Синтез и реакции 1.3-ДИ-N-оксидов и 1-Nоксидов бензо-1,2,3,4,-тетразина тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ имели Н. Д. ЗЕЛИНСКОГО

На правах рукописи

Смирнов Олег Юрьевич

СИНТЕЗ И РЕАКЦИИ 1.3-ДИ-ЛГ-ОКСИДОВ И 1-Л7-ОКСИДОВ БЕНЗО-1,2,3,4,-ТЕТРАЗИНА

02.00.03-0рганическая химия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степей!! кандидата химических наук

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ имени Н. Д. ЗЕЛИНСКОГО

На правах рукописи УДК 542.91 : 547.556.2 : 547.882

Смирнов Олег Юрьевич

СИНТЕЗ И РЕАКЦИИ 1.3-ДИ-АГ-ОКСИДОВ И 1 -ТУ-ОКСИДОВ БЕНЗО-1,2,3,4,-ТЕТРАЗИНА

02.00.03-0рганическая химия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Работа выполнена в Институте органической химии им. Н, Д. Зелинского РАН

Научный руководитель

кандидат химических наук А. М. Чураков

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор М. В. Горелик,

доктор химических наук, С. Г. Злотин

Ведущая организация

ИНЭОС'им. А. Н. Несмеянова, РАН, Москва

Защита состоится 26 мая 1995 г. в 10 часов на заседании Специализированного совета К 002.62,02 по присуждению ученой степени кандидата химических наук в институте органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН (117913 Москва, Ленинский проспект, 47, конференц-зал)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОХ РАН

Автореферат разослан 25 апреля 1995г. Ученый секретарь Специализированного совета,

Доктор химических наук

Ю. В. Томилов

Общая характеристика работы.

Актуальность темы,

Несмотря на то,, что 1,2,3,4-тетразины — шестичленные ароматические циклы с четырьмя атомами азота — представляют собой одну из фундаментальных гетероциклических структур, их свойства практически не были исследованы, что связано с их термической неустойчивостью. В то же время 1,3-диоксиды 1,2,3,4-тетразинов — бензо-1,2,3,4-тетразин-1,3-диоксиды (БТДО), недавно полученные в нашей лаборатории, представляют собой устойчивые соединения. В связи с этим несомненный теоретический и практический интерес представляет исследование зависимости устойчивости 1,2,3,4-тетразинов от количества и расположения атомов кислорода, связанных с атомами азота тетразинового кольца.

Бензо-1,2,3,4-тетразин-1,3-диоксиды представляют собой новый класс гетероциклов. В связи с этим представлялось важным разработать надежные методы, позволяющие формировать тетразиновое кольцо и изучить реакционную способность БТДО. К началу настоящей работы были получены лишь отдельные представители этого класса, причем синтез проводился методом нитрования и лишь одно соединение было получено методом окисления. Не было ясности, возможно ли применение этих методов для синтеза соединений, содержащих заместители в ядре. Практически не было данных о реакциях электрофильного и нуклеофильного замещения в ряду БТДО.

Значительный интерес представляет механизм образования бензо-1,2,3,4-тетразин-1,3-диоксидов и бензо-1,2,3,4-тетразин-1-оксидов, где впервые для введения азокси-группы в скелет гетероцикла была использована азокси-трет-бутштьная группа. Цель работы.

Основной целью настоящей работы является разработка методов синтеза и изучение реакционной способности бензо-1,2,3,4-тетразин-1,3-диоксидов и бензо-1,2,3,4-тетразин-1-оксидов. Научная новизна.

Разработаны два метода получения бромозамещенных бензо-1,2,3,4-тетразин-1,3-диоксидов прямым замыканием тетразинового цикла;

проведено их сравнение; получены данные о механизме реакций. Систематически исследованы реакции нуклеофильного замещения нитро-и бромозамещенных БТДО с О- и ЛГ- нуклеофилами. Установлено, что активность положений ядра к нуклеофильной атаке уменьшается в следующем ряду: 6>8>>7>5. На примере нитрования и бромирования изучены реакции электрофильного замещения БТДО, определена активность различных положений ядра в зависимости от положения заместителей. Синтезирован первый представитель 1-оксидов 1,2,3,4-тетразина — 5,7-дибромобензо-1,2,3,4-тетразин-1-оксид; исследован механизм его образования, при этом обнаружен новый тип /У-Л-миграции /лре/л-бутильной группы.

Изучена термическая устойчивость бензо-1,2,3,4-тетразин-1-оксида. Установлено, что тетразиновый цикл этих соединений легко раскрывается с образованием орото-нитрозоазидобензолов.

Получены производные новой гетероциклической системы — алкилбензо-1,2,3,4-тетразинийЦ-оксида.

Практическая ценность работы состоит в том, что определены закономерности нуклеофильного и электрофильного замещения в ряду БТДО, что дает возможность планировать синтез различных производных этого класса. Исходными при этом являются бромозамещенные БТДО, для синтеза которых предложены методы, позволяющие получать соединения, содержащие один или два атома брома в любых положениях бензольного кольца. Апробация и публикация работы.

По материалам диссертации опубликовано 2 печатных работы. Результаты исследований были представлены на 207-ой национальной конференции Американского Химического общества (Сан Диего, США, 1994 г.).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, литературного обзора по теме «1,2,3,4-Тетразины», обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов, приложений и изложена на 107 стр., содержит 9 рис., 20 табл., 56 ссылок.

Основные результаты работы 1. Получение исходных бромозамещенных 2-(/я/>е/я-бутилазокси)анилинов

Существенным пробелом, затруднявшим работу с бензо-1,2,3,4-тетразин-1,3-диоксидами (БТДО), являлось отсутствие методов синтеза исходных бромозамещенных 2-(»ует-бутилазокси)анилинов. Нами предложены два подхода к их синтезу.

Л/еотя-бромоанилины 2b,d,f получены замещением аммиаком орто-атомов брома в орто-, пара- бромо(от^е/л-бутилазокси)бензолах lb,d,f, которые легко получаются по методу Ковачича из соответствующих нитрозосоединений и Л^Л^-дибромо-т/ге/л-бутиламина. Нами найдено, что при использовании толуола в качестве растворителя замещение проходит почти исключительно в орто-положение. Реакцию проводили в автоклаве при 180 °С при давлении 200 атм., которое обеспечивалось большим избытком аммиака.

О

т t

N = NBul

NH3

180"С

lb,d,f

2b,d,f

Таблица 1. Значения R для соединений 1,2,3,6.

1,2,3,6 Rl R^ R-^ R4

а H Н Н Н

Ь H Вг Н Н

с Н Н Вг Н

d Н Н Н Вг

е Вг Н Вг Н

f Н Вг Н Вг

R Н Вг Вг Н

h Н Н Вг Вг

i Вг Вг Вг Н

Для синтеза идра-бромоанилина 2с и орто, идра-дибромоанилина 2е оптимальным вариантом является бромирование 2-(тре/я-бутилазокси) анилина 2а, который, в свою очередь, можно получить восстановлением хлористым оловом 2-(тре/л-бутилазокси)нитробензола.

Бромоанилины 2g-i также полнены бромированием анилинов 2Ь,й бромом в уксусной кислоте в присутствии ацетата натрия.

вг

2а,Ь,а 2е,1

2. Получение бромозамещенных бензо-1,2,3,4-тетразин-1,3-диоксидов

2.1 Метод А

Бромозамещенные БТДО 3 образуются при взаимодействии орто-(трет-бутилазокси)анилинов 2 с азотным ангидридом в нитрометане или ацетонитриле (метод А, табл. 2). С хорошим выходом, сравнимым с выходом незамещенного БТДО За, получены БТДО в которых атом

брома занимает положения 6 и/или 7 (62-82%). В тех случаях, когда атомы брома расположены в 5-ом или 8-ом положениях, то есть находятся рядом с реакционными центрами, выходы умеренные (БТДО 3(1,е,С,Ъ 4053%), при синтезе трибромопроизводного 1| выход не превышает 30%.

,4 О

2a-¡

n2Qs ch3no2

За-1

Недостатком метода является то, что в качестве примеси образуются БТДО, содержащие нитрогруппу в 5-ом и 7-ом положениях. Это

происходит в тех случаях, когда в исходном анилине 2 эти положения не заняты атомами брома.

Мы предполагаем следующий механизм этой реакции. На первой стадии аминогруппа анилина 2 под действием избытка нитрующего реагента переходит в нитрокси-ОА^Л'-азоксигруппу с образованием интермедиата 4. Далее происходит замыкание тетразинового цикла, при котором дистальный атом азота тре/л-бутил-ТЛУО-азоксигруппы выступает как нуклеофил, а положительно заряженный атом азота нитрокси-ОТУЛ?-азоксигруппы— как электрофил.

к2о5

омо-

N0-

(Ви1)

+

4 5

При циклизации образуется положительно заряженный циклический катион 5, который быстро выбрасывает /яре/я-бутильный катион. При проведении реакции в ацетонитриле, этот катион образует аддукт с СНзСИ, который, после обработки реакционной массы водой, дает И-трет-бутилацетамид, выделеный с 80% выходом, что подтверждает ионный механизм реакции.

2.2. Метод Б

Второй метод, разработанный для, получения БТДО, заключается в обработке солей диазония 6 , .«е/ад-хлорнадбешойной кислотой в присутствии пиридина при —20 °С. Выходы БТДО приблизительно соответствуют выходам по первому методу (см. табл. 1 и 2).

Исходное БТДО Метод A, Метод Б, Т. пл. °С

соединение 2 3 выход, % выход, %

b b 66.2 84 196-197

с с 62 50.6 220-221

d d 40 37.4 208-209

е e 53 51.8 204-208 с разлож.

f f 45.4 37.4 213-215

g g 82 70 252-254

h h 42 — 200-204 с разлож.

i i 27 — 204-207 с разлож.

Механизм реакции, предположительно, заключается в образовании азо-пероксисоединения 7 (см. схему 1), его циклизации с образованием катиона типа 5 и выбросе /лре/я-бутильного катиона на заключительной стадии. Ионный характер превращений подтвержден выделением N-mpem-бутилацетамида при проведении реакции в ацетонитриле.

Соли диазония 6 получали обработкой соответствующих анилинов 2 тетрафторборатом нитрозония в ацетонитриле. В том случае, когда соли диазония достаточно устойчивы (например, 6а), их можно выделять.

Однако большинство бромозамещенных солей диазония 6 склонны к самопроизвольной циклизации уже при комнатной температуре, что ведет к образованию бензофуразанов (см. раздел 5). Чтобы предотвратить этот нежелательный процесс, соли диазония получали in situ не поднимая температуру выше О 'С, и сразу вводили в реакцию с надкислотой. Этот

метод получения БТДО сложнее в исполнении, чем первый, однако очистка продуктов, обычно, несколько проще.

Схема 1

С-Ar

6

3. Взаимодействие бензо-1,2,3,4-тетразин-1,3-диоксидов с электрофильными реагентами

Для исследования реакций электрофильного замещения выбрано нитрование и бромирование. В первую очередь нас интересовало влияние тетразиндиоксидного кольца на ориентацию замещения в бензольном кольце БТДО. Кроме того, мы хотели выяснить, какие синтетические возможности открывает эта реакция для получения бромо- и нитро-замещенных БТДО.

БТДО Ja легко нитруется смесью серной и азотной кислот с образованием 5-N02- и 7-Ы02-изомеров (ga и 9а) в соотношении 1:2. Нитрование БТДО, содержащих заместитель в положении 6, также проходит в положения 5 и 7, однако, в этом случае предпочтительным оказывается положение 5. Из 6-бромоБТДО 5- и 7-нитроизомеры образуются в соотношении 9:1. Селективность повышается еще больше при нитровании 6-метокси- и 6-диметиламиноБТДО. С(7) изомеры в этом случае наблюдаются в следовых количествах (см. табл. 3).

Нитрование 8-бромозамещенного БТДО проходит так же, как и незамещенного БТДО ja, преимущественно в положение 7 (соотношение 5/7-изомеров 1:4.3). Отметим, что в этом случае скорость реакции заметно

выше, чем в случае 6-бромозамещенного соединения. Это можно объяснить стерическим отталкиванием атома брома в 8-ом положении и атома кислорода тетразиндиоксидного кольца, которое, искажая утлы, делает молекулу более напряженной и, следовательно, более реакционноспособной.

Таблица 3. Выход изомеров 8 и 9 в реакции нитрования и бромирования БТДО.

X1

О

Т

N.

N

. N N

X

2

у

О

А

N.

N "

N N .

1

У

У.

О

X

2

О \

N

N N *

О

1

9

8

Заместители X' и Х^ в исходном БТДО Заместитель У в 8 и 9 Соотношение изомеров 8 и 9, % Выход 8 и 9, %

XI Х2 8 9

Нитрование БТДО (НЖ>з/Н2504)

Н Н N02 33 67 91

Вг Н N02 90 10 88

МеО Н N02 98 2 64

Me2N Н N02 100 0 82

Н Вг N02 19 81 78

Бромирование БТДО (ДБИ/СРзС02Н/Н2504)

Н н Вг 46 54 81

Вг н Вг 50 50 85

Н Вг Вг 87 13 58

В случае, когда положения 5 и 7 заняты атомами брома, нитрование проходит в 8-ое положение. Второй изомер при этом не наблюдался.

Вг

Вг

Ы'

Зе

I ■

НК0з/Н28О4/5ОЗ

ко

Для объяснения направления нитрования в БТДО проведены рассчеты а-комплексов 10 методом MNDO с полной оптимизацией геометрии (см. табл. 4). Предполагая, что переходное состояние близко по структуре к а-комплексу, можно считать, что скорость реакции определяется устойчивостью этих комплексов. Сравнивая энтальпии образования а-комплексов, можно разместить положения кольца БТДО в порядке уменьшения скорости нитрования в следующий ряд: 5>7>>8>6. Обобщая экспериментальный материал, мы получили тот же ряд, с тем исключением, что в некоторых случаях положения 5 и 7 меняются местами.

Таблица 4. Энтальпии образования а-комплексов 10.

О

н +

о2ы н

10а

О

0 О

1 .1

N.

I

N *0

N.

? 02N N О

Н +

о

Г

N.

I

N -о

10Ь

Юс

10(1

АЩ, 337 341 360 373

ккал/моль

Соединение 10а юь Юс 10(]

Бромирование БТДО проводилось дибромоизоциануровой кислотой (ДБИ) в трифторуксусной кислоте, содержащей 20% К^БОф Мы нашли, что в этих условиях можно вводить в молекулу БТДО один атом брома.

БТДО^а и 6-бромоБТДО^Ь бромируются в положения 5 или 7 с приблизительно равной скоростью. 8-Бромозамещенный БТДО бромируется в основном в 5-ое положение. Отметим, что это соединение реагирует значительно быстрее, чем 6-бромо- и незамещенный БТДО. Причины увеличения скорости, видимо, те же, что и для случая нитрования 8-бромоБТДО.

При бромировании БТДО в более жестких условиях (дибромоизоциануровой кислотой в Н2504) в ядро можно вводить несколько атомов брома за один прием. Из 6,8-дибромоБТДО легко получается тетрабромированное соединение.

I

О

Если в тех же условиях бромировать БТДО За, в молекулу можно ввести три атома брома.

То же самое трибромопроизводное 5,7,8-трибромоБТДО получается при бромировании 5,7-дибромоБТДО Зе. Таким образом, бромирование Зе проходит так же, как и нитрование в положение 8.

В итоге положения бензольного кольца БТДО можно расположить в ряд по возрастанию скоростей бромирования: 5«7»8>6, который, в

первом приближении, совпадает с аналогичным рядом для реакции нитрования.

4. Взаимодействие бензо-1,2,3,4-тетразии-1,3-диоксидов с нуклеофильными

реагентами

На первом этапе изучения реакции нуклеофильного замещения в качестве объектов были выбраны дюнозамещенные соединения: 6-, 7-, 8-бромозамещенные и 5-, 7-нитрозамещенные БТДО. В качестве реагентов исследованы метанольный раствор КОН, азид натрия в ДМФА, диметиламин в ДМФА, метиламин в ДМСО.

Таблица 5. Выход БТДО 11 в реакциях монозамещенных БТДО с нуклеофилами.

|б /

! 5

X

О

I

О

?

О »

.и.

' N

I

N 'о

реакция А, ¡, сн3он, КОН

11

реакция С, ¡, Ме21^Н, ДМФА, Н2О

Хв исходном БТДО Реакция А Реакция В Реакция С. Реакция Б.

У в 11 Выход %. У в 11 Выход %. У в 11 Выход %. У в И Выход %.

6-Вг 6-МеО 83 6^3 88 6-Ме2К 94 6-Ме>Ш . 92

7-Вг 7-МеО .45 53 7-Ме2И 45 7-МеГ>Щ 89

7-К02 7-МеО 76 75 7-Ме2К 76 7-МеЫН 0

8-Вг 8-МеО 27 8-^з 90 8-Ме2М 75 8-МеГШ 89

Все бромозамещенные соединения вступают в реакцию с выбранными нукдеофилами, образуя продукты нормального замещения (табл. 5) с выходом 27 — 94%.

Замещение нитрогруппы в БТДО имеет свои особенности. Такими нуклеофилами, как сн3о", n3" и 1ШМе2 7-ншрогруппа замещается так же, как и бромо- в положении 7, но с большей скоростью. С метиламином 7-нитроБТДО образует сложную смесь неидентифицированных продуктов, в которой отсутствует нормальный продукт замещения.

5-нитроБТДО не реагирует нормальным образом ни с одним из выбранных нуклеофилов. Видимо, в процессе реакции происходит глубокое разрушение соединений.

На втором этапе исследованы реакции нуклеофильного замещения в дибромозамещенных соединениях: 6,8-дибромо-, 6,7-дибромо- и 5,7-дибромоБТДО. При реакции этих соединений с метанольным раствором КОН сначала происходит замещение одного атома брома на метоксильную группу, причем образуются оба возможных изомера 12 и 13, а в более жестких условиях замещается и второй атом брома.

Таблица 6. Соотношение монометоксизамещенных БТДО 12 и 13.

О О О

Вг Т Вг I МеО I

МеОН/КОН

+ I

12 13

Положение атомов брома в исходном БТДО Положения заместителей в 12 Положения заместителей в 13 Соотношение изомеров %

12 13

6,8 6-МеО, 8-Вг 6-Вг, 8-МеО 62 38

6,7 6-МеО, 7-Вг 6-Вг, 7-МеО 98 2

5,7 5-МеО, 7-Вг 5-Вг, 7-МеО 10 90

Для определения соотношения скоростей замещения в разных положениях бензольного кольца, исходные БТДО выдерживали в метанольном растворе КОН до появления следовых количеств дизамещенного соединения, реакцию останавливали и измеряли соотношение продуктов монозамещения 12 и 13. На основании данных, приведенных в таблице 6, а также используя сравнительные данные по скоростям замещения в ряду монобромозамещенных БТДО, выведена следующая последовательность положений бензольного кольца БТДО по легкости нуклеофильного замещения: 6>8>>7>5. Эта последовательность справедлива для всех исследованных нуклеофилов.

На основании строения продуктов реакций мы считаем, что в данном случае реализуется механизм присоединения с последующим отщеплением (АЕ). Различие в скоростях замещения в различных положениях кольца для такого типа реакций можно объяснить разной термодинамической устойчивостью промежуточных комплексов 14.

Таблица 7. Энтальпии образования анионов ДН^ 14.

N " пОМе и

Структура_14а_14Ь_14с_14с|_

А 12-9 15-9 24.6 26.5

Энтальпии образования анионов 14а-й определены методом КШБО с полной оптимизацией геометрии.

Сравнивая величины мы получили ту же самую

последовательность положений кольца по скорости замещения, что была определена экспериментально. Отметим, что эта последовательность обратна той, что получена нами для реакции злектрофильного замещения.

5. Получение бензо-1,2,3,4-тетразин-1-оксидов

Для получения ЬТУ-оксидов бензо-1,2,3,4-тетразина , мы предполагали использовать внутримолекулярную циклизацию катиона , диазония и (/71/)№1-бутил)азоксигруппы. При этом азоксигруппа могла, бы выступать как нуклеофил, так же как при получении 1,3-ди-Лг-оксидов бензо-1,2,3,4-тетразина (см. раздел 2.1), а катион диазония — как электрофил. Промежуточная циклическая соль могла бы выбрасывать /ярет-бут ильную группу так же, как это происходило при синтезе БТДО (см. раздел 2).

Синтез солей диазония, содержащих в орто-положении (трет-бутил)азокси-группу, уже описан нами в разделе 2.2, где они, как правило, без выделения обрабатывались надкислотой для получения БТДО.

Для получения 1-/У-оксидов бензо-1,2,3,4-тетразина соль диазония бе выделена при О °С. Ее строение подтверждено ИК-спектром (V = 2120, 2150 см-1, №гТ<+) и спектрами ЯМР 41, 13С, 14М. В твердом состоянии эта соль относительно устойчива, однако, при хранении происходит циклизация с образованием соли 16е (см. схему 2). В ИК-спектре исчезает полоса поглощения в области V = 2100 — 2200 см~ 1. При осторожном нагревании (45 °С) циклизация завершается за 12 часов.

В растворе этот процесс резко ускоряется. В абсолютированном ацетонитриле образование цикла завершается уже через 10 минут при комнатной температуре. При дальнейшей выдержке соль 16е теряет трет-бутильную группу, образуя 5,7-дибромобензо-1,2,3,4-тетразин-1-оксид 17е (70%). В растворе в СНзСГ^, содержащем воду треот-бутильная группа превращается в трет-бутанол.

В том случае, когда растворителем является ДМСО, содержащий небольшое количество воды, наряду с отщеплением /яре/я-бутильной группы происходит нуклеофильное замещение атома брома в положении 7 с образованием хиноидного соединения 18, структура которого установлена на основании данных спектроскопии ЯМР на ядрах Ш, 13С, 14М,' Кроме того проведены рентгеноструктурные исследования

соединения 18, как представителя нового класса полиазотных гетероциклов.

Br

О

n=nbul

№n+ bf4 6c,e

c: Rl=H e:Rl=Br

17c,e

18c,e

16c,e

Структура соединения 18 подтверждает тот факт, что в его предшественнике — соединении 16 — трет-бутильная группа находится у атома азота N(2), а не у атома N(3), как в соединении 15. Строение 16е также подтверждено спектроскопией ЯМР. Соль 15е неизбежно должна присутствовать как интермедиат в этой реакции, однако, ее концентрация слишком мала и мы не смогли зафиксировать ее при проведении реакции в датчике ЯМР-спектрометра. Перегруппировка соли 15 в соль 16 предполагает миграцию /яре/я-бутильной группы. Необходимо отметить, что перегруппировки такого типа ранее не наблюдались. A priori миграция может проходить по механизму отщепления-присоединения или синхронно через трехцентровое двухэлектронное переходное состояние. При первом варианте mpem-бутильная группа должна отщепляться в виде трет-бутильного катиона от атома N(3) и присоединяться к атому N(2). Нам кажется, что такой процесс мог бы проходить только при эффективной сольватации тяре/я-бутильного катиона. В то же время, перегруппировка проходит и в твердой фазе. Поэтому нам представляется более вероятным синхронный механизм. Движущей силой перегруппировки является более высокая термодинамическая стабильность соли 16 по сравнению с солью 15.

ЬЛ'-Оксид 5,7-дибромобензо-1,2,3,4-тетразина 17е оказался достаточно устойчивым, чтобы провести его рентгеноструктурный анализ (см. рис. 1), и определить спектральные характеристики. Однако, при комнатной температуре тетразиновый цикл медленно раскрывается, образуя ор/ло-азидонитрозобензол 19е, который в свою очередь количественно замыкается в фуразан 20е с выбросом молекулы азота.

Орто-азидонитрозобензол 19е удалось выделить практически в индивидуальном состоянии (чистота >95%) в виде желтых кристаллов и охарактеризовать спектрами ИК и ЯМР. Ранее соединения этого класса предполагались как интермедиаты в синтезе бензофуразанов, но выделить их никогда не удавалось.

с: Я!=Н е:111=Вг

Судя по спектрам ЯМР и 13С нитрозосоединение 19е не образует димера в растворах даже при —25 °С. Растворы 19е имеют светло-желтый, а не зеленый цвет, что, видимо, связано с сильным сопряжением азидо- и нитрозогрупп.

Мы также попытались получить 1-Лг-оксид бензотетразина из моно-бромозамещенной соли диазония 6с. Она легко циклизуется с образованием соли 16с, которая была переведена в хиноидное соединение 18с, что подтверждает положение шрет-бутильной группы у атома N(2) в исходной соли 16с. Однако, при дальнейшей выдержке соли 16с в растворителе нам не удалось зафиксировать ни ЬЛ^оксид 7-бромобензо-1,2,3,4-тетразина 17с, ни азидонитрозосоединение 19с. Очевидно, эти соединения нестабильны при комнатной температуре. Продуктом реакции был лишь бромофуразан 20с.

17с,е

19с,е

20с,е

Рисунок 1. Структура Ь/У-оксида 5,7-дибромобензо-1,2,3,4-тетразина 17е.

Вг(5)

0(1)

Таблица 9. Длины связей (с!) в молекуле 17е

Связь с!/к Связь (У/А

Вг(5)-С(5) 1.875 (11) М(4)-С(4а) 1.363 (14)

Вг(7)-С(7) 1.898 (10) С(5)-С(6) 1.381 (16)

0(1)-И(1) 1.239 (И) С(5)-С(4а) 1.429 (15)

М(1)-Ы(2) 1.339 (12) С(6)-С(7) 1.369 (14)

Ы(1)-С(8а) 1.408 (12) С(7)-С(8) 1.379 (13)

Н(2)-И(3) 1.347 (13) С(8)-С(8а) 1.375 (14)

1.300 (13) С(4А)-С(8а) 1.401 (13)

Соль диазония ба, не содержащая заместителей в бензольном кольце, оказалась более устойчива, чем 6с и бе, и не циклизуется при комнатной температуре. Следует отметить, что этот факт подтверждает, что механизм образования БТДО по методу Б (см. раздел 2.2) не включает стадию образования циклической соли типа 16 и 1-оксида бензо-1,2,3,4-тстразина, поскольку при синтезе БТДО За циклизация происходит уже при —20 °С. Этот механизм отвергнут также на основании того, что циклическая соль 16е и моно-оксид 17е не образуют БТДО Зе при их обработке надкислотой в присутствии пиридина.

При нагревании в СНзСМ при 50 °С соль диазония 6а превращается в бензофуразан. При проведении реакции в датчике ЯМР-спектрометра мы наблюдали промежуточную циклическую соль 16а, однако зафиксировать 1-оксид бензо-1,2,3,4-тетразина в этом случае не удалось.

6. Термическая устойчивость //-оксидов бензо-1,2,3,4-тетразина

Вопрос о стабильности является ключевым для химии 1,2,3,4-тетразинов. Неустойчивость соединений этого класса обычно связывают с дестабилизирующим влиянием свободных электронных пар на соседних атомах азота. Введение одного Л'-оксидного атома кислорода уменьшает цепочку атомов азота, несущих электронные пары, что могло бы увеличить термодинамическую устойчивость соединения.

Однако, мы установили, что 1-#-оксиды бензо-1,2,3,4-тетразина термически неустойчивы, что связано с легким раскрытием цикла с образованием таутомерного азидонитрозосоединения.

По рассчетам аналогичный процесс должен легко проходить и для гипотетического 2-Лг-оксида бензо-1,2,3,4-тетразина. Теплота реакции в

этом случае составляет только 3 ккал/моль. Принимая во внимание то, что открытая форма соединения может экзотермически замыкаться в И-нитрозобензотриазол, можно ожидать, что бензо-1,2,3,4-тетразин-2-оксид окажется крайне неустойчив термически.

При введении двух атомов кислорода в тетразиновое кольцо возможность кольчато-цепной таутомерии определяется их взаимным расположением. Она возможна для 1,2- и 2,3-диоксидов, и, учитывая их стерическую напряженность, видимо будет проходить легко. Для 1,4-диоксидов имеется другая возможность распада — термодинамически выгодный процесс с выбросом молекулы азота. Таким образом оказывается, что из всех Диоксидов только у 1,3-диоксида бензо-1,2,3,4-тетразина нет удобного пути распада, и он должен был бы оказаться самым устойчивым из них.

И действительно, оказывается, что большинство синтезированных БТДО устойчивы до »200 °С (см. табл. 2). Исключение составляют азидо-производные, которые начинают разлагаться уже выше 110 "С.

ДНр = 3 ккал/моль ДНр = —32 ккал/моль

7. Установление структуры БТДО

Структура БТДО устанавливалась на основании комплекса физико-химических методов, включающих ИК-, УФ-, масс-спекгрометрию, спектроскопию ЯМР, на ядрах *Н, 13С, 14N, и элементный анализ.

При анализе ИК-спектров установлено, что полосы, соответствующие колебаниям 1,2,3,4-тетразин-1,3-диоксидного фрагмента локализованы в областях 1460 — 1550 и 1400 — 1440 см" 1.

Большинство БТДО, за исключением некоторых азидозамещенных соединений, дают в масс спектрах отчетливые молекулярные ионы. Для них характерна фрагментация с отщеплением одной и двух молекул N2 О (сигналы М+—44 и М+-88, соответственно).

Все БТДО являются окрашенными соединениями. В зависимости от заместителей окраска меняется от желтой до фиолетовой. Она так же зависит от положения заместителей в ядре, что связано с разной степенью сопряжения заместителя с тетразиндиоксидным кольцом.

Таблица 8. УФ-спектры 1,2,3,4-тетразин-1,3-диоксидов (МеОН).

Положение заместителей в БТДО. ^2 е2 Ьз ез М 64

Незамещенный БТДО 275 33000 310 перегиб 420 1700

6-ОМе 280 33500 300 перегиб 408 3300

7-ОМе 287 32800 337 7000 453 3200

6-NMe2 313 9700 350 3500 470 2700

7-NMe2 — — 388 9300 550 2200

В результате исследования электронных спектров БТДО установлено, что полосы в области 300-388 нм относятся к тс-тс* переходам, а 408-550 нм — к п-л* переходам в тетразиндиоксидном фрагменте. Полосы в области 200 — 300 нм относятся к переходам с внутримолекулярным переносом заряда.

Наиболее информативным методом для установления структуры БТДО является спектроскопия ЯМР. В спектрах ЯМР этих

соединений проявляются два узких сигнала в области —37 — —55 мд, относящихся к ТУ-оксидным атомам азота тетразиндиоксидного цикла. Расположение заместителей в ядре БТДО иногда определяется только спетроскопией ПМР. Однако, в большинстве случаев необходимо проводить съемку спектров ЯМР 13С. Для отнесения сигналов атомов углерода использовались специальные методики (получение спектров без подавления протонов, с селективным подавлением отдельных протонов, различные варианты С-Н-корреляций, селективный перенос поляризации от протонов и т. д.). Учитывались так же величины КССВ «с- Кроме того показано, что аддитивные схемы удовлетворительно аппроксимируют наблюдаемые химические сдвиги и, следовательно, могут использоваться для установления положения заместителей в ядре БТДО.

Выводы.

1. Разработаны два метода получения бромозамещенных бензо-1,2,3,4-тетразин-1,3-диоксидов. Синтезы осуществлены прямым замыканием тетразиндиоксидного кольца при действии N2O5 на 2-(трет-бутилазокси)анилины, а также обработкой тетрафторборатов 2-(трет-бутцлазокси)фенилдиазония при действии надкислотой в присутствии основания.

2. Внутримолекулярной циклизацией тетрафторбората 2-{трет-бутилазокси)фенилдиазония получен первый представитель 1-оксидов бензо-1,2,3,4-тетразина — 5,7-дибромобензо-1,2,3,4-тетразин- 1-оксид. Механизм его образования исследован методом спектроскопии ЯМР in situ; при этом обнаружен новый тип jV-Л'-миграции трет-бутилъной группы в катионе тетразиния.

3. Получены представители новых гетероциклических систем — 2-Лг-алкилбензо-1,2,3,4-тетразиний-4-оксида и 2-ЛГ-алкил-2,6-дигидро-6-оксо-бензо-1,2,3,4-тетразин-4-оксида.

4. Изучены реакции нуклеофильного замещения нитро- и бромопроизводных бензо-1,2,3,4-тетразин-1,3-диоксида. Установлено, что активность положений ядра к нуклеофильному замещению уменьшается в следующем порядке: 6>8>>7>5.

5. Исследованы реакции электрофильного замещения в бензольном кольце бешо-1,2,3,4-тетразин-1,3-диоксидов. Найдено, что в реакциях нитрования и бромирования положения 5 и 7 более активны, чем 6 и 8. Изучена сравнительная активность положений 5 и 7 в зависимости от заместителей в ядре.

6. Установлено, что тетразиновый цикл в бензо-1,2,3,4-тетразин-1-оксидах легко раскрывается с образованием орто-азидонитрозобензолов, которые впервые выделены в индивидуальном состоянии.

7. Получены экспериментальные данные о механизме формирования тетразин-1,3-диоксидного и тетразин-1 -оксидного циклов.

8. Предложены два подхода к синтезу бромозамещенных 2-{трет-бутилазокси)анилинов — исходных в синтезе оксидов бензо-1,2,3,4-тетразинов.

9. Проведено комплексное исследование БТДО физико-химическими методами, включая ИК-, УФ-, масс-спектроскопию и спектроскопию ЯМР на ядрах 1н, 13с, 14n.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1 Churakov А. М., Smirnov О. Yu., Ioffe S. L., Tartakovsky V. A., New high nitrogen heterocyclic compounds with diazene oxide fragment in the cycle., 207'h American Chemical Society National Meeting (Division of organic chemistry), San Diego, CA, March 13-17, 1994, program № 79.

2 Churakov A. M., Smirnov O. Yu., Strelenko Yu. A., Ioffe S. L., Tartakovsky V. A., Struchkov Yu. Т., Dolgushin F. M., Yanovsky A. I., Synthesis, structure and transformations of the first 1,2,3,4-tetrazine-l-TV-oxide., Mendeleev Commun., 1994, № 5, p. 122-124.

3 Чураков A. M., Смирнов О. Ю., Иоффе С. JL, Стреленко Ю. А., Тартаковский В. А., Синтез бромозамещенных 2-(mpem-6ynm-NNO-азокси)анилинов, Известия Акад. наук, Сер. хим., 1994, № 9, с. 1620-1623.