КИНЕТИКА ИНДОЛИЗАЦИИ АРИЛГИДРАЗОНОВ ПО ФИШЕРУ тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СЕЛЬСКОХОЗЯйСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени К. А. ТИМИРЯЗЕВА

На правах рукописи УДК 547.759

КОСТРОМИНА Людмила Юрьевна

КИНЕТИКА ИНДОЛИЗАЦИИ АРИЛГИДРАЗОНОВ ПО ФИШЕРУ

Специальность 02.00.03 — органическая химия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

МОСКВА —1986

\

Работа выполнена на кафедре органической химии Моско: ской ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамег сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева.

Научный руководитель — доктор химических наук, пр фессор И. И. Грандберг.

Официальные оппоненты: доктор химических наук, пр фессор Бундель Ю. Г., кандидат химических наук Пор нов Ю. Н.

Ведущая организация — Московский химико-технологич ский институт им. Д. И. Менделеева.

Защита диссертации состоится » го;

ъНбМОч на заседании Специализированного совета К-120.35.( в Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тим' рязева по адресу: 127550, Москва И-550, ул. Тимирязевская, 4

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

Автореферат разослан « » 1986 г.

Ученый секретарь Специализированного совета — кандидат химических наук,

доцент л / 3. П. Аполлонов

СШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие общей теории веряциклических реакций Р.Вудворда и Р.Гоффмана привело в последние годы к пониманию того, что многие молекулярные перегруппировки представляют собой согласованные процессы, включающие циклическое переходное состояние.

В ходе проводимых на кафедре органической химии ТСХА исследований по разработке новых путей и выяснению механизма синтеза азотсодержащих гетероциклических соединений было предложено рассматривать перегруппировку арнлгидразонов карбонильных соединений в индолы (реакция Фишера) и другие родственные реакции, включающие стадию разрыва связи азот-гетероатом и образования связи углерод-углерод, как [з,3]-сягматропные процессы.

Вследствие этого, реакция нндолизацаи приобретает особое значение. В первую очередь, это обусловлено тем, что реакция Фишера, с формальных позиций, является частным случаем 3,4-диазв-перегруп-пировкв Коупа. Поэтому выяснение деталей механизма реакции вндо-лизации позволяет уточнить ряд общих закономерностей согласованных процессов для гетеросистем.

Кроме того, данные о влиянии электронных факторов и среды на ход реакции Фишера могут быть использованы в целях более эффективного препаративного синтеза соединений индольного ряда, обладающих широким спектром высокой биологической активности.

Цель работы. Основной целью работы япилось систематическое изучение кинетики термической, а также проводимой в присутствии кислот и оснований перегруппировок различных замешенных в бензольном ядре в при атомах азота арилгидразонов циклогексанона (а цикло-гексенилгидразинов) в тетрагидрокарбазолы спектрофотсметряческим методом.

ЦГМГРЛТЪНАЯ НАУЧНАЯ БИоЛ^ОТЕКА Моск. се/игскохоз. академии

Работа выполнена в соответствии о планом научно-исследовательских работ кафедры органической химия Московской сельскохозяйственной академии им.К.А.Тимирязева по теме "Разработка теоретических основ, методов анализа и синтеза веществ, имеющих.сельскохозяйственное и биологическое значение" (номер государственной регистрации 8108550).

Научная новизна и практическая' ценность работы. В результате работы получены данные о малом влиянии растворителей и заместителей различной природы в ядре арилгидразина на скорость реакции индолиэации. Впервые рассчитаны термодинамические параметры реакции Фишера а обнаружена хорошая корреляция констант скоростей втой реакции с электрофильными и нуклесинильными константами заместителей по Гамлету. Эти данные в совокупности подтвердили согласованный ^характер механизма образования связи углерод-углерод в термической реакции Сивера. Показано, что и в случае кислотно-ка-талвзируемоЖ перегруппировки арилгвдразонов сохраняется тот же механизм; процесс осуществляется по типу зарядно-индуцируемой пе-рипиклической реакции.

Для дополнительного объяснения экспериментальных данных и подтверждения сделанных выводов впервые проведено квантовохими- • ческое изучение стадии образования связи углерод-углерод в синтезе индолов по Фишеру; С помощью метода МПОЮ/З рассчитано, что для модельного дивинилгидразина легче реализуется согласованный механизм перегруппировки, сротекашей через шеотичленное переходное состояние (форма "кресло"). Предсказано и экспериментально подтверждено влияние электронных с£акторов на ход о того грсцесса. Расчеты на основе связанного варианта теории гозмулегая в методе МО ЛСАО ССП позволили оценить влияние электронных Докторов на скорость ИНДОЛИ38ШЗ. Полученные рэсчетшю дпккые хох-осго сог.-асуктся с

экспериментал ыпла.

Ряд сантезгрсвзккых соединений вроявзл Сзологвчоскую активность dpotzb ыучнастой росы огурцов, в качостве регуляторов роста На культуре клеток tuc^ax pacTeima, & текжо фунгицадную активность в относенги »ацелгя граба Kfiizoctcnia sotaní.

Аяупбягуч гдЗотц. Отдельные соложеная работы доложены на 7 Конферекциа молодых учелых 7Д1 вм.П.Луиуыбы (Москва, 1984г.) в U Кон{ерекгз:и по органической хакга я технологии (Цзсква, 1985г.).

результатов игстп-.орякиУ. По темо диссертации опублвксвапо 2 статья и 2 тезисов докладов.

Стртгттра и otH-еч ту><$ота. Лиссортастя состроена.традиционно ■ содержат 220 страши, в тш числе: 40 таблиц, 9 рзсунков, 3 приложения (на 28 страницах).

Во введения отражены актуальность в цель работы, а также ее с бязь с направлением научных исследований, срсводгмых на кафедре органической хвмяи ТСХА.

Первая глава посвязека обзору литературных данных по ароматической аза-оерегрувсаровкв Коува, рассматриваемых о точка эрекая принципа сохранения симметрии молекулярных орбяталеЗ.

Во второй главе обсуждаются результаты собственных всследо-BstaS.

В третьей главе ери ведены необходимые экспериментальные условия во синтезу использованных в работе соединенна, их ^яэико-хвмяческае характерастики, а также иетодякя проведения в акзлаза " кинотаческах данных.

Далее следует выводы и спасок литератури, состоящая из 253 ссылок.

ОСГ.СЕПОЗ CCJZFZA1ZS РАКСТ

В настоящее время изхаиизм синтеза индолов во С ру кз ерал-

гядразонов X озвсивается общепринятой схемой Робинсонов:

^s ^ Н У ^

i 2 2 ^

4 Ü ■ G

Достоверность этой с хеш подперчена гкделением промежуточных соединений 2-5, преьрсаешшх затем в индолы б. Емоста с тем, механизм ключевой стадии синтеза, а имонно, превращение еигидрззяна 2 в диенонимян 3, все ene остается дискуссионным. В основном, обсуждается два механизма образования сеязи С-С на стадии 2— электро^лльноя атака енгядразинового фрагмента ка оромзтичесяое ядро 7 и согласованны:! Гз.зТ-свгматропккй сдвиг в:

CíC^-V 3,4-диазагексадиеисЕо2 системе 2. Отмзтим, что

í^iíliJL

i i электро^илышй механизм в последние годы подвергся

7 серьезной критнг.е, в то время как альтернативой!!

подход с позиций теории пери!:икдяческих реакций был удачно применен к седому ряду родственных перегруппировок (аза-, окса^, тва-первгрупва^овки КляЯзена, реакция Пилота и др.). Что касается реакции. Фишера, то одно из первых экспериментальных доказательств сорлэоовашого механизма стадии 2—было основано на мзлэм блзллзй заместителзй па соотносекке изомерных Н-арилтетрагидро-\$$б&золэъ, образующихся из неси:.мзтргчпо зсуомккух Я,К-даорял--^■(^дрозонов 1яклогег.санона (Грандборг 11.1!., Прховздьскиа Н.М. ХГС, }'376, JÍ О, с.IOC5-1071; тем же, 1Э78, И 10, с.13-59-1355).

В связи с изложенным нем представлялось несЗходк-д.-м дополнительно изучить кинетику реакции индолизоциа, чтобы получить ин~

формацию о ее мэхогаз;.га.

Концентрации ревгирутих земств и продуктов реакции била определены спектро>*отометрзчески.

I. Синтрз мсделыс-гх соединений

Объектам каких исследований были выбраны моно-замезенные арилггдразога циклогексвнона и отклсгексенялгидрэзани, содержс^о заместители рззлзчной природы в арильном ядре и при я томя х азота. Схема синтеза указанных соединений представлена кике. В ряду врилгидразонов Сила изучены две реакционные серии. Арилгядрозснн циклогексанона, на содержашав заместителей при /-атоке азота (серия А, ГОа-ут) ,и Н-метиларилгидразоны циклогексанона (серия Б, 16а-ж) синтезированы из соответствующих акилансв Я через гидразины 2» 15» последние, кроме того, непосредственно была превращены в эталонные тетрагидрокарбазолы II,12,17,18. Цаклогексенялгидразгн 22 синтезгрован из Н-метил|«нилгидра зи на 15а; енгидразин 25 получен из антипирина 23. Чистота всех исходных анилинов 8 проконтролирована методом ГЕХ. Структуры синтезированных соединений 9-12, 14-18.21|.22,24,25 доказаны ЕлР, ИК, УФ-спектроскопаеЯ и подтверждены денными элементного анализа. .

Выбор модельных соединения 10,16,22,25 обусловлен тем, что, ЕО-перрых, сни легко и с высоким выходом прегрог:зстся в тетрагидрокарбазолы II.12,17.18. Во-вторых, перегруппировка енгидрази-сов £2,25 позволяет в "чистом виде" изучить основную стадию реакции Сивера 22,25—>-25. ток как она в этом случае является лама-твруюсей (см. с.7).

В качестве сароко исследуемых моделей были гнбранн прилгид-раэсны, поскольку они более устойчивы и доступны в сгнтетичссксч плене, чем енгидрззипы, и, кроме того, именно гидразоин "асе всего слуга? исходным материалом в препаративных синтеза:: аг&олоз.

~ 6 -

Схема синтеза

- 2 13 ^

Ш ^^ ч<

\С»£0СН

I

а и и л^ййл"5 и.

15 %

* СН,СССЙ. Я ' ¿М5

1С

снз снг

17 Ш

I СеЦ, И—ИН

^О

снъ щ

Серия А 8-10 Я » Н (а), З-СН3 (б), 4(в), 3-0*.(г), 4-« (д),

3-ОСНд (е), 4-ОСН3 (*), 4-В*(з), 4-00002% <ш),

4-СЯ (к), 4-Н02 (л);

11 Н - Н (а), 5-СН3 (в), 6-СН3 (в), 5-се (г), 6-а (д),

5-ОСН3 (е), 6-ОСЯ3 (*>, 6-В* (з), б-СООСоНд (и).

6-СН (к), 6-Я02 (л);

12 В ■ 7-0% (б), 7-0* (г), 7-0С1Ц (е).'

Серия Б 8-16 В - Н (а), З-СН3 (б), 4-ОНд (в), 3-0« (г), 4-С4 (д), З-ОСН3 Се), 4-0С1Ц (ж);

17 К - Н (а), 5-0% (б), 6-СН3 (в), 5-01 (г), 6~сг (д), 5-ОСН3 (е), 6-ОСЯ3 (*)}

18 й - 7-СН3 (б), 7-С* (г), 7-ОСЛ3 (е).

То(К|=С1!з)

Ом-О

Я, си3

Я, И

27

[з,э]

н

я»

2Я

ТО

-мм.

Гз.з]

«»о

о/.

-V* л

26

п,12(Вт-;1) Т7,ТП(В|=СН3)

Спектрофотометрическям методом с использованием тестов на число компонентов среды показано, что изучаемые системы (гидраэоя —»- карбазол, енгадрезин —* карбазол) является двухкомпонентнкми зскрытыми. Иными словами, константа скорости реакций (проводимых в безводных растворителях), рассчитанные по убыванию исходного соединения и возрастание продукта реакции, совпадает.

Дифференциальным и интегральным'методами.бил определен первый порядок реакции в обеих изученных системах. Урарненге-I порядка для определения констант скоростей спектрофотометрическим методом представлено выражением (I). Для вычисления нвблцдэемоЯ константы скорости (Квдбл.) било использовано более универсальное уравнение (П), в котором концентрации соединений (о) определены номографическим способом.

сш,

где t - текущий момент времени (сек); С и Б - молярная концентрация (моль/л) в оптическая плотность: С0 а «• в начало реакции, С); I - гехугле, С.я в^ - в конце реакции. Относительная охибка при г-кчислекии не превышав*

При интерпретации кинетических данных реакции ¿агора использовались следуйте критерии отличия согласованных процессов от ступенчатых. Ео-первых, согласованные процессы оОычно подчиняются закономерностям, присущим реакциям первого порядка, и имеют боль-сие отрицательные величины энтропия активации, что уксзывает на образование циклического переходного состслгшг. Полярность растворителя несуцестгенно влияет на скорость процесса. Во-вторых, эти процессы сравнительно маю чувствительны к э4Ф«кта\! заместителей: несмотря на то, что, как пробило, электронодонорные группы ускоряют, а электроковкцепторные - замедляют сигмчтропные перегруппировки, в целом это изменение скорости не превышает 20-50 раз. В случае же реакций электро'ильного замещения это изменение скорости достигает нескольких порядков.

2. Влияние растворителей на скорость ицздяизеция арил-

• гидра ягно-р по С •■•■■ еру С целью количественной сценки влияния растворителей на скорость реакция Сйгера Сила исследована кинетика этого процесса г протонных и апротонзшх растворителях (эталек^ляколь, декан, д"ами-

ловы'Л эфир); их выбор обуслослен прозрачностью в области 200--400 им в УФ спектрах и возможностью "проведения реакции в широком? интервале температур (20-160°К Датою о скоростях термической И! кислотно-катализируемой перегруппировок м-за:.:аа;ешшХ арилгздразонов серий А и Б приведены в табл.1, енгадрззит 22 - в табл.2.

Полученные результаты (табл. 1,2) псказыгзют, чю для гадразо-нов 10,и енгядразина 22 реакияя С^гора мало чувствительна к воиазярукссй способности растворителя. Это означает, что в процессе реакции происходит небольшое изменение в разделении зерядсв уезду осисьпь'м и переходным состоякидаз. Другим* сдсгьул, переходное состоят сие шалевой стсдги рейюил £7—*"25> Р2.2Г>—-—является

малополярным, что СЕЯдетельстгует в пользу согласованного характера этой стадии.

Таблица I

Влияние растворителей па скорость реакции Сисера для арил-гндрвзонов . (серия А - 10, серия Б - 16)

„-О^ы-О ■ .

Условия реакции Но-!Замес-(маЫтятель Констан" гая. к* гы^скс^сти реек-|

СО—>1 едя! в не-! к кия! 140°' 130° | 1 110° Растворитель

1 4 4 ь о У ь

10а Л н 14,1 16,3 7,9 10,9 2,5 этиленгликодь декан

« «8 10<5 СНз н 25,0 26,7 15,4 14,9 5,6* 4,6* этвленгликоль декан

м 120° 110° 80°

о & Ь - у

0 V н ШЦ 13,0 . 7,1 1,2 зтзлекгликоль

м - 16а 13,8 6,3 . 1.1 декан

• 14,1 6,8* 1.2 диамиловый афвр

Ф - 28,2 17,8 3,2 этиленглаколь

{-" ■ 166 СНз сн3 25,1 •16,4 17,1 2,5 без растворителя декан •

2 моляг' 16а н. сн3 100,0 89,2 56,2 48,3* 10,0 9,8 эталенгликоль диамиловый эфир

(СН3)3СС001 2 мата . 16а н СНз 14,4 16,6 — 1.4 1.5 этиленглаколь диаьгидовка э£зр

- • Хбб СПз СНз 44.7 39.8 25,9 £0,4 4,5 4,7 этиленглаколь декан

Здесь в далее константы,,помеченные *, найдены экстраполяцией

в координатах Аррениуса.. .

'Удссь и далее количество-молей катализатора во отношению к I мол» исходного гидразона.

Таблица 2

Влияние растворителей на скорость икдолмзацяи енгядразлка 22

Условия реакции Константь 80° скорости, I 70° С-105, с-*1 60° Растворитель

I 2 3 4 5

Термическая (СН3)3СС0СН 2 моля 5,7 4,9 4,1 2,9 2,5 2,1 27,2 (50°) 18,8 (50°) 1.5 1.3 М 56,1 • 39,7 отиленгликоль диаюловый эфир декан этилекглкколь диамиловый эфир

3. Влияние электронных ¿акторов нз скорость индолизацив

Ранее влияние заместителей не ход реакции Сииера не всегда поддавалось удовлетворительному объяснению, что связано как с недостатками подхода к механизму этого вроцесса о точки зрения электрофильного замещения, так и ввиду отсутствия достаточного

количесТЕЭ окслерггленталышх дзнпнх, особенно по теркическо:! ип-долиззцги. В связи с этим нами проредекэ изучение влияния заместителей различной природы, находящихся в м- и п-г.олсу.ениях бензольного ядра, а тскхе при ато:.*лх азота на скорости тер'.яческой (табл.З) и кислотно-катализируемая (табл.4) перегруппировок гид-ро?о:юв 10,IG и енгидразина 22.

ЛзЕНые табл.3,4 показывают следующее. I. Ускорение процесса кцдолиззции наблюдается при Езедскги в бензольное ядро электроно-донорных заместителей, замедление - при введении электроновкцеп-торпах. Максимальное отношение констант скоростей не превышает при термическом процессе 90-100 раз (Е = CK, CII3), при кяслотно-катализируемем (2м IIoSO^) - 20-30 раз (R = С*Л3, Cl). 2. Скорости перегруппировок м- и n-звмеиенных гидразсков близки, хотя всегда наблвдается несколько болкпая скорость для п-изотерсв. 3. Бведе-Еие СЯд-груплы к «¿-arevy азота увеличивает скорость зпдзлизацга кок гидразонов (табл.З,4),.так в енгидразвнев: xcüctsnra скорости (К'Ю5, о-1) термической вндолизации в этиленгликсле при 60° енгидразина 22 равна 1,5; а енгидрззвна 25 - 0,8.

Таблица 3

Кинетические параметры термической перегруппировки арзлгидрззонсв ¿0 серии А и аралгидрззонов 16 серии Б

«TÔ^Û ш. . «70^*0

е 6 CMj

Соеушеияя t Рас- t Констскты cr.opoc.tt' .К» 10 .c~"L Кпг.тор ус—

Homo р В Г тво-ритель ' г. ' 150° 130° ■ ' 110° корения

1 i • » л» 3 <*- i> о /

103 106 |0в . H 3-сяз 4-CH3 Этклея- гликолз 25,1* 43,7 £0,1* 7.9 15,4 • 17,8 2,5 5,S* 6,3* I 1,7-2,3 2| | S

- 12 ~

Продолжегае табл.3

1 к! 3 -а '■"■ ..... £>'""..... ь

ТОг 3-С1 12,6"* 3,5 0,9 0,5-0,3

10д 4-С1 17,8* 5,0 1,3* 0,7-0,3

ГОе з-осн3 13,7 3,9 0,9* 0,5-0,3

10з 4-Вк 9,0 2,2 0,4* 0,4-0,08

1Си 4-СС0Со1% •ч 2,5 0,4 0,06*' 0,1-0,02

1Ск 4-СЯ~ о 1.3 . 0,2 0,02* 0,05-0,01

Юл 4-Я02 м в» очень медленно

Ч 140° 130° ПО0

16 а Н № 35,5* 20,9 7.1 I

166 з~сн3 О 79,4е 44,7* 17,8 2,2-2,7

4-СП3 125,9 79,4 31,6 3,5-5,9

1§г 3-С1 И 17,8 10,1. 2,8 0,5-0,3

Тбд А-С1 о 22,4 14,1 4,5 0,6-0,5 .

1ве з-осн3 89,1 56,2 20,0* 2 у 5~313-

16а • Н 55 31,6* 17,8 6,3 I

166 з-сн3 м 63,0* 44,6* 17,1 2,2-2,3

Гбг 3-С1 О 2,2 1.0 — ■ 0,07-0,03

Одно вз возможных объяснена?, результатов, пргвсдениых в пп.1 3, основано.на различии в основности арилгидразонов. Этот вывод! подтверждается наличием количественной зависимости констант ско-рооти перегруппировки (рК£ = -^К) гадразонов 10 серии А от констант ионизации соотъетствуших мснозамесекных анялинсв (значения рКа взяты из литературы), Коэффициент корреляции («) в среднее квадратичное отклонение (5) составили соответственно 0,97; 1,07 (ПО0) и 0,98; 1,07 (150°). Из наблхдаемзй корреляция рХ£ =^-(рКа) следует, что скорость термической реакции тем вы^в, чем более сидышм основанием является соотоетстлути:! сридадан. Крсмэ того,' наличие этой корреляции указывает на поронис прстскя в процессе перегруппировки арилгидрззснов, что подтверждает необходимость

стадии изомеризации ьрилгадрозон енгядраоин.

Таблаца 4

Кинетические параметры кислстно-каталаоируской серегругаирогкя гидразонов 10,16 (в этиленгликоле)

— —• s

(Rj - Н, гвдра301м JO; Bj = СН3, R "¡öl? J^)

**

гидразоны 16)

, Соединения «Условия?»..,. „ погости К-ТО5 с""1 ] Согтс? ПГ IреакцииIта"тМ. скорости,^-iu,,с-j усксро[ия

Номер} В (_ 110° 80° 60° ( fz = K^/fy

ТОг ГОж

Н •

3-сн3

4-ОСНо

H2S04 2 моля

19,0*

97,3

14,1

О R

29,2 2,0

56,2(130°) 199,5(130°) 44,7*(130°) 44,9(40°)

2,6-11,7 0,9-0,8

16 а 166

3-СНо

51о£04 0,1 мох

44,7* 79,4

7,9 12,6

2,0

1 f %J , м

I 1,8

1§а 166 16в Тбг

Ш

169 16ж

Н

3-СН3

3-с1

4-U

3—ОСН^

4-0СН-)

моля

56,2 251,4 398,1 39,8 50,2 794,3*

10,0 58,8 89,1 6,3 7,9 167,8

2,5

17.0 28,2

1.4 2,0*

50.1 ' 482,8(20°)

I

4,5-6,0 7,1-11,3 0,7-0,5 0,9-0,8 14,1-20,5

I) Измерялась скорость реакции между п-метокся$ензлгидрэзином и цяклогексаноном (без лцделеная гядразона). . -

Дополнительное сСт-яснеюе давт квантовохзмаческаа расчеты, срамдеюао хажо. Из дашшх табл.3,4 слздует esa один бяешЯ tu-вэд. Закономерности нлзягая заместителе.". на скорость терьачсскоЗ й!{дол23оцзз сохрзипатся сра перехода к каслотпо-каталазаруемому Ероц°ссу. Это гсЕОрт о неизменности ызхакззмэ вндолззздая и

рзссмотрешшх случаях.

Полученные результат по дгГ.сттлп электронных факторов ка скорость гоек:^:1 Сягера кнтерпретированы в пользу согласованного г-схспаз'/л образовг::гя сглзи С-С; реакция протекает через циклической переходное состояние:

- -О 1/1

» "0>-я

4. В-—■'••'•"'/р у.ас-"отпдсти с тф.».у гп старость тупу^ти Осногкал г.ель донной часта исследования заключалась в тем, чтобы гияи:хт|. ые-".-.-¡гость распространения концопцгя о ззрядно- ■ »кхузагу««* гсриг^гл/чесглх реакциях ( Helv.Cbim.Adx4 4973, У5$,: Я 1,2.75-105) из ропкцкр яндолизацаи. С другой стороны, задэча вмела и практическую напрзгленпость, поскольку в батьеткстве случаев синтез и::додсв по Слгсру в грепаративю/х целях осуществляется в мелей срсде.

Б настоящей роботе была прогсдекз оцоппз вли,т:шя па скорссть пере группировка И—{-с тилзрилги дрэ з онов 16 и енгидрззинез 22,25 как природы используемой кислоты, ток и ее .'.'сляриой концентрации. Результата исследований предста2ле:гц с тобл.5,6..

Таблиц 5

Влияете кислотности срсды ка сгорость регшии Сяс-зрз для Е-метял— арилгидразонов 1§ реакционной серги Б (в этиленгликсле)

е СИ,

Сгуу-лтатая ?

5_У С Л ОТ- И Я Р 88 С Г И Я !

Т :Терг.ш- ! ^"З'З0^"! ] { «2^4 {Теи

1 ¿1ер:ля- ¿- о о • < ^ ) "^'Ч \ хеьэе—

-екс! ® {ческая { 2 моля }0,1;.;оля{ 2 коля; 20 молей {ратура

| |«м-мм^ммммтммпмвммммвмАта I 1 ■ ■ • ■'■> <■•"■■•• Т и 1 и т щ н 1 |р6вКЦ/»2

Кснстантг; скотоетк " т«9 яугу.тл, К. Юэ .с"1

1 1 *< Л н 7 а

а н 13,0 14,4 — 1С0.0 - 120°

а з-сп3 28,2 44,7 446,7 -

- 15 -

Продслг.е:гае табл.5

1 г -л.....— 7 г™ ■

а б Н 7 ,1 17,8 7,3* 25,0 44,7* 79,4 5о,2 "11-Г г * — 110°

а б н з-сн3 1,2 3,2 1.4 4.5 7,9 12,6 10,0 58,8 158,5 562,3*

а б н 3-СНд 0,3 0,7* 1,1* 2,0 3,2 1 с о 17,0 ; 44,8 199,5 60°

в «г» А д 4-снз 3-сг 4-сг . 31,6 2,8 4,5 _ 398,1 39,8 50,2 110°

Таблица 6

Влияние кислотности среды на перегруппировку енгидра— зинов 22,25

й СЧЛ

Соеди- гт 0 Л 0 в и я ■о е л к п к ; Тс:лпе—

Ко-! „ ! тель «ческа? 2 -.-о-я !0.1мол& 2 моля!20 молаЯ ратура резкий

мер! Констгзнты СКОХ'ОС" и реяш 5И.1М01 5.0-1-

25 Н атилен- 0,8 42,0 _ 265,0 60°

СНз гликоль 1.5 0,8* 56.1 27.2 228,0 660,0 342,8 445,0 60° 50° 30°

22 сн3 ди амиловый эфар 1,3 0,7й 39.7 18.8 - 590,0 310,0 - 60° 50°

Кз данных табл.5,6 можно сделать такие выводы. I. Триметилуксусная кислота (2 моля) в незначительной степени ускоряет реакцию по сравнению о термической (для гидразонов 16

- 1С -

- в 1,5-2 роза; для енгидразянов 22,25 - в 20-50 раз), в то греет как то же количество серной кислоты {2 моля) вызывает ускорение в 10-20 раз и 300-400 раз соответственно.

2. Скорость реакции Сипера возрастает при увеличении количества добавляемой серной I си слоты (от 0,1 моля до 20 молей) для гидразоков К> от 6-10 раз до 100-200 (табл.5), в случае енгидра-зика 23 от 150 до 400 раз (2 моля П2204) в более (20 молей 1^50^) (тайл.6).

Интерпретация полученных данных основано на. том, что для ерилг::дрпз1нсп цяг-чогрг.санона кислота, присутствующая в реакционной смеси, кагалкзяруст прежде вссго скорость таутоморного равновесия Ссгт. с.У : 10.1в 27). что, естественно, увеличивает и скорость всего процесса янзолизацаи.

Известно, что протснирсвакие екгвдразиноь 22.25.27 приводит к образованию ггдрззониевых солей, которые в раствора находятся в равновесии с солью енгидразваа 29, причем в сально кислой среде возможно образование дипротокированной формы 30.

*2 »4%» д ©Г])

22(5,^3) : 29

25(ВГН;Р2=СН3) - 30

^(в^н.снзгв^н) ~~

Известно таюг.е, что анергия СЕязыхашдх ьюлекуяярных орбита— лей I- или 2-азааллилькых систем, вмсших положительный заряд, ниже энергии МО незаряженной системы. Так ксх именно комбинация двух азавллилышх радикалов представляет ссбой переходное состоя-цзе аза-перегруппировки Коуаа (реакция Си~ера - частный случай), которая ускоряется в прЕоутствии кислоты, то отседа слодует, что соединения типа 29,30 являются более регкпиокносзособгсжа, чем

% и

- 17 -

енгидразвны 22,25. Концентрация протонзропэшшх форм 29,30 й, следовательно, скорость реакции тем выше, чем больше концентрация кислоты, что в наблюдается экспериментально (табл.6). Труметил-уксусная кислота не может так же эффективно протопироьать енгидра-зины, как серная кислота, поэтому скорость реакции, катализируемой (СКз^СССОН, заметно ниже скорости реакции в присутствий Н^О^. Поскольку лимитирующей стадией перегруппировки енгидрази-вов является стадия образования сьязи С-С, то заметное ускорение реакции в присутствии кислоты (по сравнению о термической кндолн-эацией) свидетельствует в пользу того, что в данном случае осуаествляется зарядно-ин-дуцируемая перициклическая реакция, протекавшая через шестячленное переходное состояние с делокализованким зарядом:

5, Термодвнзуяческие пагам^ттм реакции Ситара и

корреляция по Гвммету Полученные нами значения величин энтальпии активации (¿1/, ккал/моль) и энтропии активации э.ед.) для всех исследован-

ных перегруппировок гидразонов 10,16 (при 110°) и енгидразина 22 (при 60°) изменяются в пределах: ¿Н^ от 12,9 (22, 2 м Н2204) до 31,2 (|0к, терм.); от -42,8 (106 , 2 м Н^О^ до -7,7 (10к, терм,). Невысокие значения дН^ и большие по абсолютной величине 8начв!Шя свидетельствуют в пользу концепции о согласованном механизме основной стадия реакция Сигора (относительная сгдбка » определении ¿1/ и не превышает 32»).

Для изучаемого процесса выполняется принцип ллнапкости свободах энергий: наблх^дается линегнзя зависимость ^ » ■ ^ с ксэ^пцгентсм корреляции г = 0,99.

- 18 -

£дя обеих исследованных реакционных серий А и Б наблюдается превосходная корреляция энтальпии активации с энтропией вхтиваця» tl? iS^ как для тергзческой, так и для кислотно-катализируемой ВНДОЛИ38ЦИЙ. Иаоквнетвческая температура (/*) в коэффициент корреляции (t) равны соответственно: 5IIK, 0,999 (серия А, термический процесс); 5IGK, 0,999 (серая А, кислотно-катализируемый пропесо); 60СК, 0,997 (серия Б, термический процесс); 890К, 0,970 (серия Б, кислотно-катализируемый процесо). Выполнимость взокинетического соотяосекия означает неизменность механизма реакции Нигера ила вдрнтичиост! состояний для любых членов реакционных

серий А и Б.

Кро'с того, выполнимость вышеназванных соотношений дала возможность кд£та корреляцию констант скоростей реакций о константами заместителей по Гамлету (уравнение Е). При этом учитывалось влияние заместителей (В) иа реакционные центры (.¿и/i), отвечею-Бие за разрыв связи E-KU-) и/или за образование связа С-С£Л).

С учетом влмкия заместителей одновременно на реакционные центры JLtJ>, с помо^ш гспрокскмаци по методу наименьших квадратов*^ нвйдепы следу азе загаси мости:

Лля реакционной серии А: в) термическая реакция, 150°, м- в п-зэмествтели

if - ~I,S7GJ| ♦ 0,0^) - 0,06; t. 0,926; 0,С87; б) термическая реакция, 150°, в-замествтеля

Ц. К/К0 » -I,78(d* - 0,05<%) - 0,12; % = 0,983; 5= 0,0Э4;

- -1,410" - 0,030*) * 0,01; 0,981; 0,150.

XJBce необходимые расчеты прсведены ка ЗКЛ Алексеегсй П.Р.

- 19 -

Для реакционной серии Б;

а) термическая реакция, 110°, м- я п-заместители

^.К/К0 - + 0,36^2> ♦ 0.14; Г- 0,985; 0,076;

б) кислотно-катализируемая реакция (2 моля Е^04), 80°, м- и п~ заместители

» -1,24«э| + О.вЭ^р + 0,36; Г- 0,954; ¿- 0,186.

Наличие хорошей корреляции именно с константамз (>* и (в не с константама (э я говорит о тем, что э|4<епт полярного сопряжения заместителей с реакционными центрами сказывается на скорости реакция Сивера, но нельзя отдать предпочтение вознякно-веют алектронодефяцитного или електрононасызенного центра па х-ь-митярулаей стадия реакция.

Результаты настоящей работы позволяют считать скоростьопре— деляпаей стадиев реакция индолззацаи арилгидразонов перегруппировку енгидразинз 27 (см. с.7) в диенонаша 28» Во-первых, обсае закономерности (влияние растворителеа, заместителей я каслэткэс-ти среды на скорость реакция), присущие енгидразивам 22,25, наблюдаются и для арилгидразонов 10,16,. Во-вторых,, отрицательный знак реакционной константы показываем,. что электронодонорные заместители в бензольном ядре облегчают,, а электроноакцепторные группы затрудняют реакцию Свшера, в то время как сдвигу таутсмер— ного равновесия от гидрззона к енгидразину должны способствовать электроноакцепторные заместители.

Малвя абсолютная величина реакционно® константы свидетельствует о малой полярности переходного состояния на лимитирующей стадия, то есть в пользу согласованного: механизма перегруппировки енгидразина: [3,3]-сигматройного сдвига-

6. Квантовотамячески* расчеты

6.1. Для предсказания влияния электронных факторов на ско—

рость реакции Сивера, а также для более обоснсвтаюй интерпретация экспериментальных данных било проведено квантовохЕмлческоа исследование термического процесса индолазацга.

Расчеты проводились*^ на оскотс связанного варианта теорга юзуулений в гоголе МО ЛХАО ССП. ДанннЗ подход бил применен для рассмотрения стадии образования связи С-С, что сседено к описаю» взагмодеЯстЕяя несвязанных (или слабо связанных) между собой 9Е-электронных систем.

В подтвержден;:" экспериментальных данных квантовоягмзческге расчеты екг:;:рпг.;:нл т.: г. а 2 (о.4) показали, что эл8КТронодонорт*ч заместителя, кзхо.-уг.яеся при атомах азота Н^ и/гла а также в о- я/или п-поло.т'11.;ях бензольного ядра (относительно фрагмента Н-К), пряг-одят к усгореглп индолизещш, действие акцепторных групп противоположно. Дснорнне заместители в м-положонаа орального ялга облегчают рескцяэ, причем,Солее зеыгодко протекание реакции в п-полсжекле к этс.-.у заместителю, а в.случае акцепторных в о-золожение по относегшю к ням.

6.2. Для получения дополнительной вн^оркацав о механизма стадии образования сеязи С-С в реакета Сксера проведены кьантовоха-кичасое расчеты2^ перегруппировки кодельного дивикзлгздразина по согласованно:^ 31—»-32—,-34 и аостадийному 31—»-33—>-34 механизмам методом :.11ЕЮ/3 в одчодстермзнантном приближена. '

Г

35

Л

^Расчеты прсгедекы д.х.н.Бьсоаким Ю.Б. и к.х.н.Земсгагм Б.П. в

Институте г.кзико-органяческоД хг:.ки и углехимия АЛ Усср,г.£снецк, "^Расчеты вгая-.мкы к.х.н.Клегскям М.2. в ВС! <*лзической и органической Рссто! ского государственного университета гмени Ы.А.Суслсьз.

- 21 -

Расчеты позво-тя.тз найти путь реакция о шпакам,ной энергией ЭГ—«-32—-3£ (внутреннюю координату реакции) и показали, что переходное состояние 32 £з,з]-сигма грозной миграция имеет структуру "кресла" (симметрия С2).

Анализ изменений одно- и двухцонтровых компонент полной энергии при переходе 31—-34 показал, что заместители, псеь?ло-ае элзктроотрацзтедыхость атомов пестгцентрсвого цикла в 21 должны стабилизировать переходное состояние и ускорять [з,з]-сдвиг.

По дзнкым расчетов ЫШГО/З постадийный механизм, включахсзй образование радикальной пары 33, а также согласованный [ 1,3}-сдваг (35)энергетически менее выгодны, чем £з,з]-сдейг.

ВЫВОДЫ

1. Проведено систематическое кинетическое изучение влияния среды и природы заместителей на скорость реакции индолазации аралгидразонов сиклогексанона по Сигеру спектрофотометрическям методом.

2. Впервые изучена кинетика термической перегруппировки 8рилгидразоков циклогексанона и показано, что влияние растворителей и электронные эффекты заместителей в бензольном ядре и при атомах азота согласуются о концепцией £3,3]-сигма троп наго сдвига на стадии образования связи углерод-утлеред в реакции Фишера.

3. Показано, что и в случае кислотно-катализируемой вндоля-ааста аралгидразонов (а екгидразвнов) сохраняется согласованный механизм; врсцесо осуществляется по тиау зарядяо-индуцируемой перициклической реакции.

4. Рассчитаны термодинамические параметры процесса индолазации (¿1?*, лЛ^). 1!а2дена яорссая корреляция копстапты скорости реакции с константами заместителей в ядре арилгидразяна по мету. Эта данные интерзратгругтея также в пользу согласованного

характера реакции.

5. Взерк;о прсведепы крантсвохвмаческяо расчеты процесса игщо— лязацгв. С помоаью метода ШКГО/З рассчитано, что для модельного • дгвякилгядразяна легче реализуется согласованны;! механизм серегруз-пировки, протекащей через сестичлекное переходное состояние (форма "кресло"), я предсказано влияние электронных факторов на ход атого процесса. Данные, полученные на основе связанного гарианта теории возлуденяй в методе ЫО ZKAO ССП, позволяли оценить влияние электронных эффектов заместителей «а скорость яндолвзация-срялгидразолов циклогсксагок;.. Г.случ^т-'в расчетные даяные хероео согласуются с эксперименте;/.

6. Обнпруеко, что ряд саятезароЕВнных соединенна обладает фунгвикдкий и росгрегулируюшей активностью.

Ос)тт'п:р грэулгтоты работы отражены р следуптах тгублУктучх;

1. Костромина ¿.П. Ыехакязк реакция Сишера. Исследование кинетядя перегруппировки арилгидрезопев циююгексанона в тетрагидрскорбазолн.

- в сб.: Иатериалы 7 г.он£ерекцзи молодых ученых JEH.Uocxca,1984,4.1, олез-165. . . - ---'"Ч . ■ •.' '".; • .

2. Пржевальский II.М.,Клейкий li.E..ГратаЗерг И.К., Постройка i.D. Механизм роогази Скзера., Перегруппировка К-игатил^естлгидразока, цгкло-гексавска я S, К-диме ти л-Л-фс ни л-й^( I-ци кло ге ксе нил) гидра за на в Э-*»е-тгл-1,2,3,4-^етрагидрсглрбезол. - ХГС,1985,Й 6,0.779-787.

3. Пржеряльский НЛ.,Костромгна Л.В. .Грекдберг 11.11." Механизм реакции Сзшера. Зл^'-.'.е электронных факторов на кинетику перегруппировки ме-та-замеаекных врялгидразовов цгглогексанока в тетрагидрокарбазолы.

- ХГС,1985,» 9.O.I207-I2I2..'

4. ПржесальскиЗ H.U. .Грацдберг И.И. Достр>«на JI.D. Исследование кзшшзмз серегрупплреtre et:хгд^зз^вв и г.ри.тгидразеноз в тетрагид-рокербезолы (резкцуя со.: 17 Московская хсп-;ерекция по органической хилса а тс ."ооую, 1985, с. 45-46.

Л 60773 17/11—86 г. Объем I Va П. л. Заказ 551. Тираж 100

Типография Московской с.-х. академии им. К. А. Тимирязева 127550, Москва И-550, Тимирязевская ул., 44

Бесплатно

/