вектора, компоненты матрицы X искомых параметров для смесей . с различным содержанием ДНСО, Х^ -вектор, содержащий параметры Камлета-Тафта для воды, В^ -вектора, компоненты матрицы В, содержащей литературные данные по энергиям переноса различных ионов из воды в смеси с различным содержанием ДНСО.

с 2 с.л о.б о.е

Рис. 2. Зависимости полу*

чошолх параметров п , а, [3 от состава растворителя

Циклизация включает ряд равновесных стадий схемой.

-Н', -X

XCHjCHjHtlj »--

fH

На рис. 1 приведены зависимости полученных параметров от мольной доли димотилсульфоксида в смешанном растворителе. Видно, что смеси ЛМСО с водой обладают практически постоянной полярностью. в то время как их способность к специфической сольватации сущоственно различается. Таким образом, данная систена пригодна для количественного анализа слияния растворителя на кинетику химических процессов,

2- галогенэтиламинов в системе ' ДМСО-вода и описывается следующей

1.0

ХСН,СН,ИН, < ■■■ " hliHj* « . ' h¡)H

+х" У +нУ

Изнононио оснопности среды позволяет полностью сдвигать равновесие в ту или иную сторону, и. таким образом, определять кинетические параметры прямой и обратной реакций. Вследствие атого удобным методом исследования реакции оказалось рн-статирование.

Кинетику изучали в смесях, содержащих 0, «О. 60, 80 и . 9ЭХ дксо. На рис. 2 представлены антиьакиониые парамотры прямой и обратной реакций образования азкридмна. Бидно, что в случае раскрытия азиридина активационныо парамотры практически совпадают для риакиии с хлор- и бром-ионом во всех изученных смесях растворителей. В то же время при циклизации ахтивационныи парамотры реакций хлор- и броипроизnoniiisx существенно различаются Это свидетельствует о том, что связь с галогеном прртегпова&т основное изменение в ходе циклизации, а не раскрытия, и. таким образом, в переходном состоянии в значительной степени разорвана.

1лчсо|,% 1лмс<||.".;

<а>

Рис. 2. Активационные параметры образоэа)1ия (а) и раскрытия (б) азиридина.

Аналогичный вывод можно сделать в результате анализа отношения для раскрытия и образования азиридина.

Этот подход часто используется при изучении влияния уходящей группы, подразумевая, что чем выше величина отношения, тем больше степень разрыва связи с уходящей группой. Из приведенных ниже данных видно, что в случае раскрытия азиридина отношение ^ъг^С! практически не подвержено влиянию растворителя и очень мало по сравнению с обычными значениями для межмолекулярных реакций (=30-100). Лля образования азиридина эти величины, наоборот, весьма велики. Символами Н. и здесь обозначены константы

скорости пряной (т.е., циклизации 2-галогенэтиламина) и обратной (т.е., раскрытия азиридина) реакции, соответственно. Таким образом, можно сделать вывод о весьма значительной степени разрыва связи С-Н1д в переходном состоянии циклизации галогенэтиламинов.

Содержание ЯНСО, весХ

О

к ЛВг)/к (С1) 42.9

к (вг)/к (С1) 3.4

40 60 80 99

41.5 70.4 142.9 352.0 3.0 3.3 3.7 2.8

Я результате корреляционного анализа . слияния растиорителя на изучаемую реакцию были получены следующие соотношении ¡2-4) (а скобках при паракотро указана уходящая группа! . Корреляции с параметрами растворителя в случае циклизации 2-хлорэтиламкна получить но удалось, вследствие того. что изоккнотичоскап тсяпература для этой реакции (•J0°Ci оказалась близка к нормальным условиям (25°С).

ЛС*(Вг) - 13 5.7(13.0) - 25.5{i2.5)ir* - 35.2(±0.7)£

п « 5 г2 * 0.9S3 s = 0.0S9 (2)-

л *

ЛС (Br) - 54 .4 (£2 . в) ft -Г 21. Е (10 . 5) ft + 26.i(t2.B)fí

п » 5 Г2 V O.S&Ü S « 0.0-58 (3)

ЛС°!Вг>= 146. SI ill.O) -85.6is6,3)a*-2:.S{il.2)e¡-68.0(ie.2)í3 л * 5 г" » 0.SS5 s « 0.11 («)

Коэффициенты подобных корреляционных уравнений принято интерпретировать, сопоставляя солььатацкю исходного и переходного состоннак. Прк этом коэффициент при паракотро tí* отражает полярность субстрата. коэффициент при а

ссотиетстнуот образована» П-свмзой по типу X;-----¡¡-Sol. а

коэффициент при ¡3 - образован*» И-связей по типу Х-К.....¡Sol.'

При анилмяо соотношения (2) слодуот отметить, что циклизация г-броизтнланнна определяется исключительно нуклеофмльнай солыьчтацмей (.!>) , в соотношении отсутствует электрофильшй вклад !а). Этот фант является весьма нйожидитым, T«ui кпк изьестно, что галогенид-ионм сильно сольоатирояаии по элсктрофхльнану типу. Для его. подтнор^яони» ну! дополнительно Я-ЭМОрМЯК константы циклизации г-брешатиланинй при п сносях растворитйлой, содержащих

10, го. 30, SO. 70 и 50* ЯЯСО. Полный набор данных описийпотся уравнений« (G).

AG^ÍBr) « 128 .1 (íS . 1) - 18. б If. ,4)гГ - 34 . 5 (ii. 2) )5

П . 11 Г2 «0,593 .ч - 0.24 (5)

Танин обрьаом, отсутствий элонтрофипьного вклада в

соотношении (2) подтвердилось. Кромо галогона, по электрофильному гипу сольватируотся тан*о неэармъшпии аминогруппа бромэтигамина (га счет образования I!-связи с неподеленной парой электронов атома азста). По-видимому, в нашем случае имеет место полная компенсация в переходном состоянии электрофильной сольватации зарождающегося иона хлора и десольватации аминогруппы.

Единственной функциональной группой, солызатируюаойся по нуклеофильнону типу,' является аминогруппа за счет образования Н-саязей по типу ^М-Н —В, гдо В - молекула растворителя. Можно ожидать, что легкость образования таких связей будет находиться в прямой зависимости от заряда на атоме азота. Из сравнения корреляций (2, 3) видно, что влияние растворителя как на прямую, так и на обратную реакции характеризуется примерно одинаковыми по абсолютной величине коэффициентами при р. Следовательно, в переходном состоянии наблюдается развито существенного заряда на атомо азота, что не противоречит сделанному ранее предположению о продуктоподобном переходном состоянии при циклизации 2-галогенэтиламинов.

XI. Основность 2-замещенных этиланинов в системе ДМСО-вода

Для корректного измерения кинетики образования н раскрытия азиридина необходимо было определить основности исходных субстратов. Поскольку в настоящее время имеется лишь очень ограниченное число работ, посвященных количественному учету влияния среды на основность и кислотность органических соединений, кы с использованием стеклянных электродов с низким внутренним сопротивлением определили основности 2-хлор-, 2-бромэтиламинов,

моноэтаноламина в смесях ДМСО-вода.

Полученные данные приведены в табл. 1. Зависимость основности аминов от состава растворителя имеет [/-образный характер, что характерно для бинарных смесей.

Таблица 1

Константы диссоциации замещенных ионов этиламконин 1*СК2СН.,1гнз+ а смесях ДМС0-Н20

К рКа в растворителе с заданной концентрацией дмсо, вес% О -10 60 80 99

с:

Вг

он

8.45 8. >7 3.51

3 .22

8 .07

9 .24

8.18 7.87 9.40

8.0 7 .75 9.34

8 .74 8.36 10.44

основности изученных замощенных этиламинов удоилотворитольно коррелируют с индукционными константами сг^ во всем диапазоне составов растворителя. Кроме указанных в таблице соединений, при составлении корреляций использовали литературные данные по основности пропнламнна, буткламина. этклондиамина и этилондиаинониевого иона о сносях

дисо-вода. . уравнения р, соотношений.

Иижо приведены параметры соответствующего рК^ и коэффициенты корреляции получешых

(дмсо', вое* р

О

-4.38 10.44 0.55

40 -4.17 10.09 0.9Э

60 -4.00 9.96 0.97

80 -4.46 10.05 0.97

99 -5.25 11.10 0.97

Лия интерпретации полученных значений ложно составить корролиии» р с параметрами растворителя. Оказалось, что с высоко!! точность» соблюдается следующая зависимость (6) .

Р

-68 + 34-п

•и + 37-/3. г 0.999.

(6)

Из уравнения нислотнйсть н чувствительность

(В) видно,

г,сносность изучаемого

что как полярность растворителя равновесия к

, так и

понижают эффектам

заместителя. Мы предлагаем следующую интерпретацию коэффициентов уравнения (6).

При переходе в более основный растворитель В происходит образивание водородных связей с протонированной аминогруппой

по схеме RH2Nä+-H-:Bä+, что приводит к понижению

эффективного заряда на атоме азота в конечном состоянии равновесия. Водородные связи с исходной аминогруппой образуются в значительно меньшей степени. Уменьшение разности зарядов на атоме азота в исходном и конечном состояниях и приводит к понижению чувствительности реакции к эффектам заместителей.

При переходе в более кислый растворитель ВН происходит образование водородных связен с исходной аминогруппой по

схеме RKJif+-Н-В5 , что приводит к повышению эффективного

заряда на атоме азота в исходном состоянии равновесия. Водородные связи с аммониевым ионом, естественно, не образуются. Следовательно, в этом случае также наблюдается уменьшение разности зарядов на атоме азота в исходном и конечном состояниях и понижение чувствительности реакции к эффектам заместителей.

Влияние полярности можно объяснить следующий образ он. Индуктивный эффект можно описывать взаимодействием заряженных групп через пространство, которое подчиняется законам электростатики. Следовательно, энергия

взаимодействия групп изменяется обратно пропорционально диэлектрической проницаемости растворителя. Такин образом, при переходе в растворитель с большой с (более 'полярный растворитель) индуктивное взаимодействие групп ослабевает, что и приводит к наблюдаемому уменьшению величины р.

III. Влияние растворителя на скорость циклизации

5-галогенамиламинов в смесях ДМСО-вода

В разделе I мы установили, что переходное состояние о реакции циклизации галогенэтиламинов весьна позднее, со значительной степенью разрыва связи с уходящей группой. В то же время считается, что переходные состояния в реакция;

Меншуткина практически симметричны. Это побудило нас сравнить влияние растворителя на образование малых циклов и аналогичные реакции, приводящие к ненапряженным продуктам, с целью определения факторов, управляющих конкуренцией этих процессов. ,

Наиболее подходящая для сравнения с нуклеофильным образованием азиридина «нормальная> реакция Меншуткина -циклизация u-замещенных алкиламинов, приводящая к ненапряженным продуктам. Переходное состояние в этой реакции принято считать практически идентичным таковому в аналогичных бимолекулярных процессах. Поэтому в качестве модельной реакции мы выбрали циклизацию с-галогенамиламинов, приводящую к количественному образованию пиперидина. Реакцию в смесях ДМСО-вода изучали методом рН-статирования. Однако в чистой воде высокая основность исходных аминов сделала этот метод нечувствительным, и за ^реакцией следили с помощью хлор- и бромселективных электродов.

Hol(CH,)sNH2 -г» ^^NHj" * НаГ

Hal = CI, Br . .

Л | 1

Анализ приведенного ниже отношения показаЛ| чт0

оно в общеН вышё для образования 3-, чем 6-членных колец. Следовательно, ^'переходное состояние следует считать более поздним в первой случае, что. находится в -согласии с нашими предыдущими результатами.

[ДМСО], В.ес% 0 40 60 80 90

к(Вг)/к(С1) 22.5 42.5 42.6 . 97.9 12Х.5

Анализ влияния растворителя на циклизацию е-галогенэтиламинов в рамках параметров Камлета-Тафта привел к уравнениям (7, 8).

AG* (Br) = 77 .5 (±0.3) + 8 . 8 (±0 . 4 ) ос п = 5 Г2 = 0.992 S = 0.31

AG* (CI) = 90 . В (±0 . 3) + 4 . б (±0.4) a (8)

п — 5 г2 = 0.977 5 = 0.28

Полученный зависимостям можно дать следующую интерпретацию. При циклизации и-галогеналкиламинов по

электрофильному типу сольватируются группы Ш, в исходном и

5 -

Hal в исходном и Hal " в переходном состояниях реакций (NH2 группа не может сольватироваться электрофильно в переходном состоянии, так как ее электронная пара взаимодействует с реакционным центром). Отсутствие электрофильного вклада при циклизации 2-галогенэтиланинов [уравнение (2)] мы ранее связали со взаимной, компенсацией сольватация галогена ir досольватации аминогруппы в ходе реакции. Положительные коэффициенты при а в уравнениях (7, 8) показывают, что в случао образования пиперидина десольватация аминогруппы преобладает над сольватацией галогена, т. е. связь С-Hal в нэныаеч стопени разорвана в переходном состоянии реакции образования пнперлшшз. по сравнению с образованием ази'ридина. Незначимость нуклеофилъной сольватации f3 можно также связать с ноньшеЗ степенью образования связи углерод-азот при образовании 6-членного цикла. Корреляции со свойствами растворителя таким образом также подтвердили более позднее переходное состояние для реакций образования малых циклов.

Сравнение уравнений (2, 7) приводит к важному

*

заключению. Отрицательные коэффициенты при л и р в уравнении (2) показывают, 'что полярные и основные растворители будут ускорять образования 3-членных колец, в то время как положительный знак коэффициентов при а в уравнениях (7, 8) показывает, что кислые растворителя будут замедлять образование 6-членных циклов. Himmh словами, рост как полярности, так и кислотности или основности растворителя будет способствовать образованию малыз? колец по сравнению с ненапряженными циклами. Для проварки этого утверждения, а также с целью более подробного изучения факторов, влияющих на конкурентное образование циклов различного размера в процессах аминирования, мы изучили

региохимию и кинетику внутримолекулярной циклизации 2-галогенэтилполиэтиленполиаминов.

IV. Циклизации 2-галогенэтилполиэтиленполиаминов

2-Галогенэтилполиэтиленполиамины - важные интермедиаты в синтезе полиэтиленполиаминов дихлорэтановым методом являются неустойчивыми в виде свободных оснований соединениями, содержащими в 2-, 5-, 8-, 11-ом положениях к галогену атом азота, что обеспечивает возможность образования циклов различного размера. За ходок реакции следили методом ЯМР спектроскопии. Кинетические параметры определяли по интенсивности сигналов протонов групп СН2С1 и азиридина. Оказалось, что в присутствии избытка щелочи, необходимого для нейтрализации выделяющейся в процессе циклизации HCl, их превращения описываются приведенной ниже схсиой.

СI CHjCHJNR'CHJCHJNRV

R'CHjCHJNRV

4 .2 3

HR R

II . .

RI= н, н, снасн,ш2 (а), р3- (сн2сн2нм)ан (б);

= н; Вгй3= (СНаСН2)2Ж2(в); = СН2СН2Ж2, йг=н3= Н (Т).

Активадибнные параметры изученных реакций приведет ниже.' ВиднОц. что энергии активации циклизации в трехчленны! циклы вьше, чем в шестич'ленные, Что объясняется значительны] напряжением• азиридинового кольца. В то же время с росто молекулярного веса реагентов эта разница нивелируется. Эт наблюдение хорошо объясняет независимость состав высокомолекулярных ' полиэтиленполиаминов при синтезе и дихлорэтана и аммиака от температуры реакции.

1а На 16 II б 1в Нв 1г Иг Еа, кДж/моль 91.6 82.4 72.4 74.1 87.2 69.3 - 66.8 1п к , [к ]=С~1 28.8 26.2 29.0 31.3 30.8 24.0 - 21.7

R N

Таким образом, при конкуренции образования 3-, 6-, 9- и 12-членных циклов образуются только 3- и 6-членные. Заместители слабо влияют на относительную долю этих продуктов. Для того, чтобы проверить сделанное_ выше предположение о влиянии растворителя на соотношение напряженных и ненапряженных продуктов внутримолекулярной циклизации, мы изучили циклизацию Ы-( 2-галогенэтил)-этилекдиакинов в различных растворителях.

На!СН2СНаМНСН2СН2МН2 -

"б ^ ♦ --> НЫ N4, * Но1

к3 К*

-=-> Г>ШСН2СН3МН2 ♦ На!

В табл. 2 представлены соотношения к^/к^, измеренные в различ!!ых растворителях. Результаты качественно подтверждают пышеуказанную гипотезу. Видно, что в полярных растворителях (вода, спирты) азиридин является о.сновным продуктом, тогда как менее полярные (СН2С1^, ЕСОАс, . МеСЫ) способствуют образованию пиперазина.

Таблица 2

Распределение продуктов при циклизации и-(2-галогенэтил)этилендиаминов и параметры растворителей

ирт^-.

'астворитель . На1=С1 На1=Вг гг а Р

н20 3 . .5 ' 13 .4 1. . 09 1. 17 0. .18

МеОН 2 . .1 4 . .0 0. .60 0. 93 0 , .62

ЕСОН 1. .8 2 .8 0, .54 0 . ,83 0 .77

Диоксан 2 , .0 1 .9 0. .55 0. .00 0 . .37

СН2С12 1, .1 1 .0 ' 0 , .81 0. .00 0. .00

EtOAc 0. .85 0 .2 0 . .55 0. . 00 0 .45

Не СИ 0. .3? 1 .4 0 .75 0. . 19 0 .31

V. Прямое нуклеофилыюе замещение на (3-замещенных алкиламинах

С целью поиска условий, благоприятствующих протеканик прямого нуклеофильного замещения на 2-галогеналкиламинах мь исследовали реакцию между изомерными бромпропиламинами (Iii; и (IV) и вторичными аминами в качестве нуклеофилов.

NH,CHCHaBMHNR. I

СН,

III

NH2CHjCHBp+HNR2

СН,

IV

NHJCH2CHNR2 I

сн3

VI

HNR, = HN' | (а), (б), HN^O (в)

Прямое нуклеофильное замещение на субстратах (III) (IV) приведет к образованию изомерных соединений (V) и (VI соответственно. . В случае образования промежуточно 2-метилазиридина реакция приведет только к соединениям (V поскольку известно, что этиланимины селективно раскрывают через атаку по стерически' наименее затрудненному • ато углерода.-

В водной среда анинирование броипропиланинов приводит количественному образованию 2-метилазиридина даже г значительных концентрациях нуклеофилов. В соответствии вышеприведенными рассуждениями протеканию прямого замеше! должны способствовать малополярные растворители, использовали в качестве растворителей ароматичес! соединения, т. к. в еще менее полярных алканах скоро реакции слишком мала.

Оказалось, что реакция субстрата (IV) с 10% бензоль

раствором пирролидина при комнатной температуре в присутствии К2С03 привела к смеси соединений (V) и (VI) в соотношении 1:3. В аналогичных условиях реакция с амином (III) дала только продукт (V). Это является явным доказательством прямого замещения. Замена пирролидина на другие нуклеофилы привела к аналогичный результатам, причен вклад прямого замещения увеличивался с ростом нуклеофильности в порядке норфолин < пиперидин < пирролидин.

Обнаруженная реакция является первым примером прямого замещения на подобных субстратах. Использование различных систем растворителей позволлет таким образом осуществлять успешную конкуренцию между различными путями аминирования галогеналкиланинов.

В синтетических целлх эту реакцию вряд ли целесообразно использовать в указанных условиях вследствие крайне низких скоростей реакции ("^/г я 3-4 недели). Наиболее приемлемым, по-видимому, является проведение процесса в среде чистого амнна при температурах 60-80°С. .В этом случае целевыэ продукты (VI а-в) могут бить выделены с уморенными выходами (табл. 3).

Выходы в обнаруженной реакции находятся в прямой зависимости от нуклеофильности используемого амина (параметр Свена-Скотта л равен 5. 67 для пирролидина, 5. 59 для пиперидина и 5.29 для норфолина), и бАльшая часть галогеналкнланина расходуется на образование 2-метпл-азиридина. Тем не менее простота проведения процесса делает его удобной альтернативой многостадийным синтезам, суммарные выходы в которых также не превышают 20-30Я.

Таблица 3

Условия реакций для синтеза диаминов (У1а-в) Соединение Ь, ч Т, °С Выход (%) Т.кип.,°С (р. ни рт. ст. )

6 60 Vlб 8 70

VIII 10 ВО

25 56 (15)

18 65 (20)

12 105 (20)

Выводы.

1. При аминировании галогеналкиламинов уменьшение полярности, кислотности или основности растворителя затрудняет образование малых циклов по сравнению с ненапряженными циклами или аналогичными межмолекулярным!« реакциями. Впервые определены условия, при которых реакции 2-галогеналкиламинов с вторичными аминами протекают пс механизму прямого замещения, минуя стадию промежуточного образования азиридина.

2. Исследовано влияние растворителя на образование 3- у 6-членных циклов в результате внутримолекулярного нуклео-фильного замещения. Анализ полученных данных позволив предположить, что переходное состояние при образовании 3-> членных циклов является более поздним, несмотря не значительную энергию напряжения этих соединений.

3. Экспериментально показана обратимость циклизации 2-галогеналкиламинов в систене ДМСО-вода. Положена равновесия зависит от кислотности среды.

4. Влияние специфической сольватации на циклизации 2-галогенэтиланинов включает только нуклеофильну« составляющую. . Электрофильны» вклад незначим- вследстви! компенсации сольватации галогена и десольватации аминогрупт в ходе • реакции. ' Влияние растворителя на циклизаци1 5-галогенамиламинов, наЬборот, включает тольк< электрофильный ■ вклад, что объясняется более ранни] переходный состоянием, в этон случае.

5. Изучено влияние растворителя на распределена продуктов циклизации N-12-галогенэтил)этилендианинов. 1 полярных средах образуется в основном N-12-аминоэтил)-азиридин, тогда как в налополярных- растворителя: преобладающим продуктом становится пиперазин.

Б. Циклизация 2-галогенэтилполиэтиленполиамино

приводит к селективному образованию 3- и 6-членны: гетерониклов. Циклы большего размера не образуются. Энерги активации образования трехчленных колец выше, чем 6-членных однако с ростом молекулярного веса исходных субстрато разница нивелируется Это позволяет объяснить эмпирически

закономерности, наблюдаемые при промышленной синтезе полиэтиленполиаминов дихлорэтановым методом.

7. Определены параметры, описывающие полярность, протоиодонорную и протоноакцепторную способности системы ДМСО-вода. Статистическая обработка большого массива данных обеспечила высокую достоверность рассчитанных параметров.

8. Определены константы основности ряда ß-замещенных этиламинов в системе ДМСО-вода. Показано, что использование полярных растворителей снижает чувствительность кислотно-основного равновесия к эффектам заместителей.

9. Разработана синтетическая методика селективного аминирования 2-галогеналкиламинов.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Бобылев В. А. , Чечик В. О. Синтез N-(2-оксиэтил) - и N-( 2-хлорэтил) полиэтиленполиаминов //Журн. общей химии.

1990. - Т. 60. - Вып. 12. - С. 2721-2725.

2. Чечик ' В. О. , Бобылев В. А. , Селиванов С. И. Исследование рагиохимии и кинетики циклизации N-(2-хлорэтил)полиэтиленполиаминов // Журн. общей химии. -

1991. - Т. 61. - Вып. 7. - С. 1676-1679."

3. Чечик ВО., Бобылев В. А. , Черницкий К. В. , Селиванов СИ. Исследование кинетики образования 3- и 6-членных азотсодержащих гетероциклов при циклизации N-(2-хлорэтил)полиэтиленполиаминов. // V Всесоюзная конференция по химии азотсодержащих гетероцикличеких сбединений. Тез. докладов. Черноголовка, окт. 1991. - Черноголовка, 1991. - Ч. 2. - С. 213.

4. Чечик В. О. , Бобылев В. А. Кинетика циклизации 2-галоэтиламкнов в смесях ДМСО-вода // Журн. общей ::имии. -

1992. - Т. 62. - Вып. 5. - С. 993-1001.

5. Чечик В. О. , Бобылев В. А. Основность замещенных этиламинов в системе ДМСО-вода // Журн. общей химии. - 1993.

■ Т 63. - Вып. 7. - С. 1502- 1507.

6. Чечик В. О. Параметры сольватохромизма плл смесей IMCO-iljO // :i'vpn. обшей химии - 1993. - Т. 63. - Bun 7

1508- 15 14