Реакция щелочной конденсации метиларилкетонов и аононитроаренов как новый метод синтеза ароматических енаминокетонов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

РГ6 од

11:11 ;Я°7 На правах рукописи

ТАРТЫНОВА Марина Игоревна

РЕАКЦИЯ ЩЕЛОЧНОЙ КОНДЕНСАЦИИ МЕТИЛАРИЛКЕТОНОВ И МОНОНИТРОАРЕНОВ КАК НОВЫЙ МЕТОД СИНТЕЗА АРОМАТИЧЕСКИХ ЕНАМИНОКЕТОНОВ

02.00.03-0рганическая химия

А ВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

ТОМСК - 1997

РАБОТА ВЫПОЛНЕНА в Томском политехническом университете

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ доктор химических наук Новиков А.Н.

кандидат химических наук Москалев Н.В.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

доктор химических наук Сироткина Е.Е. кандидат химических наук Хлебников А.И.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ Томский Государственный

университет

Защита состоится " ^ " ()£$/др}\991 г. в IЧ часов на заседании диссертационного совета К 063.80.07 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата химических наук по адресу г. Томск, пр. Ленина, 43, ХТФ, ТПУ.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ТПУ

Автореферат разослан Р- ¿ ^/б>Х1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.х.н. Савченко Т.И.

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Для нитробензола и других мононитроаренов хорошо изучены реакции ароматического кольца и восстановления нитрогруппы, но как азоаналогам карбонильных соединений, им уделялось мало внимания. При рассмотрении молекул мононитроаренов теоретические представления и математические расчеты совпадают в том, что максимальный положительный заряд сосредоточен на атоме азота. Следовательно, нитрогруппа может обеспечить электрофильный центр для реакции присоединения по типу альдольной конденсации. Немногочисленные примеры внутримолекулярных реакций с участием углеродных нуклеофилов подтверждают это предположение. Межмоле-кулярлый вариант реакции был неизвестен. В последние годы применение реагентов и катализаторов со сверхвысокой основностью (рН > 18,5) в органической химии приобретает систематический характер. Их преимущества: доступность и дешевизна, исключительно широкая вариабельность каталитических эффектов, простота в обращении сделали их надежным инструментом современного синтеза. В частности, суспензия ОМЗО/КОН хорошо зарекомендовала себя в области щелочных конденсаций СН-кислот. Вышесказанное позволяет сформулировать цель исследования: реализация и исследование межмолекулярной реакции конденсации между ЫСЬ-группой мононитроаренов и различными СН-кислотами.

Научная новизна. Обнаружено новое химическое превращение в ряду мононитроаренов в системе ОМБО/КОН. Получены результаты, позволяющие полагать, что процесс протекает через стадию нуклеофильного присоединения СН-кислоты к нитрогруппе. Результаты работы демонстрируют аналогию в химическом поведении соединений разных классов — нитроаренов и карбонильных соединений.

Практическая ценность. Разработаны новые подходы к синтезу двух классов органических соединений: (2)-ариламино-1,2-диароилэтиленов и 1,4-диароил-1,2,4-бутантрионов. Синтез последних, кроме того, представляет собой новый метод окислительного сочетания метиларилкетонов.

Апробация работы. Отдельные части работы представлялись на VII и VIII Международных конференциях по химическим реактивам Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии (Уфа-Москва 1994, 1995 г.г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи и два тезиса докладов.

Обсуждение результатов 2. Реакции нитроаренов с СН-кислотами.

2.1. Конденсации нитроаренов с ацетофеноном в среде БМвО/КОН.

2.1.1. Конденсация нитробензола с ацетофеноном

Хотя нитрогруппа является азотистым аналогом карбонильной, наблюдать межмолекулярное нуклеофильное присоединение СН-кислот к нитрогруппе мононитроаренов по типу альдольной конденсации до сих пор не удавалось. Нами впервые было обнаружено, что моль нитробензола конденсируется с двумя молями ацетофенона (АФ) в системе ЭМБО/КОН, образуя (г)-1,4-дифенил-2-фениламино-2-бутен-1,4-дион (1а) (схема 1).

Схема 1.

РИЫОо + МеСОРИ

'2

КОНЮМБО

СОР11

1а

Структура соединения 1а однозначно доказана методом РСА. Согласно данным рентгеноструктурного анализа (рис.1), РЬС=0 группировка аддукта 1а повернута вокруг С(1)-С(2) связи на 68.3 (1)° относительно плоскости С(2)-С(3) двойной связи, тогда как фенильная группа фрагмента РЬК повернута на 38.2(1)° вокруг С(2)-Щ2) связи, а фенильная группа РЬС(4) на 22.4(1)° вокруг С(4)-С(17) связи. Параметры межмолекулярной водородной связи 1М(2)-Н...О(4) следующие: Н...0 1.96(3) Е, N...0 2.661(4) Е, К-Н...0 141(3)°.

Длины связей, (Е): С(11)-1чГ(2) 1.424(4), М(2)-С(2) 1.634(4), С(2)-С(3) 1.355(5), С(3)-С(4) 1.436(5), С(4)-С(17) 1.489(5), С(1)-С(5) 1.472(5), С(1)-0(1) 1.219(4), С(4)-0(4) 1.239(4).

В спектре ПМР продукта 1а наблюдаются синглетные сигналы олефинового протона (НС=) при 5,95 м.д. и протона ЫН группы в области 13,1 м.д. В ИК-спектре продукта 1а имеется сильная полоса поглощения карбонильной группы 1657 см-1, а также широкая полоса поглощения при 3400 см1, характерная для связанной ИН-группы.

Масс-спектр продукта содержит интенсивный пик молекулярного иона 327 а.е.м. и сигналы осколочных ионов, соответствующие отрыву фенильного фрагмента и группы РЬСО.

С целью выяснения препаративных возможностей этой реакции мы распространили ее на другие мононитроарены и СН-кислоты (схема 2).

Условия протекания реакций и выходы енаминокетонов приведены в таблице 1.

Схема 2

О

Аг'Ы02 + Аг-С-СН

II

ОМБО/КОН

» Аг' ЫН(СОАг)=СНСОАг 1а- 1к

Рисунок 1. Пространственное строение молекулы {7,)-1,4-дифенил-2-фениламино-2-бутен-1,4-диона.

Таблица 1

Условия синтеза и характеристики ариламино-1,2-диароилэтиленов 1а-к.

1 Аг Аг' Условия время, ч Т,°С Тпл., °С Выход ,%

1а РЬ РЬ 72 20 124-125 50

16 РЬ 4-Е12>ГСбН4 72 50 112-113 81

1 в РЬ 4-Вг-СбН4 24 20 158-159 30

1 г РЬ 4-С1С6Н4 24 20 148-149 26

1 д РЬ 4-РСбН4 24 20 161-162 18

1е РЬ 9- метилкарбазол--3-ил 48 50 191-192 48

1ж РЬ 4-МеОСбН4 24 40 115-116 55

1з тиен-2-ил РЬ 24 40 137-138 58

1и 4-ВгСбН4 РЬ 24 20 164-165 40

1 к 4- РЬзИСбНд 4-Е12МС6Н4 72 50 масло 76

Нами установлено, что конденсация протекает в мягких условиях и характерна для ряда различных мононитроаренов и метиларилкетонов.

2.1.2. Конденсации пара-замещенных нитробензолов с ацетофеноном в

среде БЗУЕЗО/КОН.

Нуклеофильное замещение галогенов является одной из наиболее характерных реакций п-галогеннитробензолов. В этой связи представляло интерес выяснить, каким будет главное направление реакции при наличии легко замещаемого галогена в п-положении к нитрогруппе субстрата. С этой целью были проведены реакции ацетофенона с рядом п-галогензамещенных нитробензолов. Учитывая электрофильное влияние галогенов в п-галогеннитробензолах по сравнению с нитробензолом, можно было ожидать изменения реакционной способности субстратов в двух направлениях. С одной стороны - возможность нуклеофильного замещения галогена, с другой - ускорение нуклеофильного присоединения к нитрогруппе за счет увеличения электрофильности атома азота по сравнению с самим нитробензолом. Действительно, эксперименты показали, что реакции протекают при комнатной температуре и заканчиваются через 24 часа. Выход продуктов присоединения к ЬГОг-группе (1в, 1г, 1д, табл.1) понижается в ряду Вг>С1>Р. Обнаруженная последовательность соответствует увеличению нуклеофугности ионов галогенов в реакциях ароматического нуклеофильного замещения, т.е. выходы продуктов присоединения снижаются в пользу продуктов совокупного нуклеофильного замещения по мере увеличения подвижности галогена в субстрате. Это подтверждается возрастанием выхода 4,4'-динитродифенилметана (4%, 6% и 10% соответственно). Последний вероятно появляется вследствие щелочного расщепления продукта нуклеофильного замещения галогена по предполагаемой схеме 3.

Схема 3.

О'

В сверхосновных системах на основе ИМБО/КОН заметное количество основания, находящегося в жидкой фазе, представляет собой димсил-анион, образующийся по реакции СНз-БО-СНз + В' = [СНз-БО-СНг]- + НВ. Поскольку этот ион очень реакционноспособен, а равновесие подвижно, сверхосновные системы такого рода могут служить источниками димсил-анионов. Это означает, что галоген может замещаться и димсил-анионом, а не только енолятом ацетофенона. Для объяснения роли БМБО в реакции мы провели взаимодействия галогензамещенных нитробензолов с ацетофеноном в среде ДМФА/КОН. Было установлено, что выход продуктов 1в, 1г, 1д в этой реакции не изменился. Также осталось неизменным количество выделенного из каждого опыта 4,4'-динитроди-

фенилметана. Найденные экспериментальные данные свидетельствует о том, что ИМБО не принимает участия в реакции конденсации.

Известно, что метокси-анион является более нуклеофильной части-дей, чем анионы галогенов и, следовательно, обладают худшими уходящими качествами. Поэтому было предположено, что доля продукта присоединения должна возрасти при переходе от г-галогензамещенных нитробензолов к 4-нитроанизолу. Кроме того из-!а преобладания положительного мезомерного эффекта метокси-группы шд отрицательным индукционным эффектом, ароматическая система 4-штроаннзола становится менее электрофильной по сравнению с нитро-Зепзолом и 4-галогеннитробензолами, и тем самым делается менее доступной для нуклеофильной атаки. Кроме того, снижается вероятность процессов окисления енолятов исходным нитроареном, ведущих к грудноразделяемой смолообразной смеси. Эти причины приводят к гому, что соответствующий аддукт (1ж) был выделен с выходом 55%. Конденсация 4-нитро-Н,К-диэтиланилина с ацетофеноном не протекает при комнатной температуре, а образование продукта начинается только после нагревания смеси до 50 °С , и исчезновение исходного продукта по данным ТСХ происходит через 72 часа. Соединение 16 было выделено с выходом 81%. Замедление реакции и увеличение выхода продукта вполне объяснимо с позиций классических представлений об электронных влияниях заместителей. В частности, несвязывающая пара электронов атома азота пара-нитродиэтиланилина делокализуется с участием как кольцевых атомов углерода, так и нитрогруппы. По-видимому, электро-фильность аро-матической системы понижается более значительно, чем электрофильность атома азота нитрогруппы. Очевидно, что возможность нуклеофильной атаки на атом азота ЫОг-группы сохраняется, хотя реакционная способность атома азота понижена. Таким образом, наличие диэтиламиногруппы в пара-поло-жении нитроарена вообще подавляет процессы, связанные с атакой данных нуклеофилов на бензольное кольцо и приводит к тому, что при легком нагревании смеси нуклеофильное присоединение енолята к нитрогруппе оказывается

главным направлением реакции, обеспечивая самый высокий выход аддукта в данном ряду (табл. 1).

Спектры ПМР всех продуктов 1а-1к однотипны и содержат синг-летные сигналы протонов группы N1!.. в интервале 12,7-13,1 м.д. и группы =СН при 5,95-6,3 м.д. (табл. 2).

Таблица 2

Спектральные данные соединений 1а-к

Соединение ИК(КВг), V (СМ"1) ЯМР 'Н (СБСЬ), 5 (м.д.) МБ (20 эВ) т!г, М+

С=0 >1Н (ушир.) ТчШ =СН

1а 1657 3400 13.11 5.95 327

16 1700 3400 12.75 5.85 398

1в 1685 3450 12.70 6.10 405, 407

1г 1680 3450 12.70 6.08 361,363

1д 1680 3440 12.40 6.09 345

1е 1700 3400 12.75 6.10 430

1ж 1670 3420 12.45 6.03 357

1з 1660 3400 12.10 5.98 339

1и 1700 3440 12.25 6.00 483, 485,487

1к 1670 3440 72.76 5.85 732

Полученные данные свидетельствуют о том, что при взаимодействии п-галогензамещенных нитробензолов с ацетофеноном преобладающим является процесс конденсации, а не классического замещения галогена.

2.1.3. Конденсация 9-метил-З-нитрокарбазола с ацетофеноном.

Обнаруженная нами реакция характерна не только для замещенных нитробензолов, но и для других нитроаренов. В частности, конденсация 9-метил-З-нитрокарбазола с ацетофеноном гладко протекает при температуре 50 °С за 48 часов. {Т)-\,4-Дифснил-2-(Ы-метилкарбазол-3-ил-амино)-2-бутен-1,4-дион (1е) выделен с выходом

48%. Спектр ПМР продукта 1е имеет характерные сигналы в области 12,75 м.д. (КН...О=С) и 6,1 м.д. (НС=).

2.2. Предполагаемый механизм реакции нуклеофильного присоединения к

1Ч02-группе.

В основе предполагаемого нами механизма нуклеофильного присоединения к ЫОг-группе лежит процесс типа альдольной конденсации, где ключевым интермедиатом является кетонитрон 5 (Схема 4).

Из приведенной схемы следует, что для образования конечного аддукта необходимо присоединение второго моля енолят-аниона к промежуточному нитрону 5. Мы предполагаем, что эта стадия процесса наиболее зависима от стерических факторов, и в случае пространственно затрудненных реагентов реакция может завершиться образованием нитрона. Поэтому представляло интерес выяснить, как будут себя вести в этой реакции метиларилкетоны, несущие громоздкий ароматический фрагмент.

Для этой цели мы взяли 9-метил-З-ацетилкарбазол. Поскольку наличие донорного заместителя в п-положении нитроаренов

Схема 4.

сн

сети

6

практически блокирует все направления реакции, отличные от присоединения к ИСЬ-группе, в качестве нитрокомпонента был выбран 4-нитро-Ы,Н-диэтиланилин. Оказалось, что единственным продуктом этой реакции является нестабильное маслообразное вещество, которое было выделено с выходом 90% при 25-30%-ой конверсии нитроарена, который был взят в избытке. Вещество неустойчиво и при хранении превращается в нерастворимый красно-бурый порошок, который вновь образовывал исходное вещество при растворении в ОМБО. Спектр ПМР первоначального и регенерированного продуктов оказались идентичными. Учитывая литературные данные о нестабильности линейных кетонитронов с большей долей вероятности можно приписать этому веществу строение нитрона 9:

Мы надеялись, что введение в реакцию пространственно-затрудненного п-ацетил-М,1Ч,М-трифениламина, молекула которого конформационно менее жесткая, чем у карбазольного производного, позволит получить более устойчивый и тем самым, более удобный для исследования интермедиат. Однако, оказалось, что в этом случае происходит "обычное" присоединение двух молей кетона к нитрогруппс в соответствии со схемой 4. Это означает, что процесс образования аддуктов в большей степени контролируется электронными факторами и практически не зависит от объема заместителей в п-положении ароматического кетона.

сн3

9

Другой возможностью прояснить вопрос об интермедиате в зучаемой реакции является независимый синтез этого интермедиата.

Мы синтезировали соответствующий нитрон конденсацией -нитрозодиэтиланилина с 1-фенацетилпиридиниодидом по методу 1гбИпке (схема 5).

Схема 5.

сн—С

СоНс

Л5

\\ //

ч\_// сг

I

+ ом

\\ //

М(С2Н5)2-

№0Н

с6н5м

О

сн—

\\ //

с2н5

1-Фенацетилпиридиниодид был получен по реакции Ортолева-Синга.

полученный нитрон 8 реагирует с ацетофеноном в ОМБО/КОН за 5 шнуг, давая ожидаемый енаминокетон с выходом 85% (схема 4). Ьпестно, что нитроны могут также быть продуктами конденсации штрозоаренов с СН-кислотами. С целью проверки такой возможности 1ы провели реакцию ацетофенона с 4-нитрозо-М,М-диэтиланилином, а акжс исследовали взаимодействие ацетофенона с эквимолярной смесью -нитро-М,К-диэтиланилина и 4-нитрозо-М,М-диэтиланилина. )казалось, что в обоих случаях реакция протекает практически 1гновенно с образованием одного и того же продукта — азосоединения : (80%) (схема 4). 4-Нитро-К,М-диэтиланшшн был выделен из >еакционной смеси в неизменном виде. Важно отметить, что для юлучсния енаминокетона с тем же выходом из нитроарена и цетофенона потребовалось нагревание реагентов при 50 °С в течение 72 [, а азосоединение в реакционной смеси не было зафиксировано. Следовательно, нитрозоарен не может быть предшественником нитрона, вероятно, нитрон 5 медленно образуется в результате равновесий

1 + 2^3 ;г>4 ^ 5, которые сильно смещены влево, (схема 4). По-видимому, дальнейшее превращение 5 в 6 происходит быстро и необратимо.

Представленные здесь данные, вместе с предшествующими результатами открывают новые перспективы изучения явления "карбонильной" активности нитрогруппы, которое в конечном итоге могло бы служить еще одним ярким свидетельством существования фундаментальной взаимосвязи между различными классами органических соединений.

2.3. Окислительное сочетание метиларилкетонов как новый синтез 1,4-диароил-1,2,4-бутантрионов.

В отличие от реакций альдольной конденсации, вторая молекула метиларилкетона присоединяется не к карбонильной группе первичного продукта 5, а к его а-углеродному атому, давая адцукт 5а, так что происходит окислительное сочетание исходного метиларилкетона с использованием нитрогруппы (схема 4).

Окисление кетонов, как правило приводит либо к расщеплению связей С-С, либо к введению кислородсодержащей функции в а-положение. Однако, в подходящих условиях кетоны могут быть окислены в соединения с удвоенной углеродной цепью. Так, обработка метиларилкетонов азотной кислотой дает 3,4-диароилфуроксаны, а окислительное сочетание литиевых енолятов кетонов в присутствии хлорида меди (1) представляет собой общий метод синтеза симметричных 1,4-дикетонов. В конечном итоге конденсация ацетофенона по Макмарри приводит к образованию ^)-2,3-дифенилбут-2-ена. Мы предлагаем принципиально новый двухстадийный вариант окислительного сочетания метиларилкетонов, который ведет к 1,4-диарил-1,2,4-бутантрионам и состоит в обработке метиларилкетона

|НО-нитроареном в системе БМБО/КОН и последующем кислотном [фолизе аддукта (схема 6). В основу метода положена вышеописанная акция щелочной конденсации двух молей метиларилкетона с молем троарена, приводящая к ариламино-1,2-диароилэтиленам, которые дролизуются в 1,4-диарил-1,2,4-бутантрионы (табл. 1).

Схема 6.

Аг' N0-5

2АгС0Ме-

• Аг1 ЫНС(СОАг) = СНСОАг -

н+,с6н5м

80 °С

» АгСОС(ОН) = СНСОАг

2а,3,и

Эффективность метода в целом определяется стадией конденсации, гда как гидролиз аддуктов, как правило протекает с высокими 1ходами (табл. 3). Окислению подвергаются ароматические и гсроциклические кетоны.

Таблица 3

Выходы и характеристики трионов 2а, з, и.

Соединение Выход, (%) Т.пл., °С ИК (КВг) Ус=0 (СМ"1) ЯМР'Н =СН- МБ (20 эВ) т!т, М+

2а 52.5 62-63 1675 6.84 252

2з 56 158-159 1645 6.88 264

2и 37 136-138 1670 6.80 408,410,412

2.4. Конденсация метилалкилкетонов с нитробензолом.

Описана цветная реакция нитробензола с ацетоном в щелочной еде с образованием темного порошка состава СиНпОгК, структура торого не определена. Поэтому представляло интерес выяснить, ляется ли обнаруженный процесс окислительного сочетания именимым для алифатических кетонов. С этой целью нами были оведены реакции нитробензола с ацетоном, метилэтилкетоном и тилбутилкетоном. Известно, что метилалкилкетоны в щелочных

средах легко подвергаются автоконденсации. При повышенш температуры до 100-110 °С в среде БМБО/КОН кетоны подвергаются восстановлению в замещенные аллиловые спирты с дополнительно! метиленовой группой. Для того, чтобы уменьшить вероятности побочных процессов, мы проводили реакции при 50 °С Метилалкилкетоны прикапывали при перемешивании к суспензт нитробензола в БМБО/КОН. Наблюдалось интенсивно£ смолообразование, на пластине ТСХ появлялось большое количестве продуктов, ни один из которых не являлся преобладающим. Попытки варьировать температурный режим (от 0 до 50 °С) не привели к значимым результатам. Однако, нельзя однозначно сделать вывод о принципиальной невозможности конденсации нитробензола с алифатическими кетонами. Наши опыты показали только то, что в среде БМБО/КОН провести реакцию селективно не удается.

Работа выполнялась по программе госбюджетной темы Томского политехнического университета № 5.56 и в рамках КНТП "Реактив".

Выводы

1. Открыта реакция конденсации метиларилкетонов с моно-нитроаренами, являющаяся новым методом синтеза ^)-ариламино-1,2-диацилэтиленов.

2. Установлено, что при взаимодействии пара-галогензамещенны> нитробензолов с ацетофеноном в среде БМБО/КОН преобладающими являются продукты конденсации, а не классического замещенш галогена.

3. Предложен новый двухстадийный метод окислительногс сочетания в метиларилкетонов в 1,4-диарил-1,2,4-бутантрионы.

4. Установлено, что конденсация метиларилкетона < мононитроаренами может протекать через образование а ароилнитрона в качестве интермедиата.

Основное содержание работы изложено в следующих сообщениях:

Москалев Н.В., Тартынова М.И., Огородников В.Д., Кадычагов П.Б. Новая реакция нитробензола: нуклеофильное присоединение щетофенона в системе DMSO/KOH к группе NO2 с образованием ;намннокетона //ЖОрХ,- 1994 -Т. 30, № 5.-С. 740. Москалев Н.В., Тартынова М.И., Багрянская И.Ю., Гатилов Ю.В. Новая реакция мононитроаренов: конденсация по нитрогруппе с шумя молями ацетофенона // Изв. РАН. Сер. хим.- 1996,- № 2.- С. 480-»81.

Москалев Н.В., Тартынова М.И. Mononitroarenes in the oxidative xnipling of methylarylketones: a new synthesis of l,4-diarylbutane-l,2,4-riones // Mendeleev Commun.-1996- No. 2,- P. 72-73. Москалев H.B., Тартынова М.И. Новая реакция нитробензола: |уклсофлльное присоединение СН-кислот к ИОг-кислот с эбразованием енаминокетонов // Тез. докл. VII Международной «знфсренции по химическим реактивам "Химические реактивы, эеагснт1>1 и процессы малотоннажной химии". 1994. Уфа-Москва. С. 57.

Москалев Н.В., Тартынова М.И. Новый синтез ароматических :наминокетонов и 1,4-диарилбутан-1,2,4-трионов // Тез. докл. VIII Международной конференции по химическим реактивам "Химические )еактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии". 1994. Уфа-Москва. С. 62.

W

Ьдписано к печати 20.08.97. Формат 60x84/16.

¡умага ZOOM. Плоская печать. Усл.печ.л.0,99. Уч.-изд.0,89.

'ираж 100 экз. Заказ № 142. ИПФ ТПУ. Лицензия ЛТ №1 от 18.07.94.

'ппография ТПУ. 634034, Томск, прЛенпна, 30.