Литиирование нафталиновой протонной губки и синтез ее производных с азотсодержащими заместителями в положениях 2 и 7 тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Антонов Александр Сергеевич

ЛИТИИРОВАНИЕ НАФТАЛИНОВОЙ ПРОТОННОЙ ГУБКИ И СИНТЕЗ ЕЕ ПРОИЗВОДНЫХ С АЗОТСОДЕРЖАЩИМИ ЗАМЕСТИТЕЛЯМИ В ПОЛОЖЕНИЯХ 2 И 7

02.00.03 - органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

10ИЮЛ2014

Ростов-на-Дону 2014

005550492

005550492

Работа выполнена на кафедре органической химии «Южного федерального университета»

(г. Ростов-на-Дону).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Пожарский Александр Федорович,

Заслуженный деятель науки РФ, доктор химических наук, профессор

Боровлсв Иван Васильевич,

доктор химических наук, профессор (ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федераль университет», институт живых систем, кафедра хими Ставрополь; профессор)

Астахов Александр Владимирович,

кандидат химических наук (ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государствен политехнический университет имени М. И. Плато кафедра технологии неорганических и органиче веществ, г, Новочеркасск; доцент)

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государствен технологический институт (технический университет)»

Защита состоится «11» сентября 2014 года в 14:00 часов на заседании диссертационного сов 212.208.14 при Южном федеральном университете по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Ста 194/2, НИИ физической и органической химии ЮФУ.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке Южного федераль университета по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге 21 Ж, 2 эт, а также на сайте Ь«р://1шЬ.5Ге<Зи.

Ваш отзыв в двух экземплярах, скрепленный гербовой печатью, просим прислать по адресу: 344 г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 194/2, НИИ физической и органической химии ЮФУ, учен секретарю диссертационного совета (e-mail: asmork2@ipoc.rsu.ru)

Автореферат разослан « / » июля 2014 г.

Ученый секетарь

диссертационного совета Д 212.208.14 доктор химических наук

Морковник А.С.

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Современная кислотно-основная шкала простирается в астрономическом диапазоне, охватывающем около 80 логарифмических единиц. На одном его конце находится самая сильная из ныне известных кислот гептафторсурмяная HjF+ SbF6" (Но = -31.3), на другом - метан и другие алканы с рКа в районе 50. Если суперкислоты применяются для протонирования очень слабых оснований, например аренов и даже ачканов, то в случае слабых кислот практическую ценность имеют их сопряженные основания, называемые супероснованиями. Они нужны для ионизации очень слабых кислот, и в этом отношении невозможно представить нынешнюю органическую химию без литийалкилов или литийарилов. Однако, металлорганические соединения или такие анионные основания, как диизопропиламид лития, очень чувствительны к влаге, углекислому газу и кислороду, что требует особых мер предосторожности при их хранении и использовании. Отсюда возникла потребность в сильных нейтральных основаниях, как правило, лишенных этих недостатков и, к тому же, обладающих рядом других преимуществ. Большим стимулом для развития данного направления стало открытие в 1968 году 1,8-бис(диметиламино)нафталина (1, сокращенно DMAN). DMAN в миллионы раз превосходит по основности обычные ариламины и на 2-3 порядка аммиак и апкиламины. Причина этого -близость двух диметиламино групп, вынуждающая их неподеленных электронные пары ориентироваться друг на друга (конформация 1, Win), что сильно дестабилизирует молекулу. Протонирование приводит к образованию хелатированного катиона 1Н+, в котором такая дестабилизация снимается, что дает большой выигрыш в свободной энергии.

рКа= 12.1 (Н2Ок 18.2 (McCN).pK, = 7.5 (DMSO) 2(рК„- 16.3)

Другая специфика DMAN заключается в том, что сам процесс протонирования-депротонирования сильно замедлен (на 5-6 порядков по сравнению с обычными основаниями) из-за попадания протона в глубокий гидрофобный «карман», образованный четырьмя метальными группами. Это обстоятельство делает термодинамически активное основание 1 в кинетическом отношении весьма инертным, что и послужило поводом назвать DMAN «протонной губкой». Почти полувековая история «протонных губок» неразрывно связана с поиском все более сильных нейтральных оснований такого типа. В частности, первоначально полагали, что введение заместителей в орто-положения к nep!/-NMe2 группам, благодаря так называемому «эффекту поддержки», вызовет сближение последних, тем самым еще больше дестабилизируя основание. Эта идея действительно сработала в случае 2,7-диметокси-1,8-бис(диметиламино)нафтадина 2, величина рК, которого оказалась на четыре порядка выше, чем у DMAN [J. Chem. Soc., Pertin Trans. 2, 1983,1895]. Однако со временем стало ясно, что здесь есть свои ограничения. Ярче всего они проявились в 2,7-бис(триметилсилил)производном 3, основность которого даже уступала родоначальнику ряда [Tetrahedron, 2008,6209], Выяснилось, что давление объемных SiMe3 групп на NMe2 группы настолько велико, что последние расходятся по разные стороны кольца, увеличивая расстояние N...N с 2.80 А в молекуле 1 до 2.90 А в 3. Кроме того, метилы одной из NMe2 групп в 3 вдавливаются в межазотное пространство, в результате чего неподеленная электронная пара этого атома азота инвертируется наружу, приводя к альтернативной

конформации in-out (показана на структуре 3), имеющей более низкую основность. В газовой фазе при 180 °С соотношение in-in и in-out форм в диамине 1 составляет ~2:1 при энергетической разнице между ними в 4.7 ккал/моль в пользу первой [У. Am. Cher». Soc., 1998, 4840]. В твердом виде или в растворе in-out форма может быть закреплена внутримолекулярной водородной связью (ВВС), как в случае третичного спирта 4. Интересно, что в его дизамещенном аналоге 5 в растворе реализуется быстрый взаимопереход двух изоэнергетических форм 5а и 5b [J. Org. Chem., 2007,3006].

№ nMS H

О NNO

Me

Il Me ™w.

Помимо интересных стереодинамических явлений, присутствие заместителей рядом с nep«-NMe2 группами существенно сказывается и на реакционной способности такт соединений. Так, например, ^-циановинилпроизводные 7 в результате не имеющего аналогов тандемного трет-змино-эффеста легко переходят в производные хино[7,8:7',8']хинолина 8 [Org. Biomol. Chem., 2011,1887]:

R Me Me R

McjV VMc; ,R Mc;N NMC.

OliC, '

7«-c

8»-c

a: R = Rj =CN: b: R = CN. R,= Ts: c:R-CN. RpCO.r,!

Сказанное выше делает весьма интригующим дальнейшее исследование 2-замещенных и 2,7-дизамещенных протонных губок, Однако успех начинаний здесь во многом зависит от доступности соответствующих металлорганических, особенно литиевых, предшественников. До сих пор единственным способом получения 2-литий- и 2,7-дилитий-производных DMAN был галогенлитиевый обмен в соответствующих орто-бромидах(иодидах) [J. Org. Chem., 2003, 10109]. В этой связи первой целью настоящей работы стало исследование прямого металлирования DMAN, что позволило бы избежать стадий введения галогена. Мы надеялись, что, как и в случае ММ-диметиланилина, металлирование затронет преимущественно ор/л о-положения.

MciN NMc2 Mc2N NMcj Me,N KMe3

Bul.i

Bul.i

ГьО

Второй целью нашей работы стало использование орто-литий производных БМАК для синтеза и исследования до сих пор неизвестных ср/по-альдоксимов 13 и ортокетоксимов 14. Оксимы представляют интерес как ОН-доноры, хемосенсоры, биологически активные вещества, лиганды для металлокомплексов и особенно как исходные вещества для получения всевозможных производных ОМАМ, в частности, нитрилов 15 и 16, ортоттпов и кетонов типа 17 и 18, соответственно.

МсИ КМй Я

кон

R

■ СИ

Л'

14 Я = Аг, А1к

15

КЙ-СК

Г7Х = МИ,К = Лг,ЛИ. 18 X - О. К = Аг. А1к

Научная новизна и теоретическая значимость. Проведено систематическое исследование прямого литиирования БМАЫ н- и трет-бутиллитием. Образно говоря, мы взглянули на обратную сторону «медали», т.е. СН-кислотность ОМАМ, если считать первой стороной его вьщающуюся основность. Установлено, что в отличие от Л'.Л'-димет ил анилина металлирование ЭМАЫ н-бутиллитием протекает менее селективно, приводя в кинетически контролируемых условиях к образованию смеси 2-, 3-, 4-литий- и 4,5-дилитийпроизводных в соотношении 2.7 : 4.7 : 1 : 3.2. В условиях термодинамического контроля (длительное выдерживание реакционной смеси) 2-литий- и 4,5-дилитийпроизводные постепенно исчезают, переходя в смесь примерно близких количеств 3- и 4-литийпроизводных. Образование З-Ы-ОМАЫ открывает путь клге/яа-функционализации протонной губки, что до сих пор казалось трудно осуществимым. С помощью рентгеноструктурного и спектральных исследований изучена структура 2-литий-1,8-бис(диметиламино)нафталина в твердом виде и в растворе. Установлен ее димерный характер и «//-ориентация 1-ЫМег группы, выступающей в качестве одного из лигандов.

Действием арил- и гетарилцианидов на 2-литий- и 2,7-дилитий-1,8-бис(диметиламино)нафталины получена серия соответствующих оршо-кетиминов протонной губки. Показано, что алкилкетимины лучше получать с помощью обращенной методики, когда о/дао-цианиды ОМАЫ обрабатываются алкиллитиевыми реагентами. Установлено, что в отличие от большинства других органических иминов, имины протонной губки отличаются повышенной гидролитической устойчивостью, что приписано сильному электронодонорному эффекту двух ЫМе2 групп. Известно, что для получения оксимов и иминов в качестве исходных веществ в органическом синтезе, как правило, используются кетоны и альдегиды. В нашем же случае значительно удобнее получать оксимы и кетоны из орото-иминов протонных губок ввиду их большей активности и доступности.

Найдено, что в определенных условиях орто-оксимная группа в оксимах ОМАЫ способна внутримолекулярно замещать 1-ЫМе2 группу с образованием труднодоступных производных нафто[2,1-г/]изоксазола или1-нафтола.

Практическая значимость работы. Хотя работа имеет фундаментальную направленность, ряд полученных результатов могут иметь очевидную практическую значимость. В первую очередь это относится к разработанным нами методам синтеза оксимов протонной губки путем оксимирования иминов, а также труднодоступных производных нафто[2,1-(/]изоксазола и 1-нафтола путем внутримолекулярного нуклеофильного замещения 1-КМе2 группы в ор/иооксимах БМАЫ. Мы полагаем, что важное значение имеет и обнаруженная в диссертации возможность 3-металлирования Б МАИ, открывающая хорошие перспективы для совершенно неисследованной мета-функционализации протонной губки. Очевидно, что многие из полученных новых соединений нафталинового ряда могут найти применение в качестве флуоресцентных и кислотно-основных индикаторов и биологически активных препаратов.

На защиту выносятся:

- результаты прямого литиирования 1,8-бис(диметиламино)нафталина и выявленные при этом закономерности;

- структурные особенности 2-литий-1,8-бис(диметиламино)нафталина в различных средах;

- методы получения 2-кетиминов и 2,7-бис(кетиминов) БМАЫ путем взаимодействия его о/дао-литийевых производных или орто-цианидов соответственно с арил(гетарил)нитрилами и алкиллитиевыми реагентами;

- результаты исследования физико-химических и структурных свойств, а также реакционной способности орто-кетиминов 1,8-бис(диметиламино)нафталина, в том числе новый метод получения кетоксимов путем обработки иминов солянокислым гидроксиламином;

- результаты исследования структурных и спектральных характеристик о/жгооксимов 1,8-бис(диметиламино)нафталина;

- термические превращения орто-оксимов 1,8-бис(диметиламино)нафталина, прежде всего, нуклеофильное замещение ароматической диметиламиногруппы с образованием производных нафто[2Дч1]изоксазола и 1-нафтола.

Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в двух статьях в международных журналах, а также в материалах четырех международных и одной всероссийской конференций (на всех международных конференциях автор выступал с устными докладами). Работа частично выполнялась в рамках грантов РФФИ № 12-03-31172, 08-03-00028, 11-03-00073 и 12-03-09399.

Объем и структура работы. Диссертация содержит 146 стр. и состоит из четырех глав. Первая представляет собой обзор, обобщающий имеющиеся в литературе сведения об оксимах нафталинового ряда. Во второй главе обсуждаются полученные нами результаты по металлированию протонной губки; в третьей главе описаны методы синтеза и свойства орто-иминов, сртсюксимов и ор/по-цианидов ОМАМ Кроме того, вторая и третья главы предваряются мини-обзорами, посвященными соответственно литийнафталинам и иминам бензольного ряда. Четвертая глава представляет собой экспериментальную часть, за которой следуют выводы и списки использованных сокращений и цитируемой литературы.

2 ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1 Лнтийпротводные протонной губки

Хотя протонная губка - сильное нейтральное основание, она, как и всякое органическое соединение с С-Н связями, может быть и потенциальной СН-кислотой. До последнего времени вопрос о проявлении ОМАЫ кислотных свойств оставался неизученным, несмотря на его очевидный препаративный и теоретический интерес. В настоящей работе установлено, что при определенных условиях кислотная ионизация протонной губки вполне достижима и даже может быть синтетически полезной. Мы провели большую серию опытов по металлированию ОМАЫ н-бутиллитием и /ирг/л-бутиллитием в различных условиях как в присутствии тетраметилэтилендиамина (ТМЕОА), так и без него. Смесь образовавшихся литийпроизводных обрабатывалась диметилформамидом (ОМР) для превращения в легко идентифицируемые альдегиды 19а-<1. Результаты экспериментов отражены на схеме 1 и в таблицах 1,2. Из них можно сделать следующие выводы.

I9d

Схема 1

1) В отличие от Л^-диметиланилина, метилирование DMAN протекает гораздо менее сслективно. В спектре ЯМР 'Н сырой смеси продуктов реакции (после прибавления DMF) в CDC13 наблюдались четыре альдегидных сигнала при <5 = 10.24, 10.03, 10.05 и 9.90 м.д. Они принадлежат соответственно 2-, 3- и 4-моноальдегидам 19а-с и 4,5-диальдегиду 19d. Их идентифицировали путем сравнения со спектрами известных образцов 19а,с,d. Ранее неописанный 3-апьдегид 19Ь был вьщелен в чистом виде хроматографически и его структура подтверждена спектрами ЯМР *Н и 13С, ИК и масс-спектрами. Несколько неожиданное обнаружение в смеси ощутимого количества 4,5-диальдегида 19d согласуется с известным фактом высокоселективного литиирования 1-литийнафталина до 1,8-дилитийнафталина, гызванного так называемыми агостическими взаимодействиями [7. Am. Chem. Soc., 1995, 1105]

Таблппа 1 - Влияние условий на литиирование 1,8-бис(диметиламино)нафталина 1

Опыт Р-ль Bu"Li, TMEDA, Время, T-pa, Состав смеси, %*

ЭКВ. ЭКВ. ч °C 1 19a 19b 19c 19d X19a-d

1 EtjO 1 0 24 25 100 0 0 0 0 0

2 Et20 1 1 24 25 92 2 3 3 <1 8

3 Et,О 4 24 25 63 10 15 10 2 37

4 EtjO 1 1 6 25 96 1 2 1 <1 4

5 EtjO 1 1 122 25 100 0 0 0 0 0

6 Et20 1 1 24 35 100 0 0 0 0 0

7 Et20 1 1 24 -20 100 0 0 0 0 0

8 Et,N 1 1 24 25 100 0 0 0 0 0

9 Hex 1 1 24 25 76 6 10 3 5 24

*После обработки DMF

2) Металлирование DMAN практически не протекает в чистом Et20 (табл. 1, опыт 1) и медленно начинает идти лишь при прибавлении TMEDA (опыт 2), Данное обстоятельство можно отнести к хорошо известной склонности н-бутиллития к агрегации. В эфирной среде (Et20, THF) этот реагент предпочтительно существует в виде тетрамера, в то время как в гексане в виде гексамера. В них нуклеофильный центр направлен внутрь агрегата, что снижает метаплирующую активность. Добавка TMEDA разрушает крупные комплексы, превращая их в димеры, активность которых гораздо выше, Оптимальной для металлирования DMAN является комнатная температура, при -20 °С нет никаких признаков реакции (опыт 7); нагревание или увеличение времени выдерживания также приводят к

уменьшению суммарного выхода продуктов металлирования (опыты 5, 6). Увеличение количества Bu°Li в присутствии TMEDA повышает выход до 36%, почта не изменяя их соотношение (опыт 3). Суммарный выход продуктов металлирования весьма умеренный и значительное количество DMAN регенерируется. В контрольных опытах мы установили, что это вызвано ожидаемо высокой нуклеофильностью литийпроизводных DMAN, в особенности 11а. Вследствие этого они протонируются диэтиловым эфиром, превращаясь в исходный диамин 1, Чтобы иметь более убедительное подтверждение высокой основности литийпроизводных 11а-с и 12Ь, мы получили одно из них (11а) независимо, а именно путем обработки бромида 9 Bu'Li в Et20 в присутствии или отсутствии TMEDA. Металлгалогенный обмен протекает легко уже при -20 "С без TMEDA. Однако, 2-литийпроизводное следует использовать быстро, так как оно подвергается протолизу и реакции Вюрца-Фитсига с выделяющимся в ходе реакции бутилбромидом, превращаясь в смесь диамина 1 и 2-я-бутил-1,8-бис(диметиламино)нафталина; последний был направленно получен путем кипячения литийпроизводного 11а в н-бутилбромиде. Оба побочных процесса сильно ускоряются при увеличении температуры и прибавлении TMEDA. Фактически соединение 11а полностью разрушается в эфире после стояния при комнатной температуре в течение 24 ч.

3) Замена диэтилового эфира при металлировании на менее СН-кислотный гексан приводит к существенному (до 71%) увеличению суммарного выхода литийпроизводных (таблица 2), хотя даже в гексане до 30% 1 остается в смеси и спустя 200 часов. Данное обстоятельство, очевидно, объясняется тем фактом, что TMEDA как СН-кислота, хотя и более слабая, чем Et20, все же протолитически разрушает литийорганические соединения DMAN.

Таблица 2 - Результаты литиирования 1,8-бис(диметиламино)нафталина 1 в н-гексане

Время выдерживания Состав смеси*, %

Опыт до добавления DMF, ч 1 18а 18Ь 18с 18d I18a-d

1 72 58 10 18 6 8 42

2 96 55 9 21 9 6 45

3 120 53 6 23 12 6 47

4 144 48 8 25 13 6 52

5 168 40 4 30 20 6 60

6 192 34 2 39 22 3 64

7 216 31 0 42 25 2 69

8 264 29 0 44 27 0 71

* После обработки DMF

4) Соотношение продуктов металлирования DMAN в и-гексане существенно зависит от времени выдерживания. Если при первом замере, сделанном спустя 72 ч, в смеси фиксировались литийпроизводные 11а-с и 12Ь с выходом 10, 18, 6 и 8%, то постепенно содержание 11а и 12Ь уменьшалось вплоть до их исчезновения через примерно 210 ч. В то же время, процент соединений lib и 11с увеличивался и в конечной смеси они становились единственными продуктами реакции с выходом 44 и 27%. Эти результаты можно интерпретировать как отражение кинетического и термодинамического контроля при металлировании. По-видимому, под влиянием -/-эффекта диметиламиногрупп и агостических взаимодействий вначале образуется заметное количество 2-литий- (11а) и 4,5-дилитийпроизводных (14Ь), однако, постепенно они изомеризуются в более устойчивые 3- и 4-литийпроизводные, из которых первое явно стабильнее второго: lib > 11с. Относительная

неустойчивость 2-литий и 4,5-дилитийпроизводных может быть результатом действия нескольких факторов, Так, в 11а должно существовать электростатическое отталкивание уже не двух, как в самой протонной губке, а трех вицинальных неподеленных электронных пар. Дополнительно к этому, l-NMe2 группа в 11а подвергается он<-инверсии для координации с литием (см. ниже данные РСА и квантовохимические расчеты), что требует дополнительных энергетических затрат. Что касается дилитийпроизводного 12Ь, его дестабилизация может быть вызвана общей высокой ^избыточностью протонной губки, которая должна сильно увеличиваться при появлении двух новых и к тому же близко расположенных анионных центров.

5) Металлирование DMAN трет-бутиллитием в гексане в присутствии TMEDA протекает существенно быстрее и в более мягких условиях, чем с н-бугиллитием. Это вполне согласуется с известной большей нуклеофильностью трш-бут ильного аниона. Однако, особенно привлекательно то обстоятельство, что с m/wn-бутиллитием совершенно не образуются 2-литий и 4,5-дилитийпроизводные 11а и 12Ь. Очевидно, большой объем этого реагента не дает возможности ему легко подойти к стерически затрудненным положениям 2(7) и 4(5), особенно при наличии в положении 4 одного атома лития. Можно констатировать, что взаимодействие 1 с дарет-бутиллитием определяется преимущественно термодинамическими факторами и в этом отношении данные опыты хорошо оттеняют результаты литиирования с помощью и-бутиллития.

Мы рассматриваем образование 3-литиевого соединения IIb как особенно удачное обстоятельство. Оно открывает путь к получению до сих практически неизвестных 3-замещенных DMAN, не образующихся, например, в реакциях электрофильного замещения.

При обработке бромида 9 н-бутиллитием в эфире мы обратили внимание на выделение металлорганического соединения 11а в виде крупных желтых кристаллов. Это навело нас на мысль провести их рентгеноструктурное исследование. Оно было выполнено в лаборатории рентгеноструктурных исследований ИНЭОС РАН, Было найдено, что, как и большинство других литийнафталинов, соединение 11а в твердом виде существует в форме почти симметричного димера с четырехкоординированными атомами лития (рис. 1). Они образуют ромбовидный фрагмент, в вершинах которого помимо атомов лития находятся углеродные атомы ароматических колец С-2 и С-2\ В качестве двух других лигандов для каждого атома лития выступают молекула диэтилового эфира и ои/-инвертированная l-NMe2 группа. Плоскость ромба (C-Li)2 составляет с плоскостью нафталинового кольца угол 64.4°. Примечательно, что это первый РСА литийаренов, выполненный в России.

Рис. 1 - Кристаллическая структура (lla)j(EtjO)j

Представлялось интересным выяснить, сохраняется ли димерная структура 2-Li-DMAN и в растворе. С этой целью в сотрудничестве с ресурсным центром «Магнитно-резонансные методы исследования» Санкт-Петербургского государственного университета было провеено ЯМР исследование соединения 11а. С помощью методики No-D ЯМР были записаны протонный и углеродный спектры в растворе THF. Из-за частичного протолиза 11а, вызванного его повышенной основностью, в полученных спектрах присутствует порядка 20% DMAN (рис. 2). К счастью, сигналы последнего хорошо вычленяются и легко идентифицируются путем сопоставления со спектром чистого образца DMAN. Наиболее интересным в спектре ЯМР 'Н является дублет при S = 7.64 м.д. Сильный сдвиг в слабое поле, а также аналогия с ЯМР 'Н спектром фениллития позволяет отнести его к протону Н-3, существенно дезэкранированному соседней связью C-Li. Сигнал в сильном поле при S = 6.51 м.д. на основании известных закономерностей ЯМР 'Н спектров протонных губок можно отнести к протону Н-7. Следует ожидать, что карбанионная природа 2-Li-DMAN должна способствовать дополнительному экранированию большинства кольцевых протонов, что и наблюдается в действительности.

20 19 18 17 16 1S 14 13 12 11 10 9 В 7 S 5 4 3 2 1 0

Рис. 2 -ЯМР 'н спектр 11а с примесью DMAN при -95 °С (THF, 400 МГц)

Значительная примесь DMAN особенно осложнила интерпретацию углеродного спектра 11а (рис. 3). Тем не менее, сигнал в самом слабом поле при <5= 171.81 м.д. можно однозначно отнести к атому углерода связи C-Li. Это вытекает из отсутствия пиков в этой области у самой протонной губки, а также из сходства его положения с аналогичным сигналом в спектре ЯМР ,3С 1-диметиламино-8-литийнафталина (S = 185.5 м.д.) [У. Chem. Soc. Dallon Trans., 2001, 1879]. Смещение этого сигнала в сильное поле в случае 2-Li-DMAN мы приписываем +М-эффекту диметиламиногрупп. При сохранении в растворе димерной формы 2-Li-DMAN пик при 171.81 м.д. должен проявляеться в виде септета (за счет взаимодействия с двумя атомами лития, ядерный спин которого составляет 3/2). Проблема получения хорошо разрешенных пиков в углеродной No-D ЯМР спектроскопии заключается в том, что на фоне недейтерированного растворителя малоинтенсивные пики накапливаются неэффективно, что особенно усугубляется мультиплетным характером интересующего нас сигнала. Тем не менее, хотя он и проявился с недостаточно высоким разрешением (рис. 3), мы склонны

рассматривать его как септет, а не квартет, что было бы в случае мономера. Таким образом, с достаточной долей вероятности димерная структура 11а сохраняется и в растворе.

110 200 190 180 170 160 ISO 140 130 120 no 100 90 80 70 60 SO *Ю 30 20 10 Dim

Рис. 3 - ЯМР 13С спектр 11а с примесью DMAN при -90 °С (THF, 400 МГц)

Для более глубокого понимания структуры и свойств С-литийпроизводных протонной губки представлялось целесообразным провести их квантово-химическое исследование. К сожалению, расчеты димерных структур типа (lla)2(Et20)2 в рамках современных методов, в частности, основанных на подходах DFT, требуют большого времени. Поэтому при сотрудничестве с доц. М.И. Клецким (Южный федеральный университет) и д-ром А. Филаровским (Вроцлавский университет, Польша) был выполнен ряд газофазных расчетов мономерных структур литийпроизводных и их простых комплексов. Большая часть расчетов осуществлялись как с учетом, так и без учета ZPE (Sum of electronic and zero-point energies) в базисах B3LYP/6-311-K3(d,p) и B3LYP/6-311G(d,p); результаты их в численном выражении мало отличались друг от друга и были принципиально одинаковыми. Некоторые данные дублировались с помощью более простого базиса B3LYP/6-31G(d,p).

Расчеты показали, что уже в газовой фазе структура 2-Li-DMAN с out-инвертированной l-NMe2 группой lla(out) более предпочтительна, очевидно, из-за образования координационной связи N—»Li. Это делает ее на 4-5 ккал/моль (в зависимости от базиса) устойчивее формы lla(in), что достаточно для компенсации затрат на ои/-инверсию l-NMe2 группы (-4.7 ккал/моль).

Согласно расчету 4,5-дилитиевого соединения 12Ь оба атома лития в нем располагаются симметрично выше и ниже плоскости нафталинового кольца, образуя координационные связи одновременно с кольцевыми атомами С-4 и С-5 (рис. 4). Такое расположение согласуется с другими примерами подобого типа, например, со структурой комплекса 2,2'-дилитийбифенила 20 с TMEDA, (рис. 5, PC анализ).

Рис. 4- Результаты квантовохимического моделирования структуры 12Ь в газовой фазе методом B3LYP/6-31 lG(d,p)

Рве. 5 - Кристаллическая структура комплекса 20(TMEDA)2

[J. Chem. Soc., Chem. Comm., 1982, 1184]

2.2 Орте-кетимввопроизводвые 1,8-бис(диметиламипо)вафталива

Действием ряда арил- и гетарилцианидов на 2-Ш)МАН 11а при комнатной температуре мы получили серию иминов 17 с выходом 65-89% (схема 2). Труднее протекает реакция для апкилцианидов из-за повышенной кислотности их а-СН связей, вызывающей протолиз 11а. Так, при обработке 2-У-ОМАЫ ацетонитрилом или ваперонитрилом соответствующие имины вообще не образуются, и из реакционной смеси выделяется только протонная губка 1. Несколько успешнее протекает синтез для т/>ею-бутилцианида, очевидно, из-за наличия в нем только /2-СН связей: выход имина 17Г составляет 43%.

IIa 17я R = Ph (65%)

17Ь R = 4-МСОС(,Т14 (60%) 17с R = I -нафтол (68%) I7d R = З-пирилил (69%) I7e U = 2-тнснил (89%) I7f R = прет-Вц (43%)

Схема 2

Учитывая данное обстоятельство, мы применили для синтеза нафтилалкилкетиминов обратный подход, а именно взаимодействие 2-цианопроизводного протонной губки с литийалкилами (схема 3). В этом случае имины с и-бутильной и метальной группами 17g,h были получены с выходом 70 и 52%, соответственно. Даже для имина с wpew-бутильной группой 17f выход при таком подходе увеличился с 43 до 55%. Фактически, оба эти подхода совмещаются при взаимодействия 2-Li-DMAN 11а с цианидом 15. Выход симметричного бинафтилкетимина 17i составил 44%.

С учетом еще большей нуклеофильности 2,7-дилитий-1,8-бис(диметиламино)нафталина (2,7-Li2-DMAN) 12а по сравнению с 2-Li-DMAN 11а представлялось интересным синтезировать также 2,7-дикетимины нафталиновой протонной губки. При обработке 2,7-Li2-DMAN бензонитрилом и 4-метоксибензонитрилом нами были получены диимины 17k,! с выходом лишь 14 и 11%, соответственно (схема 4). Другими продуктами реакции оказались монокетимины 17а,Ь, выход которых составил -30% каждого. Этот результат не оставляет сомнений в том, что 2,7-Li2-DMAN 12а подвергается существенному монопротолизу с образованием 2-Li-DMAN, который затем и превращается в монокетимин.

17яИ = Р|1(32%) 17Ы? = 4-МСОС,,Н4<28%)

17Ь и = РИ(14%) 171К = 4-МеОСйН4 < 11 %)

Схема 4

Чтобы избежать этого осложнения, мы изучили возможность постадийного введения иминогрупп. Для этого дибромид 10 действием одного эквивалента н-бутиллития превращался в менее основный 2-бром-7-литий-1,8-бис(диметиламино)нафталин 21, который без выделения последовательно обрабатывался бензонитрилом, бутиллитием и вновь бензонитрилом (схема 5). Как мы и предполагали, этот протокол действительно обеспечил почти четырехкратное увеличение выхода дииминов 17Н,Ь.

1) I жв.ВЛ1

3) I т ЯСИ -20 °С. 24 ч .1)11.0

17к(40%| 171(48»»}

Схема 5

Обрывая процесс прибавлением воды на стадии образования интермедиата 22, нам удалось получить также имин 17т, содержащий бром в положении 2 (схема 6), что открывает перспективы его дальнейшей функционализации.

МоИ КМс,

Схема 6

На примере диимина 17к мы испробовали возможность обращенной методики получения таких соединений. Для этого достаточно доступный (см. раздел 3.3) 2,7-дициано-1,8-бис(диметиламино)нафталин 16 обрабатывали двумя эквивалентами фениллития, что привело к образованию 17к с выходом 46% (схема 7).

Схем» 7

В спектрах ЯМР 'Н полученных иминов наиболее информативен сигнал NH, В CDCb он проявляется в виде широкого синглета, наблюдаемого только при достаточно больших концентрациях (-0.3 М) при 8 = 8.7 - 9.5 м.д, В DMSO-d6 этот сигнал заметно сужается, смещаясь в область 9.5 - 10.8 м.д. В спектрах ЯМР 13С сигнал углерода C=N группы находится при 8 = 179 - 193 м.д. В ИК спектрах иминов (в СС14) валентные колебания NH связи проявляются в виде узкого пика в диапазоне 3251 - 3265 см'1. Это обстоятельство делает маловероятным участие иминогруппы в образовании водородных связей.

Все полученные имины окрашены в желтый, оранжевый или красный цвет. В их УФ спектрах, как и в случае DMAN, имеется длинноволновая полоса поглощения в области 350 нм. Однако, в отличие от незамещенной протонной губки, она не обрывается при 400 им (за исключением имина 17f, который не поглощает после 400 нм и потому практически бесцветен), а тянется в виде слабой концевой адбсорбции до 440-450 нм, Это поглощение может быть отнесено к п->л* электронному переходу, локализованному внутри иминогруппы.

Нам удалось выполнить рентгеноструктурное исследование некоторых иминов, результаты которого представлены на рис. 6. Хотя в твердом виде все имины существуют в см/-форме (кроме 17i, где сии- и ¿wmw-формы не различимы), ВВС между 1-NMej и иминогруппами не образуется, т.к. последняя вывернута из плоскости нафталинового кольца на 68.2, 36.9 (40.2) и 90.4° для соединений 17Ь, 171 и 17g, соответственно. Примечательно, что в трет-бутилимине 17g l-NMe2 группа принимает сш/-конформацию; в молекулах 17Ь и 17i 1-NMej группа хотя и не инвертирована, но сильно уплощена: до £ф = 358.6 и 354.5°, соответственно. Ранее ои/-инверсия наблюдалась только для орто-третичных спиртов протонной губки из-за стабилизации оиг-формы ВВС OH...N типа (Tetrah. Lett., 2005, 3973.). Мы полагаем, что в случае 17g ом/-инверсия обусло&тена давлением объемного орто-заместителя на //-метильные группы, что вдавливает их в межазотное пространство.

Полученные имины содержат два основных центра, поэтому легкость и последовательность их протонирования имеют принципиальное значение. Казалось бы, что первое протонирование должно протекать по диметиламиногруппам с образованием катиона типа 23. Действительно, основность дифенилкетимина (рК, = 6.82) существенно ниже, чем у DMAN (рК, = 12.1). Однако, поскольку в наших кетиминах NMe2 группы сопряжены с группой =NH, какая-то часть электронной плотности может перейти на акцепторную иминогруппу, делая место первого протонирования неоднозначным. Это полностью подтвердилось при исследовании наиболее гидролитически устойчивого имина 17Ь. Мы получили его моноперхлорат и записали ЯМР 'Н спектр в DMSO-d6 (рис. 7). Было найдено, что в этих условиях он существует в виде смеси двух форм 23 и 24а с протоном на NMe2 группах или иминогруппе, причем вторая форма преобладает в соотношении 2:1 (схема 8). Обе формы легко различить по положению сигнала NH (8= 18.6 м.д.) в 23, характерного для катионов протонных губок; двухлротонный пик протонированной иминогруппы в 24а проявляется при 8 - 11,9 м.д. Мы не исключаем, что катион 24 может существовать и в хелатированной форме 24Ь с он/-инвертированной l-NMe2 группой. Косвенно об этом свидетельствует уширение сигнала l-NMe2 (8=2.1 м.д.) и особенно сильное уширение (до 1 мд.) пика =NH2+ группы, вероятно отражающее динамику процесса хелатирования.

а)

б)

Рве. 6 - Молекулярная структура иминов 17Ь (а), (б), 171 (б)

I в(<1) : I 7.40 ! ' 5(8.46)

I а {<)) ¡в {а)\

13(7.93) т-.1 , 13(8.42) А+В (тУ! ' ! 7.52 1

. лЛ»_Л

КЗ

А-8-КМе2 (<1) " 3.27 | 3 (2.28) !

иУ:

?, 8 Ж 8

12 5 12.0 115

« ю 79 71 7.7 7.6 7.5 7.4 7.3 П 7.1 7.0 38 3.4 30 2 6

ррт ррт

___ииа_

21 20 19 18 17 16 13 14 13 12 И 10 9 8 7 « 5 4 3 2 1 0

Рис. 7 - ЯМР 'н спектр перхлората имина 17Ь (ЭМБО-ёб, 250 МГц)

У'Ме М„,К N

Мс Меч\ ,11, Мс.Ы N 1- N

СЮ/

'ОМе

Схема 8

Методом конкурентного обмена мы попытались оценить основность имина 17Ь. Для этого к раствору его перхлората в ОМБО-<16был прибавлен один эквивалент ОМАЫ. Спектр ЯМР полученной смеси показал, что около 40% ОМАИ подверглось протонированию. Хотя это свидетельствует о слегка большей основности имина 17Ь, определить точно величину рК, последнего весьма затруднительно из-за сильной динамики и уширения пиков в ЯМР спектре смеси. Мы полагаем, что в данных условиях протонная губка полностью депротонирует форму 23 и частично 24, вступая в медленный протонный обмен с последней.

Уже упоминавшуюся гидролитическую устойчивость иминов 17 логично приписать сильному электронодонорному эффекту двух КМе2 групп, ослабляющему электрофильность углеродного атома связей С=Ш в основании и С=Ш2+ в катионе. Тем не менее, кипячение иминов в 10%-ной НС1 приводит к образованию кетонов 18, как правило, с хорошим выходом (схема 9). Строение имина заметно влияет на скорость его гидролиза. Так, имины 17а,с,с!&Ь,к,т с элетроноакцепторными и слабо электронодонорными заместителями, гидролизуются в течение 1-3 ч, в то время как гидролиз 17Ь,е,1,1, в которых иминогруппа сопряжена с сильными электронодонорами (ОМе, 2-тиенил, КМе2), занимает до 32 ч. Имин 17Г, содержащий объемный /ирет-бутильный заместитель, также гидролизуется весьма медленно (8 ч) и с низким выходом; вероятно, стерический фактор действует и в случае иминов 17с4.

Мс,\ Мй

№%НС1 к

4.1-36 ч || V

18

Схема 9

Интересно было сравнить гидролитическую устойчивость иминов 17 с похожими по структуре иминами бензольного ряда. С этой целью нами был синтезирован ранее неизвестный 2-диметиламинобензофенонимин 25 (схема 10). Как и ожидалось, он также проявил заметную стабильность при нагревании в кислой среде, однако, она все же существенно уступала иминам 17. Например, в сравнении с имином 17а гидролиз 25 протекал в 4 раза быстрее.

КМс, КМс,

I > РЬСЫ. Е120, -20 "С

^ 2)11,0 "' Л'П'54

25(77%) <99

Схема 10

Несколько неожиданным оказалось поведение имина 171 с двумя остатками протонных губок. Его кислотный гидролиз идет весьма медленно и осложняется гидролитическим замещением 1-ЫМе2 группы на гидроксил, в результате чего наряду с ожидаемым кетоном 181 образуется значительное количество нафтола 26 (схема 11), Мы полагаем, что в виду стерической затрудненности нуклеофильной атаки по иминному углероду в 171 (см. молекулярную структуру на рис. 6в) повышается вероятность атаки кольцевого атома углерода. Как будет показано ниже (раздел 2.3), подобные реакции облегчаются образованием хелатированного катиона в сочетании с присутствием элекгроноакцепторной группы в положении 2.

И,0

|И(10*Ь|

Схема 11

23 Орто-альдокснмы н о/дао-кетоксимы 1,8-бнс(диметнламнпо)пафталина

Благодаря доступности орто-альдегидов и орто-кетонов протонной губки, появилась возможность получать многочисленные производные этих соединений, в частности оксимы. Так, обработка альдегидов 6 и 18а солянокислым гидроксиламином с последующим подщелачиванием смеси позволила нам с хорошим выходом выделить альдоксимы 13а,Ь (схема 12).

К нашему удивлению кетоны, в отличие от альдегидов, оказались весьма инертными к действию гидроксиламина в широком диапазоне условий. Однако оказалось, что для синтеза кетоксимов в качестве исходных веществ вполне пригодны кетимины 17. Их кипячение с солянокислым гидроксиламином в этаноле привело к образованию кетоксимов с хорошим выходом (схема 13). По-видимому, повышенная активность кетиминов в реакции оксимирования обусловлено тем, что они реагируют в более активной иминиевой форме типа 23. На ход процесса влияет и строение самих иминов. Так, если имины 17а,Ь с хорошим выходом и без побочных продуктов превращаются за 2 ч в кетоксимы 14а,Ь, то гидролитически активный имин 17й наряду с ожидаемым оксимом 14% дает заметное количество кетона 18в, Синтез оксима 14т осложняется образованием изоксазола 27т -продукта внутримолекулярного нуклеофильного замещения 1-ЫМе2 группы (подробнее см. ниже).

\Мг. мц Ме.М ММе, мси Ме.М КМе, ~ м^.ы

И« К-II бЯ-СПО

13аЯ=И(№.> иЬК-СИ'К0П(6П,А)

Схема 12

14а.ь.е.ш сл."!/.)

!К8<15%)

Гш(|Г.|

Сима 13

Реакцию имина Ш, содержащего 3-пиридильный заместитель, с солянокислым гидроксиламином вовсе не удается остановить на стадии образования кетоксима 14(1: при попытке выделения он самопроизвольно циклизуется в изоксазол 27(1 (схема 15).

Г [О! I. шпяч,, 4 ч

Схема 14

Диоксимы 14к и 141 удалось синтезировать с хорошим выходом лишь при температуре ниже 40 °С; при более высокой температуре происходит сильное осмоление (схема 15). Разработанный нами способ превращения иминов в оксимы был распространен и на синтез оксима срото-диметиламинобензофенона 28.

Следует заметить, что при синтезе альдоксимов 13 образуется только один стереоизомер, тогда как кетоксимы 14 получаются в виде смеси син- и анти-форм (см. ниже).

Мс-К \Мс, зд, |) >л |,( я | ■ | мш ПШ.МТ.ЭДч :>ю%ин,

ПК-4-МсОС„1Г4

14Ш-Р||<46%>

141В ■ 4-МеОС0Н4 (43%)

Схема 15

В дополнительных опытах мы установили, что некоторые кетоксимы при плавлении или нагревании в ОМБО с высоким выходом циклизуются в нафтоизоксазолы 27 (схема 16).

N04

МеЛ'

Схема 16

В отличие от кетоксимов термолиз альдоксима 13а привел к образованию нафтоцианидов 15 и 29 с -30% выходом для каждого (схема 17). Если образование нитрила 15 - результат характерной для оксимов дегидратации, то образование нафтола 29 может быть следствием катализируемой основаниями и хорошо известной изомеризации изоксазолов 27п->29. Очевидно, что отсутствие в изоксазолах 27а,Ь^т способного к кислотной ионизации атома Н-3 делает их устойчивыми к раскрытию цикла. Наиболее вероятно, что основным катализатором в данном случае служит остаток протонной губки или 8-ИМе2 группа в 27п. Участие в этом качестве диметиламина, высвобождающегося при трансформации 13а-»27п, менее вероятно в свете стабильности нафто[1,2-с/]изоксазола в присутствии Е1эМ.

Mc,N NMc,

Me,N NMe.

29(32%)

Схема 17

Мы полагаем, что превращение 13—*29 протекает через равновесные количества увиттер-тна 30, обеспечивающего бифункциональный катализ. Действительно, как кислотная ионизация оксимной группы, так и образование ВВС в 30 должны существенно активировать нуклеофильный центр и уходящую группу (схема 18).

Me2N NMc-

„Н„

Mc2N + NMe2 N0"

Схема 18

Есть ряд косвенных доказательств этого предположения. Во-первых, нагревание оксима 13а в системе КОН-БМвО (150 °С, 1 ч.), в которой 13 существует только как анион 32, приводит к образованию лишь нитрила 15 (схема 19).

McjN

но "с и

15 (Wi)

Схема 19

Во-вторых, при продолжительном нагревании соли 13а НС1 в ЕЮН или THF нафтол 30 образуется лишь следовых количествах, в то время как плавление 13а'НС1 приводит к полному осмолению. Впрочем, нафтол 29 все же удается получить при кипячении 13а в уксусной кислоте в течение 4 ч, однако, его невысокий выход (18%) свидетельствует о недостаточной эффективности одного кислотного катализа.

На основе этих и других наблюдений мы предложили механизм циклизации оксимов в изоксазолы, состоящий из трех главных этапов (схема 20). Вначале под действием нагревания происходит разрушение димера оксима 13а (см, ниже результаты РСА); такие димеры типичны для большинства оксимов и часто бывают очень устойчивыми. Так как аняга-форма оксима 13а, образующаяся при распаде димера, стереохимически не подготовлена для циклизации, вторым этапом превращения, очевидно, должна быть анти -> cm изомеризация (адаш-13а-»«/н-13а). Наконец, последний этап представляет собой нукпеофильное замещение l-NMe2 группы, обеспеченное упоянутым выше бифункциональным катализом.

да-13« 30 27ц

Схема 20

Для большей уверености в участии цвиттер-ионного интермедиата 30 в процессе циклизации, мы попытались оценить конкурентным методом величины рК, оксима 13а как азотистого основания, так и ОН-кислоты. Рассмотрение ЯМР-'Н спектра эквимолярной смеси оксима 13а и перхлората протонной губки 1 в ЬШ0-с)6 показало, что его основность (рК, = 7.3,25 °С) примерно на 0.2 ед. рК, меньше в сравнении с ОМАИ. При попытке оценить ОН-кислотность не было обнаружено какого-либо протонного переноса в ОМБО-сЦ между 13а и 1. В тоже время удалось зафиксировать незначительную ионизацию оксима 13а в присутствии гораздо более основного 2,7-диметокси-1,8-бис(диметиламино)нафталина 2 (рК, = 11.5, ОМБСМб, 25 °С). Процент образовавшегося при этом аниона 31 (1.5%) позволяет осторожно оценить ОН-кислотность оксима 13а в районе рК, = 15.1. Столь значительная разница в рК, основного и кислотного центров молекулы соответствует содержанию 30 порядка 10'7 - Ю"6 М. На первый взгляд это количество пренебрежимо мало, однако циклизация может в принципе протекать и через равновесное количество цвиттер-ионов благодаря их высокой активности.

По-видимому, стадия анти-лсин изомеризации при циклизации оксимов является лимитирующей. Это косвенно подтверждается большей скоростью реакции (время циклизации 2-3 ч) для оксимов 14а,Ь,т, содержащих ароматические заместители, по сравнению с оксимами 13а и 14% (10-12 ч). Роль ароматического кольца может заключаться в уменьшении порядка связи С=Ы за счет сопряжения (схема 21).

Схема 21

При термолизе 2,7-диоксима 13Ь нуклеофильному замещению подвергается лишь одна КМе2 группа и образуются два дицианида 16 и 33 с выходом 20 и 32%, соответственно (схема 22). Этот эксперимент может служить еще одним свидетельством в пользу бифункционального катализа, так как образование ОН.-.И водородной связи в первоначально образующемся нафтоле 33 мешает дальнейшему переносу протона с оставшейся оксимной группы и, следовательно, препятствует активации ЫМе2 группы в отношении ее замещения.

160-165 "С

-Мс;К11

HON

Ub

Me,N NMe,

Схема 22

О наличии достаточно прочной ВВС в нафтолах 29 и 33 свидетельствуют их ЯМР 'Н спектры, в которых сигнал хелатированного протона проявляется при <5 = 16.5 - 16.6 м.д.. Примечательна интенсивная флуоресценция этих соединений: и значительный стоксов сдвиг: в ацетонитриле для 29 и 33 он составляет 99 и 83 нм, что свидетельствует о фиксации NMe2 группы, препятствующей гашению свечения.

Моно- и динитрилы 15 и 16 были получены с хорошим выходом при кипячении соответствующих оксимов 13 в уксусном ангидриде (схема 23).

..... ..........ОАсЛ ^

кнпич.. 2 ч

:>IO";,nii,

1J<R-H IJhR-CH-NOH

Схема 23

Плавление дноксимов 14к,1 приводит к их полной деструкции, образование изоксазолов при этом не наблюдается. Интересно, что оксим 2-диметиламинобензофенона 28, как мы установили, не подвергается подобной гетероциклизации (28->35): он остается неизменным в течении 2-3 ч при 120-130 "С (схема 24). Можно предположить, что в данном случае г/еиттер-тнтлИ интермедиат типа 34, постулированный для протонной губки не может образоваться.

Для альдоксима 13а и его гидрохлорида был проведен рентгеноструктурный анализ (рис. 8, 9). В твердом виде молекула существует в даш ¡/-форме с длиной связи С=Ы (1.272 А) типичной для оксимов. Оксимная группа выходит из средней плоскости ароматического кольца на 28°, вероятно, из-за стерического взаимодействия между альдегидным протоном и соседней ЫМе2 группой. Как и в большинстве производных О МАК, нафталиновое кольцо в 13а не строго плоское с твистингом 6.8° (угол между связями С2-С3 и С4-С7). Расстояние между атомами азота КМе2 групп составляет 2.82 А. Суммы углов при атомах азота Ы1 и Ы8-358 и 344°, т.е. азот 1Я1, как и во многих других ормо-замещеиных протонных губках почти планарен, сохраняя при этом /«-конфигурацию. В твердом виде молекулы 13я димеризованы

за счет О-H...N связывания. Водородная связь в димерах асимметрична: О-Н = 1.05 A, H...N = 1.86 А, угол между связями О-Н и N...H 150°. Кратчайшее расстояние O...N в димерах составляет 2.825 А. При переходе оксима 13а к его гидрохлориду кольцо практически планаризуется и структура димера сильно изменяется. В этом случае связывание двух молекул оксима происходит за счет встраивания между ними мостика, состоящего из кластера двух молекул воды и двух хлорид-ионов (рис. 9). ВВС N-H...N типа в 13а"НС1 асимметрична: длины связей Nl-H и N8-H составляют 1.56 и 1.07 А, соответственно; угол NHN равен 160.4°.

Рис. 9 - Кристаллическая структура и водородное связывание в гидрохлориде оксима 13а

Спектры ЯМР 'Н полученных оксимов более информативны в ОМБО-(16, чем в СЕ)С1з. Так, в ОМЭО-^ ОН протоны проявляются при 3= 11.1 - 11.4 м.д. в виде острых синглетов, тогда как в С ОСЬ они сильно уширены, иногда становясь невидимыми. Сигналы ОН протонов син- и аити-форм в ЮМБО лучше дифференцируются, в то время как в СЕ)С1з они сливаются, образуяобщий широкий пик, смещенный в сильное поле (на ~ 2 м.д.) по сравнению с сигналом ОН в ОМБО. Спектры кетоксимов содержат по два набора сигналов, отвечающих еда- и дата-формам что (рис. 10). В случае диоксимов 14к,1 сигналы утраиваются из-за одновременного присутствия син-син-, син-анти- и анти-анти-форч)\ соответственно пики КМе2 групп приобретают мультиплетный характер (рис. 11). Сравнение положений сигналов ОН протонов в альдоксиме 13а (рис. 12) и кетоксимах не позволяет однозначно отнести их к емн- или аши-формам.

В отдельном эксперменте нам удалось выделить преобладающий в смеси изомер оксима 14а (¿он =11.3 мл.), и методом ШЕБУ спектроскопии установить, что он представляет собой сш-форму (рис. 13). На это указывает корреляционный пик между протонами ОН и 1-КМез групп. Обращает на себя внимание, что стерически более напряженная син-форма образуется в большем количестве. Нельзя исключать, что мезду протоном ОН и атомом азота 1Ше2 группы все же существует слабая ВВС, стабилизирующая эту форму в кристаллах.

Рис. 8 - Кристаллическая структура димера оксима 13а

I £§ ЦП I SSS§SS13S

I I i / \S\ I S\ U SI > I/

7.59 7 50 7.« 7Л 7.Я 7.30 7.25 7,20 7,a 7.10 7,OS 7.00 8.95

»я ¿«я

2.8 27 2.6 2.5

JL

22 а 20 » 18 17 14 15 И 13 12 Ц 10

Рис. 10 - ЯМР 'Н спектр кетоксима 14а (DMSO-d6,250 МГц)

Рис. 11 - ЯМР 'Н спектр дикетоксима 141 (DMSO-d6> 250 МГц)

19 19 17 18 15 14 1) 12 И 10 « ) 7 < » « } 2 1 0

да*

Рис. 12 - ЯМР 'Н спектр альдоксима 13а (0М8О-<16,250 МГц)

гъцмил ян

)ПлЬка»(с*|< Я ! ¡млгФчО'Ггмаку (¡кмэ,И0.Н!

•юл « 1

«-""Ч

И»

ИЛ 105 ЮС М М 0.3 ва 7.5 7Л вЛ 61 15 5.0 4Л 4Л 3.5 3.9 ЗЛ 2.0 13 ррт

Рис. 13 - ШЕ8У спектр сда-формы оксима 27а (ацетон-^,250 МГц)

В спектрах ЯМР |3С сигнал углерода С=К связи находится в более сильном поле (3 = 138 - 140 м.д.) чем у других оксимов нафталинового ряда (<5= 150 - 156 м.д.). Мы объясняем это сильным +А/-эффектом двух диметиламиногрупп.

ИК спектры оксимов в вазелиновом масле и КВг малоинформативны, в то время как спектры в СС14 при различных концентрациях, говорят о наличии устойчивых димеров даже в растворе. Все оксимы имеют светло-желтую окраску, которая может быть связана с наличием в их УФ спектрах малоинтенсивного концевого поглощения, частично

захватывающего видимую область. В этом отношении просматривается сходство между оксимами и иминами.

ВЫВОДЫ

1. Впервые проведено систематическое исследование прямого металлирования 1,8-бис(диметиламино)нафталина («протонной губки», DMAN) и- и /ире/и-бутиллитием. Оптимальными условиями реакции являются использование гексана в качестве растворителя, /яре/я-бутиллития в качестве металлирующего агента, низкая температура (-20 °С) и добавка одного эквивалента TMEDA (в расчете на трет-бутиллнтий). Реакция практически не протекает в диэтиловом эфире в отсутствии TMEDA из-за высокой основности литийпроизводных DMAN, подвергающихся протолизу со стороны Et20 и в меньшей степени самого TMEDA.

3. Проведен рентгеноструктурный анализ 2-литий-1,8-бис(диметиламино)нафталина. Он выявил димерное строение последнего, сформированное за счет координации каждого атома лития с атомами С-2 и С-2', одной ои/-иивертированной NMe2 группой и одной молекулой диэтилового эфира. Согласно квантово-химическим расчетам ои/-инверсия стабилизирует молекулу 2r№thñ-DMAN и в газовой фазе.

4. Действием арилцианидов на 2-литий- и 2,7-дилитий-1,8-бис(диметиламино)нафталины или алкиллитиевых реагентов на 2-циано- и 2,7-дициано-1,8-бис(диметиламино)нафталины получена серия ранее неизвестных орто-кетиминов протонной губки. Последние в отличие от многих других органических иминов отличаются гидролитической устойчивостью, что на основании РСА исследований и особенностей протонирования объяснено повышенным +М-эффектом пери- диметиламиногрупп.

5. Полученные имины протонной губки использованы для синтеза соответствующих орто- кетонов (путем кислотного гидролиза) и орто-кетоксимов (действием гидроксиламина). Показано, что традиционный метод получения оксимов, заключающийся в оксимировании кетонов, в данном случае не работает. В отличие от орто-кетонов моно- и диальдегиды DMAN при обработке NH2OH' НС1 дают альдоксимы с высоким выходом.

6. Показано, что в кристаллах 2-альдоксим протонной губки и его гидрохлорид существуют в ддаяы-форме с гидроксилом, отвернутым в сторону от нафталиновой системы. Получены спектральные свидетельства, что эта форма реализуется и в растворе. В отличие от альдоксимов, орто-кетоксимы DMAN находятся в растворе в виде смеси анти- и син-изомеров, которые легко идентифицируются благодаря различиям в химических сдвигах их ОН-протонов.

7. Установлено, что ор/ио-кетоксимы DMAN в условиях термолиза (120-160 °С) претерпевают внутримолекулярное нукпеофильное замещение l-NMe2 группы, образуя в качестве единственного продукта соответствующий 9-диметиламинонафто[2,1-<Аизоксазол. Более сложно этот процесс протекает для ор/ио-альдоксима DMAN, приводя к образованию примерно равных количеств 2-цианида DMAN (результат простой дегидратации) и 2-циано-8-диметиламино-1-нафтола. В случае 2,7-диальдоксима наряду с 2,7-дицианидом образуется 2,7-дициано-8-диметилачино-1-нафтол. Образование нафтолов, стабилизированных ВВС 0-H...N типа, - результат катализируемой основаниями изомеризации оксазолов, сопровождающейся раскрытием гетерокольца. Получены свидетельства, что замещение 1-NMe2 группы в этих реакциях становится возможным благодаря бифункциональному кислотно-основному катализу, связанному с переносом ОН протона с =NOH на лера-ЫМег группы.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Статьи:

1) М.А. Povalyakhina, A.S. Antonov. O.V. Dyablo, V. A. Ozeryanskii, A.F. Pozharskii. H-Bond-Assisted Intramolecular Nucleophilic Displacement of the !-NMe2 Group in 1,8-Bis(dimethylamino)naphthalenes as a Route to Multinuclear Heterocyclic Compounds and Strained Naphthalene Derivatives. The Journal of Organic Chemistry, 2011,17,7157-7166

2) V.A. Ozeryanskii, A.F. Pozharskii, A.S. Antonov. A. Filarowski Out-Basicity of 1,8-bis(dimethylamino)naphthalene: The experimental and theoretical challenge. Organic & Biomolecular Chemistry, 2014,12,2360-2369

Тезисы:

3) A.S. Antonov. A.F. Pozharskii. Two kinds of heterocyclisation in proton sponges leading to the formation of naphtho[2,l-d]isoxazoles and benzo[g]indol derivatives. Сборник материалов XXVth European Coloquium on Heterocyclic Chemistry, стр. PP-1, Reading (UK), 13-17 августа 2012.

4) M.A. Поваляхина, A.C. Антонов. А.Ф. Пожарский Новый вид гетероциклизации в производных 2-формил-1,8-бис(диметиламино)нафталина. Сборник материалов XIII молодежной школы-конференции «Актуальные проблемы органической химии», стр. 32 -Новосибирск, 12-19 сентября 2010.

5) А .С. Антонов. А.Ф. Пожарский. Новые гетероциклизации в орто-альдоксимах и кетоксимах 1,8-бис(диметиламино)нафталина. Сборник материалов II Международной научной конференции «Новые направления в химии гетероциклических соединений», стр 80, Железноводск, 25-30 апреля 2011.

6) А.С. Антонов. А.Ф. Пожарский. Синтез и реакционная способность орто-кетиминов на основе 1,8-бисСдиметиламино)нафталина. Сборник материалов секции «органическая химия» Шестой Всероссийской конференции молодых учёных, аспирантов и студентов с международным участием «Менделеев-2012», стр. 41-42, Санкт-Петербург, 3-6 апреля 2012.

7) А.С. Антонов. Литийпроизводные «протонной губки»: синтез, строение, свойства. Сборник материалов секции «металлорганическая и координационная химия» Восьмой Всероссийской конференции с международным участием молодых ученых по химии «Менделеев-2014», стр. 125-126, Санкт-Петербург, 1-4 апреля 2014.

Автор выражает благодарность А.В. Ткачук и О.Н. Бурову • сотрудникам лаборатории ЯМР химического факультета ЮФУ - за запись высококачественных спектров; профессорам Санкт-Петербургского государственного университета: М.А. Кузнецову и В.Ю. Кукушкину и сотрудникам ресурсного центра СПГУ «Магнитно-резонансные методы исследования»: П.М. Толстому, С.Н. Смирнову, А.Ю. Иванову и М.А. Вовк за консультации и помощь при проведении ЯМР-исследований 2-литий-1,8-бис(диметиламино)нафталина; сотрудникам ИНЭОС РАН: К.Ю. Супонитскому за проведение рентгеноструктурных исследований и Д.С. Перекалину за помощь при выращивании кристаллов 2-литий-1,8-бис(диметиламино)нафталина; Автор также благодарит М.Е. Клецкого (Южный федеральный университет) и А. Филаровского (Вроцлавский университет) за квантово-химические расчеты литийпроизводных 1,8-бис(диметиламино)нафталина.