Синтез, таутомерия и автопревращения тиолов, селенолов и аминов пятичленных моногетаренов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.08 ВАК РФ

РГВ ОД

IX

На правах рукописи

ВВЕДЕНСКИЙ Владимир Юрьевич

СИНТЕЗ, ТАУТОМЕРИЯ И АВТОПРЕВРАЩЕНИЯ ТИОЛОВ, СЕЛЕНОЛОВ И АМИНОВ ПЯТИЧЛЕННЫХ МОНОГЕТАРЕНОВ

02.00.08 - химия элементоорганических соединений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук

Иркутск - 1998

Работа выполнена в Иркутском институте химии Сибирского отделения Российской Академии наук

Официальные оппоненты:

доктор химических наук A.C. Медведева

доктор химических наук, профессор Г.Н. Доленко

доктор химических наук, профессор Л.Б. Кривдин

Ведущая организация: Институт органической химии РАН

им. Н.Д. Зелинского

Защита состоится & Ъ июня 1998 года в /Рчасов на заседании диссертационного совета Д 002.56.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора химических наук в Иркутском институте химии СО РАН по адресу:

664033, Иркутск, ул. Фаворского, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Иркутского института химии СО РАН

Автореферат разослан «2Z» мая 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.х.н.

И.И. Цыханская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время химия гетероциклических соединений является наиболее обширным и быстроразвивающимся разделом органической химии. В свою очередь, пятичленные ароматические соединения с одним гетероатомом в цикле - фураны, тиофены, селенофены, пирролы исторически играют особую роль в химии гетероциклов, что объясняется их распространенностью в природе, широким использованием в препаративной и прикладной химии и, наконец, чисто дидактическими причинами. Так, в любой монографии по химии гетероциклов (и, вероятно, органической химии вообще), используется сравнение свойств и ароматичности моногетаренов и бензола.

Чрезвычайно перспективными объектами исследования, как в теоретическом, так и в практическом плане, являются и функциональнозамещенные моногетарены (С4НзХ)УН (Х,У = О, Б, Бе, N11) I - гетероциклические аналоги фенола, анилина, тиофенола и селенофенола и их производные. Способность к таутомерии этих высокореакционноспособных соединений предопределяет многообразие и сложность их химического поведения, делает исследования в этом ряду особенно актуальными и привлекательными.

Вместе с тем, если потенциальные ОН замещенные соединения I (существующие, как известно, предпочтительно в кетоформах) изучены сравнительно хорошо, то соответствующие тиолы и амины - значительно менее полно и, главным образом, на примере производных, содержащих в гетероа-роматическом кольце заместители с сильными электроноакцепторными свойствами (снижающими их способность к таутомерии). Как это ни удивительно, нами впервые были охарактеризованы такие простейшие структуры, как 2-фуран- и 1#-метил-2-пирролтиолы. Селенолы I (У= Бе) до сих пор вообще не были известны. Хотя потенциальная способность соединений I к таутомерии была декларирована еще в 60-е годы, какой-либо общей для всего ряда I взаимосвязи таутомерии с реакционной способностью установлено не было. Существование такого "белого пятна" в фундаментальнейшей области гетероциклической химии связано, по-видимому, с повторяющимся во многих монографиях утверждением о крайней нестабильности соединений Г (У= Б, N11) (без указания ее причин), что, разумеется, не стимулировало исследования в этой области.

Цель работы. Настоящее исследование посвящено разработке новых подходов к синтезу ранее неизвестных а-тиолов, -селенолов и -аминов пя-тичленных моногетаренов (С<|НзХ)а-УН (Х,У = О, Б, Бе, ЫН) I (в особенности их простеших представителей), поиску в этом ряду таутомерных систем и выявлению взаимосвязей таутомерии с реакционной способностью. Предполагалось также установить причины лабильности соединений I (У= Б, Бе, N11). Поскольку небольшие, жесткие структуры I являются идеальными объектами для квантовохимических исследований, планировалось широко использовать теоретические модели для интерпретации и прогнозирования экспериментальных результатов.

Научная новизна работы. Развитие новых синтетических подходов, например, использование силильной защиты при получении искомых гетероциклических систем, в сочетании с применением современной спектроскопии ЯМР, позволило синтезировать и охарактеризовать широкий ряд ранее недо-

ступных а-тиолов, -селенолов и -аминов пятичленных моногетаренов. Впервые найдены и изучены таутомерные системы в ряду 2-пирролтиола, -селенола и 3-метоксизамещенных 2-органиламинотиофенов. Обнаружена общая для соединений I (Y= S, Se) и некоторых их замещенных реакция димери-зации и сходная с ней димеризация 2-(органиламино)тиофенов. На основании собственных результатов и анализа литературных данных показано, что способность к автоприсоединению является общим свойством всех соединений I, его спонтанное протекание является типичной причиной неустойчивости этих структур, а механизм димеризации реализуется при участии их таутомерных форм. Экспериментально и теоретически изучен механизм димеризации тио-фентиолов. Впервые проведено квантовохимическое исследование таутомерии для всего ряда соединений I.

Практическая значимость. Разработан новый метод синтеза высокоре-акционноспособных гетероароматических 2-тиолов и -селенолов, основанный на промежуточном получении и последующем мягком гидролизе триметил-силил-2-гетарилхалькогенидов. Найдены условия их превращения в димеры -ранее неизвестные 4-(гетаренхалькогено)тетрагидро-2-гетарентионы и -селоны, и (или) их производные (гидразоны, азины, оксимы). Предложен принципиально новый подход к синтезу 2-аминотиофенов, основанный на реакции литиированного аллена или ацетилена с органилизотиоцианатами. Биологический скининг ряда производных 2-тиофентиола показал их высокую фунгицидную и рострегулирующую активность.

Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на II Советско-индийском симпозиуме по металлоорганической химии (Иркутск 1989 г.), XII Всесоюзной конференции по Синтезу и реакционной способности органических соединений серы (Тбилиси, 1989), на 14- и 16-Международных симпозиумах по химии сероорганических соединений (Лодзь, Польша, 1990 г. и Мерзебург, Германия, 1994 г.), 7 Всесоюзной конференции по химии, производству и практическому применению кремнийор-ганических соединений (Тбилиси, 1990), на 4-Международной конференции по химии гетероатомных соединений (1995 г., Сеул, Корея), 19-ой Всероссийской конференции по химии и технологии органических соединений серы (в виде секционного и стендовых докладов; 1995, Казань), на V Всеросийском Симпозиуме "Строение и реакционная способность кремнийорганических соединений" (1996, Иркутск), на 6-м Международном симпозиуме по химии гетероциклических соединений "Голубой Дунай" (1996, Брно, Чешская республика) на Симпозиуме по химии и применению фосфор-, сера-, и кремнийорганических соединений "Петербургские встречи-98" (1998, Петербург).

Публикации. Основное содержание работы изложено в 25 статьях (включая 2 обзора) и 14 тезисах докладов.

Объем и структура работы. Работа изложена на 185 стр., содержит 308 литературных ссылок и состоит из трех глав: обзора литературы, обсуждения полученных результатов и экспериментальной части.

Автор выражает глубокую признательность профессору JI. Брандсма за предоставленную возможность работы в его лаборатории в Утрехтском университете (Нидерланды), ст.н.с. C.B. Зинченко за многолетнюю помощь в съемке спектров ЯМР и Российскому Фонду Фундаментальных исследований за финансовую поддержку (грант 94-03-08837).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2-Тиофеитиол

2-Тиофентиол 1 был впервые синтезирован 1886 г. То, что это вещество потенциально таутомерно (или, по крайней мере, может иметь в качестве альтернативных тионовые структуры Г, 1") было понятно еще в начале века.

эн

•8" ,.'8

Вместе с тем, химические свойства соединения 1, как правило, оказываются типичными для ароматических тиолов. Тионные формы и 1ч удалось обнаружить лишь для производных, содержащих в положении 3- группу ЯЫ=СН- или группу ОН в положении 5-, т.е. при стабилизации таутомерных структур за счет образования внутримолекулярной водородной связи или при наличии другого заместителя, способного к таутомерии.

Многократно сообщалось и о неустойчивости тиола 1 при хранении, однако из возможных ее причин указывалось лишь на его окисление в 2,2'-дитиенилдисульфид 2.

В 1988 г. нами было обнаружено, что при стоянии в контакте с кислородом воздуха тиол 1 самопроизвольно превращается в димерный 4-(2-тиенилтио)тетрагидротиофен-2-тион 3. Вскоре наши результаты были подтверждены независимым исследованием'

г\ гл Г\

£90 %

Спонтанная реакция сопровождается образованием 2,2'-дитиенил-сульфида 4, однако в присутствии катализатора (триэтиламин) димер 3 ('Н ЯМР спектр см. рис. 1) образуется с количественным выходом.

Химизм димеризации заключается в присоединении тиола 1 к его тио-новому таутомеру Г. Таким образом, впервые была продемонстрирована связь реакционной способности моногетарентиола с его потенциальной способностью к таутомерии.

В принципе, димеризация может протекать по а) радикальному, б) нуклеофильному (включающему катализ основаниями) и в) электрофильному (катализ кислотами) механизмам.

б 5Н.

1 V 4 с

Нуклеофильный механизм реализуется при катализе триэтиламином. Катализ кислотой (НС1) оказывается неэффективным - при этом стимулируется побочный процесс образования сульфида 4. Так как в отсутствие катализатора тиол 1 превращается в димер 3 только в контакте с кислородом воздуха, очевидно, что эта реакция осуществляется по радикальному механизму и инициируется синглетным кислородом. При этом 2-тиофентиильный радикал 5 может атаковать как С4, так и С2 атом тионовой формы 1", что приводит к образованию сульфида 4 наряду с димером 3.

1 + 'О—О"

(Л- -о-он

4 5

5+1'

3+5

-НгЭ

ООО ^ ОчФ

4

Для более детального исследования механизма димеризации использовался тиол 1(1,, меченый дейтерием. Последний получали либо подкислением 2-тиофентиолята дейтерированной кислотой (вариант А на нижеследующей схеме), либо дейтеролизом триметилсилилового тиоэфира 6 стехиометриче-ским количеством дейтероводы (вариант Б).

БН

6

При сравнении 'Н и 2Н ЯМР спектров переконденсированного в вакууме соединения Ь, (вариант А) выяснилось, что атомы дейтерия распределены между позициями 5 и 3 тиофенового кольца и атомом серы в положении 2в соотношении 2: 1,1: 1 (которое остается неизменным при длительном хранении вакуумированных образцов). Низкое содержание дейтронов в меркап-тогруппе свидетельствует о том, что перераспределение атомов О в кольцо является следствием таутомерии, а не прямого дейтерообмена.

При дейтеролизе соединения 6 непосредственно в ампуле ЯМР (вариант Б) удалось проследить динамику дейтерообмена. Так, через 10 мин после добавления ОгО соотношение О5: Б3: БО оказалось равным 1:0.1:5, через 30 мин 1 : 0.2 : 1 и через 2 ч 2 : 0.8 : 1.2. Дальнейшие наблюдения затруднялись параллельно протекающей димеризацией Ь,.

Отличное от статистического распределение дейтерия вызвано проявлением кинетического изотопного эффекта. В случае двух таутомеров процесс превращения 8Б формы тиола 1 в 5//-форму 1' можно отразить следующей схемой.

ЭР

1(И

к2

^Оч

кз

к4

в'

1(11

Очевидно, что вследствие кинетического изотопного эффекта <Г значения констант кз > кг; к4 > к] или кз = в' кг; кц = а кь Поскольку кг, кз » к), к4, константа равновесия Кдэет) = кз/кг - [5В]/[ББ]= а\

В случае трех таутомеров 1л,, Га, и 1 <11 ожидаемое распределение дейтерия должно выглядеть как <Г: а" : 1, т.е. в равновесном состояни заселенность дейтерием 5- и 3- положений тиофенового кольца пропорциональна кинетическим изотопным эффектам аню в этих положениях.

Далее мы провели гН{'Н} ЯМР исследование дейтерийсодержащего ди-мера Зл2, образовавшегося при стоянии в контакте с кислородом воздуха образца тиола 1а, (вариант А). Прежде, чем обсуждать экспериментальный спектр, попытаемся представить, как он может выглядеть, исходя из распределения дейтерия в исходном тиоле. Поскольку степень дейтерирования исходного 1а, близка к 1, а распределение 05:Б3:80 = 2:1:1, заселенности выражаются соотношением 05:03:Б0 г 0.5: 0.25 :0.25. Теперь рассмотрим три граничных случая.

a) Изотопный эффект в ходе реакции не проявляется (а = 1). В этом случае отношение заселенностей дейтерием групп СНг в положениях 3- и 5- тет-рагидрофуранового цикла 8з,з/Б5,5- равнялось бы 0.5: 0.75 = 0.66

b) Изотопный эффект проявляется на стадии образования Г, причем а »1. При этом Зз.з'/Б«' > 1.

c) Изотопный эффект проявляется на стадии присоединения 1 к 1", а »1. При этом Бз.з'/Б^в' < 0.33.

а)

Ро-25

О0.5 Э 50о-25

йо.?*. Ро-25

Ро-375 Оо-375

35,5' ~ 066

О0-25+. Р0-25+

Оо-25 Оо-25

вз.з' 55,5'

>1

С)

О0-5+'

Оо-125.

Ро-25+

Ро-125

Оо-375+ О0.375+

вз.з' в5.5'

<0.33

Экспериментальный спектр димера За2, полученного из дейтерирован-ного 2-тиофентиола, представлен на рис. 2.

Рис. 2. Фрагмент 2Н {'Н} ЯМР спектра димера 3d2(ацетон de, 200 МГц).

При этом значение S3,3'/S5,5' = 0.5 указывает на то, что лимитирующей стадий димеризации является присоединение тиола Id, к тиону Га,, а величина а г 2.

Асимметрия сигналов De3 < Da3 объясняется стереоспецифичностью присоединения тиола по связи СН=СН (анти- присоединение), и предпочтительностью конформера 3d2 с экваториальным расположением 2-тиенил-меркапто группы. При проведении димеризации того же образца Id, в растворе метанола D4, напротив, сигнал DP оказывается намного больше остальных, поскольку проявление изотопного эффекта подавляется повышением концентрации доступных для захвата дейтронов. Таким образом процесс димеризации la, может быть представлен следующей схемой:

Химические свойства димера 3.

Димер 3 превращается в исходный тиол 1 при нагревании в вакууме или при последовательной обработке щелочью и кислотой. При действии н-бутиллития, метилмагнийиодида и борогидрида натрия также наблюдается лишь мономеризация димера, а не образование его производных.

Оч

ОН

ОН'

"s' s

R = Н, Me, Bu

СООН

R

BuLi

MeMgl

NaBH4

ОН"

BuLi н- „

MeMgl

NaBH4

Таким образом, хотя димер 3 и является у-дитиолактоном, при действии многих реагентов он ведет себя практически так же, как мономерный тиол 1.

OJ3 ♦ QvO

cm.j

9 С02Н

OwO

S SCH2OSiMe3 S S S s 10 11

13

Отчасти это объясняет тот парадоксальный факт, что простая, спонтанно протекающая реакция димеризации не была обнаружена на протяжении столетия весьма интенсивных исследований тиола 1.

Однако в тех случаях, когда реагент индифферентен к действию тиолов, но активен в реакциях с тиокарбонильными соединениями, наблюдается диаметрально противоположная картина - независимо от степени димеризации тиола 1 реакции с ним протекают, как с индивидуальным димером 3. Так, тиол 1 и его димер 3 одинаково легко реагируют с разнообразными соединениями, содержащими фрагмент НгЫ-Х (X = ЫНЯ, N112, ОН) с образованием производных димерной формы 14а-и.

ЫН2Х

Б

14а-и

14 а Х=МРИ; б Х=МНЕ1; в Х= МНРм; г Х= МНС6Н3-2,4-(И02); д Х= МНС(=Э)МН2; е Х= ЫНС(=0)РЬ; ж Х= Ы=СМе2; з Х= М=С5Н8-цикло; и Х=ОН

При реакции с избытком 1 или 3 гидразин-гидрат образует адцукт 15 с участием обеих аминогрупп

1

ын2-ш2

15

Что касается механизма образования соединений 14а-и и 15, то он, в принципе, может реализовываться либо с участием димера 3 [вариант (а)], либо через посредство тиона 1* с присоединением тиола 1 к адцукту 15 [вариант (б)].

ОсгГСХ,

1

г -

+Н2Ы-Х

-НгБ (б)

о*

X

+ 1 (а) -1

+ 1

(б)

+н2^х

-НгЭ

(а)

14а-и

Вариант (а), однако, кажется более приемлемым, о чем, в частности, свидетельствует тот факт, что из у-дитиобутиролактона соединения 16,17 образуются столь же легко, как и их 4-(2-тиенштгио)- аналоги 14ж и 15.

О*

'—с м=с

Н^—М=СМв2

-Б М=СМе2 16

СХ

Ш2МН2

17

Структуры типа 14-17, как известно, могут существовать в виде син- и анти- изомеров. Судя по данным спектров ЯМР в изученных условиях (растворы в СБСЬ, ацетоне-с!б), всегда проявляется лишь один из них (какой,

установить по рутинным спектрам ЯМР невозможно). Кроме того, для соединений типа 14-17 известна и прототропная таутомеризация в структуры А и Б. Квантовохимический расчет методом AMI энтальпий образования ДН (ккал/моль) возможных изомеров и таутомеров на примере модельных соединений 14моД (Х= NH, О) показывает, что энергетически более выгодной является син- конфигурация соединений 14Мод, а проявление таутомерии маловероятно.

"г QvXH ^ СП, * СА

*—О \ О с ХН "_шипи-_син-_А_°

NH -10.38 -16.35 -12.29 0.62

О -43.33 -46.93 -43.67 -32.08

Замещенные 2-тиофентиолы

Очевидным направлением дальнейших исследований явилось изучение влияния заместителей в тиофеновом кольце на процесс автотиилирования. Таким образом, перед нами встала задача наработки ряда замещенных 2-тиофентиолов. 5-Органилзамещенные тиолы 18а-е были получены по стандартным методикам.

уГ"I ДМФА/Н; ( X \ S< -Г^-^ Y СОН Me s

4S Mgci r-л .

^Ч Г\Г\ \BuU

/ТГФ NiCI2(dppp) \ у \ PhU \

Ма

Os

PhBr

NiCydppp)

BuLi

1. S

2. НГ

s SH

R = Me (a), Et (б), t-Bu (в), CI (г), Ph (д), 2-тиенил (e)

Аналогично бьши синтезированы и Р-замещенные 2-тиофентиолы. Однако в этом случае, вследствие конкурентного литиирования в положения 2- и 5- тиофенового кольца, как правило, образуется смесь 3- и 4-замещенных тиолов 19 и 20 (которые в дальнейшем исследовали без разделения), а регио-селективная реакция является редким исключением (соединение 20в).

О-^Оч,

2. Н+

БН 20

20 50 100

Ме (а) И= РЬ(б) Вг(в)

Последовательная обработка 2-триметилсилилтиофена н-бутиллитием, серой и кислотой неожиданно привела не к тиолу 18ж (Я= МезБО, как можно было бы ожидать, а к 2-тиофентиолу 1, т.е. сопровождалась потерей триме-тилсилильной группы. Мы модифицировали методику, заменив добавление водной кислоты обработкой реакционной смеси триметилхлорсиланом, что позволило получить Б-триметилсилильное производное 21 ( при Ви выход составил 85 %, 11= РЬ - 63 %). Мягкий гидролиз последнего стехиометриче-ским количеством воды приводит к количественному образованию искомого тиола 18ж.

Нт

МезБг

,x3й"

МезвЮ!

1 + МезБЮЗМез 21

НгО

МезЭ

3' зн

18ж

Тиол 18ж стабилен при комнатной температуре, однако легко десилили-руется при обработке разбавленной водной кислотой (что и объясняет неудачу при его синтезе по стандартной методике) и количественно перегруппировывается в 2-(триметилсилилтио)тиофен 9 за 3 ч. при 120 °С. По-видимому, эта реакция протекает межмолекулярно и может быть названа "автокаталитическим протодесилилированием".

1 + МезЗЮвМез —-— / \ 120 °С>

МезБ^ ЭН ^ ^¡Мез 18ж 9

Взаимодействие тиола 18ж с фенилгидразином или с тиосемикарбази-дом (в среде кипящего метанола) также протекает с потерей триметилси-лильной группы. При этом образуются соответственно фенилгидразон 14а и тиосемикарбазон 14д димерной формы 3 незамещенного 2-тиофентиола.

Замена обработки реакционной смеси кислотой на добавление сгехио-метрического количества триметилхлорсилана и промежуточное получение триметилсилильного производного искомого тиола с дальнейшим его гидролизом, приводящим к образованию раствора соответствующего тиола в гек-саметилдисилоксане, оказалось приемом (назовем его силильный метод 1), весьма эффективным в тех случаях, когда целевое соединение по тем или иным причинам неустойчиво. Например, тиол 20в может быть получен традиционным способом. Однако это соединение при 20 °С полностью разлага-

13

ется с выделением НВг через ~15 мин после окончания перегонки. Напротив, силиловый эфир 22 хранится при нормальных условиях несколько лет без изменений и, в случае необходимости, может быть превращен в тиол 20в добавлением воды. Аналогично, с промежуточным выделением соединений 23-25 были получены и тиолы 19а, 20а, 18з.

В дальнейшем мы использовали аналогичный подход при получении лабильных халькогенолов различных гетероциклов.

В тех случаях, когда искомый тиол выдерживает обработку водной кислотой, возможно применение силильного метода 2. Суть его заключается в том, что раствор тиола в органическом растворителе, полученный в результате каких-либо превращений, осушают и (не концентрируя, чтобы избежать возможных автопревращений) обрабатывают избытком гексаметилдисилаза-на, переводя таким образом тиол в его триметилсилиловый эфир. Последний, как и в методе 1, при необходимости гидролизуют водой. Например, таким образом были получены аналитически чистые образцы З-метил-2-тиофен-тиола 20а и 2,5-дитиола 18и

1. в

а(мезщн г-^ н2р>

20а 24 20а

-5-и ГЛ ±

МдС1 БМе МеБ^э и

Ме1

!-\ ^Ца/МН^ П-^ (Мвзвр^Н П й

МеЗ^З^ЗМе2"^ НЗ^З^ЭН Ме3313^чз^331Ме3

18и 26

К синильному методу 2 можно отнести и разработанный нами способ получения З-аллил-2-тиофентиола 20г. Как известно, это соединение может быть получено тио-Кляйзеновской перегруппировкой 2-аллилтиотиофена 27. Однако выход тиола 20г обычно не велик из-за побочно протекающих реакций его внутримолекулярной конденсации и переаллилирования в соединения 28-30 и 1. Хорошими растворителями для проведения тио-Кляйзеновской перегруппировки являются высококипящие амины. Мы предположили, что в качестве последнего можно использовать гексаметилдисилазан, который одновременно будет выполнять роль силилирующего агента, а термическая стабильность силилового эфира 31 окажется достаточной для того, чтобы предотвратить побочные превращения. Действительно, при кипячении в среде ГМДС (135-140 °С, 2.5 ч) сульфида 27 его конверсия составила 97 %, а выход силилового эфира 31 98 %. ГЖХ-МС анализ полученной реакционной смеси показал присутствие в ней тиола 20г в концентрации менее 1 % и соединений 1,28-30 в следовых количествах. При гидролизе силана 31 тиол 20г образуется с количественным выходом.

вн

1

\

(X.

^ЭН "МНз ^¡Мез

20г 31 98%

Итак, нам удалось синтезировать 15 замещенных 2-тиофентиолов 18а-н, 19а-б, 20а-г.

Мы попытались зафиксировать таугомерные тионные формы соединений 18а-и, 19а-б, 20а-г с помощью спектроскопии 'Н ЯМР (использовались растворители различной полярности, варьирование температуры, добавки кислотных и основных катализаторов). Однако все исследованные соединения оказались (в пределах чувствительности ЯМР) чистыми тиолами. Квантово-химическое моделирование влияния заместителей на относительную стабильность таутомерных форм (см. рис. 3) также свидетельствует о том, что введе-нение заместителей в тиофеновое кольцо, как правило, повышает барьер тау-томеризации по сравнению с незамещенным тиолом 1.

Далее мы изучили способность синтезированных тиолов к автотиилиро-ванию в различных условиях (см.табл. 1)

Оказалось, что кроме 4-метил-2-тиофентиола 19а, самопроизвольно превращающегося в "димер" 41 уже при обычных условиях, остальные изученные тиолы не дают продуктов автотиилирования ни при нагревании, ни при действии катализатора. Однако при взаимодействии с фенилгидразином З-Ме-, 4-Ме-, 5-Ме- и 5-Ме8- замещенные тиофентиолы 20а, 19а, 18а,з образуют фенилгидразоны димерной формы 42а-г ( 42а,б,г в виде смеси ~ 15:85

а? Й?

24-

20-

•З-Вг

16-

•б-БН

• 5-МеЗ •5-ТЬ

• 5-РЬ

.5-Ме 5-С1 • 54-Ви

>5-Ме331

• 4-Ме\ •4-РЬ ;

•3-СЛЗРЬ •З-Мс

> 3-А11

ЛДН,

-1-'-1-1-

16 20 Рис. 3 Влияние заместителей на величины AAH3h.sh и AAH5h.sh (ккал/молъ) замещенных 2-тиофентиолов (данные расчета методом РМЗ).

Влияние заместителей на автотиилирование

Табл. 1

Тиол Условия и результаты опытов*1

Шифр Я 20 °С 50 ч: Катализ ЕиК НгШНРИ 20°С, 48 ч РШШРЬ 60°С, 1 ч

1 Н 3(70-90) 3 (70-90) 3(>95) 14а (>99)

18а 5-Ме - - - - 42а (>95)

186 5-Е1 - - - 43 (43)*4

18в 5-1-Ви - - - - -

18г 5-С1 «2 *1 »5 *з

18д 5-РЬ - - - - -

18е 5-Не1 *5 - - -

18ж 5-Ме}& - - - 14а (96) 14д (61)**

18з 5-МеБ - - - - 426 (>95)

18и 5-БН - - -

19а 4-Ме 41 (65-80) 41 (65-80) 41 (>90) 42в(>95)

196 4-РЬ - - - -

20а З-Ме - - - 42г (>95)

206 3-РЬ - - - - -

20в З-Вг ♦2 »2 *2

20г З-аллил - - - -

*2 Исходный тиол разлагается с выделением ННа1 *} Образуется смесь дисульфидов.

*4 Вместо фенилгидразина использован тиосемикарбазид, указан выход продукта после перекристаллизации из метанола. ♦5 Н& = 2'-тиенил

цис- и транс- изомеров). Аналогично из тиола 186 и тиосемикарбазида было синтезировано производное 43.

Ме Э

141 5

41 II

А Л

__Н2НМНС(=3)МН2 —

(3Х3Л/5 186 Е1АзХз,.-(гз

42а-г 43

42 а Ме (5 и 5'); б МеЭ (5 и 5'); в Ме (4 и 4'); г (4= Ме (3 и 3')

Нами уже были получены данные об инертности 5-фенил-2-тиофентиола 18д в реакциях автотиилирования, когда была опубликована статья2, где описан четырехстадийный синтез 5-меркапто-2,2'-битиофена 18е и сообщалось о легкой димеризации этого соединения. Какие-либо характеристики димера, к сожалению, в работе не приведены.

Поскольку фенильный и 2-тиенильный заместители весьма схожи, эти данные явно противоречат нашим результатам. Мы синтезировали тиол 18е из 2,2'-дитиенила в одну стадию по стандартной литийорганической методике и подробно охарактеризовали его. Найденные нами и приведенные в работе параметры 'Н ЯМР этого соединения близки. Однако по нашим данным тиол 18е, как и его фенильный аналог 18д, не способен к автотиилированию в изученных условиях (см. табл. 1). Причина такого противоречия остается невыясненной.

Протекание различных побочных реакций может служить объяснением того, что не были получены димерные производные тиолов 18г,ж, 20в,г. Так, галогенсодержащие тиолы 18г, 20в малоустойчивы и самопроизвольно разлагаются с выделением ННа1 и НгБ. В присутствии же стехиомегрического количества триэтиламина или фенилгидразина 5-хлор-2-тиофентиол 18г превращается в смесь дисульфидов 2,44, 45.

г\+

18г 2 294 44 33% 45 зв%

При нагревании З-аллил-2-тиофентиола 20г более предпочтительной, нежели димеризация, оказываются внутримолекулярная циклизация и пе-реаллилирование.

Таким образом, все изученные заместители в любых положениях кольца, за исключением метальной группы в положении 4, препятствуют процессу димеризации. Как объяснить такое влияние заместителей?

Обсуждать влияние заместителей на радикальное автотиилирование, очевидно, не имеет смысла, поскольку оно имеет место лишь для тиолов 1 и 19а. Реакции с гидразинами протекают по нуклеофильному механизму. Анализ имеющихся в литературе данных показывает, что влияние заместителей при двойной связи на процесс тиилирования а,р-ненасыщенных карбонильных соединений в условиях основного катализа аналогично влиянию заместителей в положениях 3- и 4- тиофенового кольца на процесс димеризации 217

тиофентиолов. Например, известно, что метилметакрилат тиилируется намного хуже, чем метилкротонат. Соответственно, при реакции смеси 3- и 4-метил-2-тиофентиолов 19а, 20а с фенилгидразином образуются производные 42в и 46, содержащие метальную группу в положении 4 (но не 3) тетрагидро-тиофенового фрагмента.

Эфиры коричной кислоты тиилируются значительно хуже, чем акриловой. Аналогично, 4-фенилтиофентиол 196, в отличие оттиола 1, не способен к спонтанному автотиилированию. В рамках такого подхода объяснимо и ин-гибирующее влияние донорных заместителей в положении 5 тиофенового кольца, повышающих электронную плотность (ХС4 ) на атоме С4 соответствующей 5Я-тионовой формы.

Кроме того, заместители в тиофеновом кольце могут влиять и на нуклеофильность соответствующих тиолят-анионов. Мы попытались

выяснить влияние величин ЪСА и ZS■ на процесс димеризации замещенных 2-тиофентиолов при помощи квантовохимической модели. При этом постулировалось, что реакция идет тем легче, чем больший отрицательный заряд сосредоточен на атоме серы тиолят-аниона, и чем больший положительный заряд 2£,* на атоме С4 атакуемого тиона. Результаты расчета, произведенного методом РМЗ, представлены на рис. 4.

2С4

-0.08

-0,12

-0,16

-0,20

Рис. 4. Величины 2-тиофентиолят- анионов и 2С* соответствующих 5Н-тионов (стрелкой указано направление наибольшего благоприятствования димеризации)

1 —■---- 1 1 • 4-РЬ 1

ч • 5-МеЗЭ

\ • З-Вг

\ ♦ 4-Ме •

♦н • 5-Р11

♦1И-Ви • 5-ТЬ-

♦З-Ме •3-С1

• 3-АП • 5-С1

♦ЗРИ

• 4-С1 •

-0,56 -0,52 -0,48 Ж

Из расчетов следует, что лучше других должны димеризоваться незамещенный, 4-Ме- и 5-триметилсилизамещенные тиолы 1, 19а, 18ж. Инертность тиола 18ж можно объяснить стерическими препятствиями при образовании соответствующего 5Я-тиона. Что же касается соединений 1,19а, то они, действительно, димеризуются наиболее легко. Снижение активности 5-и 3- замещенных связано, главным образом, с уменьшением нуклеофиль-ности соответствующих тиолят-анионов, которое особенно сильно проявляется в случаях фенил и тиенилпроизводных 18д,е, 196, 206. Для 3-замещенных характерно также снижение величины ZC4. Напротив, эта величина оказывается аномально большой в случае 4-фенилтиофентиола 196. Этот результат вызывает сомнения, поскольку, как уже отмечалось выше, при прочих равных условиях производные коричной кислоты тиилируются хуже, чем акриловой.

В качестве нуклеофильного агента при реакции таутомерной формы 2-тиофентиолов может выступать и какое-то другое вещество ЯХН, например другой тиол. Доказательством тому служит получение фенил гидр азона "смешанного" димера 46. Однако поскольку реагент И.ХН конкурирует с тиофентиолом, для полного подавления автоприсоединения он должен обладать не меньшей, чем у тиофентиола кислотностью, а соответствующий ему анион - нуклеофильностью, что невыполнимо для соединений, содержащих один и тот же нуклеофильный центр.

Действительно, реакции тиола 1 в присутствии РЬЗН или 5-хлортиофентиола 18г приводят исключительно к димеру 3, но не к "смешанным" соединениям. Это объясняется меньшей, чем у тиола 1 кислотностью тиофенола, и меньшей, по сравнению с тиофентиолят- анионом, нуклеофильностью его 5-хлорзамещенного аналога 18г.

Мы произвели квантовохимический расчет кислотности и нуклео-фильности некоторых соединений с целью оценки возможности их конкурентного присоединения к тиофентиолу 1 (см. рис. 5).

Несмотря на всю условность такой модели, из полученных расчетов удается сделать вполне правильные заключения. Так, известно, что 5Н-фура-ноны-2 неплохо реагируют с тиолами в условиях катализа основаниями. В самом деле, из рис. 5 видно, что 5Я-фуранон-2 и МеБН близки по кислотности, а группа МеБ - сильный нуклеофил. 5Я-Тиенон-2 легко присоединяет тиофентиол 1, а не наоборот; действительно, кислотность и нуклео-фильность 2-тиофентиола выше, чем 5Я-тиенона-2. Наконец, подтверждается инертность тиофенола и 5-хлортиофентиола 18г при тиилировании 2-тиофентиола 1.

РХ

■х 50"

5 зон

20100-10-

•М£Н

I

-0,8

•НйеН

•4-БНШ •№н

•АсСН

НСН

•4-1

•543-ти)фен-2-1Ш1 Я-тиэфенпсп

-Г"

•0,6

7 _ 1

X -0,4

Рис. 5 Нуклеофильность (2,х-) и кислотность (ДНхн - ДНх-) некоторых соединений (стрелками выдлена зона ббльшей, чем у тиола 1, кислотности и нуклеофильности).

Вместе с тем, из расчета следует, что "достойным конкурентом" тиолу 1 может оказаться соединение с другим нуклеофильным центром - селенофенол. При реакции с ними следут ожидать образования 4-(фенилселено)-тетрагидротиофен-2-тиона, а не димера 3.

З-Тиофентиол.

Для получения 3-тиофентиола 47 мы использовали известную методику, основанную на низкотемпературной реакции 3-бромтиофена с бутиллитием с последующим осернением 3-тиениллития и разложением реакционной смеси кислотой.

Тиол 47 оказался очень стабильным веществом - все попытки получить его димер или гидразоны димера были безуспешными.

2-Тиофенселенол

Для наблюдения спектров ЯМР 2-тиофенселенола 48 силильным методом 2 получали соединение 49 и гидролизовали его непосредственно в ампуле ЯМР в атмосфере аргона (СБСЬ).

сх сх.

(Ме381)2МН

МдС1

3' "ЭеН 48

СХ

Н20

48

ЭеБМез

В конденсированном состоянии селенол 48 претерпевает ряд автопревращений, приводящих к сложной смеси продуктов его димеризации и автовосстановления. После обработки этой смеси системой гидразин-гидрат - щелочь ее основными компонентами оказываются соединение 50, и дитиенилсе-ленид 51.

схен ^-схдз

48 [0>]

Б Эе Б 51

31 15-30%

48

* О.

3 8е

БеН Н

5 Э«—Эв э' 52

СХ-0

Бе

50 30-55% 2-Тнофентеллурол. Попытки синтеза.

Мы попытались синтезировать 2-тиофентеллурол 53 при реакции 2-тиенилмагнийхлорида с металлическим теллуром. Основными продуктами реакции являются 2,2'-дитиенилдителлурид 54 и соединение 55, образующееся при взаимодействии 2-тиофентеллурола с тетрагидрофураном, использовавшемся в качестве растворителя. В 'Н ЯМР спектре реакционной смеси сигналы, характерные для димерных соединений типа 3, обнаружены не были.

к МдС! ТеН

53

ТГФ

сх

"Б' "Те'

55

Безуспешной оказалась и попытка получения 2-(триметилсилил-теллуро)тиофена синильным методом 1, по-видимому, по причине низкой термической стабильности этого соединения и его исключительной чувствительности к кислороду воздуха.

2-Тиофенамины.

Известно, что простейший 2-аминотиофен 56 (как и все известные до недавнего времени его производные) существуют в аминоформе.

Сообщалось-', что при стоянии бензольного раствора амина 56 образу-

21

ется его димер 57.

Оч^ СЧГ~

N0

сы

56

57

Квантовохимическое (РМЗ) исследование энтальпии таутомеризации ДШн.ш 2-аминотиофенов показало, что следует ожидать снижения этой величины с 7.7 ккал/моль для незамещенного соединения до 4.55 ккал/моль для И-фенилзамещенного аналога.

Для синтеза Ы-ариламинотиофенов 58а,б была использована реакция тиола 1 с анилинами, протекающая, как выяснилось, с промежуточным образованием иминов 59а,б. При перегонке в вакууме последние разлагаются, высвобождая амины 58а,б.

СХГОч.1 ^

-Б' 1 эн

-Г^Нг +ЯИН2

1*

-н23

+ кын2

-НгЭ

+ RNH2

К=Р11(а), А-Ме^НЛб)

57а,6

3'

[_ 58*а,б J

"в' ЧНК "59а,б 58а,б

Однако исследование соединений 58а,б методом ЯМР показало, что они являются истинными аминами.

Хранившийся в течение месяца при обычных условиях образец 586 из жидкого превратился в кристаллическое вещество. ЯМР исследование кристаллов показало, что это димер структуры 606 (выход 97 %).

в.

"Б' МНЯ 586

сх

"в' "N1* 586 -

586

ЯНЫ

к

606

Таким образом, оказалось, что для аминотиофенов также характерна димеризация, протекающая, однако, с атакой на положение 4- кольца не гете-роатома, как было в ранее найденных нами примерах димеризации тиолов и селенолов, а атома углерода в положении 5-, Из литературы известны аналогичные реакции фуранонов-2, тиенонов-2 и 2-аминофуранов. Установлено, что эти превращения протекают, как атш-присоединение. Однако то, что автоприсоединение по Михаэлю может служить и причиной неустойчивости аминотиофенов, установлено нами впервые.

В чем же причина смены реакционного центра при варьировании функциональной группы УН в гетероароматическом кольце? Вероятно, анионы, соответствующие ОН- и МИЛ- замещенным геггероциклам, фактически, являются карбанионами. Действительно, этому существует множество подтверждений чисто химического плана. Например, известно, что тиеноны-2

очень часто алкилируются по кольцу, а не по атому кислорода.

Мы произвели квантовохимический расчет^ (методом РМЗ) распределения заряда в анионах 2-(С4НзХ)У" с целью предсказания направления на них электрофильной атаки (см. рис. 6).

По результатам расчета перераспределение заряда на углеродные атомы кольца характерно для О и N замещенных, причем наиболее ярко выражено у производных тиофена и селенофена.

Новые возможности исследования таутомерии и автопревращений 2-аминотиофенов открылись перед автором во время работы в лаборатории профессора Ламберта Брандсма (Утрехтский университет, Нидерланды).

о -0,1 -0.2 -0,3 -0,4 -0,5 -0,6 -0.7

0 -0.1 -0,2 -0,3 -0,4 •0.5 -0.6

Рис. 6. Распределение заряда в анионах (С4НзХ)-2-У" (расчет методом РМЗ).

Найденные нами'' реакции литиированных алленов и ацетиленов с изотиоцианатами позволили в одну препаративную стадию получить с вы-

Бе Б о юн

Тиофен

ОР...

""Ц

У >

э» Б 0 мн

□ Селенофен

С,

Р

С5

х .... х >>

У

Уе— "" -

• в

о -0.1 ■02 ■о.з

-0.4 -0,5 -0.6 -0.7 -0.8

в Эв 0 ын

...о Пиррол

% -

С5

Ув- /

соким выходом аминотиофены 58а,в-о (а также третичные амины 61а,б, использованные в качестве моделей соединений 58л,н).

(О <-ВиОК - /-ВиОН - дмсо/ н2о (п) г-ВиОК - ГМФТА/ Н +

Ме1

н2с=с=с;

\

и

ХМе

1.1Ш=С-8 2.1 ог и

Ме

61а (Х=о>, б(Х=в)

ХМе

л (Х=0, = Ме); м (Х=0, Я = РЬ) н (Х=Э, И=Ме); о (Х=3, К=Р11)

Я'СНгС^С—С.

\

[Ш-С-Б

КСНгС^Си

а ([Ч=Р11, Я-Н); в (Я=Ме, ^Н); г (Р=Е1, Я'=Н); д (К=/-Рг, Р^Н); в (К=Ме, В'=Ме); ж (И=Ме, г-Ви); з (Я=РЬ, И^Ме); и (К=РЬ, И^МеО); к (К=РЬ, 1-Ви)

При исследовании полученных образцов методами 'Н и |3С ЯМР выяснилось, что соединения 58л (см. рис. 7) и 58м, содержащие в положении 3-тиофенового кольца МеО- группу, существуют в среде СБСЬ или ССЬ в виде равновесных смесей таутомеров 58л 58'л и 58м - ' 58'м, в то время как соединения 58а-к,н,о во всех изученных условиях существуют в аминоформе.

Так, по данным 'Н ЯМР спектра 2-метиламино-З-метокситиофен 58л в среде СОСЫССЦ (1:1) представляет собой равновесную смесь таутомеров 58л и 58'л в соотношении 1:7. Спектр аминоформы 58л при этом очень похож на спектр Ы,К-диметиламино замещенного 61а и состоит из АВ системы тиофеновых протонов Н4 и Н5 (соответственно 6.44 и 6.72 м.д., 14.5= 5.7 Гц), двух синглетов МеО и МеЫ групп при 3.74 и 2.83 м.д. и уширенного синглета группы ЫН при 3.85 м.д. (на рис. 7 этот сигнал не проявляется, т.к. использованы параметры ЬВ -1 и ¿В 0.5).

Чрезвычайно интересным оказался спектр иминоформы 58'л. Наличие в ее молекуле метиленовой группы в положении 5- обуславливает расщепление сигнала Н" при 5.71 м.д. в триплет с КССВ 3.17 Гц. Группа СНг, соответственно, имеет КССВн4, однако за счет неожиданного взаимодействия с фрагментом =И-Ме [через 6 и (или) 7 связей!] проявляется в виде дублета квартетов при 3.74 м.д. (КССВмеы= = 1.2 Гц). Иминометильная группа с той же КССВ расщепляется в триплет (3.23 м.д.), а группа МеО проявляется в виде синглета при 3.77 м.д. После сильной Гауссовской фильтрации спектра (вВ 0.85, ЬВ -1.2 Гц) удается также выявить КССВ н4, меы= = 0.4 Гц.

Наблюдение 6КССВ в подобных системах хотя и известно (например, 6КССВме,зн = 1.1 Гц в 5-метил-2-тиофентиоле 18а), но весьма нетипично. Это заставило нас наряду со структурой 58'л рассмотреть и альтерна-

тивную возможность - обратимую изомеризацию амина 58л в З-метокси-1-метил-2,5-дигидро-1Н-2-пирролтион 62. Разумеется, такое превращение не столь ожидаемо, как прототропия, однако известны примеры сравнительно легкого превращения аминотиофенов в меркаптопирролы.

Спектры 'Н ЯМР соединений 58'л и 62 могут быть весьма схожи, причем во втором случае наличие 4КССВсн2, MeN ~1 Гц вполне очевидно. Однако в спектре 13С ЯМР атомы С2 и С5 проявляются соответственно при 163.6 и 30.0 м.д., что хорошо совпадает с ожидаемыми значениями для фрагментов C=NMe и СНг-S (соединение 58'л), но явно противоречит структуре 62 [C=S (~ 170-180 м.д.) и СНг-NMe (- 60 м.д.)].

Имин 58'л может существовать в виде Е и Z изомеров. Однако в спектрах ЯМР, несомненно, проявляется лишь один из них. Наличие необычно большой 6КССВсн2.меы= = 1.2 Гц позволяет предположить, что вследствие известного W-эффекта более вероятной

Это предположение подтверждается и результатом квантовохимическо-го расчета методом AMI (ДДШг ~ 1.5 ккал/моль) и симуляции |3С ЯМР спектра [С2, ррт: Найдено: 163.6. Вычислено: 160.7±7.8 (Е), 150.3±4.3(Z); ACD/CNMR V2.03].

При замене смеси CDCI3/CCI4 на более полярный чистый CDCb тауто-мерное равновесие несколько сдвигается в сторону иминоформы (58л : 58'л = 1:15), что объясняется ее большей, по сравнению с аминоформой, полярностью. Напротив, в чистом ССЦ увеличивается доля NH таутомера ( 58л : 58'л = 1:1).

В случае 2-фениламино-З-метокситиофена положение равновесия 58м ^^ 58'м в чистом CDCb по сравнению с соединением 58л оказывается сдвинутым в сторону аминоформы. При замене CDCb на более полярный дейтероацетон, казалось бы, следовало ожидать и сдвига равновесия в сторону более полярного имина. В действительности же, наблюдается исключительно аминоформа 58м, что обусловлено уже не изменением полярности растворителя, а специфической сольватацией с образованием водородной связи.

Что же касается скорости установления наблюдаемых таутомерных равновесий, то в случае метиламинопроизводного 58л (58'л) она чрезвычайно высока. Так, при разбавлении раствора смеси соединений 58л =5=^ 58'л в CDCb четыреххлористым углеродом (или наоборот) и немедленной повторной записи спектра (что требует не более 5 мин) зафиксировать какую-либо динамику не удается. Возможно, это объясняется заметной основностью соединения 58л и, следовательно, его способностью к автокатализу таутомерии. В случае фениламинопроизводного 58м скорость установления равновесия оказывается существенно ниже (порядка нескольких часов), что может быть

26

ОМе

J =1.2 Гц У*4

Н S

Е- 58'л

является Е -конфигурация.

Н

объяснено очевидно меньшей основностью этого соединения и, отчасти, сте-рическими факторами.

Исследование методом ЯМР образцов аминотиофенов 58а,в-о, хранившихся при комнатной температуре в течение ~30 суток в инертной атмосфере, показало, что соединения 58л-н,е-з,к остались неизменными, в то время как алкиламинотиофены 58в,г,д в значительной степени превратились в димер-ные соединения 60в,г,д и 63в,г,д. Подобное превращение не было неожиданным, поскольку оно аналогично димеризации 2-(4-толиламино)тиофена 586 в соединение 606, однако, протекает с меньшей региоселективностью.

хУсГ

63в,г,д

1 1 1

586,в,г,д

Ме

Е1

¡-Рг

4-Ме-СбН4

(в)

(г) (Д) (б)

60б,в,г,д

1

9

10 10

Димеризация аминотиофенов протекает тем легче, чем более донорный заместитель содержится при атоме азота. Так, 2-изопропиламинотиофен 58д превращается в димер 60д даже при хранении в холодильнике при -24 °С, когда 2-этиламинотиофен 58г оказывается стабильным. Последний димеризуется в 60г при комнатной температуре или при кипячении в вакууме с обратным холодильником. 2-Меггиламинотиофен 58в в аналогичных условиях отщепляет метиламин и превращается в сложную смесь неидентифицированных продуктов. 2-Фениламинотиофен 58а при комнатной температуре стабилен, введение же в положение 4 бензольного кольца донорной метальной группы обуславливает легкую димеризацию р-толиламинопроизводного 586 в 606.

5-Метокси-2-фениламинотиофен 58и при хранении также претерпевает автопревращение. Поскольку положение 5 тиофенового кольца в этом соединении занято, реакция протекает исключительно по положению 3 с образованием димера 63н.

Н ОМе

МеО Б МеО

58и 63и Н

Фурантиолы и селенолы

Низкая стабильность фурантиолов и -селенолов заставила нас применить для их синтеза Стильный метод 1. Это позволило выделить соответствующие тиолы и селенолы в виде устойчивых триметилсилиловых эфиров 64а-г:

г\ Г\

ъг^о' РГ^о^и 2.Ме3аС1 Х0 351Ме3

64: а) Р=Н, Х=Э б) К=Ме, Х=Б

№ = РИ (64а,в); н-Ви (646,г); в) 1*=Н, Х=Эе

X = Э, Эе. г) Р=Ме, Х=Бе

Сами тиолы и селеиолы в дальнейшем получали гидролизом эфиров 64а-г стехиометрическим количеством воды. При этом фурантиолы 65а,б имели желтую, а селенолы 65в,г - ярко-красную окраску, что в последнем случае наводило на мысль о присутствии в смеси их таутомерных форм. Однако в спектрах протонного магнитного резонанса зафиксированы только сигналы селенольной формы. Тиолы 65а,б и селенолы 65в,г мгновенно превращаются в соответствующие димеры 66а-г в присутствии каталитического количества триэтиламина. В отсутствие катализатора, полная димеризация тио-лов протекает приблизительно за сутки, селенолов - за 1 час.

„_„ ___ .—О а) Я'Н. Х^Б;

нз°, ГЛ -{ V бЖ=Мв,Х=5;

о Х&Мв, О хн о х г)К=Ме.Х=5в 64а,в 65а,в 66а,в

Н;Р

Ма' \/ЧсЯМ., Мв^о^ХН Ме^Ах -Ч/*** ««•'Ч/Чс'4^* 646,г 656,г транс-ббб.г ¿в 85;15 цис-666,г Мв

В случае фурантиолов 65а,б реакция автотиилирования протекает спонтанно и не сопровождается побочными процессами. Равновесие ее сильно сдвинуто в сторону димеров, поскольку свободные тиолы не зафиксированы в спектрах 'Н ЯМР. Димер 666 оказался сравнительно термостабильным - его удалось перегнать в вакууме.

Сильным сдвигом вправо равновесия селенол димер объясняется и относительная устойчивость 4-(2-фурилселено)тетрагидрофуран-2-селонов 66в,г: отсутствие в реакционной смеси свободного селенола делает невозможным восстановление группы С=Бе в СНг. Таким образом, 2-фуранхаль-когенолы более склонны к автопревращениям в димеры, чем их тиофеновые аналоги. Значительно легче, чем в случае 2-тиофентиола, протекает и реакция 2-фурантиола с фенилгидразином:

65а 67

2-Селенофентиолы

Синтез тиола 68а проводился с промежуточным использованием сили-лового эфира 69а и его гидролизом стехиометрическим количеством воды.

1. PhU п--

2.S ГЛ НгО,

Se, з. Me3s¡ci %/^SSiMe3 "se^SH 69a 68a

Изучение свежеперегнанного образца тиола 68а методом ЯМР показало, что в среде CDCb, вопреки имеющимся в литературе данным5, он существует исключительно в меркаптоформе.

При выдерживании в присутствии воздуха или действии каталитического количества триэтиламина 2-селенофентиол автотиилируется с образованием 4-(2-селенофенилтио)тетрагидроселенофен-2-тиона 70а. При обработке тиола фенилгидразином получается соответствующий гидразон 71а:

Se

68а (ГУ^ XXs ^ "

Se S 70 6 71а

Таким образом, 2-селенофентиол ведет себя так же, как и его тиофено-вый и фурановый аналоги, а по своей активности в реакции автотиилирова-ния сходен с тиофентиолом 1.

Нами был также синтезирован 5-метилтио-2-селенофентиол 686, который оказался инертен в реакции автотиилирования в обычных условиях и при добавлении триэтиламина. Однако он образует соответствующий гидразон 716 (в виде смеси цис- и транс- форм ) при реакции с фенилгидразином:

ГУ ÍSL. ГУ ^ ГУ

Se SMe3' Me3s¡ci MeS Se^SSiMe3 MeS Se SH

696 686

Следовательно, и здесь наблюдается аналогия свойств тиофен- и се-ленофентиолов.

1-Мстил-1/7-2-пирролтиол и -селенол.

До настоящего времени были известны лишь некоторые 2-пиррол-тиолы, содержащие в кольце электроноакцепторный (алкокси- или алкшпсар-бонильный) заместитель и существующие в меркаптоформе, а простейший представитель этого ряда и его алкилзамещенные несмотря на неоднократные попытки, получены не были, и считаются крайне неустойчивыми4.

Литийорганические методы, столь популярные в синтезе различных ге-тарентиолов и принципиально пригодные для синтеза Ы-замещснных в пир-рольном ряду, до сих пор не использовались, по-видимому, из-за трудности получения литиопирролов. Однако известно, что, по крайней мере, 1-метилпиррол, инертный при действии бутиллития в гексане или эфире, легко литиируется в присутствии ТГФ7, что позволило нам применить для синтеза 1-метилпиррол-2-тиола 72а и -селенола 726 синильный метод 1.

О

1 .п-ВиЦ-гексан-ТГФ_ TY"

N 3. Me3SiCI Me

a (Y=S) б (Y=Se)

N

I

Me

н,о

YSiMe3 73а,б

О.

/

сх

N

I

Ме

72а,б

N

I

Ме

Y

72"а,б

Ov

Me 72"а

При исследовании методом ЯМР (см. рис. 8) полученных растворов выяснилось, что соединение 72а существует в виде равновесной смеси с тауто-мерными формами 72"а и 72'а, причем последняя, 1-метил-2,5-дигидро-1Я-2-пирролтион, преобладает во всех изученных растворителях. Время уста-новлния равновесия уменьшается при использовании полярных растворителей и варьирует от многих часов до нескольких минут. Так, при проведении гидролиза дистиллированной водой в CDCb через 1 ч наблюдается соотношение таутомеров 72а: 72'а: 72"а, приблизительно равное 75:15:10, через 24 ч - 25:70:5, а через 80 ч 14:85:1 (цвет образца при хранении изменялся от светло-желтого до желто-оранжевого, характерного для многих тиокарбонильных соединений и особенно ожидаемого для тиона 72'а, содержащего сопряженную систему кратных связей). В ацетонитриле равновесная смесь наблюдается уже через 2 мин и имеет состав 5:90:5.

При аналогичном исследовании 1-метил-1#-2-пирролселенола 726 в ССЦ также обнаружена его таутомеризация в соответствующий селон 72"б, протекающая намного быстрее, чем тиола 72а в тион 72'а. Так, через 1 мин после добавления воды наблюдалось соотношение 726 : 72'б = 90 :10, через 3 мин 50:50, а через 20 мин 10:90, после чего ее состав был неизменным ещё ~1 ч. Затем началось выделение красной формы элементного селена, а соотношение 726 : 72"б вновь увеличилось до 30:70 (что говорит об исключительном (или, по крайней мере, предпочтительном), по сравнению с селенолом, распаде селона). Еще через сутки методами ГЖХ и 'Н ЯМР было показано, что единственным продуктом распада селона 72чб является 1-метилпиррол. В полярных растворителях (ацетоне или ТГФ) выделение селена наблюдается немедленно после добавления воды.

Спектры ЯМР изученных таутомеров имеют ожидаемый вид (см. рис. 8). Так, величины 8 и КССВ тиола 72а очень близки к соответствующим параметрам его триметилсилилового эфира 73а, однако по сравнению с

NMe

ГУ 7

ex.

N

I

Me

S

72 a

Рис. 8 'H ЯМР спектр смеси таутомеров 72a, 72'a, 72"a (CDCb/ ацетон-ds), 300 МГц.

последним дополнительно наблюдается взаимодействие протонов в 3- и 5-положениях кольца с БН группой, несмотря на то, что протон последней обменивается с небольшой примесью воды и триметилсиланолом, образующимся при гидролизе, и проявляется в виде весьма широкого сигнала. Наличие подобного взаимодействия в пирролтиолах уже отмечалось ранее, причем если в положении 3 находится метальная группа, то и для нее наблюдается КССВ 1.5 Гц. Наиболее характеристична в спектрах 'Н ЯМР тионов 72'а, 72"а мультиплетность метиленовых протонов. Так, в соединении 72"а обнаруживается их взаимодействие лишь с олефиновыми протонами и наблюдается, соответственно, дублет дублетов в области 4.3 м.д. В тионе же 72'а группа СН2 соседствует с фрагментом ЫМе, поэтому ее сигнал дополнительно расщепляется на метальной группе и оказывается ддк, что из-за близости КССВ выглядит как октет. Найденные значения 5 и КССВ хорошо согласуются с данными для соответствующих 2,3- и 2,5-дигидро-1#-2-пирролонов. В углеродном спектре соединения 72'а сигнал в области 195.23 м.д. свидетельствует о наличии тиокарбонильной группы.

Итак, в разбавленных растворах тиол 72а и селенол 726 предпочтительно существуют в виде таутомерных им 5Я-тиона и -селона. Причем последний распадается на 1-метилпиррол и селен. Но можно ли получить соединения 72а,б в чистом виде?

Мы предприняли такую попытку, для чего гидролизованные образцы немедленно концентрировали на роторном испарителе. Однако вместо искомых соединений были выделены их димеры 74а,б.

Если раньше при объяснении химизма образования "димеров", как присоединения тиольной (селенольной) формы к соответствующему 2,5-дигидротиону (селону) наличие последних постулировалось, то в данном случае оно доказано прямым наблюдением.

Димер 74а представляет собой желтые кристаллы (Г™ 75 °С) со слабым запахом, термически весьма устойчив (может быть перегнан в вакууме 1мм рт.ст. без разложения), инертен к действию гидразинов, что отличает это соединение от фурановых, тиофеновых и селенофеновых аналогов.

При проведении гидролиза эфира 73а в присутствии пятикратного избытка тиофенола с высоким выходом образуется продукт его присоединения к тиону 72'а тиолактам 75. Очевидно, что подобным образом можно вводить в положение 4 тиолактамного цикла и другие заместители.

Таутомерия соединений 2-УНЧС4Н3Х) (Х,У = О, Б, Эе, Те, NR). Сравнительный анализ экспериментальных данных и кваитовохимической модели.

Рассмотрим имеющиеся в литературе и собственные данные о таутомерии соединений Г (С(НзХ)-(2-УН) (Х,У = О, Б, Бе, Те, N11) в сравнении с результатами квантовохимических расчетов, выполненных методом РМЗ®. Оценка способности исследованных соединений к таутомерии производилась сравнением вычисленных величин ДН образования всех возможных тауто-мерных форм. Поскольку способность к таутомерии в выбранной серии, очевидно, связана с ароматичностью гетероциклов, а изменения ее не слишком велики, для расширения шкалы ароматичности мы рассмотрели также производные бензола РЬУН = I (Х= -СН=СН-) и циклопентадиена I (X = СНг) (неароматическая система). Результаты расчетов представлены в табл.2.

Как известно, 5#-тиенон-2 Г (Х=Б; У=0) термодинамически несколько более стабилен, чем его 3//-форма I". По результатам же расчетов получается наоборот. Это явно указывает на то, что величины ДАНг.г во всей серии могут бьггь некорректными. Вместе с тем, из табл.2 видно, что значения ДДНг.г, как правило, относительно малы, поэтому для упрощения картины мы просто усреднили значения ДНгл и ДНгд, введя величину ДАН, характеризующую усредненную тенденцию к таутомеризации.

Обращает на себя внимание ряд принципиальных совпадений с экспериментом. Так, для всех производных бензола РЬУН формы энергетически более выгодны, нежели таутомерные структуры, что, разумеется, соответствует экспериментальным данным. Более того, наблюдается замечательное количественное согласие вычисленного нами значения ДДНц- фенола I (Х= СН=СН-; У= О) с аналогичной величиной, полученной из данных о его кислотности (соответственно 13,04 и 13±3 ккал/моль). Напротив, для всех потенциальных ОН производных гетероциклов I (У=0; X = О, Б, Бе, Те, ЫН) характерны отрицательные значения ДН. т.е. таутомерные формы Г или I" для них предпочтительны, что качественно соответствует экспериментальным данным. В целом соответствуют эксперименту и результаты расчета для I (У= СНг, ИН, Б, Бе ) - как правило, эти соединения существуют предпочтительно в УН- форме. Что же касается гетероциклических теллуролов I (У=Те; Х=0, Б, Бе, Те, ЙН), то согласно расчетным данным для этих, до сих пор неизвестных соединений, при всех значениях X величина ДАН сильно уменьшается по сравнению с селеновыми аналогами. Если принять во внимание чрезвычайную нестабильность соединения 72'б, то по аналогии, можно предположить, что теллуролы I (У=Те; Х=0, Б, Бе, Те, ЫН) также окажутся исключительно неустойчивыми соединениями.

Величины ДН для производных фурана, селенофена и теллурофена оказываются заметно меньше, чем для производных тиофена и пиррола, что связано с относительно высокой ароматичностью последних. Что касается тиофена, такой результат не вызывает возражений. Следовательно, 2-тиофентиол, с изучения таутомерии которого началась эта работа, на самом деле является "самым не таутомерным" из всех соединений I, поэтому различные прото-тропные эффекты должны для прочих I проявляться, уж по крайней мере, не в меньшей степени, чем для I (Х,У=Б) = 1. Вышеизложенный экспериментальный материал вполне подтверждает такое суждение.

Табл. 2

Теплота образования ДН1 соединений I, относительные стабильности ДДНг,ДДНг, их таутомерных форм Г и Г'и усредненная стабильность таутомерных форм АДН (ккал/моль), рассчитанные методом РМЗ.

У X СН1 N11 О Б 8е Те

ДДНг ДН| ДДНг' ДАН ДДНг ДН| ДДНг ДАН ДДНг ДН| ДДНг ДАН ДДНг ДН1 ДДНг ДАН ДДНг ДН1 ДДНг' МЫ ДДНг ДН1 ДДНг ДДН

Бензол (СН=СН) 25,35 13,91 25,27 25,31 17,93 25,58 17,46 17,70 13,04 -21,85 11,82 12,43 31,39 27,51 32,78 32,09 24,48 30,86 25,79 25,14 13,59 45,91 13,99 13,79

1,3-Циюю-пентадиен (СШ) 2,31 21,43 2,11 2,21 -1,48 28,43 -1,82 -1,65 -12,28 -14,24 -13,35 -12,81 9,72 33,81 11,45 10,59 3,32 40.05 6,02 4,67 -7,64 55,52 -4,4 -6,02

Пиррол (Ш) 16,88 16,81 13,14 15,01 11,34 24,87 6,95 9,15 -2,37 -17,58 -7,21 -4,79 18,91 29,15 15,15 17,03 9,75 33,18 6,11 7,93 -9,55 47,93 -13,4 -11,48

Фуран (О) 11,98 -13,09 9,53 10,76 4,1 -5,08 1,57 2,84 -10,44 -49 -13,39 -11,91 14,61 2,92 14,13 14,37 6,76 6,93 6,99 6,88 -9,98 18,44 -9,89 -9,94

Тиофен (8) 12,15 23,05 10,46 11,30 7,7 31,51 5,76 6,73 -4,07 -8,07 -6,6 -5,33 18,49 34,32 18,32 18,40 12,2 39,36 12,27 12,24 2,01 51,36 1,96 1,99

Селенофен (2е) 4,64 14,1 7,88 6,26 0,22 21,2 3,04 1,63 -12,59 -18,9 -10,35 -11,47 10,62 24,98 15,2 12,91 6,49 29,61 11,65 9,07 0,1 44 5,23 2,67

Теллурофен (Те) 0,62 46,88 5,42 3,02 -4,11 52,92 0,29 -1,91 -13,55 9,7 -9,64 -11,60 9,86 53,14 16,36 13,11 3,55 62,05 10,41 6,98 -3,06 78,15 4,43 0,69

X

Рис. 9. Барьеры таутомеризации ААН (ккал/моль) соединений I (С4НзХ)-2-УН (расчет методом РМЗ).

Сложнее объяснить результат, полученный для производных пиррола I (Х=1ЧН). С одной стороны, равная или даже несколько большая, чем у тиофе-на энергия сопряжения пиррола - обычный результат в рамках квантовохи-мического моделирования ароматичности, а недавно исследованные 2-аминопирролы, как и следует из расчетов, существуют исключительно в ами-ноформе. Однако с другой стороны, исследованные нами 1-метил-2-пирролтиол и -селенол 72а,б существуют предпочтительно в виде таутомер-ных им соединений 72"а,б, хотя по расчетным данным (и для ЫН и для ЫМе производных) этого быть не должно. Вполне возможно, что для устранения этого несоответствия следует проводить расчеты в базисах, учитывающих <1 орбитали атомов Б и Бе.

Влияние гетероатомов на способность к димеризации тиолов и селено-лов 2-УНЧС4Н3Х) (X = О, Б, Эе, 1ЧК; У=Б, Эе, NR).

1. При нагревании в вакууме димеры тиофен-, фуран-, селенофентиолов 3, 66а, 70 мономеризуются в исходные соединения (66а и, особенно, 666, несколько более стабильны, чем 3 и 70). Напротив, димер 1-метил-2-пирролтиола 74 перегоняется в тех же условиях без изменения.

Таким образом, термическая устойчивость димерных тиолов, уменьшается в ряду X: NMe » О > Se и S.

Очевидно, что в этой же последовательности будет убывать и свободная энергия димеризации = ДНдим - ТДБдим и (если предположить, что эн-

тропия димеризации АБдим не зависит от X) - энтальпия димеризации ДНдим.. Несомненно, что во всех случаях величина АНдим положительна (даже диме-ризация 2-тиофентиола 1 протекает с саморазогревом), т.е. образование ди-меров при всех изученных X - экзотермический процесс. А с чем, собственно, связан энергетический выигрыш в ходе димеризации? Казалось бы, что поскольку этот процесс сопровождается деароматизацией одного из участвующих в нем гетероароматических фрагментов, ни о каком выделении тепла речь идти не может. Однако на самом деле, потеря ароматичности одного из колец с лихвой перекрывается стабилизацией оставшегося ароматического цикла, отсутствием угловых напряжений в лактонном (или лактамном) фрагменте и эффектами сопряжения в группировке -X-C=S (последние особенно значительны при Х= NMe, что и объясняет предпочтительное существование тиола 72а в тиоамидной форме 72'а и особую устойчивость димера 74а при нагревании). Величины ДНдим = 2ДНмономера - ДНдимера могут быть легко найдены из данных квантовохимических расчетов (см. табл. 3).

Хотя абсолютные значения найденных величин АНдим занижены (ДНдим = -5.24, X=S), тенденция их изменения при варьировании X отражена правдоподобно. Так, по результатам расчета зависимость ДНдим от X выглядит следующим образом: NMe » Se > О > S » -СН=СН- (т.е. неправильным оказывается лишь значение для Х= Se).

Табл. 3. Величины ДНдим тиолов (C4HjX)-2-SH (РМЗ расчет).

X 2АНмономера ДНдимера АНдим

ккал/моль ккал/моль ккал/моль

О 3.04 + 3.04 5.04 1.04

S 35.37 + 35.37 75.98 -5.24

Se 25.10 + 25.10 45.26 4.94

NMe 29.28 + 29.28 60.58 -2.02

NMe 29.28 + 46.22* 60.58 14.92

-СН=СН- 27.50 75.55 -20.55

* ДН образования 72'а

2. В отсутствие катализатора (триэтиламина) скорость димеризации тиолов уменьшается в ряду X: О » NMe £ Эе » Э; в этих условиях селенолы димеризуются намного легче, чем тиолы.

Как уже указывалось выше, в отсутствие основного катализатора реакция димеризации 2-тиофентиола 1 протекает по радикальному механизму. По-видимому, это справедливо и для тиолов 65а,б, 68а, 72а, и соответствующих селенолов. Очевидно, что димеризация будет протекать тем легче, чем легче образуется соответствующий тиильный (селенильный) радикал. Мы произвели квантовохимический расчет теплот гомолиза связей У-Н в соединениях I (Х= О, Б, Бе, N4; У= Б, Бе) ДДНун.г = АНун - АНу (см. Табл. 4).

Табл. 4 Квантовохимический расчет теплоты ДДНун.у Оскал/моль) гемолитического разрыва связей У-Н в соединениях I (Х= О, Б, $е, ЫН; У= Б, Бе) ме-_тодом РМЗ._

У Б Бе

X О NH Бе Б NH О Бе Б

АНун.у 21.67 22.38 28.12 30.29 7.31 7.63 9.81 14.18

Полученные результаты замечательно совпадают с экспериментальными наблюдениями. Действительно, по расчетным данным величины ДДНун.г оказывается для селенолов на - 14ккал/моль ниже, чем для аналогичных тиолов, что объясняет меньшую тенденцию к димеризации последних. Верным оказывается и учет влияния гетероатома X. Так, значение ААНун.г для 2-фурантиола (селенола) оказывается на ~7ккал/моль ниже, чем для 2-тиофентиола (селенола).

3. В присутствии катализатора (амина) образование димерных тиолов и селенолов, по-видимому, протекает по ионному механизму. Однако скорость димеризации в изученных условиях настолько высока, что выявить ее зависимость от значений X затруднительно. В первом приближении можно считать, что в условиях нуклеофильной димеризации все соединения I (Х= О, Б, Бе, N11; У= Б, Эе) реагируют приблизительно одинаково легко.

Попробуй выяснить влияние гетероатомов X, У на процесс димеризации на основании квантовохимических расчетов. Будем считать, что диме-

ризация протекает тем лучше, чем выше заряд ZY на соответствующем тио-лят (селенолят) анионе, и чем выше 2с4 для соответствующего тиона Г (такой подход уже использовался выше для замещенных 2-тиофентиолов - см. рис. 4 и пояснения к нему). Результаты расчета, выполненного методом РМЗ, представлены на рис. 10.

-Ц06

-цов

-Ц10 -

-Ц12

-Д14-

-Ц18

■эе5

■30 ■5959

«но

»аьо

■сж "об

"05в

тнзв

-г-

ЦЭ5 Ц«) Ц45 ЦЭТ Ц55 ЦЭЭ

Ц70

Рис. Ю. Величины и Тс* по результатам квантовохимического расчета методом РМЗ (в качестве меток использованы значения X и V).

Полученные результаты говорят о том, что факторы, повышающие нук-леофильность аниона, снижают электрофильность субстрата Г (и наоборот). Таким образом, выравнивание свойств соединений I (Х= О, Б, Бе, >Ш; У= Б, Бе) при димеризации в нуклеофильных условиях находит теоретическое обоснование.

Выводы

1. Открыта общая для пятичленных моногетероароматических халько-генолов и аминотиофенов реакция самопроизвольной димеризации, установлена ее связь с таутомерной природой халькогенолов и аминотиофенов, исседован механизм димеризации и синтетические следствия этого явления.

2. В ряду гетероароматических тиолов (С4НзХ)-2-БН способность к самопроизвольной димеризации в 4-(2-гетарентио)тетрагидрогетарен-2-тионы убывает в ряду X: ЫМе>0>Б~5е.

3. Методом изотопной метки на примере 2-тиофентиола установлено, что спонтанное автотиилирование является инициируемым кислородом воздуха радикальным янлш-присоединением тиола к его 5Н-тионовому таутомеру. В присутствии каталитических количеств аминов димеризация протекает по нуклеофипьному механизму.

4. Установлены закономерности влияния природы заместителей в гете-роароматическом кольце на механизм димеризации тиолов. Как правило, заместители ингибируют автотиилирование.

5. Разработан новый метод синтеза нестабильных гетероароматических халькогенолов. Впервые синтезирован ряд 2-(триметилсилшггио)- и (-селено)гетаренов. Их мягкий гидролиз позволил выделить и исследовать нестабильные гетаренхалькогенолы.

6. Впервые охарактеризованы 2-фуран-, -тиофен- и -пирролселенолы. Установлено, что они димеризуются легче, чем тиолы, однако процесс может осложняться автовосстановлением или деселенировани-ем.

7. Найдены первые примеры таутомерии в ряду 2-пиррол-халькогенолов. Так, 1-метилпиррол-2-тиол и -селенол существуют в растворах в виде равновесных смесей с ЪН- и, преимущественно, 5Н-таутомерными формами, которые охарактеризованы методом ЯМР. В ряду 1-метилпиррола прямым наблюдением доказан химизм образования "димеров" за счет взаимодействия тиольной(селенольной) и тионовой(селоновой) форм халькогенолов.

8. Обнаружена экспериментально наблюдаемая таутомерия в ряду аминотиофенов. Оригинальной реакцией литированных алленов или ацетиленов с изотиоцианатами синтезирован ряд 2-моно-, 2,3- и 2,5-диорганил-2-аминотиофенов. Методом ЯМР показано, что 3-

метоксизамещенные существуют в растворах в равновесии с 5Н тау-томером.

9. Обнаружена спонтанная димеризация по реакции Михаэля 2-органиламинотиофенов в смесь 2-органил-5- и 2-органил-3-[(5-органилимино)тетрагидро-3-тиофенил)]-2-тиофенаминов. Донорные заместители у атома азота способствуют этой реакции.

10. Проведено квантовохимическое моделирование реакционной способности и таутомерии соединений (С4НзХ)-2-УН (Х,У = О, Б, Бе, Те, ЫН, СНг) в полуэмпирических базисах РМЗ и АМ1. Наблюдается качественное соответствие расчетных и экспериментальных данных.

И. Совокупный анализ собственных результатов и имеющихся в литературе данных позволяет утверждать, что способность к спонтанной или катализируемой основаниями димеризации, протекающей с атакой на атом С4 соответствующей 5#-таутомерной формы атомами У, С5 или С3 является общим свойством соединений (С4НзХ)-2-УН (Х,У = О, Б, Бе, N11) и является характерной причиной их неустойчивости.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Введенский В. Ю., Зинченко С. В., Шкарупа Т. А., Корчевин Н. А., Деря-гина Э.Н., Воронков М. Г. Автотиилирование 2-тиофентиола II ДАН СССР.- 1989.- Т. 305,- С. 624-627.

2. Введенский В.Ю., Зинченко C.B., Шкарупа Т.А., Дерягина Э. Н., Воронков М.Г., Жникин А.Р. Взаимодействие 2-тиофентиола с циклопентадие-ном // ЖОрХ.- 1990. - Т. 26.- С. 2238-2239.

3. Турчанинова Л.П., Введенский В.Ю., Шипов А.Г., Дерягина Э.Н., Бауков Ю.И., Воронков М.Г. Взаимодействие тиофенолов и 2-тиофентиола с системой параформ-триметалхлорсилан II ЖОХ - 1990.-Т. 60,-С. 1928-1929.

4. Введенский В.Ю., Шкарупа Т. А., Зинченко С. В., Жникин А. Р., Дерягина Э. Н., Воронков М. Г. Реакция 2-тиофентиола с фенилгидразином // ЖОрХ- 1990. - Т. 26.- 2237-2238.

5. Vvedenskii V.Yu., Shtefan E.D., Ulyev M.V., Zhnikin A.R., Shkarupa T.A., Deryagina E.N., Voronkov M.G.. Reaction of 5-Chloro-2-thiophenethiol with Triethylamine II Sulfur Lett -1991,-Vol. 13,-P. 147-150.

6. Ульев M. В., Штефан Е. Д., Введенский В. Ю. Тиофентиолы И Успехи химии,- 1991,-Т. 60,- Вып. 12,- С. 2528-2542.

7. Введенский В.Ю., Зинченко C.B., Штефан Е.Д., Ульев М.В., Жникин А.Р., Шкарупа Т.А., Дерягина Э.Н., Воронков М.Г. Необычные превращения 2-тиофенселенола//ДАН СССР. -1991. -Т. 320,- № 1.- С. 96-99.

8. Vvedensky V.Yu., Zinchenko S.V., Shtefan E.D., Ulyev M.V., Zhnikin A.R., Shkarupa T.A., Deryagina E.N. Unusual Transformations of 2-Thiopheneselenol II Sulfur Lett. - 1992.-Vol. 14,- No 2+3,- P. 129-135.

9. Введенский В.Ю., Штефан Е.Д., Ульев М.В., Жникин А.Р., Шкарупа Т.А., Дерягина Э.Н., Воронков М.Г. Реакция 2-хлор-5-тиофентиола с триэти-ламином И ЖОХ.- 1992. - Т. 28. - С. 212-213.

10. Vvedensky V.Yu., Shtefan E.D., Ulyev M.V., Deryagina E.N., Voronkov M.G. Autothiylation of 5-Methyl-2-furanthiol II Sulfur Lett.- 1994,- Vol. 17,- №. 5.-P. 257-260.

11. Введенский В.Ю., Штефан E. Д., Малюшенко P. H., Дерягина Э. Н. Синтез и автопревращения фурантиолов и -селенолов // АТС.- 1994. - № 7.- С. 891895.

12. Vvedensky V.Yu., Shtephan E.D., Malyushenko R.N., Deryagina E.N. Claisen Rearrangement of Allyl 2-Thienyl Sulfide in Hexamethyldisilazane II Sulfur Lett.- 1995. -Vol. 18.-№4,- P. 173-176.

13. Vvedensky V.Yu., Deryagina E.N., Trofimov B.A. A Convinient Route to Dimethyl Ditelluride // Sulfur Lett.- 1995,-Vol. 18,- №2,- P. 59-60.

14. Штефан Е.Д., Введенский В.Ю. Таутомерия гетероциклических тиолов. Пятичленные гетероциклы // Успехи химии. - 1996.- Т. 65. - С. 326-333.

15. Введенский В.Ю., Дерягина Э.Н., Трофимов Б.А. Синтез диалкилдителлу-ридов II ЖОХ,- 1996.- Т. 66,- Вып. 9,- С. 1579.

16. Tarasova О.А., Nedolya N.A., Vvedensky V.Yu., Brandsma L., Trofimov B.A. Synthesis of 2,5-Bis(N,N-dialkylamino)thiophenes or l-Alkyl-2-N,N-dialkyl-amino-5-methylpyrroles from Propargylic Amines and Isothiocyanates II Tetrahedron Lett., 1997,- Vol. 38,- №.41.- P. 7241-7242.

17. Vvedensky V.Yu., Brandsma L., Shtefan E.D., Trofimov B.A. 2-Mercapto-l-methylpyrrole and the Analogous Selenol: Formation and Some Transformations//Tetrahedron- 1997.- Vol.53,-№. 38,-P. 16783-16788.

18. Vvedensky V.Yu., Brandsma L., Shtefan E.D., Trofimov B.A. 1-Methyl-1Я-2-pyrrolethiol and -Selenol. Synthesis, Tautomerism and Autotransformations II Tetrahedron.- 1997.- Vol. 53.- №. 49.- P. 13079-13084.

19. Введенский В.Ю., Штефан Е.Д., Малюшенко P.H., Шилкин Е.В., Дерягина Э.Н. Таутомерия и автопревращения замещенных 2-тиофентиолов. Влияние заместителей и механизм автотиилирования II ХГС- 1997.- № 9.-С.1203-1218.

20. Введенский В.Ю., Штефан Е.Д., Малюшенко Р.Н., Шилкин Е.В., Дерягина Э.Н. Спонтанная димеризация 2-(4-метилфениламино)тиофена И ХГС.-1997.- № 3.- С. 424.

21. Введенский В.Ю., Штефан Е.Д., Малюшенко Р.Н., Шилкин Е.В. 2-Селенофентиол и 5-метилтио-2-селенофентиол: синтез и автопревращения // ХГС,- 1997.- №. 4.- С. 500-502.

22. Tarasova О.А., Klyba L.V., V vedensky V.Yu., Nedolya N.A., Trofimov B.A., Brandsma L., Verkruijsse H.D. One-pot Syntheses of 2-N-Alkylamino-, 2-N-Phenylamino- 2-N,N-Dialkylamino- and 2-N-Alky-N-phenylaminothiophenes // EurJ.Org.Chem.- 1998,- Vol. 1.- № 2,- P.253-256.

23. Brandsma L., Vvedensky V. Yu., Nedolya N. A., Tarasova O. A., Trofimov B.A. Synthesis of 3-heteroalkyl-2-N-organylaminothiophenes. The first proof for amino-imino tautomerism of N-monosubstituted aminothiophenes // Tetrahedron Lett.- Vol. 39.- №. 16.- P. 2433-36.

24. Nedolya N. A., BrandsmaL., van der Kerk A. H. Т. M., Vvedensky V. Yu., Trofimov B. A. Synthesis of l-alkyl-5,6-bis(alkylthio)-l,2-dihydropyridines and their thermally induced conversion into l-alkyl-3-alkylthio-2#-pyridine-2-thiones // Tetrahedron Lett.- Vol. 39,- №. 14,- P. 1995-1996.

25. Brandsma L., Тарасова O.A., Введенский В.Ю., Verkruijsse H.D., Клыба JI.В., Недоля Н.А., Трофимов Б.А. Реакции изотиоцианатов с металлорга-ническими реагентами. V. Новый подход к синтезу аминотиофенов // ЖОХ,- в печати.

26. Vvedenskii V.Yu., Shkarypa Т.А. Organomagnesium Reactions of 2-Chlorothiophene// II Soviet-Indian Symp. Organomet. Chem.- Irkutsk-. 1989.-Abstr.- P. 5.

27. Vvedenskii V.Yu., Shkarypa T.A., Zinchenko S.V., Deryagina E.N., Zhnikin A.R. Transformations of in situ Generated 2-Thiopheneselenol- and -Tellurol // II Soviet-Indian Symp. Organomet. Chem.- Irkutsk-. 1989.- Abstr. P. 5.

28. Введенский В.Ю., Шкарупа Т.А. 2-Тиенилмагнийхлориды // XII Всесоюзная конференция "Синтез и реакционная способность органических соединений серы",- 1989.- Тбилиси.- Тез.докл,- С. В32.

29. Введенский В. Ю., Корчевин Н. А., Зинченко С. В., Шкарупа Т. А., Деря-гина Э. Н., Воронков М. Г. Димеризация 2-тиофентиола // XII Всесоюзная конференция "Синтез и реакционная способность органических соединений серы".- 1989,- Тбилиси.- Тез.докл.- С. ВЗЗ.

30. Vvedenskii V.Yu., Shkarupa Т.А., Zhnikin A.R., Deryagina E.N., Voronkov M.G. 4-(2-thienylthio)tetrahydrothiophene-2-thione // 14-th Intern. Symposium on the Organic Chemistry of Sulfur, Lodz, Poland, 2-7 September 1990.

31. Турчанинова Л.П., Введенский В.Ю., Шипов А.Г., Дерягина Э.Н., Бауков Ю.И., Воронков М.Г. Взаимодействие тиофенолов и 2-тиофентиола с системой параформ-триметилхлорсилан // 7 Всесоюзная конференция по химии, производству и практическому применению кремнийорганических соединений,- 1990.-Тбилиси,-Тез.докл. Ч. 1.-С. 54.

32. Vvedenskii V.Yu., Shtefan E.D., Deryadina E.N., Voronkov M.G. Autoadditional Reaction of Thiophene- and Furan-2-chalcogenols // 16-th International Symposium on the Organyc Chemistry of Sulfur (ISOCS).-Merseburg.-July 10-15,- 1994.-Abstact.- P. 301.

33. Shtephan E.D., Vvedensky V.Yu., Malyushenko R.N. Silylation in synthesis of some unstable heterocyclic chalkogenols // The Fourth International Conference On Heteroatom Chemistry. July 30 - August 4. 1995. Seoul. Korea.- P. 88.

34. Vvedensky V.Yu., Shtephan E.D., Malyushenko R.N., Zinchenko S.V. Autotransformations of chalkogenols in thiophene, furane, and selenophene series // The Fourth International Conference On Heteroatom Chemistry. July 30 - August 4,- 1995,- Seoul. Korea.- P. 169.

35. Штефан Е.Д., Введенский В.Ю., Малюшенко P.H.. Силилирование в синтезе некоторых нестабильных гетероциклических халькогенолов // 19-ая Всероссийская конференция по химии и технологии органических соединений серы,- 1995.- Казань.- Тез. докл.- А-152. С. 177.

36. Введенский В.Ю., Штефан Е.Д., Малюшенко Р.Н.. Автопревращения халькогенолов тиофенового, фуранового и селенофенового рядов // 19-ая Всероссийская конференция по химии и технологии органических соединений серы. 1995. Казань: С. 176.

37. Введенский В.Ю., Штефан Е.Д., Малюшенко Р.Н., Шилкин Е.В., Дерягина Э.Н. Синтез и силатропная перегруппировка 5-(триметилсилил)-тиофен-2-тиола // V Всеросийский Симпозиум "Строение и реакционная способность кремнийорганических соединений".- Иркутск,- 1996.-Тез. докл.- С. 69.

38. Vvedensky V.Yu., Shtephan E.D., Malyushenko R.N., Shilkin E.V., Deryagina E.N. Synthesis and Dimerization of 2-(4-Methylphenylamino)-thiophene // 12th Symposium on Chemistry of Heterocyclic Compounds and 6th Blue Danube Symposium on Heterocyclic Chemistry.- 1996,- September 2- 4,- Brno, Czech Republic.- P. 124.

39. Брандсма JI., Недоля H.A., Тарасова О.А., Введенский В.Ю., Трофимов Б.А. Синтетические возможности реакции литиированного метоксиаллена с изотиоцианатами // Симпозиум по химии и применению фосфор-, сера-, и кремнийорганических соединений "Петербургские встречи-98": Тез. докл.

Примечания и цитированная литература:

1 Ponticello G.S., Habecker С. N., Varga S. L., Pitzenberger S. M. An Unusual Dimer of 2-Mercaptothiophene // J. Org. Chem.-I989.- Vol. 54,- P. 3223-3324.

1 Purcell S.T., Garcia N.- Binh V.T., Jones L., Tour J.M. Characterization of the Conductivity of Organic Thiols by Field Emission Microscopy and Field Emission Spectroscopy // J.Am.Chem.Soc. - 1994,- Vol. 116. - P. 11985-11989.

3 Blechert S., Gericke R., Ekkehard W. Polycyclishen Thiophenderivate durch Hetero-Cope-Umlagerung //Chem.Ber.- 1973,-Bd. 106,-S. 368-373.

4 В соавторстве с JI. Брандсма, O.A. Тарасовой, H.A. Недолей, Б.А.Трофимовым, Л.В. Клыбон (см. в списке работ.)

5 Morel J., Paulmier С., Semard D., Pastour P. Sur la synthese et la tautomeric de certains derives du selenophene HC. R. Acad. Sei., Ser. C.- 1970,- Vol. 271,- P. 10051008.

6 Harris R.L.N. Synthesis and Reactions of Some Pyrrolethiols // Austr. J. Chem.- 1972.-Vol 25,-№ 5.-P. 985-991.

7 Brandsma L., Verkruijsse H. Preparative Polar Organometallic Chemistry // Berlin-Heidelberg-New-York-London-Paris-Tokyo: Springer-Verlag, 1987.-Vol. 1.- P. 79-81, 96.

' Здесь и в других случаях предпочтительное использование метода РМЗ (по сравнению с AMI и MNDO) связано с наличием в нем параметров для атомов Se и Те.

ИРКУТСКИЙ ИНСТИТУТ ХИМИИ СО РАН

На правах рукописи

В. Ю. Введенский

Синтез, таутомерия и автопревращения тиолов, селенолов и аминов пятичленных моногетаренов

02.00.08 - химия элементоорганических соединений

Диссертация на соискание ученой сто до'ктора хим ичр^ких^а^к

20

Иркутск - 1998

ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................................4

1. ТАУТОМЕРИЯ И АВТОПРЕВРАЩЕНИЯ МОНОХАЛЬКОГЕНОЛОВ И АМИНОВ В РЯДУ ПЯТИЧЛЕННЫХ МОНОГЕТАРЕНОВ

(ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) .................................................................................7

1.1. Таутомерия. Основные понятия и возможные механизмы................7

1.2. Гидроксипроизводные..............................................................................10

1.2.1. Фураны..................................................................................................11

1.2.2. Тиофены................................................................................................14

1.2.3. Селенофены...........................................................................................19

1.2.4. Гидроксипирролы..................................................................................20

1.2.5. Сравнительная характеристика гидроксипроизводных различных гетероциклов......................................................................25

1.3. Амины.................................................-.........................................................26

1.3.1. Аминофураны........................................................................................26

1.3.2. Аминотиофены.....................................................................................30

1.3.3. Аминоселенофены.................................................................................34

1.3.4. Аминопирролы.......................................................................................34

1.4. ТИОЛЫ...........................................................................................................35

1.4.1. Фуран-, тиофен- и селенофентиолы...................................................35

1.4.2. Азолтиолы.............................................................................................37

2. СИНТЕЗ, ТАУТОМЕРИЯ И АВТОПРЕВРАЩЕНИЯ 2-ТИОЛОВ, -СЕЛЕНОЛОВ И АМИНОВ ПЯТИЧЛЕННЫХ МОНОГЕТАРЕНОВ (ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ) ...............................................................52

2.1. ТИОФЕНТИОЛЫ, СЕЛЕНОЛЫ И АМИНЫ...........................................................52

2.1.1. 2-Тиофентиол........................................................................................52

2.1.2. Реакции 2-тиофентиола с гидразинами и родственными соединениями........................................................................................70

2.1.3. Замещенные 2-тиофентиолы..............................................................74

2.1.4. З-Тидфентиол........................................................................................90

2.1.5. 2-Тиофенселенол...................................................................................90

2.1.6. 2-Тиофентеллурол. Попытки синтеза...............................................94

2.1.7. 2-Тио фенамины....................................................................................95

2.2. ФУРАНТИОЛЫ И СЕЛЕНОЛЫ........................................................................105

2.3. 2-СЕЛЕНОФЕНТИОЛЫ..................................................................................107

2.4. 2-(1-МЕТИЛ-1Н)ПИРРОЛТИОЛ И -СЕЛЕНОЛ.................................................109

2.5. ТАУТОМЕРИЯ СОЕДИНЕНИЙ 2-YH-(C4H3X) (X,Y = О, S, SE, ТЕ, NR).

Сравнительный анализ экспериментальных данных и квантовохи-

мической модели............................................................................................113

2.6. Влияние гетеро атомов на способность тио лов и селено лов 2-YH-(С4Н3Х) (X = О, S, SE, NR; Y=S, SE, NR) к димеризации..............................117

2.7. Некоторые особенности ЯМР спектров изученных соединений ... 120

2.7.1. Триметилсилилъные производные тиолов и селенолов.....................120

2.7.2. Тиолы и селенолы................................................................................120

2.7.3. Димеры................................................................................................122

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.........................................................126

3.1. Физические методы................................................................................126

3.2. исходные реагенты.................................................................................127

3.3. Металлоорганические реагенты..........................................................129

3.4. ТИОФЕНЫ....................................................................................................129

3.5. фураны......................................................................................................153

3.6. селенофены..............................................................................................156

3.7. ПИРРОЛЫ.....................................................................................................158

Выводы ..................................................................................................... 162

Литература............................................................................................... 164

"Tautomerism is a complicated and often contentious subject... "

Введение

В настоящее время химия гетероциклических соединений является наиболее обширным и быстроразвивающимся разделом органической химии. В свою очередь, пятичленные ароматические соединения с одним гетероато-мом в цикле - фураны, тиофены, селенофены, пирролы исторически являются базовым рядом в химии гетероциклов, что связано с их распространенностью в природе, широким использованием в препаративной и прикладной химии. Исследования в ряду моногетаренов представляют большой теоретический интерес и в плане выявления взаимосвязи структуры и реакционной способности с ароматичностью системы.

Соответственно, и гетероциклические аналоги фенола, анилина, тиофе-нола и селенофенола (C4H3X)YH (X,Y = О, S, Se, NH) I потенциально являются чрезвычайно интересными объектами исследования, как в теоретическом, так и в практическом плане. Не удивительно, что первые попытки получения многих соединений этого ряда относятся еще к концу прошлого - началу нынешнего века. Однако уже тогда выяснилось, что сходство соединений I с их бензольными аналогами чаще всего весьма условно, а их стабильность при хранении чрезвычайно низка. Было установлено, что электроотрицательные заместители в гетероароматическом кольце оказывают на него стабилизирующее действие, поэтому производные I, замещенные карбонилсодержа-щими, нитрильными, нитрогруппами исследованы, как правило, намного лучше, чем собственно соединения I.

Поскольку пятичленные моногетарены значительно менее ароматичны, чем бензол, для их производных I, содержащих группу YH (Y=0, S, Se, NR), способную к прототропии, стабильными могут оказаться и не ароматические структуры. Так, для 2-замещенных I теоретически возможны три альтернативных таутомера (или изомера):

Сх. 1

Существенные отличия физических и химических свойств незамещенных соединений I, по сравнению с их бензольными аналогами, первоначально объяснялось именно с этих позиций. Так, в выпусках справочника Белыптей-та, опубликованных до 1960 г., для всех известных соединений формулы I в качестве основных структур приводились Г"и Г, а аминотиофены назывались "тиенинами", что, по-видимому, должно было подчеркнуть их ениминную природу.

Внедрение в лабораторную практику метода ЯМР, чрезвычайно удобного для исследования таутомерных систем, в 60-70гг позволило установить (разумеется, в пределах точности метода), что этот подход является правильным лишь отчасти. Так, для потенциальных гидроксипроизводных моногета-ренов предпочтительными, действительно, являются кетоформы Г 'и Г, в то время как для аминов и тиолов характерна структура I. Производные (У=0) гетероциклов с низкой ароматичностью, например, фураноны-2 взаимопревращаются чрезвычайно медленно - для них правильнее говорить не о таутомерии, а об изомерии. Тиеноны-2 Г'и Г(Х=Б; У=0), напротив, являются классической таутомерной системой, в которой (при варьировании заместителей в кольце и растворителя) удается наблюдать все три теоретически возможные таутомерные формы. Результаты исследования таутомерии I и других гетероциклических систем были обобщены в ряде фундаментальных обзоров и монографий7"*.

Таким образом, к началу выполнения этой работы о соединениях I было известно довольно много, но имелись и существенные пробелы. Так, в ряду тиолов сравнительно хорошо были изучены лишь тиофентиолы, а о таком

простом соединении, как 2-фурантиол вообще ничего не было известно. Не были исследованы и селенолы I. Хотя таутомерная природа соединений I была предсказана, и в некоторых случаях экспериментально обнаружена, какой-либо общей для всего ряда взаимосвязи таутомерии с реакционной способностью установлено не было. Наконец, повторяющаяся во многих источниках информация о крайне низкой стабильности таких соединений, как простейшие фуран- и пирролтиолы, явно тормозила дальнейшие исследования в этом направлении.

Цель настоящей работы - поиск таутомерных систем в ряду гетероциклических тиолов, селенолов и тиофенаминов I и выявление взаимосвязей таутомерии с реакционной способностью.

Развитие новых синтетических подходов, например, использование кремнийорганических методов получения искомых гетероциклических систем, в сочетании с применением современной спектроскопии ЯМР, позволило произвести "ревизию" работ, выполненных в 60-70гг, дополнив их данными о ряде ранее недоступных соединений. В результате удалось впервые экспериментально зафиксировать таутомерные превращения в ряду аминотиофе-на и пирролтиола, найти общую для всех соединений I реакцию димеризации, связанную с их таутомерной природой и определяющую их высокую лабильность, исследовать механизм димеризации и некоторые синтетические следствия этого явления.

Работа имеет традиционную структуру и состоит из трех глав- 1) обзора литературы, 2) обсуждения полученных результатов и 3) экспериментальной части. Глава 1 посвящена таутомерии и автопревращениям (в тех редких случаях, когда о них что-нибудь известно), соединений I и азолтиолов5 (которые включены в рассмотрение ввиду того, что структура их близка к соединениям I, а таутомерия - исследована весьма подробно). Обсуждение всех аспектов реакционной способности соединений I в этой главе представляется излишним, поскольку это заняло бы много места и, вместе с тем, не имеет непосредственной связи с главой 2. Современное состояние химии тиофентиолов рассмотрено нами в обзоре 6.

1. Таутомерия и автопревращения монохалькогенолов и аминов пя-тичленных моногетаренов (обзор литературы).

1.1 Таутомерия. Основные понятия и возможные механизмы.

Под таутомерией понимают подвижное равновесие между взаимопре-вращающимися структурными изомерами7. Этот термин впервые был введен Лааром в 1885-1886 гг. в связи с дискуссией по поводу строения соединений типа ацетоуксусного и малонового эфира5.

Наиболее распространенной является таутомерия, связанная с переносом протона или прототропия:

H-X-Y=Z * Х=У^-Е

а б

В принципе возможны два механизма прототропии: межмолекулярный и внутримолекулярный. Первый был предложен Ингольдом, Шоппи и Торпе в 1926 г.9 Суть его в том, что отрыв протона от субстрата и присоединение протона в Р-положение происходят раздельно. Следовательно, этот механизм является двустадийным и предполагает образование мезомерного аниона, определенное время существующего независимо:

вГ*

ь- н.

О:

В

г

Х=Т—Ъ

О "—

X—У=2

Данная схема хорошо иллюстрирует различие понятий таутомерии и мезомерии. Таутомерные формы, в отличие от мезомерных, характеризуют реальные химические соединения, каждое из которых может быть выделено, при определенных условиях, в индивидуальном состоянии (на практике это, конечно, зависит от относительной термодинамической и кинетической устойчивости таутомеров).

Каталитическое действие оснований является важной особенностью прототропной таутомерии. Как отмечал К. Ингольд, "в тех случаях, когда подвижность системы достаточно мала и позволяет уловить влияние катализатора, основание представляет собой универсальный катализатор, а основность характеризует силу катализатора8.

Одностадийный механизм протонного переноса был предложен в 1927г.

Лоури, который представлял его себе как одновременное освобождение протона на одном конце триадной системы и присоединение к другому с участием трех молекул: субстрата, основания и сопряженной кислоты/<?

/> ГЧ + + П:В

Еще в 1933-35 гг. этот механизм был успешно применен Ингольдом для описания прототропии азометинов8.

Предпочтительность двухстадийного или синхронного механизма для конкретных случаев таутомерии служила поводом для оживленных дискуссий вплоть до 60-х годов, когда в работах Бергсона и Уэйдлера77"ь, Крама76'77 и др. было показано, что оба рассмотренных механизма имеют место, но только как граничные случаи. Причем по современным представлениям одностадийный процесс Лоури (в "чистом" виде) идет несколько иначе, а именно как внутримолекулярный, с участием двух молекул - субстрата и основания, без какого-либо обмена с внешней средой.

Основным методом, позволяющим выявить механизм таутомерии, является изучение дейтерообмена. При синхронном механизме процессы дейте-рообмена и таутомерного превращения должны протекать с одной и той же скоростью, причем дейтерообмен в этом случае невозможен без таутомерии. В случае ступенчатого механизма дейтерообмен может происходить и без таутомерного превращения за счет обратимости реакции на первой стадии. Таким образом, скорость дейтерообмена должна быть либо равна скорости таутомерного превращения, либо превышать её.

Механизм, по которому реакция будет протекать в каждом конкретном случае, зависит, кроме того, от реакционной среды. Полярные растворители благоприятствуют протеканию реакции по ступенчатому механизму. Как будет показано ниже, таутомерные превращения производных пятичленных мо-ногетаренов, являющиеся предметом настоящего обзора, как правило, протекают по двухступенчатому механизму.

Очевидно, что в тех случаях, когда возможно образование нескольких

таутомерных форм, скажем, двух альтернативных кетотаутомеров, термодинамически предпочтительным оказывается тот, в котором выше возможности сопряжения и делокализации электронной плотности, а образование внутримолекулярной водородной связи может стабилизировать как енольную форму (например, в ацетоуксусном эфире), так и кетоформу.

Что же касается кинетики образования альтернативных таутомерных форм, например, при подкислении сопряженного аниона, то наблюдаемые закономерности являются хорошей иллюстрацией известного правила Хьюза-Ингольда: "При передаче протона от кислоты к мезомерному аниону слабоио-низирующихся таутомеров, заметно отличающихся по стабильности, быстрее всего образуется термодинамически наименее устойчивый изомер, и он же легче всего отдает протон основаниям". Нарочито приведу пример, далекий от химии гетероциклов. Фенилнитрометан в равновесном состоянии в основном - нормальное нитросоединение II. Однако, при подкислении его соли III преимущественно образуется таутомерная ациформа IV, медленно превращающаяся в термодинамически выгодную нитроформу II при хранении (аналогичные примеры, например, в тиоленоновых системах см. в разд. 1.2.2.1).

Ph—СН2—N. И

медленно

\

Ph—СН2—N

+ /0-Н

О"

IV о

- н+

+ Н+

Ph—СН—N

+ н+

- н+

ч

Ph—CH=N

О"

ч

III

О"

Любые ароматические соединения, имеющие водородсодержащий заместитель, потенциально способны к прототропии. Например, фенол помимо привычной ОН- формы V формально может существовать в виде кетонных таутомеров У'иУ"

10 Сх. 2

н ___ ^н

V" V V"

а-Замещенные гетероциклические аналоги фенола, тиофенола, селено-

фенола, анилина могут существовать в виде трех таутомерных форм I, Г и Г\см. сх. 1), а (3-производные - в виде двух VI и УГ (для И-незамещенных пирролов возможны дополнительные 2Я-структуры Г", УГ" и УГ")

Сх. 3

Г I Г Г"

VI VI VI" VI

Х=0, Б, Бе, Те, N11; У= О, Б, Бе, Те, N11

Однако для сильно ароматических соединений, таких как производные бензола, возможность такой таутомерии остается чисто умозрительным предположением и совершенно не сказывается на их химическом поведении, поскольку образование структур типа У\ V" сопряжено с деароматизацией системы, энергия делокализации которой велика и измеряется десятками ккал/моль. Напротив, в химии существенно менее ароматичных пятичленных моногетаренов способность к таутомерии оказывается чрезвычайно важной.

1.2 Гидроксипроизводные

Таутомерия гидроксипроизводных пятичленных моногетаренов изучена сравнительно полно. Особо следует выделить очень большой цикл работ по таутомерии гидрокситиофенов, выполненный Гроновицем и его ученицей Анной-Бриттой Хернфельд (см. обзор 3).

1.2.1 Фураны

1.2.1.1 2-Гидроксифураны

Потенциальные гидроксифураны существуют исключительно в виде непредельных лактонов и хорошо изучены, в частности потому, что 5Я-фуран-2-оновый цикл входит в состав большого числа природных соединений: сесквитерпенов, производных пульвиновой кислоты, некоторых антибиотиков, производных тетроновой кислоты VII [к их числу относится витамин С - 5-( 1,2-дигидроксиэтил)-3,4-дигидрокси-2,5-дигидро-2-фуранон VIII]. Важным классом природных 5Я-фуранонов-2 являются кардиоактивные стероидные лактоны (карденолиды), молекулы которых содержат фрагмент

IX

18,19

Сх. 4

НО

но он нк

он

ЧУ ^О VII

но— но-

N

о

VIII

-о

ЗЯ-фураноны-2 до сих пор не обнаружены в объектах природного происхождения, что лишний раз свидетельствует об их меньшей, по сравнению с 5Я таутомерами термодинамической стабильности. Однако синтетически 3Н-фураноны, например X, могут быть получены разнообразными способами, основным из которых остается циклизация у-кетокислот XI. Реакция протекает при сильном нагревании или в присутствии кислотного катализатора. Иногда наблюдается димеризация продукта реакции в соединения типа Х11/А'.

Сх. 5

Л' Ме Ме

О

Я.

ЯД' = Н, А1к, Аг

ОН

Я'

я

0х ^О

О'

ч0'

чо'

-о

XI X XII

В принципе, ЗЯ-бутенолиды можно