Синтез и изучение конформационного равновесия кеталей 4-замещенных циклогексанонов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК АЗЕРБАЙДЖАНСКОЙ РЕСПУБЛИКИ ИНСТИТУТ ХИМИИ ПРИСАДОК

На правах рукописи

КУРБАНОВА ВАСИЛЯ АХМЕД кызы

СИНТЕЗ И ИЗУЧЕНИЕ КОНФОРМАЦИОННОГО РАВНОВЕСИЯ КЕТАЛЕИ 4 — ЗАМЕЩЕННЫХ ЦИКЛОГЕКСАНОНОВ

Специальность 02.00.03 — Органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Баку —

1991

Работа выполнена в Институте хлорорганичсского синтеза Академии наук Азербайджанской Республики.

Научные руководители:

доктор химических паук, профессор | МУРСАКУЛОВ И. Г.

кандидат химических паук, старший научный сотрудник САМОШИН В. В.

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор ШАБАНОВ А. Л., доктор химических наук, профессор РУСТАМОВ М. А.

Ведущая организация — Бакинский государственный университет им. М. Расулзаде.

Защита состоится . 1991 г. в хг час.

на заседании специализированного совета Д 004.18.01 в Институте химии присадок АН Азербайджанской Республики (370029, Баку, ГСП-603, Бе-юкшорское шоссе, квартал 2062).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института химии присадок АН Азербайджанской Республики.

Автореферат разослан

1991 г.

Ученый секретарь

специализированного совета ^ (ХЛХ ШАХГЕЛЬДИЕВ

ОБй^Я ХАРЛИЬРИСТИ!ÍA РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Исследования в области конформационно-го анализа органических соединений не только являются одним из важ-нейЕ'их направлений теоретической органической химии, но также дают необходимую стереохичическую основу для объяснения и предсказания реакционной способности веществ, целенаправленного поиска соединений с полезными свойствами. Важнейшей проблемой конформационного анализа является изучение внутримолекулярных взаимодействий атомов и групп, которые в решающей степени определяют свойства конформа-ционно-подвижных молекул. В то время как детальному исследованию взаимодействий прснстранствеино сближенных заместителей посвящено множество работ, взаимодействие vдaлaншx функциональных групп и заместителей изучалось мало и несистематически. Имеющиеся к настоящему времени экспериментальные данные свидетельствуют о том, что такие дальние взаимодействия могут оказывать значительнее влияние на относительную стабильность конфор,1еров, и в этой области можно ожидать получения новых интересных результатов.

Цель работы. Поиск и исследование конфорнационных эффектов на основе систематического изучения конфорлационных свойств серии кеталей 4-звмещенных циклогексанонов и цис-1,4-дизачешенных цик-логексанов с электроотрицательными заместителями.

Работа выполнена в соответствии с планом основных научно-исследовательских работ Института хлорорганичесного синтеза Академии наук Азерб. Республики (Jf гос. регистрации 01 Bt'U 031 040) и п рамках программы тонкого) органического синтеза.

Научная новизна. Оыполнен синтез и впервые изучены методом ЯЛР*Н высокого разрешения конформационные равновесия большой серии различных кеталей 4-звмещенных циклогексанонов и ряда цие-1,4-дизамещенных циклогексанов с электроотрицательными заместителями в серии растворителей. Разработана схема сравнительного анализа конформационных характеристик moho-, ди- и тризамещенных циклогексанов, с помощью которой выявлен и изучен эффект дополнительной стабилизации аксиального конформёра у кеталей 4-замещен-ных циклогексанонов. Получены доказательства электростатической природы этого оффектг. (юказано, что в общей случав при увеличении числа заместителей при шестичленном цикле аддитивность конформационных энергий на сохраняется, однако аддитивная сх-ма с учетом свободных онэргий конформационных равновесий цис- и транс-1,4-дизалещенных циклогексанов удовлетворительно воспроизводит свободную энергию конформационных равновесий соответствуюадох 1,1,4-

тризамещенных проиэводшх.

Практическая ценность. Развита методология поиска и количественной оценки конформационных эффектов в I,1,4-тризамещенных цик-логексанах. Экспериментально измерены кон^ормационные параметра большой серии соединений. Для модельнах конформадионно однородных трет-бутильных производных измерены в различных растворителях параметры спектров ШР^Н ("граничные параметры"), которые могут использоваться при конформационноы изучении других структурно родственных соединений, •

Апробация работы. Отделыше разделы диссертации доложены и обсуждены на: семинаре МОС АН Азерб.Республики (Сумгаит, 1966, 1988 г.г.); семинаре лаборатории гетероциклических соединений (Москва, Й17, IS8? г.); Ресцуб.науч.тех.конф. молодых ученых-химиков (Баку, ИНХ11 АН Азерб.Республики, is80 г.).

Публикаций. По материалам диссертационной работы опубликовано статьи.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 131 страницах машинописного текста и состоит иэ введения, трех глав, выводов и списка цитируемой литературы, пклвчающего 102 наименования, содержит 13 таблиц и II рисунков.

В первой главе систематизированы и обобщены литературные данные по конфориационнык исследованиям 1,4-ди и 1,1,4-тризамещенных циклогексана.

Вторая глава содержит наложение и обсуждение собственных ис-ледований.

1 В третьей главе приводится изложение экспериментальной части исследования.

i. сшез лодаьшх шдамш

Кетали 4-замещенных циклогексанонов выбраны в качестве моделей для изучения конформационных особенностей 1,1,4-тризамещенных циклогексанов по следующим причинам. Соединения этого типа практически не изучены в конформационнси отношении и в синтетическом плане достаточно доступны. Структурные различия циклических и нециклических кетальных групп могут вносить некоторое разнообразие в конторыационные свойства,.что даст дополнительную информацию. Ке-тальные группы являются одними из наиболее широко применяемых в качестве защитных групп в органической химии, поэтому знание конформационных особенностей содержащих их соединений можег быть по-

лезно для предсказания реакционной способности.

Исходным веществом для синтеза всех изученных кеталей послужил хинитол (1,4-циклогександиол) (I), см. схему I. Дегидратацией его при нагревании с А^Од в смеси дифенила и дифенилового эфира получен 1,4-элоксициклогексан (II), раскрытие которого при действии концентрированных галогеноподородных кислот привело к транс-4-хлор (бром)циклогексанолш (Ш) и (1У) соответственно. Длительным кипячением (П) в дейтерометаноле в присутвии Н^О^ был получен транс-4-метоксициклогексанол (УШ. 4-Ацетоксициклогексанол (IX) (смесь цис- и транс-изомеров) синтезирован частичным гидролизом диацета-та хинитола (УЮ. Все 4-замещенные циклогексанолы были окислены в соответствующие 4-замещенные циклогексаноны (Х-ХШ) действие« хромового ангидрида в уксусной кислоте. 4-Ацетоксициклогексанон (ХЮ действием карбоната натрия в метаноле превращен в 4-гидроксицикло-гексанон (Х1У). Все циклические кетали (ХУ1-Х1Х) синтезированы конденсацией соответствующих кетонов (Х-Х1У) с этилен-, пропилен-, неопентилен-илибутиленгликолями при кипячении в бензоле в присутствии каталитических количеств п-толуолсульфокислоты. Дииетилке-тали получены взаимодействием исходных кетонов с дкыетилсульфитсм в метаноле в присутствии НС1.

В то враля, как конфориационные свойства транс-1,4-дизамещен-ных циклогексанов довольно хорошо изучены, свойства их цис-иэоме-ров до настоящего времени не исследовались. И те, и другие были необходимы для изучения конформационшх параметров, описанных выше кеталей методом сравнительного анализа. Ряд цис-1,4-дизшещен-ных циклогексанов (ХХ,ХХ1,ХХЕ!,ХХ1У) был синтезирован нами в соответствии со схемой I. Интерсно, что при метилировании (I) транс-4-метоксициклогексанол в заметных количествах на образуется: видимо, он быстрее претерпевает дальнейшее метилирование в диметок-сипроизводное. Это позволило нам легко выделить необходимый цмс-изсмер (XX) четкой вакуумной перегонкой. На схеые I. приведен также синтез 4-трет-бутилзамещенных моделей, которые им использовали для получения спектральных параметров отдельных конформеров (см. ниже).

п. ог1Реде!лекик шлол&ния кодоомационшх равновесии

Молекулы производных циклогексана существуют в виде двух быстро взаимопрепращающихся креслспидкых конформаций. Для кеталей 4-замевенних циклоге«саноно;< кснформационнсе равновесие можно представить схемой:

ОН

ОЛс

04с

О

он ¡7

ОМ W

О XIII

CtOj CíOj tlOi

Ас ОН ЛсОН /kOW г

m

г»

£

hi

г>

I- - ■ —,

f 0C7)i ocz3 оса.

0.0 0 о + о

0 Ä О Я О Ш ОС05 0">з

он

о м

о

04с

R0 OR ОН

а х = се XV « =с«3

S Х-Ar XV/ И,й.^~снгснг-

ê Х = ocz>¿ ш r,r*-(ck£)3-

Г Х=0Лс XW R, Р ^ЩС(Щ)гсн2-

д х= ОН х/х

С€

ОДс

ОН OCCj

Сй^/^дО

XXV/

ДО

Кетали ХУ получен« действием (Cí^O^O Схема I

X - 5 - OR M -^ RO-W-Л

RO-J.------ -- Ч^-^-Х'Л

OR «*

аксиальный конфорыер (А) экваториальный конформер (Э)

Б качестве метода для изучения этих процессов мы выбрали сиа* троско"ию ШР (на ядрах

Оценку соотношения конформеров в равновесии (Axt Э) проводили :

а) прямым интегрированием сигнало1< индивидуальных конфорле-роч u низкотемпературных спектрах ШР*11 (рио.1, табл.1) н

б) по ширине усредненных сигналов ^ при комнатной температуре с использованием формулы (I) (рис.2, табл.2):

W =wA-nA + W3-n9 ПА + пэ =1 i Ш

где W-S-J до - ширина сигнала Н^ и - параметры соответствующих конформеров, П- мольная доля конфоумера, Способ измерения W наглядно представлен на приведенных образцах спектров (рис.1 и 2). Граничные параметры Щ и взяты из данных низкотемпературных намерений (рисЛ, табл.1) и, частично, из спектров конфорыационно "закрепленных" 4-трет-бутильных производных.

Разность свободных анергий конформеров определяли по формуле (2):

= *Te*lCFa£H.='RT0lj2 (2)

Ш. КСЛКШАЦИОШШ АНАЛИЗ ШАЖЙ - 4-ЗАМЩШШХ ЦИКЛСГЕКСАНОНОВ

Сопоставление результатов измерений при ниоких температурах (табл.1) и при комнатной температуре (табл.2) показывает, что величины разности свободных энергий конформеров ) очень близки и в большинстве случаев практически совпадают в пределах экспериментальной ошибки. В соответствии с известной формулой ¿fr = ¿Н + 1аS отсутствие температурной зависимости д& означает равенство нулю энтропийного члена T&S • т.е. нулевую разность энтропии конфермеров, л В таком случае « ¿Нэ.А , и полученные величины можно напрямую сравнить с результатами теоретических расчетов, например, квалтово-механических или по методу молекулярной механики.

Изученные кон^ормационные равновесия заметно зависят от при-

)»0,I

Таблица I

Данные низкотемпературного ИАР^Н и параметры конформа-ционных 4-замещенных циклогексанонов (Briucír-wM-250, частота 250 МГц; в ну т. стенд. '¿МС)

Сое- !Раст-! . ! КонДошев Э Т КонЕошёв Á ! ñ I л Q .

Дине-1 вори-!Т) С!сц к Г -ки 1 w -1

ния !тель I ! W, '»«х» « W ' - \„а.1ши

> 1 м.п.1 Гц 1и.д, ti \ » \кк аА1шм

ХУа С5л Ац* -60 3.68 4.31 10.8+0.8 56^3 0.09+0.05

-60 4.12 31.44).4 4.66 Il.O^i.e 4I.5±4 -0 ,lc¿).08

ХУ1а cs2 -70 3.70 31,9+0.6 4.31 (II.5+0.3) 55+8 0.08+0.14

АЧ -ТО 4.16 30.3+0.4 4.6ü 10.8+0.8 42+4 -0.Iv¿J.07

ХУПа cs2 -70 3.69 3Í.9+0.5 4.30 I0.8¿J.5 51+Ь о.игТо.ю

Ац -ТО 4.13 31.^.4 4.64 I0.7¿).5 39+7 -0.18¡0.12

Ш1а С S2 -80 3.69 31 .£¿1.0 4.30 - - -

Ац -Ш 4.08 31.0^.5 4.57 (12.1+0.4) 39.5+4 -0.16+<3.ü6

хш АЦ 4.05 31.5^),3 4.56 (I2.2¿J.o) 39.5+3 -0.lüb.04

ш cs2 -то 3.(Ю 32.25).5 4.50 11.«) .8 58+4 С.1зГ0.07

АЧ -то 4.26 32. ¿¿0.4 4.86 10.8+0.6 45+3 -o.oa¡o.o4

шв CSg -то 3.W - 4.48 (11.25).4) - -

-то 4.30 31.7¿p.4 4.86 10.6*1.0 43+4 -0.12+0.04

Шб CSjg -во 3.80 ш 4.48 и,о5>.а 3 -

Ац -80 4.гв 32.6^,4 4.66 II.0¿0.5 34+4 -0.26+0.07

Шб Ац -80 4.22 4.78 (11.3$.3) 4üT5+3 -O.IsQ).03

ХЩ Ац - -80 4.28 32.4|р.6 4.85 II.0+0.8 42+4 -O.I&O.O6

Шв -80 г.яв 29.0+0.6 3.28 (IO.ikO.3) 62+3 0.19^3.05

Ац -80 3.19 30»0¿3.4 3.43 (I0.^).3) 4275+5 125) .08

ХУПв «й -80 2.96 29.6+0.5 3.25 (I0.2¿).3) 59+4"* 0.13+0.06

Х1Хв CSg -70 г.96 (30.4+0.0) 3.25 (12.ЗД.З) 57+3 O.K5).05

АЦ -70 3.17 - 3.40 - 46+7 J).0?+p.I0

ХУ1г Ац -80 4.66 30.2+0.5 4.90 (10.0+0.5) 40*5 -0.is5>.08

Шг АЦ -80 4.64 (30.6+0.4) 4.88 QO.0+0.5) 3EkS -ОЛЭТО.О?

ХУШг cs3 -Ш 4.43 а.4+p.i3 4.73 (10.4$.4) 43+3 -Ü.IO5>.05

Ац -ад 4.65 - 4.90 - 40+5 -0.15+0.08

Х1Хг Ац -80 4X4 50.4+0.6 4.89 _

Ац?1 - <%)g00

pon растворителя, С цояъв исслздоьадаш такой зависимости мы провод! ли измерения а сера» размообраэтах растворителей, охватывающей широкий диапазон полярности: циклогексан ( £ = 2,02) бензол

(2,28), сероуглерод (2,64), метилисдид (7,0), ацетон (20,7) и зцети нитрил (37,5). Данные таблиц I и 2 показывают, что при увеличении

- У - '

Таблица 2

Данте fflP^H и параметра конфорлационных равновесий кеталей 4-Хциклогексанонов (ХУ - XIX)

Сое- ! Раство-дине-! ритель ния ! !

!

V/, Гц

! Доля акс.

I КОНфО|М.,

* At

д О,

I v+o

\ aGÜ-a» Х-

¡ккал/моль) ккал/моль

! +0,05 i ! ~ !

i

i

!

CHiO ОСИ

и

ХУа О О

ьг

ХУГа

П

о о

cß. ХУПа

О О

¿л

ХУШа

О-

о о

СбД12 3.97

сд31 4.13 (СД3)2С0 4.23 СД^СЫ 4.20

О

4.00

C^ïlg 3.73 СД31 4.15 (СД3)2С0 4.25 СД3СЫ 4.22

С£уД12 3.S7

Ре% 3-73

ОД31 4.12 (СД3)2С0 4.22 СД3СЫ 4.20

%ДК 3.99 С^ 3.76 СД31 4.13 (СД3)2С0 4.23 СД3СН 4.21

Cgfljg 3.96 %% 3.76

4.II

XIXa % <f*b

k

er

ХУ6

(СД3)2С0 4.21 СД3СЫ 4.19

Cçfllz 4.13 Cyfe 3.87 сд31 4.29 ССД3)2С0 4.40 СД...СЫ 4.37

О

2I.6fj.7 2I.6+U.4 2I.9T0.4 22.2¿).6

'20.7+0.4 20.8+0.6 22.0+0.4 22.3+Ü.3 22.7+0.4

20.3+0.5 22.6+0.5 2I.I+0.4 22.1+0.5 22.1+0.8

20.5+0.4 22.4+0.5 20.8+0.4 21.5+0.7 21.9+0.8

20.7+0.4 21.9^3.5 22.2+0.4 22.9+0.Э 23.1+0.3

20.9+0.5 22.6*0.4 22.8+0.4 23.2+0.ï 23.4+0.4

48.3+3.5 -0.04.i0.08

47.6~ -0.06

46.1 -0.09

44.7 -0.13+0.07

53.1 0.07

53.8+3.5 0.09+0.09

46.9~ -0.07~

41.7 -0.19

42.2 -0.Í8

55.0 0.12+0.06

45.3 -O.Il"

51.2 0.03

45; I -0.11+0.06

45.0+4.0 -0.12+0.09

53.8 0.09

46.2 -0.09+0.05

52.4 0.06

47.0¿4.0 -0.07+0.09

45.0+4.0 -0.12+0.1

53.1 0.07

48.6 . -0.03+0.06

46.ü -0.10

41.5 -0.20

40.6 4).22

53.3 0.08+0.06

46.5 -0.08

44.3 -0.13

42.5 -0.18

41.5 -0.20

0.57

0.59

0.57

0.56

- IU

f\

0

Ы

Щ6 o„o

0 6r

OT6

0 br

XIX6 51 ** '

0

осл3

ХУв

0<0

0

oes,

Шв

гч

î?

oczb

' ХУПв

X

ОСЬг

ХУШв

\ г ; s

4 ль

Cg% 3.85 СД31 4.31 (СД3)2С0 4.43 СД3СН 4.39

СеДб '3.89 СД31 4.29 (СДа)2С0 4.41 СД3Ш 4.37

<У1к 4Л2

СД31 4.28 Cc^g 3.90 (СД3)2(Х) 4.41 ОД3СЫ 4.37

C^I2 3.17 С^ 3.06 ОД31 3.20 (ОД3)2С0 3.24 СД3СЫ 3.24

СбД12 ,3.18 3.07

0Д31. 3.22 (СД3)гС0 3.26 ОД3СЫ 3.25

<%i

(СД3)2С0

сд3сы

cefliz %%

ОД31

сд3сы

с<Лг с&Иб

3.16

3.08 3.20 3.24 3.24

3.17

3.09 3.20 3.24 3..?4

3.16 ЗЛО

! 4 ! ! 5 ! 6 ! 7

20.9+0.4 51.2 0.03 0, .51

22.0+0.5 48.1 -0.04+0.06

22.MJ.4 45.5 -О.Н"

22.¿р.4 43.1 -0.16

22.9+0.4 41.7 -0.20

22.6+Ü.4 45.3 -O.II

21.5+0.5 49.3 -0.02+0.07

22.1+0.4 46.4 -0.09~

22.3+0.4 45 А -иЛ1

2I.4+Ü.5 51.4 0.03+0.06 0, .51

22.BfJ.S 44.9 -U .12^.06

21.8+0.5 50.7 -0.02+0.06

23.0+0.5 43.9 -0.1^.06

23.4¡jü.4 42.1 -0.19

19.5ц0.3 52.6 0.06 0. .61

2I.I¿0.4 46.8 -0.07

21.5цО.З 42.1 -0.19

2I.7j¿J.3 42.6 -Ü.I8

22.7+0.3 37.4 -0.30

16.8*0.6 65.9¿3.5 0.39+0.9 0, .94

20.1+р.З 52.1 0.05~

19.4+р.а 51.9+4.5 0.04+0.1

20.В+Ь.4 47.2 -0.07

20.0^).6 51.3 0.03*0.07

17.64) .6 62.8 0.31+0.08 0, .86

21.3^.5 45.8 -G .КМ) .06

19.8+0.6 51.3 0.0^5.07

20.2^.6 50.3 0.01+0.07

21.8+0.4 42.1 -0Л9~

I8.J+I.0 60.5+5.5 0.25+0.13 0 .80

20.6+0.8 49.5+4.5 -о.оьо.ю

19.5*0.6 52.6 0.06^3.07

• 19.9+0.5 51. Ü 0.04+0.06

21.55).6 43.6 -0.15+0.07

19.2+0.4 5'.2 0.10 0 .65

21.3+0.3 45.b -0.10

Я

ССЗЬ

XIXb

АЛ

О о

ОАс ХУ1г

П

оЛс Шг

К

о о

оДс ХУШг

О

о о

ОАс Х1Хг /"Л о о

он

i 2 ! 3 !

СД013 3.27

СД,1 3.21

(СД,:)2С0 3-23

СД3йЫ 3.23

сеД12 4.78

cs2 4.67

%% 4.91

сд31 4.74

(СД-)2С0 4.78

сд3сы 4.77

%%2 4.77

cs2 4.65

%% 4.92 ,

СД31 4.72

(СУЦЬСО 4.77 ,

ед3сы 4.77

Г6%2 4.77

С s2 4.66 ,

4.94 ,

СД31 4.73 :

(СД3)2С0 4.77 ;

сд3сы 4.77 ;

C6%2 4.77 ;

es2 4.64 ;

%% 4.95 ;

СД31 4.72 ;

!

I

(СД3)2С0 4.77 СД3СЫ 4.75

C^jg 3.70

ОДС13 3.67 (СД3)2Сй 3.69

СД-fN S.6L»

21.2+0.5 20.4+0.4

20.8+р.з 21.6+р.е

20.7+0 .& 20.8+0 3 21.9+0.4 21.0+0.3 21.0+0.4 20.8+0.6

20.7+0.6 21.5+0.5 22.2^0.4 2I.4fJ.4 2I.7+U.4 21.9+0.5

20.0+0.7 21.0+0.8 ¿2.¿0.3 21.<к0.4 21.8+0.5 22.оТо.4

20.5+0.4 21.0^.3 21.9+0.4 21.4+Ь.З 2I.S4Ó.3 21.7+0.3

21.0+0.3 22.9+0.4 2I.8+p.5 22.6+0.3

43.7 47.9

47.2

43.1+4.0

49.5 49.Ü 46.1 47.9 47.9 49.0

50.0 45.9

45.1 46.4

44.8

43.6

53.6+3.5 48.5+4.0

44.6

46.4

44.3 43.3

51.0

48.5

46.7 46.3

43.8

44.8

46.2

37.7

41.9

37.8

-0.15+0.06

-0.05

-0.07

-0.16+0.10

-0.01+0.06

-0.02

-0.09

-0.05

-О.05

-О.02

О.ОО+р.07 -0.09+0.06 -O.I2" -0.09 -O.I2

-0.15+0.06

O.OS¿O.Ó9 -0.04+р.Ю -0.13 -0.09

-0.13+0.06

0.02 -0.04 -0.08 -0,09. -0.15 -0.12

-0.09 -0.30

-0.19+р.0б -0.30~"

0.69

0.70

0.79

0.72

0.51

Примечание:

Л&С1

-0.5; л%в = 0,55;

&£дс = -0,7.¿L&Qjj = -0,6 ккал/моль (литературные данные).

полярности растворителя равновесие смещается в сторону экваториального конторыера (Э) как при низкой, гак и при комнатной темпе-ра^ре. Это указывает на его больгую полярность, т.е. больший ди польный или квадрупольный момент. Наибольшей чувствительностью к полярности растврителя обладают метокси-производные (ХУв-Х1Хв). Практически для всех соединений наблюдается "бензольный эффект" -повышенная эффективная полярность бензола по сравнению с ожидаемой из его диэлектрической проницаемости. Б некоторых случаях он настолько велик, что равновесие в бензоле имеет те же параметры, как и в очень полярных ацетоне и ацетоиитриле. Особенно большой бензольный эффект наблюдается для гаестичленных кеталей (ХУП.ХУШ). По-видимому, здесь играют роль тонкие структурные различия кеталей, которые определяют возможность координации с молекулами бензола.

Наиболее интересным результатом является сильное смещение конфорлационного равновесия зсех изученных кеталей в сторону акси-, апьного конформера по сравнению с соответствующими Х-монозамещен-ными циклогексанами. Последние представляют собой естественный объект сравнения, поскольку, согласно принципам аддитивного подхода, конфор^ацконные энергии групп ОК. в равновесии (А Э) кеталей взаимно компенсируются, и свободная энергия равновесия дол-

жна бы определяться только конформационной энергией заместителя X ( Оо X

М Л ЗА

Ч действительности эти величины не совпадают, и мы количественно оценили величину наблюдаемого эффекта дополнительной стабилизации аксиального кон^орлета по формуле - дС^ =

^эффекта' Д®* 9ГОГО использовались результаты измерений в неполярных растворителях, которые оказывают минимальное влияние на положение равновесия и часто рассматриваются как хорошее приближение к условиям газовой фазы. Эффект настолько велик, что в неполярной среде аксиальный кинформер даже преобладает ( > 0). Рассчитанные значения аффекта приведены в таблице 3, где они сгруппированы по видам заместителя X и кегельного фрагмента. Эти данные свидетельствуют о влиянии как ваместителя X, так и кетальной группы нч. величину эффекта. При это,4 влияние заместителя более систематично и более четко выражено. Наибольшая величина эффекта наблюдается для мстокскпроиэеоддах (ХУв~Х1Хв), несголько меньшая -для ацетоксищ.оизводных (ХУ1г - ХХХг) и еще несколько меньшая -

для хлор (ХУа-Х1Ха), брсм - (ХУб-ХШ) и гидрокси - (ХУ1д) производных.

Таблица 3

Величина эффекта дополнительной стабилизации аксиального конформвра у кеталей 4-замещ8нных циклогексанонов

Рфф. * Э-А " X

! СМа) 1 Вг (б)! Ше (в) ! ОАс (г) Г ОН (д)

X 0,6 0,6 ~ «

чо—•

>о 0,6 0,5 0,9 0,7 0,5 '

х:э 0,6 0,6 0,9 • 0,9

кх 0,6 0,8 0,8

ко 0,6 0,5 0,7 0,7

Примечание: = 0,5 (С1), 0,48 (й-), 0,55 (СМе) 0,7 (ОЛс),

0,6 (С'1!) кк&л/кш> (литературные данные)

¡¡заедание катального фрагмента практически не влияет на кон-форт;ионное равновесие хлорпроизводных, слабо и несистематично проявляется в свойствах Оромпроизводных и ацетоксипроизводных. Некоторое систематическое изменение свойств наблюдается только в ряду кеталей с X = Ше: наиболее стабилизирован аксиальный конф.ор-мер у пяти- и иестичленннх кетапей. Таким образом, наибольшая чувствительность к структуре кетального фрагмента наблюдается в тех же случаях, когда величина эффекта максимальна.

Ранее в литературе было предложено два принципиально различающихся подхода к объяснению стабилизации аксиального конфбрмера у трпнг-1,4-ди- и 1,1,4-тризам©ценных циклогексанов с электроотрицательными заместителями. Першй из них основан на электростатическом (диполь-дипольноч) гзнутримолекулярном взаимодействии, которое для исследованных нами кетажзй можно изобразить схемой

Стабилизация аксиялгног. !:?нф ордера достигается за счет гри-тяжения рэ.лч?имеинюс частично; зарядоо на заместителе X ( <Г-) и

- ь

в окружении кетального фрагмент/' ' ¿Г+). Существуют также варианты этого объяснения, использующие взаимодействия точечных диполей групп или связей.

Е* " 110

Су-я 2 Схема 3

Другой подход основан на использовании метода возмущения молекулярных орбиталей. Экваториал.ный электроотрицательный заместитель (здесь - ОК ) вносит возмущение в молекулярные орбитали циклогексанового кольца таким образом, что уменьшается электрон-пая плотность в противоположна.! экваториальном положении. Ьсли там находится другой отрицательный заместитель, также оттягивающий электроны на себя, это вызывает дестабилизацию молекулы (схема 3). Из аксиального положения такое влияние заместителя не передается. Подтему в 1,4-замешеншх структурах электроотрицательный заместитель должен избегать экваториального положения и стремиться занять аксиальное.

Приведенные возможные механизмы не противоречат друг другу и, в принципе, могут действовать одновременно. Однако, найденные нами закономерности коронационного поведения кеталей (ХУ-Х1Х) позволяют получить аргумент в пользу слс-ктростатического механизма. С одной стороны, при переходе от Х==1> к Х=С1 и Х=01? величина эффекта возрастает (табл.2,3) ешбатно возрастанию электроотрицательности и, одновременно, частичного отрицательного заряда на X. Это соответствует как орбитальному, так и электростатическому подходам к объяснению эффекта. С другой стороны, сопоставление данных для метокси- и ацетоксипроиэводных дает более определенный результат. Электронная плотность на кислороде метоксигруппы больше, чем у ецетоксигруппы, следовательно, электростатическая стабилизация аксиального конфорлера должна быть больше у метоксипроизводных. Напротив, ацетоксигруппа более олектроотрицательна, следовательно орбитальная стабилизация '.относительная) аксиального кок;ордера должна быть больше у вцетекс.троизродннх. Поскольку »Еденная величина эффекта у ацетокешфмч'кх.ных меныге, чей у кетоксищ-оиз-Г.ПДНКХ (табл.З); необходимо сделать вывод о том, что действует либо только электростатический «.чхосиои, либо он является доминируя-и1!м. Наличие н.'бслькой, но нес к--> лаМ'таи иы.иск.'; ■ • л о*ф«'кга

от строения кетальной группы (табл.3) подтверждает этот вывод: нет оснований полагать, что при переходе от одного летального фрагмента к другому дальние орбитальные взаимодействия будут существенно меняться. В то же враля энергия заряд-зарядного взаимодействия, обратно пропорциональная расстоянию между зарядами, будет чувствительна к изменению геометрии кетального фрагаента.

Б табл.4 приведены расчетные величины энергий стерической напряженности конформеров (ккал/моль), полученные одним из наибо лее надежных и современных ¡методов - методом молекулярной механики (программа ИХ). Рядом ь шми представлены экспериментальные данные.

Таблица 4

Энергия стерической напряженности конформеров

Соединение 1 , 1 л 1 м-кбчдя! ! ! ! ^ойц.1 1 л^Э-А1 1 1 К ! эл.ст ! ^эл.ст! ? т

Ша С1 А 22 Л У -0.57

а 21.99 -0.20 >1.07 -0.35 0.22 0.6

ХУ16 в»- к 22.3В -0.53

Э 22.08 -0.30 и.иЭ -0.40 0.18 0.5

ХУ1и Ме А 27. об -0.76

Э 27.06 -0.30 и. 39 -0.4У 0.27 0.9

Расчета, в общем, неверно предсказывают относительную стабильность экваториального конфср/ера ( < 0). В тоже время электростатический вклад б общую энергию относительно стабилизирует аксиальный конформер ( дЕэл ст > 0), хотя его расчетная зеличина далеко не воспроизводит величину эффекта. Эти результаты показывают, что необходима корректировка параметров применяемых ныне мето-дор молекулярной механики.

Большой интерес представляло сравнение конформационкых параметров изученных кеталеи с параметрами соответствующих транс- и цис-1,4-диза*ещенных циклогекс/шов и монозамещенных циклог'ексаноп с целью определить, можно ли суммированием последних оценить величину первых, т.е. выполняетен .¡и на этих моделях принцип аддитивности. Как показано шпе, л простершем варианте - суммировании кон-^орлацисньых энергий заместителе!: (X, и СК ) - этот принцип не действует. -Аы разработали и проверили с использование,! имеющихся собстг?нных и литет-этурных (по транс-1,4-проиэводни«) данных также следующие аддитивные схв.ш (4-6).

- 16 -

В качество й мы взяли метильцую группу как эквивалент ал-кильной группы вообще. Набор соединений, для которых имелись все необходимые данные оказался небольшим, однако и он позволяет получить ценную информацию.

X ОМе

НеО _____

л г

то

= -

схема 4

X 1 ^ ' ! „гэксл. ! аС1-А

01е -0,43 0,12 0,06 -0,06

ОАс -0,15 0,40 0,02а) -О.оО

ОН -0,52 и,03 -0,09б) -0,11

Примечания: а!1* усредненная величина по всем кеталям;

б) этиленкеталь; - - и,55 ккал/моль.

Схат 4 основана на конформацноняых параметрах транс-4-Х-1~ метоксициклогексанов, и следовательно, автоматически учитывает все их особенности, в том числе известии»! эффект стабилизации ди аксиальной к^нформации. Однако, экспериментальные и аддитивные величины лСд_д заметно различаются (за исключением случая Х-0.(о), По-видимому, причина этого - в неучтенных взаимодействиях между цис-расположендами ааыестителями X и Ше, которые неодинаковы в А - и Э-конф ори ерах. Для Х=СЗЛ е эти взаимодействия одинаковы, благодаря чему аддитивная схема 4 хорошо работе?: отклонение не превышает экспериментальной'погрешнос ти.

Следующая аддитивная схема 5 позволяет принять в расчет отмеченные взаимодействия, поскольку включает свободную энергию кон-формационного равновесия цис-1-Ше-4-Х-циклогексанов (смотреть раздел 1У).

^ ьа.

мо

МеО МО

схема 5

X ! 1 ! , - ^

Сме и -0,55 0,06 0,61

ОАс -0,32 -0,87 0,02а) 0,89

ОН -0,35 -0,90 ' -0,09б) 0,81

С1 -0,40 -0,95 0,10а) 1,05

Вг- -0,33 -0,88 0,08 0,96

В данном случае Неучтенными оказались конфорыацконные аффекты, связанные с транс-1,4-дизамещенными структурами ( В результате все экспериментальные значения значительно больше аддитивных.

Одновременный учет эффектов, присущих квя цис-, так и транс-I,4-дизамещенным моделям, осуществлен в аддитивной схеме б. При этом необходимо вычитывать величину ¿<3^, поскольку при суммировании и сна автоматичесяи учит Бается дважды.

х X , от

ом*. х

- схи

ОК'Я.

^Э-А

ОМг

схема 6

X

¿Щ' = + - л ^

X I ^ ! ^ г деда !

Ше -0,43 0 -0,55 0,12 0,06 ОАо -0,15 -0,32 -0,70 0,23 0,02а)

ОН' -0,52 -0,35 -0,Ш т0,27 -0,09б)

-0,06 -0,21

0,18

В данном случае расхождение между экспериментальной и аддитивной величинами относительно невелико, имеет разные знаки и не превышает суммы ошибок определения всех рассматриваемых величин. Таким образом, последняя аддитивная схеда, учитывающая кон-фо^мационные параметры как цис-, так и транс-1,4-дизамещенных структур, пригодна для приближенного описания конфоряационных свойств соответствующих хеталей 4-замещенных циклогекеаноноь.

Соединения ряда цис-1,4-дизамещенных циклогексанов с электроотрицательными заместителями в конфориационном отношении практически не изучены. Поэтому представлялось интересным измерить конфодоационные параметры синтезированных нами соединений (XX, XXI,ХХШ и ХХ1У), необходимые нам также для использования в аддитивных схемах (см.выше). Оценка положения конформационного равновесия проводилась по методу усредненной ширины сигнала (формула I) с использованием граничных значений V/, измеренных для трет-бу-тиллроизводных, а для хлор- и бромзамещенных - тех же, что и для соответствующих кеталей.

Сопоставление экспериментальных и аддитивных величин ■^СЗД-АЭ показывает, что они существенно отличаются, особенно для галогенпроизводных. Экспердаектальная величина более отрицательна для всех соединений, что указывает на смещение равновесия по сравнению с ожидаемым в сторону конфорлера Ък, т.е. всегда в сторону аксиальной метоксигруппы (У=Ше). сто явление можно объяснить внутримолекулярными электростатическими взаимодействиями.

Взаимодействия, стабилизирующие кон^оргер больге, чем стэ-

1У. К0НЮ1М АЦИОНШЕ СВОЙСТВА ЦИС-1,4-ДИЗА4ЕЩШШ ЦИКЛОГЕКСАНОВ

X А 3

3 А у

билизирупцие конформер АЭ,так как заряд на атоме 0 в метокрсигруп-пе больше, чем на остальных использованных заместителях, а рас-

Таблица 5

Данные ЯИР^Н и параметры конформацйонных равновесий цис-1,4-диэачещенных циклогексанов

Соединение 1 Х/У 1 | м.д. ¡Гц ! % I м.д. ! ! 1 ^ | % ^Э^А-АЭ | *. | ««V

XX Н0/0СД3 3,58 23,1 33,5 3,15 17,5 37,6 36,6 -0,35

(-0,05)

XXI АсО/ОСДз 4,70 23,1 37,7 3,18 17,2 35,9 36,8 -0,32

(-0,15)

ХХШ С1/0СД3 3,85 24,0 36,6 3,18 16,2 30,4 33,5 -0,40

(0,05)

ХХ1У Вг/ОСДз 4,00 24,5 36,3 3,22 перекрыт 36,3 -0,33

• (0,07)

Примечания: а) ¿абЦ^д- = - б) измерение про-

водилось по Н^ и с последующим усреднением результатов.

стояние 0 ... Сц меньше (в случае Х=С1, Вг), чем расстояние

«"-Xх АЭ ЭА ^ом -Г

X .... 1аким образом, благодаря внутримолекулярным элект-

ростатическим взаимодействиям конформационные свойства цис-1,4-дизамещенных циклогексанов неаддитивны, хотя и в меньшей степени, чем у транс-1,4-производкых.

ВЫВОДЫ

1. Осуществлен синтез серий модельных соединений - различных кеталей 4-замещенных циклогексанонов и цис-1,4-диэамещенных циклогексанов с электроотрицательными заместителями, и методом ШР*Н впервые систематически изучены их конформационные равновесия в серии растворителей.

2. Шявлен общий характер эффекта дополнительной стабилизации аксиального конформера у кеталей 4-замещенных циклогексанонов с различными заместителями и разной структурой кетального фрагмен-

-ги-

га. Показано, что свободная энергия коьфордационного равновесия не воспроизводится расчетами по методу молекулярной механики. Найденные закономерности конфордационных свойств свидетельствуют о том, что причиной эффекта являются внутримолекулярные электростатические взаимодействия.

3. Разработана схема сравнительного анализа конформационных характеристик моно-, ди- и тризамещенных циклогексанов. Показано, что свободные энергии конформационных равног зсий для квталеН 4-эа-мещенных циклогекс&нонов могут быть приближенно оценены на основе аддитивного подхода с учетом ковфорыационшх параметров соответствующих цис- и транс-1,4-дизамещекшх циклогексанов.

4. Найдена неаддитивность конформационных энергий заместителей у цис-1,4-дизамещенных циклогексанов с электроотрициательными заместителями, обусловленная внутримолекулярными электростатическими взаимодействиями.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Самошин В.В., Зефиров Н.С., Курбеиова В.А., Хартумов И.Ш., Мурсакулов И.Г. Конформационные свойства циклических кеталей 4-за-мещенных циклогексанонов//-ДАН СССР.-1987.-т.294.5.-С.617-620

2. Курбанова В.А.., Самошин В.В., Мурсакулов ИЛ'., Билалова Р.М., Зефиров Н.С. Кокфордационше свойства кеталей 4-замещенных циклогексанонов.//-Азерб.хим.ж..-1989.-М 5. -

3. Курбанова В.А., Самошин В.В., Мурсакулов И.Г. Конформаци-онный анализ 1,1,4-тризамещенных циклогексанов.// - Деп. в ВИНИТИ. - 1991. - V 1285. - В 91. - 32С. - Рукопись представлена ИХСС

АН Аэерб.Ресцублики

Зак. Пет. Тип. Д|ПУ им М Лнибекииа

|3аку—ГСП, ирл'искг Лсннии, 20.