Исследование в области нитро-, амино- и галогенпроизводных 1,8-БИС(диметиламино)-нафталина ("протонной губки") тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

На правах рукописи

, > # «V

ОЗБРЯНСКИЙ Валерий Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ В ОБЛАСТИ III ПРО-, АМН НО- И ГАЛОГЕНПРОИЗВОДНЫХ 1,8-БИС(ДИМЕТИЛАМИНО)-НАФТАЛИНА ("ПРОТОННОЙ ГУБКИ")

02.00.03 - органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Ростов-на-Дону 1997 г.

Работа выполнена на кафедре органической химии Ростовского государственного университета.

Научный руководитель:

доктор химических наук, профессор Пожарский А. Ф.

Официальные оппоненты: доктор химических наук,

ведущий научный сотрудник НИИФОХ Морковник А. С. кандидат химических наук, доцент Боровлев И. В.

Ведущая организация:

Российский Университет! дружбы народов

Защита диссертации состоится " 12 " декабря 1997 г. в час. на заседании диссертационного Совета Д 063.52.03 по химическим наукам при Ростовском государственном университете (344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 194/2, НИИ физической и органической химии).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке РГУ (г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148).

Просим Вас принять участие в работе Совета или прислать свой отзыв на автореферат в двух экземплярах, с заверенной подписью и печатью, в адрес университета, ученому секретарю (344090, г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 7, Химический факультет).

Автореферат разослан ноября 1997 г.

Ученый секретарь Совета, доктор химических наук, профессор

/Садеков И. Д./

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одним из интересных напраплений со-юменной органической химии, получивших развитие на протяже-ш последних 20-25 лет, стала химия "протонных губок" - соеди-:ний, обладающих аномально высокой основностью, сочетающейся крайне низкой нуклеофилыюстью. Родоначальник этого семейства 1,8-бис(диметилам1Шо)нафгалин (1). Его величина рКа1 в ДМСО, |де и MeCN составляет 7.5, 12.1 и 18.5 соответственно.

Причинами столь высокой основности "протонных губок" являются: 1) дестабилизация основания из-за отталкивания свободных алсктронных пар сближенных атомов азота, 2) образование прочной внутримолекулярной водородной связи (ВВС) п катионе (рКа2(1Н+) = .0 (Н20)] и 3) снятие стерического напряжения при протонирова-ш основания. Одно из напраплений поисков еще более основных алогов диамина 1 - функционализапия 1,8-бис(диметиламино)-фталина. Извеспго, что введение заместителей к атомам азота или пери-положения нафталинового кольца "протонной губки" 1 вызы-ет небольшие изменения основности (1-2 ед. рКа), тогда как для единений с орто-алкоксигрупнами 2 наблюдается резкий скачок новности (~4 ед. рКа) благодаря так называемому "эффекту под-ржки", усиливающему дестабилизацию основания. Представляется лесообразным посмотреть, в какой степени проявится данный эф-:кг при введении в орто-положения NMej-ipynn (3,4), обла-ющих более значительным, чем группа 0R, +М-эффектом, а также

большим размером.

Кроме тош, становится актуальным исследование с единых позиций строения и симметрии ВВС в катионах, что прояснит структуру производных "протонной губки" и характер взаимного влияния заместителей.

Цель работы. Поскольку синтез соединений 2 ранее был осу-:стален многостадийным путем из 2,7-динафтола, одной из задач следования явилась разработка прямых методов введения замести-юй в орто-лоложспш "протонной ]убки" 1, в качестве которых ми были выбраны нитро-, амино- и галогено1руш1Ы.

В связи с этим, целью настоящей работы стало: 1) исследование 1кций нитрования и синтез на основе шпросоединсний ранее не-веспгых аминопроизводных "протонной 1убки"; 2) функдионали-щя полученных аминов; 3) исследование методов синтез:! галоген-

Me2N NM03 We2N NMe2

Ж -ОП R^ ^Jv

»

2 R=Me. EI

3 н=н

4 R=NMe2

производных "протонной губки"; 4) изучение ключевых физико химических характеристик новых производных, прежде всего осное ности и строения водородного мостика в катионах.

Научная новизна и практическая значимость. Установлено, чт при действии на 1,8-бис(диметиламино)нафталин 1-хлорбензс триазола или Ы-бромсукцинимида в хлороформе происходит регио селективное орто-замещение с образованием ранее неизвестных 2(7) галогенпро изводиых.

Осуществлен синтез 4-хлор- и 4.5-дихлор-1,8-бис(диметилами но)нафталинов*, исхода из замещенных солей перимидиния.

Обнаружено, что нитрование соединения 1 нитрующей смесы идет через катион-радикал (КР) "протонной губки", димеризующий ся в соответствующий 1,Г-бинафтил. Аналогичные косвенные свиде тсльсгва образования КР получены при взаимодействии 1 с азотне той кислотой, диоксидом азота и йодом. Высокую региоселекгии ность реакции КР "протонной губки" с. хлорид-анионом предложен использовать в препаративных целях.

Нитрованием 1,8-бис(димстиламино)нафталина диоксидом азт получены все возможные моно-, ди- и тринитропроизводные "про тонной губки", а также изучена возможность превращения нитро производных 2,3-дигидроперимединия, 1,3-диметилперимидона ! 1,8-бис(диметиламино)нафталина под действием щелочи.

В реакции со щелочью 4-нитро-1,8-бнс(диметиламино)нафга лина обнаружено образование 6-нитро-1 -метшщафгостирила, чт демонстрирует новый тип реакционной способности производны "протонной губки".

Легкость каталитического гидрирования нитросоединений н основе 1 использована для получения соответствующих аминов, том числе с аминогруппой в о/юго-положении, из которых синтези рованы различные замещенные "протонные губки", включая ране неизвестные 1,4,5- и 1,2,8-трис(диметиламино)нафгалины.

Измерены константы основности серии новых производных 1,8 бис(диметиламино)нафталина. Показано, что в 2(7)-замещенны "протонных губках" наблюдается выраженный "эффект поддержки".

На основе' анализа спектров ЯМР 'Н катионов 1,8-бис(диметил амино)нафгалина предложено использовать КССВ ЫН-протона NMe2-гpyппaми для оценки асимметрии ВВС. Впервые показан! диапазоны изменения последней. Найдены некоторые общие зако номерности асимметрии водородного мостика в зависимости от чис ла и расположения заместителей, а также растворителя.

* Для удобства восприятия и единообразия названия веществ составлены пута присоединения к основе (в данном случае 1,8-бис(димспшамш1о)нафгалш1) паи основания функций с сохранением нумерации.

Апроба<гия работа. Отдельные час-га работы докладывались на 1учной конференции, посвященной 80-летию Ростовского госуии-¡рситета (Ростов-на-Дону, 1995 г.).

Публикации. Но теме диссертации опубликованы 1 тезисы кон-еренции и 4 статьи в центральной печати.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 131 ранице, содержит 11 таблиц, 9 рисунков и состоит из введения, >ех глав, каждый раздел которых предваряется кратким литератур-ым обзором, выводов и библиографии (120 наименований). Первая ива посвящена синтезу и некоторым превращениям ншро-, амино-пшогенпроизводных "протонной губки". Во второй главе приведен [агтиз констант основности синтезированных соединений, а также тезоральных измерений катионов на их основе. Третья глава - экс-гриментальная часть.

1. Синтез и некоторые реакции нитро-. амино- и галоген-производных 1.8-бис<,димс*тилами1го)на(}ж1лина 1.1. Галогенпроичводные "протонной губки" 1.1.1. 2-Галоген- и 2Л-диг?щоген-1,8-бис(лиметиламино1нафтал1ПШ

Во всех ранее изученных реакциях (нитрование, шдроксимети-ирование, бромирование, формюшрование, ацилирование) моноза-ещение в "протонной губке" шло в положение 4. Второй замести-уп> также преимущественно направлялся в другое ие/ш-положение.

Мы нашли, что хлорирование соединения 1 1-хлорбензо-жазолом (ХБТ) приводит почти исключительно к замещению по в/яо-положениям. Выход соединений 5 и 6 (хлороформ, -5 °С) со-гавляет 90 и 97%. При этом обнаруживаются лишь следы 4-хлор-,8-бис(диметиламино)нафталина (7).

и. «.I и, 1,1 мк!^ к«, и ша^

Выделенные ор/но-производные идентифицированы по исчезно-ению в их 11МР спектрах сигналов орто-иротонов, значительно выделяющихся в сильное пшю, а проведенная реакция представляет сбой пергый случай высокорегиоселективного орто-замещения в яду "протонных губок". • .

Полученные результаты можно объяснить, с одной стороны, леетроположительным характером атома хлора'в ХБТ, высокой се-ектииностью этот реаюнта и относительно небольшими размерами. ятиона С1\ Важно и то, что в инертной среде (СНС13) "протонная

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

б

5

7 с|

губка" реагирует в форме нсйгралыюго основания, то есть направление вступления заместителя юнггролируется исключительно распределением л-электронной плотности в молекуле 1, которая в положениях 2 и 7 выше, чем в 4 и 5.

Обнаружено, что к замещению по положениям 2 и 7 способен и N1)5. При этом с выходом 40-50% синтезированы ранее неизвестные 2 бром- 8 и 2,7-дибромпроизводные 9. Вступлению в орто-положения атомов брома, вероятно, способствует информационная подвижность NMe2-гpyпп в "протонной 1убке".

Ю Вг 8 9

В ТГФ происходит снижение выхода соединения 8 до 10%, а основным продуктом реакции (до 70%) становится 4-бром-1,8-бис(диметмламино)нафггалин (10), что связано с изменением характера бромирующеш агента.

Таким образом, можно с определенной уверенностью утверждать, что вступлению атакующих частиц в орто-положения способствует низкая температура и инертные, малополярные среды.

1.1.2. 4-Хлор- и 4.5-дихлои-1.8-бис(диметиламино)нафталины

Синтез 4-хлор- (7) и 4,5-дихлор-1,8-бис(диметш1амино)нафга-линов (11) с выходом до 90%, не образующихся при прямом хлорировании "прогонной губки", осуществлен с помощью общего метода получения производных соединения 1 из солей 2,3-дигидропери-мидиния по следующей схеме:

7 я-н. и н-с1

' Вид спектра ПМР дихлорпроизводного 11, в отличие от 4,5-дибромзамещенного, не •обнаруживает температурной .зависимости, что свидетельствует об отсутствии значительного стерического напряжения лери-заместителей, характерного для его диброманалога.

1.2. Нитротюизволные "протонной губки" 1.2.1. Нитрование 1.8-бис(диметиламино)нас1ггллина 1.2.1.1. Действие нитрующей смеси и азотистой кислоты

Ранее сообщалось, что обработка 1 нитрующей смесью при -20 С с 70% выходом ласт ее 4-нитропроизводное 12. При повторении »тих опытов с ббльшими загрузками (в 2-3 раза), мы заметили обра-юглшге в них (до 10%) 4,5,4',5'-тетракис(диметиламино)-1,Г-бинаф-гила (13), полученного недавно окислением 1,8-бис(диметиламино)-нафталина тстраацетатом свинца в СН2С(2 (-130 °С, 20%).

Очевидный путь образования 13 - одноздектрониое окисление соединения 1 катионом нтрония до катион-радикала (КР) 1+* и его последующая димеризация, направление которой согласуется с распределением в КР спиновой плотности: С-4 > С-2 > С-3. Это первый случай образования КР "протонной губки" в реакции нитрования.

Известно, что «-избыточные ароматические соединения при действии азотистой ййслоты подвергаются нитрованию, если их КР достаточно стабильны, чтобы далее подвергнуться 1гуклео<{)ильной атака тприт-ноном. Нами установлено, что соединение 1 не изменяется при действии ЫаГЮз в АсОН; лишь при кипячении а течение 3 ч наблюдалось образование малых количеств соединения 12 и димера ; 13. В сильных минеральных кислотах концентрация КР "протонной губки" резко возрастает, что позволяет перехватить его с помощью нуклсофилов. При генерировании КР 1+* в присутствии хлорид-аниона с выходом до 90% был получен 4-хлор-1,8-бис(димстиламино)-нафгалин (7). Ввести подобным образом второй атом хлора в соеди- • нение 7 не удается. При использовании бромид-иона выход бромида 10 оказался низким (520%), что объяснено повышенной окислясмо-стыо аниона Вг в сравнении с О". В системах МаКО-^/НР и №N0;./ Н2504, как и при действии нитрующей смеси, образующийся КР вступает п реакции нитрования и димеризации. Увеличение количества ЫаЫОг сверх зквимольного не дает полянитропродуктов, но вызывает лишь осмоление.

I

нко3

НгБО,

Ц МОг

13

1.2.1.2. Нитрование диоксидом азота. Выделение 2-нитро- и 2.7-динитропроизводных "протонной губки"

В связи с тем, что диоксид азота обладает свойствами окислите ля и инициатора образования КР, мы исследовали ею действие н. "протонную губку". В среде СНС13 (О °С), несмотря на значительно! осмолепие, меняя количество нитрующего агента, удалось выделил широкий спектр нитропроизводных (14-19), в том числе ранее неиз вестные 2,5-динитро- 14, 2,4-динитро- 15, 2,4,7- 17 и 2,4,5 тринитро-производные 18. Наибольший выход бинафгила 13 дости гает 23%. Образование соединений 20 и 21 не наблюдалось.

CHCIj / NOj

-1

-NO,"

MojN NMe2

20 в=н

21 r=no,

14 Rj-Rj'H, Rt-*R3=N02; 15 Rf R2=N02;

16 RfR^H, Rj,"Ra-N0j; 17 R3=H, 18 R«=H, 19 R(=R2»Ra=R<'N02

Несколько иные результаты получены при нитровании диоксидом азота в CCI4, где, согласно лит. данным, должно наблюдаться дополнительное снижение селективности. Это приведет к возрастанию вероятности вступления первой нитрогруппы в орто-положение "протонной губки". Действительно, проведение реакции в указанны* условиях (О °С) позволило выделить, наряду с другими нитропроиз-водными, 2-нитро- (20) и 2,7-динюро-1,8-бис(диметиламино)нафга-лины (21) с выходом 9 и 1%. Соотношение орто-/пара-уаошроъ (20/12) при мононитровании достигает 0.5. В более полярном СН2С12 в тех же условиях оно становится выше (0.8), но глубина конверсии .соединения 1 и общий выход нитропроизводных в 2 раза ниже. Таким образом, система NO2-CCI4 пока наиболее эффективна для получения орто-нитрозамещенных.

Таблица 1. Результаты действия системы Ij/MeCN на соединение 1

Опыт То, fT"C Время,-1 Составпродуктов, % № мша ч 1 13 Смолы

ь, моль t, ,JC Время, ч С 1

U.25 82 1 ■ - 74

0.5 82 2 64

1 82 2 35

1 20 48 33

5 82 2 —

"25" 34 60 57

2 5 10 100

Наиболее эффективным окислителем для генерирования КР 1+' оказался иод (в среде ацетонитрила). Результаты его действия на "протонную 1убку" представлены в табл. 1. Видно, что единственным

1

продуктом этой реакции служит бинафтил 13; часть соединения 1 из-за связывания с Н1 регенерируется. Максимальный пыход димера 13 (60%), согласно данным спектроскопии ПМР, наблюдается при взаимодействии основания 1 с эквимолыши количеством иода (оп.

3).

1.2.2. Из солей б-нитро-Ы.З-пжметилнеримилиния

Выше упоминалось о способе синтеза производных "протонной губки" (в частности, 7 и 11) из солей 2,3-дигидроперимидиния. Оказалось, что этот метод неприменим для синтеза 4-нитро-1,8-бис-(диметиламино)нафталина (12). При нагревании соединения 22 с ио-дистым метилом образуется соль 23, причем, в отличие от его мо-нохлораналога (разд. 1.1.2.), из-за сильного -М-эффскта ЫОг-группы реакция протекает исключительно региоевдективно.

МвгЫ'^ЫМв МвгЫ ОН Мв2Ы (¡1НМв

+ 22

I т т

N0» М02 N0, ЫОг

22 23 24 25

Основным продуктом взаимодействия соли 23 с водной щелочью оказался 4-нитро-8-диметиламино-1-нафтол (24) (65%). Около 5% исходной соли подверглось деметилированию с образованием 22. Однако, выход диамина 25, являющегося практически единственным продуктом щелочного расщепления других солей перимидиния, не превысил 1%. Вероятно, причиной этого является активация нитро-группой нафталинового кольца в отношении нуклеофилов, а направление реакции в данном случае определяется, главным образом, степенью стабилизации соответствующего а-комплекса.

1.2.3. Превращения нитпоппоизволиых ].3-диметилпеонмилона и 1.8-бис(диметиламино)на<Ьтаиина пол действием щелочи

В свете полученных результатов представлялось целесообразным посмотреть, как будут вести себя под действием щелочи нитропроиз-водные перимцдонов, перимвдинов и нафтилевдиаминов, включая "протонную губку".

Мы нашли, что нитроперимидон (26) практически не реагарует с ситемой КОН/МеОН, но в ДМСО дает ранее неизвестный 4-нитро-1,8-бис(метиламино)нафталин (27). Сплавление 26 с твердой щелочью привело к сильной деструкции, однако из реакционной массы удалось выделить аминонафгол 29 (8%). Его образование может быть результатом атахи анионом ОН" С-атома, находящегося в ло/ш-положении к шпрогрунле. Другая возможность - нуклеофиль-

ное замещение >ШМе-грунпы уже в диамине 27. В пользу последне го свидетельствует опыт, в котором на соединение 25 действовал! едким кали в ДМСО (100 °С, 6 ч); при этом из смеси был выделе! аминонафтол 24 (19%). Алкилированием соединения 27 получены N триметилзамещенные 25 и 28; исчерпывающее действие Ме1 на нит ронафтиламины 25, 27 и 28 приводит к 4-нитропроизводному 12. о *

26 27 28 29

Интересные результаты получены нри изучении отношения сое динения 12 к щелочи. Оно не взаимодействует с водным КОН, од нако, в системе КОН/ДМСО (24 ч, 40 °С) в качестве основного про дукга реакции (40%) в результате нуклеофильного элиминировали одной метальной группы образуется нигронафгиламин 25. Второ выделенное вещество - нафтол 24 (выход 7%) - представляет собо продукт нуклеофильного замещения группы l-NMe2.

Наконец, еще одним про дукгом (11%), судя по совс купиости физико-химичес ких данных, включая масс спектр, оказался 1-метил-б нитробеизо[с,<1]ицдол-2( 1Н -он (нафгостирил) (30).

Вероятно, предшествеп ником соединения 30 я1 ляется получающийся в ш большой равновесной ког центрации карбанион 31, в котором происходит внутримолекулярнс нуклеофильное замещение 8-NMe2-rpynnbi. Образующийся при это 1-метил-6-нитро-1,2-дигидробензо[с,а]индал (32) далее подвергаете азтоокислекшо. катализируемому основанием. Описанное превращ< ние является новым способом получения нафтостирилов.

1.3. Аминопроизводные "протонной губки" 1.3.1. Восстаноштение нитоосоединений

• Нами изучено восстановление соединений 12 и 20. 4-Нитр* производное 12 не восстанавливается дитионитом натрия в аммиа< но-спиртовой среде, а также NaBH4 в спирте или уксусной кислот но его каталитическое гидрирование водородом в EtOH или ЕЮ> при атмосферном давлении дает 4 -амино-1,8-бис(диметиламино

[афталин (33) (100%). Избыточное гидрирование приводит к элими-шрованию 8->Шеггруппы в амине 33 и образованию с количе-твенным выходом Т^,Г^-диметил-1,4-диаминонафталина (34).

инг мн2

33 34 35

Каталитическое гидрирование 0/?то-"нитрогубки" 20 протекает фимерно втрое быстрее, чем в случае пара-изомера 12. Выход орто-1мииа 35 также достигает 100%, а продукты дезаминирования не об-»азуются. По-видимому, движущей силой, облегчающей гидрирова-гае 20, является его более выраженная стерическая напряженность, снимающаяся при замене группы N02 на Особенностью спек-ра ПМР амина 33, не наблюдающейся у соединения 35, является (альнее спин-спииовое взаимодействие протонов Н-3 и ЫН2 с не-)жиданно большой константой: 4.!(>Ш2, Н-3) = 2.56 Гц.

1.3.2. Некоторые превращения аминов "протонной губки"

Лминонафталин 33 проявляет свойства типичного ариламипа. С л-нитробензальдегидом он образует окрашенный в бордовый цвет азометин, а при обработке уксусным ангидридом легко дает 14-ацетил-ироизводнос 36. Последнее при 20 °С существует в хлороформе в виде смеси двух ротамеров 36а и 36Ъ в соотношении 2:3, что, >чевидно, связано с наличием значительного барьера вращения во-фуг связи N-€(0).

Диазотирование соединения 33 действием на него системы ЗВг/№]Ч02 с последующим нагреванием в присутствии Си2Вг2 ведет с образованию 4-бромпроизводного 10 (< 25%) и сильному осмоле-шю, что объяснено высокой реакционной способностью амина 33.

Реакционная способность орто-ампна 35, на первый взгляд, бу-1ет еще выше из-за более выраженной акопланариости аминогруппы 1 нафталинового кольца. Тем не менее, представляется, что наиболее »роятной конформацией соединения 35 должна быть 35а.

Me2M NMn,

Me2N

NMe? H

N.___CH3

П

^ О

35a 37 37a

Как видно, в ней неподеленная электронная пара группы NH заслонена двумя метальными группами, то есть оказывается мсне< доступной. Действительно, в сходных условиях активность амина 3i ниже, чем пара-изомера 33. При 20 °С opmo-амин в реакцию с уксусным ангидридом не вступает. Для получения амвда 37 необходимо кипячение с 10-кратным избытком Лс20. Его спектр ПМР i CDCI3 свидетельствует о наличии лишь одного, очевидно, пространственно наименее затрудненного конформера 37а.

Метилированием соединения 36 иодистым метилом в смеы КОН-ацетон с выходом 91% получен 4-(1Я-ацетил->1-мстш1амшю)-1,8-бис(диметиламино)нафталин, кислый гидролиз которого привел к легко окисляющемуся 4-метиламинопроизводному 38.

Исчерпывающим алкилированием на-фтиламина 33 иодистым метилом в сисге ме КОН/ДМФА . получен 1,4,5-трис-(ди метилам и но) нафгали н (39) (87%). Eix ор/ио-аналог 3 образуется в тех же условия) из амина 35, но в большем избытке Mel 1 при более длительном нагревании.

Изучено также нитрование амидов 36 и 37 нитрующей смесью Установлено, что амид 36 дает исключительно пери-дизамещенньй продукт 40 (R=H), тогда как амид 37 - смесь изомеров 41 и 42 в отношении 3:1. Замещение в положение 3 не наблюдалось. Попьгш восстановления нитроамида 40 (R=H), а также его метилированногс аналога 40 (R=Me) и последующая циклизация (в присутствии НС или без) привела к сильному осмолению реакционной массы, из которой выделить метилперимидины 43 не удалось.

Mo2N NMe2 Me2N NMo2 MojN NMe, Me2N NMoa

Mb,N NMe2 Me2N

38

39

NO;

42

Ns^-NR

43 m.m.t

Не привел к соединениям типа 5-амино-4-нитро-1,8-бис(ди метнламино)нафталина и гидролиз амадов 40 в присутствии НС1 Н2504, КОН, К2С03, АсОИа или пиперидина. Драматическое влияние здесь, по-видимому, оказывает присутствие в молекулах 4( сильного основного центра.

2. Константы основности, спектры ЯМР и структура производных "протонной губки"

В ходе настоящего исследования получено около 25 новых производных "протонной губки". Все они являются достаточно сильными основаниями, поэтому представлялось шггерссным изучить их ко-нстанты ионизации, а также спектральные характеристики их солей.

2.1. Основность некоторых новых производных "протонной губки"

Мы определили основность некоторых новых производных соединения 1 с помощью потенциометричсского титрования в ацето-иитриле (21 °С) (табл. 2; внесены также данные для 12 и 19, полученные ранее). Из-за легкой окисляемости аминов 33, 38 и 3 провести подобные измерения для них затруднительно. Их величины рКа1 оценены, поэтому, конкурентным способом с помощью метода ПМР.

Таблица 2. Константы основности замещенных "протонных губок"

Соединение № R рКа ДМСО MeCN Соединение № R pKa ДМСО . MeCN

5 • 2-С1 6 2,7-Cl, 8 2-Вг 9 2,7-Вг, 7 4-С1 И 4,5-СЬ 10 4-Вг _ 4,5-Вг, 13 — 12 4-N07 - , 18.35 - 17.83 - 18.20 - 17.45 - 17.37 - 16.10 6.5 17.33 - 16.40 — 18.101 3.5 14.11 19 2A5,7-(NOÍ)4 20 2-N02 33 4-NH2 35 2-NHj 36 4-NHAc 37 2-NHAc 33 4-NHMe 39 4-NMc2 3 2-NMe2 - 4.60 4.1 9.8 -10.3 - - 18.35 7.5 -10.1 - 8.0 19.15(7.6)2 9.0 -

Прймсмж1ия7'Раздел1пъ константы рКа1 и рКя1 не удалосьГ^Вслнчпна п скобках - константа иотпании второго проектирования, рКл2.

В эквимолыюй смеси перхлората 39Н+ и основания I в ДМСО-<1^ первый при 21 °С депротонируется на 36%. Эти измерения дают для амина 39 значение рКа1 8.0. Аналогично получены и другие величины (табл. 2).

Известно, что введение в орто-положение анилина или N,N-диметиланилина атома хлора (брома) приводит к уменьшению основности примерно на два порядка, а два орто-галогена умень-шаюг рКа на ~4 единицы. Если бы зга закономерность выполнялась и в случае "протонной губки", величины рКа соединений 5, 6, 8, 9 находились бы в районе -16.5 для уоиогалогенидоз 5 и 8 и -14.5 доя

дигшюген производных 6 и 9. Тот факт, что они значительно выше, определенно говорит о существовании в них "эффекта поддержки". Неожиданным оказалось то, что "эффект поддержки" в 2,7-дибром-1,8-бис(диметилами11о)нафтали1!е (9) ниже, чем у 2,7-дихлор-произлоднош 6. Это свчдохтствует о том, что он обусловлен не столько объемом ер/ио-заместитслей, сколько активностью их непо-дсленных электронных пар, т.е. имеет преимущественно электростатическую, но не стерическую природу. В целом, при переходе 4-Я (4,5-112) 2-Я (2,7-к2), благодаря "эффекту поддержки", основность увеличивается на один порядок (для Й = С1, Вг, ММе^). Данный эффект проявляется даже в случае Я = К02. Однако возрастание основности для пары соединений 12 и 20 меньше (0.6 ед. рКа), что объяснено сильным -М-эффсктом нитро группы.

Исходя из средних значений химических сдвигов сигналов ароматических протонов (6^) в спектрах ПМР аминоггроизводных, со-сташген следующий ряд по уменьшению донорного влияния заместителей на ароматическое кольцо:

4-ШМс > 4-ЫН2 > 4-ММс2 > 4-NHЛc > 2-КН2 > 2-КМе2 > 2-ЫНАс. По-видимому, он отражает большую аконланарность орто-заместителей в "протонной губке", обладающих асферической геометрией (в огличие от атомов галоген«»). В то же время (табл. 2), с учетом того, что разница между величинами рКа при переходе от одного растворителя (МеОО к другому (ДМСО) примерно сохраняется (см. соединения 10, 12, 39), существует другой ряд основности аминов:

2-КН2 > 4-Г'ШМе > 4-ЪЩ2 > 2-КМс2 > 4-1ММс2 > 2-МНАс > 4-1>ЩАс. Очевидно, причиной отклонений является "эффект поддержки".

Огметим, что приведенное значение рКа (18.10) для димера 13 соответствует присоединению сразу двух протонов, что указывает на сильную аконланарность в молекуле 13 двух нафталиновых фрагментов и отсутствие между ними какого-либо заметного сопряжения.

• Попытка оценить конкурентным методом величины рКа1 в аце-тонигриле не удалась. Измеренные при 21 °С в С03СЫ спектры ПМР аналогичных смесей солей и оснований состояш из одних неразрешенных горбов, что указывало на сильное замедление процессов протонного обмена. Учитывая низкую нукпеофильность "протонных губок", маловероятно, что перенос протона между катионами и основаниями происходит при их непосредственном контакте. Очевидно, для этого нужны небольшие молекулы-переносчики с достаточно высокой основностью. Такую роль, по-видимому, способен выполнять ДМСО (рКа=0), но не ацетонитрил (рКа=-10.1).

1Н+-а 1Н+-Ь

2.2. Спекгчы ЯМР катионов 1,8-бис(лиметиламино)на<11тапинов и строение водородного мостика

.Л Текущая точка зрения иа структуру

11 11 катиона 111* склоняется к признанию

таутомерии Ш+-а - — 1Н+-Ь или быстрого перемещения МН-протона вблизи плоскости симметрии. Мы задались целью провести более широкие исследования катионов замещенных "нротошпгх губок" с помощью метода ЯМР 'Н. В частности, представлялось интересным выяснить, в каком диапазоне возможны изменения асимметрии ВВС, как будет влиять на нее растворитель, имеется ли зависимость между степенью асимметрии ВВС и химическим сдвигом протона N11 и т.д. В качестве объектов исследования были взяты соединения, содержащие в орто-пара-пожжеииях как акцепторные, так и донорные группы (включая любезно предоставленные Висторобским Н. В. 4,5-Вг2-, 4-СОМе-, 4-СИ-, 4-СНО- и 4-СОСР3-производные).

Параметры спектров ЯМР 'Н кал ш нов (анион во всех солях -СЮ4") замещенных "протонных губок" приведены в табл. 3. В ней содержатся наиболее важные для характеристики ВВС величины: химические сдвиги диметиламиногрупп и протона N11, разность химических сдвигов ЫМе2-групп (А6>, а также константы ССВ 1(МН, ИМег) и выраженная в процентах степень локализации МН-протона на атомах N-1 и N-8 (обозначена нами в виде индексов РЬ-1 и РЬ 8). Последние величины фактически характеризуют асимметрию ВВС и расчитывались по следующей формуле:

Ц8)-1ЯМс2)

РЬ =-:--юо%

•1(>Ш, 1-ММс2) + ДЬШ, 8-ЫМе2)

При определении индексов РЬ (точность ± 0.4%) .использовались величины }, полученные дЩя данного конкретного измерения. В табл. 3 сначала приведены данные по симметричным катионам (РЬ = 50%), а затем характеристики несимметричных катионов в порядке уменьшения индекса РЬ-1 (в ДМСО).

Асимметрия водородного мостика. Как видно из табл. 3, асимметрия ВВС а катионах с -М-группами в растворе ДМСО-с!г, уменьшается в такой поеледовательности (РЬ-8): 4-СОСР} (69) > 4 Ы02 (65) > 4-СНО (64) > 4-СИ (61) > 4-СОМе (59). Здесь нет строгой симбатности с а„-константами заместителей (соответственно 0.80, 0.81, 0.47, 0.70 и 0.47), т.к. из-за перекрывания этих ¡руни с протоном Н-5 они различным образом ориентированы относительно

Таблица 3. Параметры спектров ЯМР ¿Н групп, участвующих в образовании водородного мостика в катионах замещенных "протонных губок" (300 МГц)

Ме2И

сю«~

4 Я

Катион Раство- Химсдвиги, 6 м.д. ' Д8, Константы ССВ, I, Сумма Локализация протона,

' ' V* ■ Гц констант 5 ь

. № - Я ритель 1КМе2 «ЫМез ЫН+ Гц ИН, 1- МН, 8- I, Гц РЬ-1 РЬ-8

НМ&2 ММе2

1Н+ н ДМСО-с^ 3.12 3.12 18.33 0 2.63 2.63 5.26 50 50

СБ3СМ 3.11 3.11 18.69 0 2.64 2.64 5.28 50 50

6Н+ 2,7-а2 ДМСО-с^ 3.37 3.37 19.91 0 2.41 2.41 4.82 50 50

11Н+ 4,5-а2 ДМСО-й« 3.10 3.10 19.14 0 2.52 2.52 5.04 50 50

9Н+ 2,7-Вг2 ДМСО-сЗ« 3.40 3.40 20.09 0 2.41 2.41 4.82 50 50 .

СБ3СЫ 3.41 3.41 20.33 0 2.64 2.64 5.28 50 50

44Н+ 4,5-ВГ2 ДМСО-С1« 3.10 3.10 ■ 19.12 0 2.41 2.41 4.82 50 50 '

21Н+ ■2,7-<Ы02>2 СБзСЫ 3.32 3.32 19.74 0 2.64 2.64 5.28 50 50

38Н+ 4-МНМе ДМСО-йв 3.11 2.98 18.31 -36 3.40 1.21 4.61 74 26

ЗЗН+ 4-Ш2 дмсо-а* 3.09 2.99 18.26 -31 3.23 1.21 4.44 73 27

3.10 3.02 18.64 -26 3.41 1.87 5.28 65 35 '

35Н+ 2-Ш2 ДМСО-с!« 3.13 3.13 19.06 — — . — — ..., —

СБзСЗ>1 3.16 3.16 19.21 — —. — ' — • — —

m» 0 АЛ MIVI^vj-UÖ J.Z.J j.uy lä./U -41

CD3CN 3.18 3.14 19.05 -15

зн+ 2-NA162 дмсо-d« 3.30 3.09 19.19 -64

CD3CN 3.37 3.07 19.33 -90

39Н+ 4-NMe2 ДМСО-^ 3.11 3.06 18.48 -13

CD3CN 3.10 3.07 18.84 -10

36Н+ 4-NHAc ДМСО-dé 3.12 3.11 18.55 -4

CDjCN 3.12 3.11 18.90 -3

7Н+ 4-Ci ДМСО-dg 3.11 3.14 18.52 8

10Н+ 4-Вг ДМСО-de 3.11 3.14 18.56 8

4SH*' 4-COMe ДМСО-dí 3-10 3.17 18.58 19

46Н* 4-CN ДМСО-dé 3.09 3.21 18.15 37

47Н+ 4-СНО ДМСО-dó 3.10 3.21 18.43 33

CD3CN 3.10 3.20 18.75 30

12Н+ 4-NCb ДМСО-dé 3.17 3.29 18.50 33

CD3CN 3.08 3.19 18.72 31

48Н+ 4-COCF3 ДМСО-dó 3.09 3.23 18.34 42

CD3CN 3.10 3.22 18.67 37

5Н+ 2-Cl ДМСО-dé 3.18 3.32 18.02 42

CDjCN 3.25 3.27 18.80 5

8Н* 2-Br ДМСО-dg 3.22 3.33 18.09 33

CD3CN 3.27 3.26 18.87 3

ZQH+ 2-NO2 ДМСО-dí 3.04 3.41 16.16 111

CD3CN 3.11 3.36 16.96 75

J.41 1.64 5.05

3.52 1.76 5.28

2.63 2.20 4.83

3.29 1.86 5.15

2.86 2.20 5.06

2.97 2.31 5.28

2.86 2.24 5.10

2.75 2.63 5.38

2.42 2.64 5.06

2.31 2.53 4.84

1.97 2.86 4.83

1.88 2.97 4.85

1.75 3.08 4.83

1.98 3.30 5.28

1.72 3.19 4.91

2.13 3.36 5.49

1.44 3.15 4.59

1.86 3.41 5.27

0.77 4.06 4.83

1.54 3.84 5.38

-0.5 3.95 4.45

1.65 3.84 5.49

0 4.40 4.40

0.88 4.39 5.27

68 32

67 33

54 46

64 36

57 43

56 44

56 44

51 49

48 . 52

48 52

41 59

39 61

36 64

38 62

35 65

39 61

31 69

35 . 65

16 84

29 71

11 89

30 70

0 100

17 83

средней плоскости кольца, что сказывается на изменении геометрии всей молекулы, включая водородный мостик.

В 4-аминопроизводных 38Н+, ЗЗН+, 39Н+ протон, очевидно, в большей мере принадлежит атому N-1. Наиболее асимметричен водородный мостик в катионе с 4-метиламиногруппой (РЬ-1 = 74%), далее идут 4-ЫН2 (73) и 4-ЫМе2 (57) производные (ДМСО-йД Этот ряд в точности соответствует влиянию тех же 1рупп на увеличение основности "протонной губки" (разд. 2.1.),

Наибольшей асимметрией отличаются ВВС в катионах 2-хлор-(5Н+), 2-бром- (8Н+) и 2-нитро-1,8-бис(диметиламино)нафгалинов (20Н*), где ЫН-протон находится преимущественно на атоме N-8, Степень асимметрии водородного мостика в катионах 5Н+, 8Н+ и 20Н+ настолько высока (РЬ-8 = 84, 89 и 100% (I) соответственно), что кажется удивительной сама возможность его существования. Однако, для катионов 5Н+ и 8Н+ в этом не приходится сомневаться поскольку сигнал протона в их спектрах расположен в районе II м.д. В случае соли 20Н+ он существенно смещен в сильное поле () 16.16 ид.). Это указывает либо на крайне слабую ВВС, либо на то что последняя все же разорвана и ИН-протон находится лишь В1 взаимодействии с группой 8^Ме2 и молекулой ДМСО. В катион 35Н+ сигналы Ш4е2-групп накладываются друг на друга, что делае невозможной оценку асимметрии водородного мостика.

Известно, что в спектрах ПМР растворов солей "протонной гу£ ки" 1 обе димехиламиногруппы эквивалентны и дают один дублет константой ССВ ~2.б Гц. С помощью отдельного эксперимента нам впервые было показано, что сигнал протона N11 в спектрах высоко) разрешения имеет вид мультиплета из 13 линий с такой же КСС (рис., 300 МГц, 6000 сканирований). Поскольку хелатированнъ протон взаимодействует с двенадцатью эквивалентными протопал >Шс2-груш1, количество линий соответствует теоретической велич] не. В реальных ГШР-спектрах, из-за очень малой интенсивности б колых линий по сравнению с центральными, мультиплетность сиги ла МН-прогона падает до 7-9. Катионы 6Н+, 9Н+, 11Н+, 21Н+ 44Н+ тоже дают такие спектры (водородньгй- мостик в раство строго симметричен).

Имеется приблизительная симбатная зависимость между стег ныо асимметрии ВВС и величиной Л8 (в Гц). Чем больше эта р; ность отклоняется от нуля, тем более асимметричным становится 1 дородный мостик. Так; величины Д5 для катионов 38Н+, ЗЗН+, 39 изменяются в последовательности -36 (4-ЫЙМе), -31 (4^Нг) и ■ Гц (4-ММ©2), что соответствует ходу" уменьшения индекса РЬ-1 данном ряду? Искажение' " ВВС максимально в солях димсталамино-' (ЗН+) и 2-нтро-1,8-бис(даметиламино)нафшш] (2(1Н+). Им соответствуют и наибольшие значения Дб (табл. 3).

5350 5345 5340 5335 5330 5325 5320 5315 5310 5305 Нг

Сигнал >Ш-протона в спектре ПМР перхлората "лрбтонной губки" (1Н+, ДМСО-^, 300 МГц,

6000 сканирований)

Сигнал »ротона N11. Мы нашли, что чем сильнее пространственные факторы нарушают оптимальную ориентацию димстиламиногрупп при образовании ВВС, тем больше увеличивается величина 5(>Ш) (возрастает дезэкранирование протона). В наибольшей степени конфирмационные искажения проявляются в 2,7-112-производных 6Н+, 9Н+ и 21П+ (увеличиваются в порядке N02 < С1 < Вг), которые имеют рекордные для катионов нафталиновых "протонных губок" величины химедвигов протона N11 (6 = 19.7-20.3 м.д.). Дезэкраниро-ванию протона N11 способствует и увеличение объема заместителей в положениях 4(5): величина 5(N11) возрастает в ряду 4^Н2 < 4-МНМе < 4^Ме2 < 4^НАс в случае донорных групп и 4-СГЫ < 4-СНО < 4^02 < 4-СОМе в случае акцепторных. Больше всего эта тенденция проявляется в катионах 4,5-дипшогенпроизводных 11Н+ и 44Н+ [8^Н) > 19 м.д]. В то же время очень низкими выглядят величины 8(ЫН) перхлоратов 5Н+, 8Н+ и 20Н+ (18.02, 18.09 и 16.16 м.д. для растворов в Д МСО-с16), что, вероятно, связано с сильным ослаблением ВВС, характеризующейся повышенной асимметрией.

Установлено, что нет никакой явной зависимости между основностью "протонных губок" и величиной 6^Н). Так, несмотря на то, что константы ионизации (в МеС^ соединения 1 и его 4-трифгор-ацетилпроизводного 48 (рКа 14.00) отличаются на 4.5 порядка, значения б(ЫН) для их катионов практически одинаковы.

Влияние растворителя. Для большей части катионов спектры НМР измерены также в ацетонитриле, характеризующемся намного меньшей, чем ДМСО, протоноакцепторностью. Главный вывод состоит в том, что ацетонитрил способствует симметризации водородного мостика во всех несимметричных катионах (единственное исключение - перхлорат ЗН+, в котором, вероятно, проявляются какие-то специфические взаимодействия близко расположенных _ЫМв2-групп между собой й с протоном). Особенно заметен данный эффект в 2-К- (Я = СП, Вг, N02) и 4-аминопроизводных, в меньшей степени у катионов с -М-заместителями в пара-положении. Наряду с этим при переходе от ДМСО к ацетонитрилу во всех без исключения случаях наблюдается увеличение суммы констант З^Н, 1^Ме2)+3(>Ш, 8^Мс2) и величины химедвига NH-пpoто}Ia. Пс-видимому, в ДМСО МН-протон вступает в бифуркационное взаимодействие с растворителем, происходит растяжение связи ^Н, ослабление ВВС и падение величины 5(ЫН). Эта тенденция вьфажена тем отчетливее, чем выше асимметрия соответствующего катиона. Симметризация ВВС при смене растворителя сопровождается уменьшением по абсолютному значению величины Д5 для всех (кроме ЗНЛ) несимметричных катионов (табл. 3).

Отметим, что сумма констант 1-НМ&2)+1(Ш1, 8^Ме2) в

CDзCN практически постоянна: для большинства катионов она равна 5.28 Гц и лишь в нескольких случаях изменяется, но не более,

гсм на 0.2 Гц. Для растворов в ДМСО наблюдается значительный )азброс этой суммы, означающий отсутствие какого-либо заметною юаимодействия ацетонитрила с ЫН-протоном. Меньше всего оно фояшшетсл в катионе самой "протонной губки".

ВЫВОДЫ

. Прямым хлорированием 1,8-бис(димстиламнно)шфталнна 1-хлор-бензолриазолом с высоким выходом получены его 2-хлор- и 2,7-дихлорироизводные. Это первый случай рспгоселекпшгого алек-трофнльного орто-замещения в данном ряду. 4-Хлор- и 4,5-ди-хлор-1,8-бис(диметиламино)иафталины синтезированы многостадийным обходным путем из соответствующих солей лернмидиния. Впервые осуществлено бромирование "протонной губки" с помощью N138 по положениям 2 и 7.

Получены первые косвенные свидетельства образования катион-радикала (КГ) 1,8-бис(диметнламино)нафталииа п его реакциях с нитрующей смесью, азотистой кислотой, диоксидом азота и иодом. Во всех случаях были выделены продукты взаимодействия КР с нуклеофиламн и/шш его днмер - 4,5,4,,5'-тетракие(диметнлами-но)-1,Г-бинафпш. С участием КР "протонной губки" с высоким выходом осуществлен региосслективный синтез 4-хлор-1,8-бис~ (димстиламино)нпфталнна. . Нитрованием 1,8-бис(димстш1амицо)1К1фтал1ша диоксидом азота получены все возможные моно-, ди- и тришлропроизводные "протонной губки", включая ранее неизвестные 2-нитро- и 2,7-дишпро-1,8-бис(диметиламино)нафталины.

. Исследованы превращения нитропроизводных 2,3-дигидропери-мвдиния, 1,3-диметилперимидона и 1,8-бис(диметиламино)нафга-лина под действием щелочи. Показано, что:

а) в. отличие от других солей 2,3-дигцдропсримиднния иодид 6-нтро-1,1,3-триметил-2,3-дигидроперимиднния при действии щелочи подвергается нуклеофильной атаке не по р-СНг-группе, а почти исключительно по кольцевому углеродному атому, находящемуся в лдра-положении к шпрогруппе, в резудагате чего образуется 4-нитро-8-димстиламино-1-нафтол;

б) реакция б-нитро-1,3-днметилперимидо1га со щелочью в ДМСО сопровождается дскарбонклированисм и образованием 4-шпро-1,8-бис(метиламино)нафталина. Последнее соединение использовано для получения ранее неизвестных изомерных М-триметил-замещенных 4-нитро-1,8-диаминонафталннов;

в) действие щелочи на 4-тпро-1,8-бис(диметиламипс)нафгалнн приводит в основном к частичному деметилиропанлю группы I-М1е2, в меньшей степени - к ее нуклсофк;гыюму замещению, а также к неожиданному образованию 6-нитро-1-метилнафто-стирила. Предложен механизм последней реакции, отражающий

новый тип реакционной способности производных "протонной /убки" и состоящий в кислотной ионизации 1->Ше2-грушш и последующего внутримолекулярного нуклеофильного замещения 8-КМе2-ГрУ1П1Ы.

5. Каталитическим гидрированием 4-нитро- и 2-нитро-1,8-бис(диме-тш1амино)1шфштнов впервые синтезированы 4-амино- и 2-аминозамещенные "прогонные губки". Получены различные производные этих аминов, включая 1,4,5- и 1,2,8-трис(диметил-амино)нафталины.

6. Измерены константы основности в ацетонитриле полученных новых производных 1,8-бис(диметиламино)нафталина, в том числе с донорными и акцепторными группами в нафталиновом ядре. Величины рКа (рКа1) ряда соединений оценены в диметилсульфок-сиде с помощью метода ПМР. Показано, что а 2(7)-замещенных "протонных губках", как и в соответствующих 2,7-диалкокси-нроизводиых, наблюдается выраженный "эффект поддержки", заключающийся в существенном увеличении основности против ожидаемой величины.

7. Измерены спектры ЯМР 'Н катионов 1,8-бис(диметиламино)наф-талинов, содержащих в положениях 2(7) и 4(5) заместители различных типов. Предложено использовать константы спин-спинового взаимодействия ИН-протона с неэквивалентными ди-метиламиногруппами для оценки степени асимметрии внутримолекулярного водородного мостика в катионах. Показано, что последняя изменяется в широких пределах. Переход от ДМСО к менее протоноакцепгорному ацетонитрилу способствует симметризации водородного мостика.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Озерянский В. А., Кузьменко В. В., Пожарский А. Ф. - Превращения нитропроизводных "протонной губки" и некоторых ее аналогов под действием щелочи. - Тез. докл. научной конференции, посвященной 80-летию Ростовского госунинерситета, Ростов-на-Дону, 1995, с.42.

2. Пожарский А. Ф., Озерянский В. А., Кузьменко В. В. - Пери-нафтилендиамкны. 15. Превращения нитропроизводных 1,3-диме-тилперимидона, 1,1,3-1риметил-2,3-дигидроперимвдиния и 1,8-бис(диметиламино)нафталина под действием щелочи. Синтез Ы-метилзамещенных 1,8-диамино-4-нитронафгталина и 8-амино-4-нитро- 1-нафгола. -ЖОрХ, 1996, т.32, Вьш.1, с.76-82.

3. Озерянский В. А., Пожарский А. Ф., Висторобский П. В. - Пери-на«1)тилендиамины. 20. Синтез хлорпроизводных 1,8-бис(диметил-амино)кафгалина. Первый случай региоселекгивного злекгро-филыюго ср/мо-замещония в "протонной губке". - ЖОрХ, 1997, г.ЗЗ, Вып.2, с.285-2901

гг

4. Пожарский Л. Ф., Чикииа Н. Л., Висторобский Н. В., Озеряиский В. Л. - Пери-нафгилендиамины. 21. Константы основности некоторых новых производных 1,8-бис(димстиламино)наф™лина ("протонной губки"). - ЖОрХ, 1997, т.ЗЗ, Вын.11, с.

5. Озерянский В. А., Пожарский А. Ф. - Псри-иафгилснлиамины. 22. Синтез 1,4,5-трис(диметиламино)нафггалина и друшх 4-аминопро-изводных "протонной губки". - Изв. АН, Сер. хим., 1997, №8, с. 1501-1504.

Подписано к печати з'Н.З? вораат ¡50x04/16. Печать офсетная. Бцнага гаэйтная. Обгби 1,0. п.я. Тираа 400 экз. ПОП ЦНТИ. Зак. Ш