Спектроскопия ЯМР и строение замещенных азолов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

На правах рукописи

ЛАРИНА Людмила Ивановна

СПЕКТРОСКОПИЯ ЯМР

И СТРОЕНИЕ ЗАМЕЩЕННЫХ АЗОЛОВ

(02.00.03 - органическая химия)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук

Иркутск 2003

Работа выполнена в лаборатории структурной химии Иркутского института химии имени А. Е. Фаворского Сибирского отделения Российской академии наук

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Владимир Кириллович Воронов

доктор химических наук, профессор Леонид Борисович Кривдин

доктор химических наук, профессор „ Андрей Валерьевич Афонин

Ведущая организация: Иркутский государственный университет

Защита состоится 25 ноября 2003 года в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 003.052.01 при Иркутском институте химии имени А. Е. Фаворского Сибирского отделения РАН по адресу: ул. Фаворского, 1, Иркутск, 664033

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского института химии имени А. Е. Фаворского Сибирского отделения РАН по адресу: ул. Фаворского, 1, Иркутск, 664033

Автореферат разослан 2/ октября 2003 года

Ученый секретарь диссертационного совета, к.х.н.

и и Цыханская

^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Азолы занимают важное место в химии гетероциклических соединений. Их уникальные свойства и специфическая биологическая активность привлекают пристальное внимание исследователей всего мира. Производные азолов используются в качестве лекарственных препаратов, радиосенсибилизаторов, анестетиков, пестицидов и гербицидов, красителей, пластификаторов, ионных жидкостей.

Столь значительное практическое применение азолов требует понимания особенностей их электронного строения, спектральных свойств и таутомерных превращений. Таутомерия азолов составляет один из наиболее интересных разделов теории их строения и реакционной способности. Корректная интерпретация химического поведения и биологической активности этих гетероциклических систем невозможна без знания структуры таутомерных форм и факторов, определяющих их относительную устойчивость.

К началу наших исследований электронное строение, таутомерные превращения пиразолов, имидазолов, триазолов и их бензаннелированных аналогов не были детально изучены. Практически отсутствовали данные о влиянии заместителей и среды на таутомерное равновесие этих соединений, способных претерпевать многочисленные химические превращения

Систематизация и обобщение имеющихся на этот счет сведений, разработка новых подходов к изучению строения и таутомерии С- и N-замещенных азолов с использованием современных методов мультиядерной и динамической спектроскопии ЯМР и квантовой химии являются актуальной задачей. Получение новых знаний в этой области необходимо для создания на основе азолов новых веществ и материалов с потенциально полезными свойствами.

Данная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Иркутского института химии им. А.Е Фаворского СО РАН по темам: "Исследование строения, стереодинамики и комплексообразования молекул, их взаимодействия со средой и излучением методами квантовой химии и спектроскопии" (номер гос. регистрации 01860109689), "Теоретические и спектральные исследования строения и реакционной способности ненасыщенных гетероатомных и элементоорганических соединений" (номер гос. регистрации 01990000413) и "Спектрометрия и квантовая теория стереоэлектронного строения. ненасыщенных гетероатомных соединений и их реакций" (номер гос. регистрации 01200107929). Проводимые исследования были поддержаны грантами Международного научного фонда (Гранты № 1300 и № 1000), Международного Научно-Технического Центра (Грант № 427), Российского фонда фундаментальных исследований (Гранты № 94-03-09836 и № 98-0332899), Национального цен фа научных исследований Франции (CNRS) (фонд Кастлера) совместно с фирмой Rhodia (01.07.99-31 03.00) Исследования выполняются в рамках программы Отделения химии и наук о

материалах РАН № 4 1 7 "Теоретическое

3

ВИБЛИОТЕКА

СП О»

ШдЯУ^

Г/J

природы химической связи и механизмов важнейших химических реакции и процессов".

Цель работы: развитие представлений о строении, стереодинамическом поведении, химических и таутомерных превращениях широкого круга азолов и их кремнийорганических производных. В рамках этой фундаментальной проблемы автор ставил перед собой следующие задачи: -исследование строения, прототропии и реакционной способности азолов; -изучение передачи эффектов заместителей через азольные системы: -исследование силилотропии в Ы-триметилсилилазолах, -исследование химических превращений азолов и их кремнийорганических производных.

Научная новнзна и практическая значимость. Методами мультиядерной и динамической спектроскопии ЯМР (]Н, 13С, '"К 2951), ЭПР и квантовой химии систематически установлены особенности строения и таутомерных превращений широкого круга С-замещенных азолов (пиразолы. имидазолы, 1,2.3-триазолы, 1,2,4-триазолоны и их бензаннелированные аналоги), их Ы- и О-триметилсилилированных и модельных производных, а также структура перспективных для практического использования продуктов прежде неизвестных реакций некоторых из них с рядом органических и кремнийорганических соединений. Показана высокая эффективность использования спектроскопии ЯМР в решении структурных задач химии этих гетероциклических систем.

Исследованы особенности прототропных перегруппировок функционально замещенных азолов, включая важнейшие для фармако-химии нитропроизводные. Установлены и проанализированы зависимости констант таутомерного равновесия и свободной энергии активации прототропных превращений от электронной природы заместителей.

Впервые количественно оценена проводимость эффектов заместителей в азолах. и\ катионах и анионах, а также в дианион-радикалах нитробензимидазолов. Установлен анизотропный характер передачи эффектов заместителей в несимметрично замещенных гетероциклах, а также общность ее механизма в нейтральном бензимидазоле и его катионе.

Определено строение С- и Ы-триметилсилилпроизводных азолов. их Стс- и п7/лк>триметилсилильных аналогов, проанализировано влияние природы гетероцикла и заместителя на константы равновесия и значения свободной энергии активации силилотропных превращений.

Открыто каталитическое воздействие галогенов и триметилгалоген-силанов на процессы силилотропии Ы-триметилсилилпиразолов, ключевая стадия которого заключается в промежуточном образовании галогенида Ы,Ы'-бис(триметилсилил)пиразолия

Изучено строение и перегруппировка новых бициклических кремнийорганических производных азолов, полученных путем триметилсилилиро-вания замещенных 1,2,4-триазолона-5 и последующего пересилилирования диметил(хлорметил)хлорсиланом. Установлено, что триметилсилилирование высокоэнергетического 3-нитро-1,2,4-триазолона-5 приводит к N,0-бис(трил«тидсилил)-1.2.4-триазолу, а триметилсилилирование 1.2,4-

триазолона-5 и его 3-хлорзамещенного - к смеси трех (N,N', N,0 и N',0) и двух (N,0 и N',0) бис(триметилсилил)изомеров, соответственно. Показано, что их взаимодействие с диметил(хлорметил)хлорсиланом приводит к образованию ранее неизвестных производных 5-силаоксазоло[2,3-Ь]-, 5-силаоксазоло[2,3-с]- и 5#-4-силаоксазоло[2,3-с1]-1,2,4-триазолов, а взаимодействие родственных моно-ТМС-производных N-метил-1,2,4-триазолонов - к соответствующим бицикпическим ониевым солям.

Установлено строение Ы-(триметоксисилилметил)азолов и потенциально биоактивных продуктов их переэтерификации триэтаноламином - N-(силатранилметил)азолов, а также тонкие особенности влияния природы азольного кольца на степень трансаннулярного взаимодействия в последнйх.

Оптимизированы процессы С-аминирования N-метилированных нитроазолов и нитробензолов 1,1,1-триметилгидразиний галогенидами и 4-амино-1,2,4-триазолом в реакции викариозного нуклеофильного замещения (ВНЗ) водорода в суперосновной среде. Изучено строение образующихся аминопроизводных нитроазолов.

Полученные результаты существенно расширили сложившиеся представления о механизме химических и таутомерных превращений азолов, открыли новые пути управления их реакционной способностью. Апробация работы и публикации. Результаты работы представлены на II Всесоюзном совещании по химии гетероциклических соединений (Рига, 1979); VI Симпозиуме по межмолекулярному взаимодействию и конформа-циям молекул (Вильнюс, 1982); IX Всесоюзном совещании по квантовой химии (Иваново, 1985); 11 Всесоюзном совещании по электрохимии органических соединений (Львов, 1986); Международной конференции по хемометрии (Брно, 1990); V Всесоюзной конференции по химии азотсодержащих гетероциклических соединений (Черноголовка, 1991); Всесоюзной конференции по теоретической органической химии (Волгоград, 1991); XII и XIII Международном симпозиуме по спектроскопии ЯКР (Цюрих, 1993, Провиденс, США, 1995); XV Международном симпозиуме по молекулярному строению (Остин, США, 1994); IV и V Международной конференции по гетероатомной химии (Сеул, 1995, Лондон, Канада, 1998); 1 Российско-Японском симпозиуме по реакционной способности органических соединений (Иркутск, 1995); VII Международной конференции по корреляционному анализу в химии (Фукуока, Япония, 1996); XI Международном симпозиуме по кремнийорганической химии (Монпелье, Франция. 1996); V Всероссийском симпозиуме "Строение и реакционная способность кремний-органических соединений" (Иркутск, 1996); Международной конференции памяти *И.Я. Постовского по органической химии (Екатеринбург, 1998); Конференции "Петербургские встречи-98" "Химия и применение фосфор-, сера- и кремнийорганических соединений" (С-Петербург. 1998); XVII Международном конгрессе по гетероциклической химии (Вена, 1999); VIII Международном симпозиуме "Голубой Дунай" по гетероциклической химии (Блед, Словения, 2000); XIX Европейском коллоквиуме по гетероциклической химии (Авиеро, Португалия, 2000); 1 Международной конференции "Современные проблемы органической химии, экологии и биотехнологии"

(Луга, 2001); Международной конференции по механизмам реакций и органическим интермедиатам (С-Петербург, 2001); 38 Конгрессе ЮПАК (Брисбан, Австралия, 2001); Всероссийском симпозиуме "Химия органических соединений кремния и серы" (Иркутск, 2001); 20 Международном симпозиуме по органической химии серы (Флагстаф, Аризона, США, 2002), Международном симпозиуме памяти М.Е. Вольпина "Современные направления в металлорганической и каталитической химии" (Москва, 2003).

По материалам диссертации автором прочитаны лекции в Институте органической химии ПАН (Польша, 1990), в Университете Киото (Япония, 1996), в Университете Одензе (Дания, 2000) и в Университете Мадрида (Испания, 2000).

По теме диссертации опубликовано 83 печатных работы в отечественных и зарубежных изданиях, из них шесть обзоров и одно авторское свидетельство. Перечисленные публикации составляют основу диссертационной работы и подготовленной к печати монографии по нитроазолам.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 285 страницах машинописного текста, включает 64 таблицы и 15 рисунков. Библиография насчитывает 446 наименований. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка цитируемой литературы

Глава 1 ("Таутомерия азолов") посвящена обсуждению результатов исследований прототропных перегруппировок в функционально замещенных азолах и содержит критический анализ литературных данных по изучению таутомерии азолов.

В главе 2 ("Электронное строение азолов. Эффекты заместителей") представлен краткий анализ последних данных об изучении электронных эффектов заместителей в гетероциклических соединениях, который дополняет уже опубликованный автором обзор [4] ранних исследований (1960-1986) этой проблемы. Изложены собственные результаты изучения передачи эффектов заместителей в азолах и модельных соединениях. Представлен анализ проводимости электронных влияний заместителей в нейтральных бензимидазолах, их ионных формах и в дианион-радикалах нитробензимидазолов.

В главе 3 ("Кремнийорганические производные азолов") изложен материал по изучению силилотропных перегруппировок азолов и установлению строения их новых кремнийорганических производных. Изложены сложившиеся в этой области представления.

Глава 4 ("Строение азолов, не способных к таутомерии") обобщает исследования по изучению строения некоторых представителей новых производных функционально замещенных азолов (пиразола, тиазила, тиадиазола, нитроазолов и др.).

Глава 5 ("Экспериментальная часть") содержит сведения об объектах исследования, используемых растворителях, методике приготовления образцов, условиях регистрации спектров ЯМР и используемой аппаратуре. Здесь же приведены сведения о технике статистических (корреляционных) и квантово-химических расчетов

Автор благодарит М.Ф. Ларина, Г.В. Долгушина, А.И. Албанова, М.С. Сорокина, Б.А. Гостевского, Т.И. Вакульскую, A.C. Нахмановича, Н.И. Процук, Р.В. Карнаухову, В.Н. Елохину, И.А. Титову, Е.Ф. Шибанову, Г.Г. Левковскую, О.В. Донскую, О.М. Трофимову и С.Г. Дьячкову, принимавших участие в выполнении отдельных этапов этой работы.

Особую благодарность выражаю моим учителям - профессорам В.А. Лопыреву и В.А. Пестуновичу, а также академикам М.Г. Воронкову и Б.А. Трофимову.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Таутомерия азолов

1.1. Аннулярная прототропия азолов

1.1.1. Вырожденная прототропия. 4-Замещенные пиразола

К началу наших работ сведения о таутомерии азолов носили отрывочный характер. Нами систематически изучена таутомерия азолов и обобщены имеющиеся на этот счет данные. Полученные результаты позволили по-новому взглянуть на некоторые аспекты таутомерии, выявить ошибочные результаты и выводы прежних работ.

Обменные прототропные превращения азолов в обычных средах являются чрезвычайно быстрыми во временной шкале ЯМР. Эта трудность частично преодолевается путем использования растворителей с ярко выраженными протонодонорными или протоноакцепторными свойствами. В этих средах раздельное наблюдение таутомеров становится возможным при умеренно низкой (метанол, ацетон) или комнатной (ГМФТА) температуре.

Нам впервые удалось наблюдать и исследовать вырожденную прототропную аннулярную таутомерию представительного ряда 4-замещенных пиразола (1) в метаноле. Этот растворитель является наиболее приемлемым в плане растворимости объектов и съемки спектров при низких температурах. Результаты определения барьеров 1,2-миграции протона в соединениях 1-8 методом динамического ЯМР *Н представлены в таблице 1. R R

^ N-H (1) N

1-8

Я = СН30, СНз, (СНЩзБц Н, С1 Вг, I, Ы02

Установлено, что величина свободной энергии активации (АС*) протонного обмена между атомами азота (N-1 и N-2) в 4-замещенных пиразола 1-8 изменяется в пределах 11-15 ккал/моль в зависимости от электронных эффектов заместителя (табл. 1)

Концентрация растворов оказывает существенное влияние на величину барьера миграции протона в азолах. Нами показано, что с уменьшением концентрации вещества температура коалесценции (Тс) сигналов протонов Н-3 и Н-5 и соответствующие ей значения свободной энергии активации (АО*) таутомерного процесса постепенно возрастают и лишь при с < 0.1 -0.2 моль/л практически не меняются. Вероятно, понижение концентрации растворов уменьшает вклад межмолекулярного протонного обмена Ы-Н---Ы в интегральную скорость миграции протона. Поэтому в своих исследованиях мы использовали разбавленные растворы (не более 0.2 моль/л.). К сожалению, в немногочисленной литературе по данной проблеме часто не сообщается о рабочей концентрации соединений при определении величин АО*. Использование концентрированных растворов объясняет заниженные значения АС*, приведенные в ранних работах.

Обнаружено влияние электронной природы заместителя в пиразолах 18 на положение резонансного сигнала протонов гетерокольца. Увеличение п-электроноакцепторных свойств заместителя Я приводит к уменьшению констант экранирования протонов Н-3,5 (табл. 1) и повышению кислотности соединений (рКД Казалось бы, последнее должно способствовать снижению барьера 1,2-миграции протона, однако понижение основности оказывает на барьер противоположное влияние. В результате величина барьера в изученных соединениях меняется сложным образом (табл. 1).

Несомненно, что скорость таутомерного процесса зависит от природы и степени межмолекулярной агрегации: мономер— самоассоциат = комплекс азол-растворитель. В случае пиразола, например, в равновесии могут участвовать мономерные, димерные, тримерные, тетрамерные и другие ассоциаты.

Таблица 1. Параметры температурно-зависимых спектров ЯМР 'Н (90 МГц) 4-замещенных пиразола (1-8) (СОзОО)а и их кислотно-основные свойства

R 5 Н-3,5, м.д Av, Гц Тс, °С AG*,6 ккал/моль рКав рКвк+'

1 сн,о 7.29 13.4 -43 11.8

2 сн, 7 36 - <-90 <10 14.7 13 04

3 (CH,),Si 7.57 8.5 -44 11.9

4 нг 7 56 - <-90 <10 14.2 2.48

5 С1 7.58 23.3 -2 14.7 0.59

6 Вг 7.61 22.8 -5 14.9 12.7 0.63

7 i 7.64 23.3 10 14.3 0 80

8 no2 8.34 41.5 -24 12.2 9.6 -2.0

"с = 0.2 моль/л;sЛ6\* = 4.57 • Тс(9.97 + lgTt/Av) (2);

" в воде (Catalan, 1993):г б'Н (Н-4) 6.29 м.д., V=2 Гц

В разбавленных растворах равновесие смещено в сторону связанных водородной связью комплексов субстрата с метанолом. В насыщенных растворах равновесие сдвигается в сторону самоассоциатов, которые могут

иметь линейное или, что более вероятно, циклическое строение. В циклических самоассоциатах перенос протона осуществляется по мультиплетному механизму, синхронному или ступенчатому.

1.1.2. Невырожденная таутомерия. 3(5)-3амещенные пиразола

Снятие вырождения таутомерного процесса, например, за счет введения заместителя в положение 3(5) пиразольного кольца, дает возможность наблюдать в спектрах ЯМР две таутомерные формы А и Б. Я Я

\ N-H (3)

N

Я = 1МН2 (9), ОСНз (10), СНз (11), Б^СНзЬ (12), Н (4), С1(13), СИз (14), СЫ (15), Ы02 (16)

Нами методом ЯМР и квантовой химии изучено таутомерное равновесие ряда 3(5)-замещенных пиразола 9-16 (3).

Методом ЯМР ПС установлено, что при низкой температуре (-90 °С) в метаноле 3(5)-метилпиразол (4) находится в виде смеси 46 % и 54 % 3- и 5-метилтаутомеров 11 А и 11 Б (табл. 2).

Таблица 2. Химические сдвиги ЯМР 13С 3(5)-метилпиразола и его таутомеров в СЭяОО. Процентное содержание таутомеров в равновесии 11 А — 11 Б (4)

Пиразол_Т, "С С-3 С-4 С-5 СН, %

3(5)-метилпиразол 25 144.90 105.49 135.86 12.17

3-метилпиразол (11А) -90 149.25 105.68 130.69 13.76 46

5-метилпиразол (11 Б) -90 140.51 105.68 140.51 11.0 54

Относительное содержание таутомерных форм 11А и 11Б слабо зависит от характера растворителя. В среде ГМФТА (Grant, 1977) оно оказалось тем же, что и в CDiOD. В хлороформе и ацетоне обнаружена равная заселенность таутомеров, а в воде - некоторое преобладание формы 11А (54%) (Elguero, 1989, 1993). По данным'CP/MAS ЯМР "С и ион-циклотронного резонанса (Elguero, 1993), сходное соотношение (1 : 1) таутомеров 11А и 11Б сохраняется в твердом теле и в газовой фазе.

Следовательно, внешнее окружение (среда, агрегатное состояние) не оказывает влияния на положение таутомерного равновесия 3(5)-метилпиразола (4).

Величина барьера таутомерного процесса (4) в метаноле, определенная нами как по коалесценции сигналов углерода СНз-группы, так и углеродов С-3 и С-5, составляет 10 ккал/моль. Это на 4 ккал/моль меньше, чем в ГМФТА.

Атом углерода СНз С-3 и С-5

Т„°С -66 -52

Av, Гц 61.4 208.7

AG*, ккал/моль 9.9 10.1

Замена метильной группы в положении 3 пиразола на триметил-силильную (ТМС) оказывает драматическое воздействие на скорость протонного обмена 12 А = 12 Б (5). Понижение температуры раствора 3(5)-триметилсилилпиразола (ТМС-пиразол) (12) в СОзСЮ до -90 °С не приводит к динамической трансформации их спектров ЯМР 'Н и ПС. Аналогичная ситуация характерна и для других изученных нами 3(5)-Я-пиразолов Независимо от донорной (К = МезБО или акцепторной природы заместителя (Я = ЫОг) температурная эволюция их спектров ЯМР не происходит даже при охлаждении растворов до -100 °С. Это может свидетельствовать либо об очень низком барьере прототропного обмена, либо о значительном преобладании одной из форм.

Сравнение спектральных характеристик этих соединений и модельных, не способных к прототропии И-метилзамещенных, а также проведение квантово-химических расчетов позволили разрешить эту альтернативу.

В таблице 3 приведены некоторые физико-химические свойства 3(5)-нитропиразола (16) и его 1-метил-З-нитро- (17) и 1-метил-5-нитропиразола (18) Практическое совпадение величин химических сдвигов и констант ССВ в спектрах ЯМР 13С 1-метил-З-нитропиразола (17) и 3(5)-нитропиразола (16), значений их дипольных моментов и констант основности доказывает существование последнего в виде 3-нитротаутомера 16 А (см. уравнение 6). Ы02 N0,

N

Ч> N. N'

Н

(6)

N I

Н

16 А 16 Б

Таблица 3. Данные спектроскопии ЯМР, дипольные моменты (р) и значения основности (рКВн+) нитропиразолов (16,17 и 18)

5ПС (м.д.), ",/сн (Гц)а - Р,Дб рКвн+

С-3 С-4 С-5

156.6 101.7 133.1

16 \/=187.6 2J=8.5 l/=193.4 V=7.3 6 19 -4 66

153.4 г 99.6 r 130.4'

17 154.9 102.7 134.5 6 20 -4.64

'./=187.2 2J= 9.9 'j=195.0 2J=7.3

18 137.6 106.3 145.8 2.41 д -2.38

" В CDCli,6 в диоксане," в воде,г твердое тело (CP/MAS), д RHF 6-31 G*

Данные твердотельной спектроскопии ЯМР 1'С нитропиразола 16 указывают на его 3-таутомерную структуру и в твердом теле Таким образом.

10

вся совокупность данных свидетельствует о доминировании 3-нитроформы 16 А в растворах и в твердом теле.

Результаты неэмпирических (RHF 6-31 G*) расчетов полных энергий таутомеров А и Б ряда 3(5)-замещенных пиразола приведены в таблице 4.

Таблица 4. Результаты ab initio (RHF 6-31 G*)a расчетов 3(5)-замещенных пиразола (4, 9-16): разности полных энергий таутомеров {ДЕ = Е(5) - Е(3)}, их заселенности (%), константы таутомерного равновесия при 25 "С (Кт) и дипольные моменты (ц, Д)

ДЕ,

3-таутомер

5-таутомер

ккал/моль "Т % ц % д

(CH,),Si -1.39 10.63 8.6 2.30 91.4 2.8

СИ, -0.10 1 18 45.8 2.16 54 2 2.84

н 0 1 50 2.4 50 2.4

no2 0.85 0.24 80.8 6.90 19.2 2 41

cn 1.56 0.07 93.4 6.71 6.6 2.06

cf, 1.57 0.07 93.4 4.96 6.6 0.36

С1 1.64 0.06 94.1 4.16 5.9 0.83

СН,0 2.04 0.03 96.9 2.06 3.1 3.35

nh2 4.09 0.001 99.9 2.31 0.10 4.04

" Данные, полученные нами ранее полуэмпирическими методами (AMI, MNDO, РМЗ), в количественном отношении практически совпадают с

С ,r -AtTRT

результатами неэмпирических расчетов; Кт = е

С учетом слабого влияния внешнего окружения на положение таутомерного равновесия (3), предсказываемые этим расчетным методом относительные устойчивости 3-11- и 5-Я-таутомеров пиразолов 11 и 16 неплохо согласуются с экспериментально установленными. Это дает основание доверять результатам расчета остальных 3(5)-замещенных пиразола.

Для ТМС-производного 12 расчеты предсказывают абсолютное преобладание 5-ТМС-таутомера, для пиразола 4 и его метилзамещенного 11 - почти одинаковую заселенность обеих таутомерных форм, а для амино- (9), метокси- (10). хлор- (13), трифторметил- (14), циано- (15) и нигро- (16) замещенных - практически полное преимущество З-Я-тамомерных форм. Как правило, содержание последних в равновесной смеси возрастает по мере увеличения а-акцепторных свойств заместителя. Для нитропроизводного 16 эта тенденция несколько нарушается. Относительно высокая (19%) заселенность его 5-Я-таутомерв в газовой фазе обусловлена, вероятно, стабилизирующим воздействием внутримолекулярной Н-связи Ы-Н—О. Увеличение разности дипольных моментов для соединений с о-акцепторными заместителями указывает на стабилизацию З-Я-таутомера в полярных растворителях.

Таким образом, показано, что 3(5)-амино-, 3(5)-метокси-, 3(5)-хлор-, 3(5)-трифторметил, 3(5)-цианопиразол, 3(5)-нитропиразол существуют преимущественно в форме З-Я-таутомера, 3(5)-метилпиразол - в виде почти равнозаселенной смеси 3- и 5-таутомера, а 3(5)-триметилсилилпиразол - в 5-таутомерной форме. Смена агрегатного состояния соединения или среды практически не влияет на положение таутомерного равновесия пиразолов. Последнее свойственно и другим азолам. В частности, 3,5-дизамещенные 1,2,4-триазола и в растворе, и газовой фазе существуют исключительно в виде 1Я-таутомера. Аналогичная 1Я-структура в твердом теле доказана нами методом спектроскопии ядерного квадрупольного резонанса 35С1-для 3,5-дихлор-1,2,4-триазола. Вышесказанное объясняет близость предсказываемых современными неэмпирическими методами значений констант таутомерного равновесия в азолах с экспериментально измеренными.

Отметим, что ЯШ- 6-31 в* расчеты обнаруживают энергетическую предпочтительность (0.45 ккал/моль) 1-метил-З-ТМС-пиразола (19) по сравнению с 5-ТМС-изомером (20), а также существенно большую устойчивость (3.01 ккал/моль) 3-нитропроизводного 1-метилпиразола (17) по сравнению с родственным 5-нитропроизводным (18).

1.2 Аннулярная прототропия бензазолов 1.2.1 Бензимидазолы

Быстрые таутомерные превращения присущи и производным бензимидазола. Для оценки влияния заместителей на положение таутомерного равновесия (7) 2-замещенных 5(6)-нитробензимидазола (21-28) нами проведены неэмпирические расчеты (ЯНР 6-31 в*) полной энергии их 5-Я- и б-Я-таутомеров (табл. 5).

Расчеты предсказывают понижение константы (Кт) таутомерного равновесия 2-замещенных 5(6)-нитробензимидазола (21-28) и, следовательно, увеличение содержания 5-нитротаутомера (А) в газовой фазе с увеличением л-электроноакцепторных свойств заместителя.

02N

XXV

I

н

н /

N

R

(7)

21-28

R = NH2, ОСНЗ, СН3, Н, CF3, СС13, CN, N02

Для большинства изученных нами 5(6)-нитробензимидазолов (21-28) заселенность 5-нитротаутомеров выше заселенности 6-форм (табл. 5). Возрастание акцепторных свойств заместителя в положении 2 приводит к увеличению разности дипольных моментов таутомеров (Д|д) А и Б (табл. 5).

Это должно обеспечивать дополнительную стабилизацию более полярного 5-нитротаутомера в полярной среде.

Данные ЯКР 35С1 в согласии с квантово-химическими расчетами показали, что для 2-трихлорметил-5(6)-нитробензимидазола (26) доминирующим является 5-таутомер. Наличие в спектре ЯКР этого соединения только двух сигналов 35С1, принадлежащих трем атомам хлора, с соотношением интенсивности 1 : 2 (40.574 и 39.724 МГц) свидетельствует о существовании его в виде конформера, где два атома хлора располагаются над и под плоскостью бензимидазольного кольца, а третий атом хлора - в плоскости кольца.

Таблица 5. Разности полных энергий 5- и 6-нитротаутомеров (ДЕ)а (ЯНР 6-31 в*)6, их заселенности (%), константы таутомерного равновесия при 25 °С (Кт) и дипольные моменты (ц) 2-замещенных 5(6)-нитробензимидазола 21-28.

r ае, кт 5-таутомер 6-таутомер дм'. рк/

ккал/моль % м.д % д

21 nh2 -0.95 4.99 16.7 10.0 8.4 83.3 1 6 22.5

22 сн,0 -0.26 1.54 39.3 7.8 6.8 60.7 1 0 21.4

23 сн, 0.15 0.78 56.1 8.7 6.6 43.9 2.1 23.4

24 н 0.28 0.64 61.1 8.2 5.8 38.9 24 22.3

25 cf3 0.24 0.67 60.0 6.2 3.1 40.0 3.1 17.9

26 ссь 0.66 0.32 75.5 6.2 3.4 24.5 28

27 cn 0.65 0.33 75.0 5.7 1.4 25.0 3.3 16.6

28 n02 0.88 0.22 81.6 5.3 0.8 18.4 4.7

" АЕ = Е(6) - Е(5); 6 данные, полученные нами ранее полуэмпирическими методами расчетов (MINDO/3 и INDO) согласуются с результатами неэмпирических расчетов;" Дц = д(5) - д(6); r R = (CHj^N (29) 23.2, С2Н5О (30) 21.7, С1 (31) 18.4, СО2СН3 (32) 20.2, СОСН5(33) 20.8

В силу своей амфотерности бензимидазолы могут образовывать соли как с кислотами, так и с основаниями. Нами методом потенциометрического титрования изучены кислотные свойства (рКа) 2-замещенных 5(6)-нитробензимидазола (табл. 5) и показано, что с увеличением электроно-акцепторных свойств заместителей в положении 2, кислотные свойства бензимидазолов (21-33) усиливаются.

Анализ двухпараметровых корреляций значений pKd от констант заместителей (ст| ист«, <F и <¡t, и oR" ) свидетельствует, что влияние заместителей в положении 2 в 2-замещенных 5(6)-нитробензимидазола (2133) на величину рК.„ осуществляется, главным образом, по индукционному механизму (-80 %)

рК„ = (-9.95 ± 0.98)ст, + (-1.44 ± 0.48)oR + (0.60 ± 0.13) (8) г = 0.98, s = 0.48, n = 11

л-Электронная система беизимидазольного цикла (27) практически не участвует в передаче эффектов заместителей. Центр диссоциации (NH) находится на расстоянии двух валентных связей от реакционного центра (2-R), поэтому индукционный механизм влияния заместителей преобладает.

1.2.2. Бензимидазолоны

В принципе, бензимидазолоны могут существовать в оксо- и гидрокси-формах. Введение заместителя в фениленовый фрагмент бензимидазолона должно снимать вырождение двух гидрокси-таутомеров, а потому для нитробензимидазолонов возможны три таутомерные формы - А (оксо-), Б и В (гидрокси-формы) (9). Анализ спектров ЯМР 13С и N моно- и полинитропроизводных бензимидазолона (34-38) и их модельных соединений - 1,3-диметилбензимидазолонов (39-42) показал, что в действительности нитробензимидазолоны существуют исключительно в бензимидазолоновой форме А (табл. 6).

(N02)n V (N02)n V

tt^-íD^-íDO-

н н

Б A В

34-38, n=0-4

Этот вывод базируется на анализе диапазонов изменения химических сдвигов ЯМР 15N "пиррольного" и "пиридинового" атомов азота. Известно, что разница химических сдвигов ЯМР 15N "пиррольного" и "пиридинового" атомов азота в N-замещенных азолах составляет -100 м.д. Это важнейшее явление в спектроскопии ЯМР азота широко используется при отнесении сигналов и установлении структуры азольных систем, находящихся в таутомерном равновесии Резонансные сигналы азота-15 (N-1 и N-3) имидазольных систем, испытывающих быстрые таутомерные превращения, обнаруживаются в области -170 -г -185 м.д., а снятие "таутомерного эффекта" (например, алкилирование по атому азота) приводит к драматическому изменению атомов N-1 и N-3. Структуры Б и В бензимидазолонов содержат каждый из этих типов азота.

В случае быстрого протонного обмена между ними в их спектрах ЯМР 1:>N должен наблюдаться усредненный сигнал в области -185 м.д. Структура А содержит только "мочевинный" тип атома азота, химический сдвиг которого, как известно, лежит в области -240 -е- -290 м.д

Приведенные в таблице 6 значения химических сдвигов 1SN N-незамещенных производных 34-38 однозначно указывают на предпочтительность структур А Для нитробензимидазолонов 35 и 40 заметна небольшая неэквивалентность атомов азота (~4 м.д.), которая является характерной для несимметричных мочевин.

Таблица 6. Химические сдвиги ЯМР 13С и нитробензимидазолонов-2 (3438) и их 1,3-диметилпроизводных (39-42) в ДМС0-г4

N0: 5 13С, м.д. 5 N. м.д

С-2 С-4 С-5 С-6 С-7 N-1 N-3 Ы02

34" - 155.2 108.5 120.3 120.3 108.5 -259.9 -259.9

35 5" 155.6 103.7 141.3 117.7 108.8 -258.7 -254.5 -10 2

36 5,6 155.5 104.9 137.1 137.1 104.9 -253.4 -253.4 -14.3

37 4,5,6 155.3 118.8 . 135.6 136.8 110.1

38 4,5,6,7 155.2 122.1 133.3 133.3 122.1 -246.9 -246.9 -25.1 -25.4

39" - 154.0 107.6 120.9 120.9 107.6 -269.7 -269.7

40 5 г 154.1 103.1 141.5 117.7 107.1 -267.2 -263.0 -102

41 5,6 д 154.3 104.5 137.2 137.2 104.5 -261.4 -261.4 -14 0

42 4,5,6 е 154.3 125.3 134.5 134.8 106.2 -260.5 -257.8 -197

" Бензимидазолон;6 %-н (N-1 )=99.2 и './М-н (Ы-3)=99.9 Гц;" 1,3-диметилбенз-имидазолон. 513С (ЫСН3) 26.8;г § |3С (ЫСН3) 27.2, 27.3;д 6 ПС (N01,) 27.8; е§|3С (ЫСН-,) 28.4, 29.1

Введение СНггрупп в положении N-1 и N-3 модельных соединений 3942 вызывает высокопольный сдвиг (~8 м.д ) сигналов ЯМР относительно родственных Ы-незамещенных нитробензимидазолонов Дополнительное доказательство существования соединений 34-38 в бензимидазолоновой форме (А) - наблюдение прямой константы спин-спинового взаимодействия 'ЧМ-'Н в спектрах ЯМР ЬЫ 35 (V = 99.2 и 99.9 Гц для N-1 и N-3, соответственно).

Таким образом, изучение нитробензимидазолонов продемонстрировало эффективность использования спектроскопии ЯМР |5Ы для установления структуры азолов, находящихся в таутомерном равновесии. Нитробензимидазолоны существуют в бензимидазолоновой форме, причем количество нитрогрупп и их положение в цикле практически не влияет на положение таутомерного равновесия.

Высокая информативность метода ЯМР |31М продемонстрирована нами также при установлении строения продуктов алкилирования гидразонов гетероциклического и ароматического рядов (43-49).

Y=N Ме

Ме |Ы \®

х=сн

N - N =СН—< х)

Ме 1Ша1 \

Ы-Ы=СН

// \\ ЯНа!

м„- • \_/ ХУ=СН /

Ме Л 4-' Ме

43.44 К = СН,. Н0С(0)СН2СН2, На1 = С1, Вг. I

у* ' \ ©/

45.46

Ме

Н.1

э

У=СН Ме'

N-N=014—©N-R

47-49

Установлено, что 1,1-Диметилгидразоны 4-пиридин- и 3-пиридинальдегидов атакуются исключительно по пиридиновому атому азота Это отражается в "драматическом" изменении химического сдвига |5Ы атома азота пиридинового цикла (более 100 м.д.).

1.2.3. Бензотриазолы

Изучение нитробензотриазолов (51, 52), их 1-метил- (54-57) и 2-метилзамешенных (58, 59) методами Ш и 20 мультиядерной спектроскопии ЯМР 'Н, "С и N обнаружило, что нитробензотриазолы 51, 52 испытывают быстрые таутомерные переходы (10):

Н

А Б В

R = Н (50), 4(7)-N02 (51), 5(6)-N02 (52)

-32-г-42

5 15N

15jf-156

■52-j-óf' n4 -i02~kk>

Sn-ch-,

CH,

R = H (53), 4-NO2 (54), 5-N02 (55) R= H(58), 4-N02 (59), 5-N02(60) 6-N02(56), 7-NO; (57)

Результаты исследования бензотриазольной серии в очередной раз указывают на уникальность спектроскопии ЯМР "N в идентификации таутомерных форм. Структурные особенности бензоидного (53-57) и хиноидно-подобного строения 58-60 бензотриазолов объясняют резкое различие в экранировании их ядер азота-15 (~ 100 м.д.).

Значения химических сдвигов ЯМР 15N атомов азота бензотриазолов, находящихся в таутомерном равновесии (50-52), практически совпадают с таковыми для N-1-метилированных аналогов 54-57. Это дает основание считать, что нитробензотриазолы 51, 52 испытывают прототропный обмен I - -3, а не 1 =2.

2. Электронное строение азолов. Эффекты заместителей

Характеристики таутомерных процессов и химическое поведение азолов во многом определяются электронными эффектами заместителей. В этой связи нами получены уникальные сведения о механизме передачи этих эффектов не только в нейтральных молекулах азолов, но и в их заряженных

ионных формах. Последнее особенно важно, т.к. ионные частицы играют ключевую роль в реакционной способности и энергетике таутомерных процессов этих соединений.

2.1. Передача эффектов заместителей в бензимидазольных системах 2.1.1. 2-Замешенные бензимидазола

Нами изучено влияние электронной природы заместителя на химические сдвиги ЯМР 'Н и 13С 2-замещенных бензимидазола (61), находящихся в таутомерном равновесии (10), их катионов (62) и анионов (63) и установлена относительная роль индукционного и резонансного эффектов.

(11) Н н

+ 1Г - н'

62

Я = Ы(СН,К ин2, ОСН,, СН,, С2Н5, п-С,Н7, БСНч, С6Н5, Н, СН2ОН, С1,

соосн,, сосн,, ср,, ыо2

По данным ЯМР, увеличение тг-электроноакцепторных свойств заместителя вызывает дезэкранирование ядер водорода (Н-4,7 и 5,6) и углерода (С-4,7 и 5,6) фениленового фрагмента (табл. 7). Та же закономерность свойственна катионам и анионам бензимидазола.

Таблица 7. Химические сдвиги ЯМР 'Н и |3С 2-замещенных бензимидазола (61а-р) в СБ,СЮ (м.д.)

5 'Н 8 ВС

Н-4,7 Н-5,6 С-2 С-4,7 С-5,6 С-8,9

61а Ы(СН3)2 7.21 6.93 155.70 111.93 120.43 138.12

616 ЫН2, 7 17 6 92 155.76 111 93 120 48 138 10

61в ОСН, 7.31 7.06 159.65 113.29 121.45 136.79

61г СН, 7.44 7.13 151.93 114.22 122.08 138 73

61д С2Н5 7.47 7.14 156.98 114.36 122.13 138 63

61е л-С,Н7 7.47 7.14 155.76 114.38 122.08 138 58

61ж БСН, 7.43 7.13 152.37 114.36 122.27 140 18

61з с«н5 7.59 7 22 152.84 115.23 123.19 139 70

61 н 7.59 7.23 141.59 115.24 122.81 137.90

61к СН2ОН 7.52 7.18 155.33 114.85 122.52 138 44

61л С1 7.48 7.22 114.60 123.24 138.63

61м СОСН-, 7.68 7.33 148.43 116.93 125.04 138 49

61н С02СН, 7.69 7.35 149.67

61о СИ, 7.69 7.38 141 28 116.42 124.77 138 07

61р N0, 7.71 7.45 117.37 126.40 138 32

Протежирование бензимидазольного кольца приводит к дезэкранированию атомов Н-4,7 Н-5,6 и С-5,6 и дополнительному экранированию С-2, С-4,7 и С-8,9. Анионным формам бензимидазолов свойственна противоположная тенденция.

Результаты корреляций химических сдвигов 'Н и ,3С соединений серии 61 с электронными параметрами заместителей Свена и Лэптона (Т и \) показывают, что передача электронных влияний заместителей из положения 2 в положения 4,7 и 5,6 фениленового фрагмента бензимидазольного кольца осуществляется в большей степени по резонансному механизму. Вклад резонансной составляющей для положений 4,7 выше, чем для 5,6 (табл. 8). К такому же заключению приводит использование в аналогичных корреляциях констант 01, стк или а|,

Бензимидазолы являются амфотерными соединениями и способны образовывать соли с кислотами и основаниями. Соответствующие реакции протонирования и депротонирования обратимы, а степень ионизации оказывает на величину химического сдвига заметное влияние. В этой связи в рассмотрение были включены лишь те соединения, кислотно-основные свойства которых позволяют считать, что в условиях эксперимента заряженные формы существенно преобладают.

Таблица 8. Параметры корреляционного уравнения 5С(8Н) = а 7+ Ь (1 для 2-замещенных бензимидазола (61) их катионов (62) и анионов (63)

Ядро а Ь А г Б п

Н-4.7 0.07±0.04 0.57±0.04 7.54±0.50 0.966 0.04 16

61 Н-5,6 0.15±0.03 0.38±0.03 7.20±0.48 0.977 0.03 16

С-4,7 1.37±0.31 4.05±0.34 115.20±0.03 0.979 0.32 13

С-5,6 2.51 ±0.36 3.32±0.39 122.80±0.03 0.975 0.37 13

Н-4,7 -0.31 ±0.06 0.59±0.03 7.75±0.81 0.983 0.03 11

62 Н-5,6 -0.41 ±0.11 0.52±0.06 7.50±0.92 0.949 0.06 11

С-4,7 1.89±0.20 4.10±0.13 114.0±0.22 0.993 0.10 6

С-5,6 1.69±0.19 4.41 ±0.13 126.70±0.21 0.995 0.10 6

Н-4,7 -0.08±0.03 0.61 ±0.03 7.54±1.28 0.958 0 02 6

63 Н-5,6 -0.08±0.05 0.31±0.13 7.09±1.20 0.768 0 03 6

С-4,7 0.93±0.64 9.97±1.45 115.80±0.13 0.953 0.40 5

С-5,6 0.16±0.56 5.70±1.28 119.70±0.19 0.909 0 35 5

Приведенные в таблице 8 параметры корреляционных уравнений свидетельствуют, что соотношение индукционного и резонансного вкладов в экранирование ядер 'Н и 13С катионов 62 практически близко к свойственному нейтральным молекулам, а в экранировании анионов роль резонансного эффекта существенно выше индукционного.

2.1.2. 2-Замещенные 1,3-диметилбензимидазолий перхлораты

Для подтверждения сходства механизмов передачи эффектов заместителей в нейтральных молекулах бензимидазолов и их катионах нами

изучена серия четвертичных солей бензимидазолия (5) с таким же набором заместителя.

СН3

64

R = Ы(СНч),, NH:, СН3, С6Н5, Н, Cl, СОСН-,, CF3

В отличие от катионов 62 кватернизованные соли бензимидазолия (64) в растворах не могут превращаться в нейтральные молекулы.

Результаты корреляций 6|3С-5,6 (12) (и 8пС-4,7) 2-замещенных-1,3-диметилбензимидазолий перхлоратов (кат) с 8|3С-5,6 (и S1 'С-4,7) 2-замешенных бензимидазола (нейтр) (CD3OD) показывают, что электронные эффекты заместителей в нейтральных молекулах (61) и их катионах (64) передаются по единому механизму, причем интенсивность передачи эффектов заместителей в последних примерно на 10% ниже.

8пС-5,6кат = (0.92 ±0.10) 8пС-5,6 |1(.||тр + (13.87 ± 12.56) (12)

г = 0 959, s = 0.44, п = 8 R = N(CHj),, NH:, СН3, С6Н5, Н, С1, СОСН,, CF,

Об этом же свидетельствуют и результаты двухпараметровой корреляции б'Н и 8ПС (64) с величинами констант Ти (табл. 9).

Таблица 9. Параметры корреляционного уравнения Y = гТ+ d для 2-замешенных-1,3-диметилбензимидазолий перхлоратов (64) (CD;OD)*

У а b d г s %Ь

8Н-4.7 0.20±0.08 0.69=0.11 8.04±0.98 0.954 0.05 77±13

8Н-5,6 0.17±0.06 0.51=0.08 7.69±0.10 0.958 0.04 64±12

8С-4.7 0.29±0.79 4.72=0.96 113.90±0.37 0.963 0.52 91±12

5С-5,6 1.37±0.59 5.25=0.72 127.20±0.28 0.975 0 40 69±6

* п = 8 (R = N(CH3)3, NH2, СН3, С6Н5, Н, Cl, СОСН3, CF3)

Механизм передачи эффектов заместителей в катионах 64 остается неизменным и при смене растворителя. Однако интенсивность влияния заместителей несколько возрастает с увеличением полярности среды

На это указывает иллюстрируемое таблицей 10 возрастание значений коэффициента А в уравнении (13) при переходе от ацетонитрильного раствора (е = 37.3 ) к сульфолановому (е = 44.0) и диметилсульфоксидному (е = 48 9)

Таблица 10. Параметры корреляционного уравнения для 2-замещенных 1,3-диметилбензимидазолий перхлората (64)* 8 'Н (рАСтв) ~ А 8 Н(мЕТАНОЛ) + В (13)

5 Н (метанол) 8 'н (РАС, и ) А В г в

З'Н-5,6 ДМСО-с/6 З'Н-5,6 сульфолан СО,СЫ 1.27±0.1 1.14+0.1 0 96±0.0 -2.21+0.85 0.94±0.82 0 30+0 59 0.971 0.969 0.976 0.06 0.06 0.04

* п = 10 (Я = М(СНз)з, ЫН2, СН,, С2Н5, БСН,, С6Н5> Н, С1, СОСН,, СР,)

Таким образом, механизм передачи эффектов заместителей в катионах бензимидазолия (64) аналогичен свойственным бензимидазолам (61) и не зависит от растворителя.

2.1.3. 2-Замещенные 1-метил- и 5(6)-нитробензимидазолов

В 2-замещенных бензимидазолах (61) положения 4,7 и 5,6 попарно эквивалентны из-за быстрого обмена протона между атомами азота в процессе вырожденной аннулярной прототропии. Снятие вырождения таутомерного процесса может быть достигнуто введением заместителя в фениленовый фрагмент (21-28), а чтобы исключить прототропию необходимо ввести заместитель в положение 1 (65).

Результаты анализа зависимости химических сдвигов ядер 'Н и 13С соединений 65 и 21-28 от индукционных и резонансных консгант заместителей показывают, что эффекты заместителей передаются в положения 4.7 и 5,6 преимущественно по резонансному механизму, причем интенсивность передачи в положение 4,7 несколько выше, чем в 5,6 (табл. 11, 12).

Таблица 11. Параметры корреляционного уравнения 513С = а Т+ Ь 9{ + <3 для 2-замещенных-1-метилбензимидазола (65) (С0300)а

Атом а Ь А I Б %Ь

С-4 1.16±0.32 5.93±0.44 119.18±0.02 0.989 0.29 78±5

С-5 1.54±0.30 4.12±0.41 122.68±0.02 0.985 0.27 65±5

С-6 2.44±0.63 4.74±0.87 123.49±0.08 0.961 0.58 57±8

С-7 0.80±0.23 3.71 ±0.32 110.26±0.08 0.985 0.21 76±5

" п = 10 (И = №12, ОСН.,, СН,, Н, С1, СР3, С02СН3, СОСН,, СЫ, N0:)

Таким образом, основные закономерности передачи эффектов заместителей являются общими и для соединений, находящихся в таутомерном равновесии (61, 21-28), и для соединений, где таутомерия исключена (65), и для катионов бензимидазолия (64).

Таблица 12. Параметры корреляционного уравнения У = а Т+ Ь <Ц + (1 для 2-замещенных-5(6)-нитробензимидазола (21-28)

Y" а b d г s %Ь

8С-4 1.15±0.59 6.97±0.53 112.82±0.13 0.988 0.37 85*6

5С-5 0.94±0.43 3.22±0.39 144.51 ±0.09 0.974 0.31 77±8

SC-6 1.83±0.48 1.99±0.44 118.52±0.03 0.949 0.35 56±9

6С-7 0.9U0.46 4.12±0.42 115.69±0.08 0.980 0.34 81±8

5i5N -1.71 ±0.41 -1.64±0.37 -9.70±1.12 0.978 0.03 48±8

1 п = 10 (R = N(CH,)3, NH2, ОСНз, СН3, С2Н5, Н, С1, СОСН3, CF,, CN)

н

i

87%

rtv

68% 68%

СН3

87"/,

61

64

74%

63% 52%

V'

73%

N

СН3

N i

СН,

н

i

0¡V'......г\

65

21-28

ЫН2, ОСНз, СНз, Н, С1, СРз, СОСНз, СЫ, N02

Корреляции значений б ,5Ы (N02) в спектрах ЯМР нитропроизводных 21-28 с параметрами Т и заместителей Я обнаруживает примерно равное индукционное и резонансное влияние последнего на экранирование азота нитрогруппы (табл. 12)

Почти одинаковыми оказались и вклады индукционного и резонансного эффектов в изменение величин констант сверхтонкого взаимодействия азота (СТВ) нитрогруппы {а(Ж)2)} в ряду дианион-радикалов 2-замещенных нитробензимидазолов 66 (ЭПР данные').

а(И02) = (-1,13±0.27)т +(-1,36±0.25К + (-13.70±1 51) г = 0 975, б = 0.20, % Ь = 54±8

Благодаря этому обстоятельству величины a(N02) в дианион-радикалах (ДАР) 66 линейно коррелируют с величинами 8 |5Ы нейтральных молекул нитробензимидазола 21-28 (уравнение 14).

* Получены совместно с Т. И. Вакульской

21

а(Ш2) = (0.737 ± 0.037) 5 + 20.919 (14)

г = 0.987, б = 0.123, п= 10

02N

о2ы

21-28

n

02Ы

66

Таким образом, при переходе от нейтральных 2-замещенных нитробензимидазолов к их дианион-радикалам механизм передачи электронных эффектов заместителей через бензимидазольный остов практически не меняется.

Нами сопоставлены проводимости электронного влияния 2-заместителя в положении 5(6) 2-замещенных бензимидазола (61) с противоположной по направлению проводимостью (С-2->С-5) в 5(6)-замещенных бензимидазола (67). Из уравнения (15) следует, что эффекты заместителей из положения 2 в положение 5(6) и обратно передаются по единому механизму, однако интенсивность передачи в направлении 2—>5(6) на 20% слабее, чем в противоположном.

61 67

И. = Ш2, ОСНз, СН3, Н, С1, СОСНз, Ш2

5С-5(67) = (0.80 ± 0.06)6С-2(61 ) + 8.19 (15) г = 0.981, б = 0.37, п = 7

Анизотропный характер передачи эффектов заместителей в несимметрично-замещенных азолах до наших работ не был известен.

2.2. Эффекты заместителей в нитробензолах

Сравнение химических сдвигов ЯМР 15Ы нитрогруппы в мета- (68) и /«//«-нитробензолах (69) со свойственными 2-замещенным нитробензимида-золам показывает, что бензимидазольное кольцо (21-28) передает влияние заместителя менее эффективно, чем бензольное (табл. 13).

68 мета-, 69 пара- 21-28

Я = Ы(СН3)2, Ш2, ОСНз, СНз, Н, С1, СИ, Ш2

Таблица 13. Параметры корреляционного уравнения

8 N

(бензол)

= А 8 N.

(беюимид)

+ В (16)

Изомер

А

В

мета (68) пара (69)

2.47±0.20 1.78±0.15

-0.39±0.23 -0.64±0.18

0.984 0.981

0.54 0.43

В замещенных нитробензола эффекты заместителей на атом азота нитрогруппы передаются примерно с 25%-ным вкладом резонансной составляющей (во всех изученных растворителях), причем в мета-производных (68) интенсивнее, чем в пара-изомерах (69) (табл. 14).

Таблица 14. Параметры корреляционного уравнения

515Ы(6еШ01) = а(Р+Ь^+(1 (17)

Изомер Раст-ль

Ь

А

%Ь

68

69

СЭзСЮ СЭСЬ ЭМБО Сй06 СО,00 СОС1, ОМБО

с6о6

-7.65 =0.43 -8.85 ±0.48 -7.20 ¿0.62 -8.39 =0.31 -8.89±0.26 -6.37 =0.92 -5.20 =0.63 -5.73 =0.58

-3.05±0.28 -3.12±0.31 -2.79±0.40 -3.01±0.20 -3.71 ±0.39 -2.37±0.60 -0.56±0.41 -2.01±0.38

-0.13±0.19 -0.05±0.21 -0.10±0.20 0.01 ±0.13 -0.35±0.17 -0.73±0.41 -0.41±0.28 -0.51 ±0.26

0.997 0.997 0 992 0.998 0.995 0.979 0.976 0.989

0.27 0 30 0 38 0 19 0.24 0 57 0.39 0.36

28 26 28 26

25 27 10

26

г

5

Б

Таким образом, электронные влияния заместителей в 2-замещенных нитробензимидазолах передаются менее интенсивно, чем в нитробензолах, но с большей долей участия резонансного эффекта.

3. Кремнийорганические производные азолов

3.1. Спектроскопия ЯМР С- и 1Ч-триметилсилилазолов

Кремнийорганические производные занимают особое место в химии азолов В синтезе сложных функциональных гетероциклических систем их использование вместо Ы-незамещенных субстратов часто обеспечивает более гладкое протекание реакций и более легкое выделение продуктов. Несмотря

на широкое применение триметилсилилазолов в органическом синтезе, процессам силилотропии уделено мало внимания. К началу наших исследований об этом имелись лишь скудные сведения. В этой связи, одна из важных задач работы заключалась в изучении силилотропии N-триметилсилилированных азолов.

Нами методами мультиядерной спектроскопии ЯМР 'Н, ПС и 29Si впервые изучено электронное строение С- и N-триметилсилилпиразолов (7081) и силилотропные перегруппировки 4-замещенных N-TMC-пиразола (табл. 15, стр. 26).

R

R

О

N I

SiMe3

70-77

4s. N-S¡Me3 N'

(18)

R = СН30, СН3, Me3Si, Н, Cl, Br, I, N02 Резонансное положение сигналов ЯМР 29Si С- и N-триметилсилильных

групп существенно различается.

5 29S¡

-103 Me3Si

-101 -103 SiMe3 Me3Si

-9.3 SiMe3

CH,

3

N I

H 12

-9 3 -110 -8 2 SiMe3 Me3Si SiMe3

N I

13.9 SiMe3 80

» \

"N' I

13.6 SiMe, 81

Для первых величины 8295| имеют отрицательные значения (-8 -г -11 м д.), а для вторых - положительные в диапазоне 13 ч- 22 м.д. (табл. 15). Соединения 3 и 12 имеют практически одинаковые значения 82981, в то время как химический сдвиг 29Б1 Ме^ьС-групп в соответствующих Ы-ТМС-производных (72 и 80) отличается почти на 2 м.д. Резонансное положение сигналов протонов С-триметилсилильной группы изменяется в пределах 0.2 •т- 0.4 м.д., а протонов М-триметилсилильной группы - в пределах 0 40 -н 0.46 м.д. Химические сдвиги кольцевых протонов практически не изменяются при введении С^Ме-г группы и слабо зависят от ее местоположения в цикле.

Положение резонансного сигнала кремния-29 в Ы-триметилсилил-азолах определяется электронной природой С-4 заместителя, с увеличением электроноакцепторных свойств которого экранирование ядра кремния уменьшается (табл. 15).

Значения химических сдвигов 82951" 4-замещенных 1-триметилсилил-пиразола (70-77) и рК,, (кислотных свойств) 4-замещенных пиразола 1-8 (табл. I) связаны между собой (рис. 1) линейным соотношением (19).

з2^ (ы-тмс-пиразол) = (-1-77 ± 0.04) рКа (ЫН.,шра,ол) + (39.36 ± 0.59) (19) г = 0.999,5 = 0.18, п = 5

—1— ю

-1— 14

Рк„

Рис. 1 Взаимосвязь химических сдвигов 298|' 4-замещенных 1 -ТМС-пиразола (70-77) и значений рКа 4-замещенных пиразола (1-8)

■ n02

22

20-

18-

16-

■ р|1

Н

14-

■ снз

12

12

Корреляции химических сдвигов ^^ с константами заместителей 01, Стй и Т и (20) показывают, что эффекты заместителей из положения 4 пиразольного остова (70-77) передаются на атом кремния с примерно равными вкладами индукционной (полевой) и резонансной составляющих'

829Б1 = (5.94±0.18) Т +(7.31±0.81) ^ + (0.07±0.06) (20) г = 0.995, в = 0.25, п = 8

3.2. Силилотропные перегруппировки 4-замещенных N-TMC-пиpaзoлa

В обычных условиях обменные силилотропные перегруппировки Ы-^ триметилсилилпиразолов являются достаточно медленными во временной

шкале ЯМР, поэтому наблюдение динамических процессов миграции группы Ме^! возможно лишь при повышенной температуре. ** По данным динамической спектроскопии ЯМР 'Н, для большинства 4-

замещенных Ы-триметилсил ил пиразола (70-77) значения свободной энергии активации 1,2-миграции ТМС-группы (АО/) изменяются в пределах 22 ч- 25 ккал/моль и сложным образом зависят от природы заместителя (табл. 15)

Однако, для двух соединений (Я = Ме-^, N02) барьеры силилотропных превращений оказались слишком высокими для измерения методом ДЯМР при 90 МГц (табл. 15).

Таблица 15. Параметры спектров ЯМР 'Н, ,3С и 29Si 4-замещенных 1 -триметилсилилпиразола (70-77) (чистые жидкости)

№ R S'H, м.д. 513С, м.д. "Si, Av, tc, АСД ккал/ моль

Н-3, Н-5 С-3 С-4 С-5 м.д. Гц °С

70 ОСНз 7.39,7.53 144.82 116.86 132.86 13.1 12.5 160 22.8

71 СНз 7.39,7.53 144.82 116.86 132.86 13.1 12.5 160 22.8

72 SiMe3a 7.62, 7.60 148.01 115.04 139.04 13.4 2.0 >185 >24

73 Н 7.55,7.73 143.0 106.30 133.64 14.2 16.2 >185 23.1 6

74 С1 7.54, 7.59 141.77 110.88 131.69 17.1 4.1 165 24.0

75 Вг 7.56, 7.60 143.60 94.10 133.80 17.0 3.5 159 23.8

76 I 7.65, 7.68 147.36 57.68 137.86 17.2 2.7 -45в 12.2"

77 no2 8.15,8.41 138.78 137.61 133.96 22.1 23.4 >185 >24

" 529Si (C-Si) = -11.1 м.д.;6 Av = 2.2 Гц, ^ = 140 °С, резонансная частота ЯМР спектрометра 60 МГц (O'Brien, 1976);" каталитический процесс (см. ниже)

3.3. Катализ силилотропии в азолах 3.3.1. 4-Замещенные пиразола

Нам удалось открыть неожиданное ускорение силилотропных превращений N-TMC-азолов в присутствии галогенов или триметилгалогенсиланов.

Впервые катализ силилотропной перегруппировки ТМС-группы нами обнаружен на примере 4-замещенных N-TMC-пиразола (70-77). Наиболее i

удивительной оказалась температурная трансформация спектра ЯМР 'Н '

4-иод-1-триметилсилилпиразола (76). Первоначальное слияние его сигналов I

H-3 и H-5 происходит при температуре свыше 100°С (8'Н = 7 65 м.д.). Однако последующее охлаждение образца до комнатной температуры не приводит к ожидаемому разделению сигналов. Декоалесценция этих {

сигналов происходит лишь при понижении температуры до -45°С. Полное (

разделение сигналов зафиксировано при -7Он- -90°С (AG* = 12.2 ккал/моль, CD2CI2, табл. 15).

Таким образом, нагревание 4-иодпроизводного (76) приводит к непредсказуемому резкому понижению барьера 1,2-миграции Me-,Si-rpynm>i. ^

Детальное изучение причин столь необычного явления позволило прийти к следующему заключению.

Нагревание 4-иод-1-триметилсилилпиразола сопровождается его частичным разложением. Наиболее вероятный механизм распада сводится к термолизу связи C-I с элиминированием свободного иода. Взаимодействие последнего с молекулой 76 ведет к образованию Me3SiI. Триметилиодсилан, в свою очередь, действуя как катализатор, ускоряет процесс обмена триметилсилильной группы между атомами азота соединения 76.

N

И \ •N' I

SiMe3 I

+ Ь

76

И \ A.

SN' I

SiMe3 76

76 + Me3SiI .. vI-SiMe,

N

// v

*■ Ц

N'

N + Me3SiI

Me3SiI

(21)

Обнаруженное нами на примере 4-иод-Ы-ТМС-пиразола явление каталитического ускорения силилотропного превращения носит общий характер. Специальными опытами нами показано, что добавление небольших количеств иода практически сразу и без какого-либо нагревания приводит к слиянию сигналов Н-3 и Н-5 в спектрах ЯМР 'Н Ы-триметилсилилпиразола. Бром и хлор проявляют меньшую активность' для достижения аналогичного эффекта необходимо время или нагревание образца

Механизм каталитического влияния галогенов на миграцию триметил-силильной группы заключается в формировании триметилгалогенсиланов с последующим образованием и диссоциацией соответствующих 1,2-бис-ТМС-пиразолиевых солей.

К К

К \

N I

SiMej

// V + Me3SiHal N' I

SiMe,

Hal2

Ч V

4N' I

Hal

N

Me,SiHaI

N-SiMe,

N' I

SiMej

Hal"

R (22)

4. N-SiMe3 + Me^SiHal N'

R= H, Hal, Hal = CL Br, I

Добавление небольшого количества триметилгалогенсилана к ,N-триметилсилилпиразолу приводит к слиянию сигналов Н-3 и Н-5 в спектрах ЯМР. При смешивании эквимольных количеств 1-триметилсилилпиразола и Me-iSiBr нам удалось выделить и идентифицировать методом ЯМР бромид 1,2-бис(триметилсилил)пиразолия (82):

©

N SiMei

N—SiMe3

Br

82

5 Н: 7.84,6.48,0.59 5ПС: 136.76, 106.70,2.34 S29Si 24 3 м.д

Резонансные сигналы протонов гетерокольца и МечБьгруппы в 82 смешаются в слабое поле, что характерно для любых ониевых форм

Таким образом, силилотропные превращения 4-замещенных Ы-триметилсилилпиразола катализируются триметилгалогенсиланами за счет промежуточного образования Ы,Ы'-бис(триметилгалогенсилил)пиразолиевых солей Быстрый вырожденный обмен между исходным М-триметилсилил-пиразолом и образующимися солями резко понижает барьер силилотропного обмена' от 22-7-25 ккал/моль в отсутствие катализатора до 12 ккал/моль. При 4

взаимодействии эквимольных количеств Ы-ТМС-пиразолов с Ме381Вг равновесие, как и в случае Ы-ТМС производных имидазола (ВавэтсЫе, 1986), смещено в сторону образования соли.

Процесс силилотропии в азолах можно рассматривать как частный ^

случай реакции присоединения-отщепления

3.3.2 Тетраиетил-1,3-бис(Г-пиразолил)диснлоксаны

Каталитический процесс обмена наблюдается и для других кремнийорганических производных азолов. Ожидалось, что взаимодействие 1-ТМС-пиразола (73) и его 3-метилпроизводного (79) с (С1Ме231')20 может привести либо к соответствующим производным пентакоординированного атома кремния (В), либо к хлоридам бициклических кремнийорганических производных пиразолия (Г), либо продуктам бимолекулярной конденсации 83 (Л=Н), 84 (Я=СН3).

83,84 73,79 R = Н, СНз

Методом мультиядерного ЯМР установлено, что продуктом реакции является тетраметил-1,3-бис(Г-пиразолил)дисилоксан (83) или соответствующий метилированный аналог (84). При этом для соединения 83 в спектрах ЯМР 'Н и |3С (CDC13) наблюдается химическая эквивалентность сдвигов протонов и углеродов в положении 3 и 5 пиразольного кольца:

83 5'Н: 7.69 (Н-3,5), 6.32 (Н-4), 0.59; 529Si: -6.8 (м.д.)

84 б'Н: 7.47 (Н-5), 6.02 (Н-4), 0.39; S29Si: -5.5 (м д.)

Это объясняется быстрым силилотропным обменом (23) силоксанового фрагмента между атомами азота кольца, который катализируется следами Me3SiCl.

\ // \ //

Ме—Б!—Ме Ме и Ме

83

Ме-

Ме

Г % Г % \\ / \\ /

N-N N-14 (25>

I

Б!—Ме

"О

/ \

Ме

3.4. ¡Ч-Триметилсилил-1,2,3-триазолы

До наших работ Ы-ТМС-1,2,3-триазолу приписывали либо симметричную 2-ТМС-структуру, либо асимметричную с быстрой миграцией ТМС-группы от одного атома азота (N-1) к другому (N-2).

Нами методом ЯМР 'Н, |3С и доказано, что триметилсилили-рование 1,2,3-триазола (85) гексаметилдисилазаном приводит к образованию смеси 1- (86) и 2-триметилсилил-1,2,3-триазола (87) в соотношении 1 : 5 (табл. 16).

г

N \\ N

N

I

Н

85

Г*

Ч и-н ы'

(1

Ы'

н

/

N \

N

(Ме3Я>,МН --—>

-Ш,

(24)

С.

86

N \\ N

Ы'

I

Б ¡Мез

1

N \

V

87

Попытка перевести одну форму соединения в другую путем нагревания смеси до 200°С не привела к трансформации спектров. Следовательно, свободная энергия активации взаимных переходов 86 = 87 гораздо больше 25 ккал/моль, и эти молекулы следует отнести скорее не к таутомерам, а к изомерам Ы-ТМС-1,2,3-триазола. Природа растворителя не оказывает влияния на соотношение изомеров (86, 87) в смеси (табл 16).

В среде СЭСЬ протоны Н-4 и Н-5 1-ТМС-1,2,3-триазола 86 являются химически эквивалентными. Это указывает на высокую скорость обмена триметилсилильной группы между атомами N-1 и N-3 в этом растворителе уже при комнатной температуре (табл. 16).

Таблица 16. Химические сдвиги ЯМР 'Н, ПС и 1-триметилсилил- (86) и 2- триметилсилил-1,2,3-триазола (87) в СОСЬ и чистой жидкости (значения в скобках) (м д.)

№ 5 1Н 8 13С ■ 8 29Я|'

Н-4 Н-5 31Ме, С-4 С-5 51Ме,

86 87 7.92 (7.07) 7.82 (7.40) 7.92 (6.98) 7.82 (7.40) 0 58 0.58 132 70 135 62 126.59 135.62 -1 10 -1.32 20.2 22.0

Наиболее вероятной причиной ускорения силилотропного превращения 86 может служить каталитическое воздействие Me3SiCl, образующегося в результате взаимодействия 1-ТМС-1,2,3-триазола со следами HCl в хлороформе.

3.5 Установление строения продуктов триметилсилилирования производных 1,2,4-триазолона-5

1,2,4-Триазолоны являются высокоэнергетическими соединениями, и 3-нитро-1,2,4-триазолон-5, в частности, используется в качестве взрывчатого вещества

Изучение структурных особенностей 1,2,4-триазолонов осложняется их аннулярной и кето-енольной таутомерией.

1 к К * н р р

у=< И Цг

Анн н

Л = Н (88), N02 (89), С1 (90) (25)

Однако, как правило, таутомерное равновесие в 1,2,4-триазолонах смещено в сторону азолоновой формы.

Нами* методами ЯМР *Н, ЬС, ЬМ и 29Б1 изучены продукты реакции триметилсилилирования 1,2,4-триазолона-5 (88), его 3-нитро- (89) и 3-хлорпроизводного (90), и их Ы-метилированных аналогов 91-93

-.А.

Ме Ме Н

Я = Н (91), N02 (92) (26) 93 (27)

Полученные сведения использованы для оптимизации условий реакции.

Для облегчения идентификации продуктов триметилсилилирования 1,2,4-триазолонов-5, изучены продукты силилирования модельных соединений 91, 93. Взаимодействие 4-метил-1,2,4-триазолона-5 (93) с (Ме^^ИН приводит к единственному продукту триметилсилилирования -Ы-ТМС-произ&одному. Об образовании 4-метил-1-триметилсилил-1,2,4-триазолона-5 (94) свидетельствует наличие сигнала в спектрах ЯМР при 16.2 м.д. (N-51), а также присутствие в протонных спектрах сигналов при 7.54 (Н-3), 3.26 (СН3) и 0.45 (Ме^Ы) м.д. В спектрах

ЯМР ПС

имеется четыре

сигнала: 5 = 159.26 (С-5), 139 56 (С-3), 28.16 (СН3), -1.33 (^¡Ме,), а в спектрах ЯМР 15Ы - три: 5 -= -204.4, -111 3, -244.5 (N-1, N-2 и N-4, соответственно).

* Соместно с Б. А. Гостевским, М С Сорокиным и А.И. Албановым

30

Ме

О

N. Н 93

(Мез&ЬЫН -Ж, '

Ме

ТМ' I

51Меч 94

«

В то же время сапилирование 1-метил-1,2,4-триазолона-5 (91) приводит к смеси двух продуктов 95 и 96, причем по данным ЯМР 'Н последнего в полтора раза больше.

О

Н

-К

^Х 2

Ме 91

Ме381

(МезБ^ЫН

■ЫНз Ме3БЮ

П-

!\Г

Ме 95

о-О1

Ме 96

асн251Ме2а

- МезБ.С!

Ме-

Ме 3 39 м д -Ь!

24 9

С1

97

N—д Ме

В спектрах ЯМР 51 имеется два сигнала (29.0 и 14.1 м.д.), относящихся, соответственно, к 081- и ЫБигруппе соединений. Три пары сигналов ЯМР отнесены, соответственно, к атомам N-1, N-2 и N-4 минорного 95 (-216.6, -103.6 и -163.8 м.д.) и мажорного 96 (-230.0, -163.8 и -204.0 м.д.) изомера.

Реакция 94 с диметил(хлорметил)хлорсиланом приводит к ранее неизвестной бициклической соли (98) - хлориду 4,4-диметил-5Я-4-силаокса-золо[2,3-е]-4-метил-1,2,4-триазолия, а смесь 95 и 96 - также к новому изомерному продукту (97) - хлориду 5,5-триметил-3,4-дигидро-5-силаоксазоло[2,3-с!]-1-метил-1,2,4-триазолия.

Ме

О^ч N

асн251Ме2а

м" - МезБЮ I

5|Ме3 94

Ме

I

> еще \

Ме

Ме

Меч

О' N

Г а

Ме

Ме

а

3 67

N

О" ы'

и.'

Ме

51 112мд /ч-

Ме

98

Наиболее информативными в установлении бициклических структур являются сигналы ЯМР 'Н метипеновых протонов и сигналы ЯМР 298й Протонные сигналы фуппы СН2 соединения 98 смещены в слабое поле примерно на 0.4 м.д. (из-за соседства с атомом кислорода) по сравнению с характерными для 97, а резонансные сигналы 2981 фрагмента Ме^Ы (98) находятся в более сильном поле, чем Ме28Ю (97) (~ 14 м.д.).

Предполагаемый механизм реакции ТМС-производных 94, 95 и 96 с СМегБЮНгО включает стадию пересилилирования с отщеплением Ме38Ю1, внутримолекулярного Ы- или О-силилметилирования с промежуточным

образованием соединения пентакоординированного кремния и

гетероциклизации в бициклические ионные продукы.

Триметилсилилирование 1-метил-3-нитро-1,2,4-триазолона-5 92 идет

исключительно по атому кислорода с образованием 99, на что указывает

величина 8 29Б4 = 33.9 м.д., принадлежащего ОБМез-группе.

-23 2чд

Н N0, "167 6 Ы02

N-7 I »

СН3

(McjSibNH

N—( МезБЮ-^Ч Nj

CICHjSiMe^CI "^/^N

-214.6 NO2

I

СН3

33.9

v,- -94 9 -Me,SiCI Y -194 7

Me'

\\

СГ

92

99

t^® N-197 6 ^-247 9 CH3 100

З-Нитропроизводное 1,2,4-триазолона (90) при взаимодействии с гексаметилдисилазаном превращается в продукт биссилилирования - 1-три.метилсилил-3-нитро-5-триметилсилокси-1,2,4-триазол (101). Из двух возможных структур 101 и 102 предпочтение отдано первой, поскольку положение сигналов в спектре ЯМР 102 совпадает с известным для модельного соединения 99. В спектрах ЯМР сигналы при 32.2 и 22.2 м.д., относятся к группировкам 051Ме1 и Ы51Ме3, соответственно.

-23 2«

Н N02 -167.4/М°2

(М^КН 322 У У*«

^ N -► Мез5Ю^-»т'

' N 1-194 8

22 2 Б ¡Ме3

о1

Me3Si

NO2

Me3SiO

n

Á

\\

^ N N'

acH;SiMe2g^ -MesSiCl

Н 90

Me

101

СН2С!

/

no2

Si N—/

w / 4 // V Me O—к. N

I

SiMe3

Cl MeMe

s, n-/

U

W

N

N' I

SiMei

102

Me

Me-Si^N—/

► 24 ГЛ / W

0—4. N

v-247 9

no2

N -2473

103

-1990

Экранирование магнитно-активных ядер соединений 99 и 101 достаточно близко, что свидетельствует о сходных электронных эффектах N-заместителей СНз и Me3Si.

Реакция пересилилирования последних приводит по данным ЯМР к новым бицикличесим соединениям - хлориду 5,5-диметил-3,4-дигидро-5-силаоксазоло[2,3-(1]-1-метил-3-нитро-1,2,4-триазолия (100) и 5,5-диметил-3,4-дигидро-5-силаоксазоло[2,3-с1]-3-нитро-1,2,4-триазолу (103), соответственно.

3-Хлор-1,2,4-триазолон-5 (89) в аналогичных условиях силилируется с образованием двух изомеров (104, 105). Спектр ЯМР 13С продуктов триметилсилилирования 3-хлорпроизводного 1,2,4-триазолона-5 гексаметилдисилазаном содержат два набора слабопольных резонансных сигналов

кольцевых углеродов различной интенсивности (162.47 и 150.77 5 -мажорные; 163.71 и 160.61 8 - минорные).

Н с| CI

I

н

89

(Me,Si>2NH -NH,

Me3SiO^N-V ÍiMe3

МезБ!,

Me3SiO'

C1

4

Vs.

104

N"

105

В спектре ЯМР Si обнаружено четыре сигнала ТМС-групп: 29.6. 27.4 м.д. (OSiMej) и 23.8, 14.3 (NSiMe^). В спектре ЯМР 15N зафиксировано шесть азотных сигналов, а в спектре ЯМР 'н две пары сигналов (OSiMe, и NSiMe3) с соотношением интегральной интенсивности 1 : 2. Эти данные доказывают структуру обоих биссилилированных изомеров 104 и 105 (1 : 2).

Силилировани( 1,2,4-триазолона-5 (88) избытком гексаметилди-силазана приводит к образованию смеси 1 : 1.5 : 2 трех продуктов (106-108) из четырех возможных (106-109). Нам удалось идентифицировать эти продукты методом ЯМР.

Наличие в протонном спектре трех сигналов в слабом поле (7 85, 7 28 и 7.51 5 - в порядке возрастания интенсивностей) и шести сигналов протонов Me^Si-rpynnbi (0.34, 0.39, 0.43, 0.45, 0.46, 0.47 8) в сильном поле позволяет предположить существование трех изомеров, каждый из которых содержит, по крайней мере, две ТМС-группы (106-109). При этом два первых сигнала в этой области относятся к группе OSiMe3 (0.34 5- слабоинтенсивный, 0.39 5-более интенсивный), а четыре сигнала соответственно к группе NSiMe? (0.43, 0.45, 0.46 и 0.47 8). В спектре ЯМР 29Si обнаружено две группы сигналов, относящиеся к фрагментам OSiMe, (27.3 и 23.9 8) и NSiMe? (15.8, 15.6, 14.9, 12 5 8).

Me3Si

Н I

I

н 88

(MejSibNH

MeiSi

\

N—^ I

Si Мез

N

- Л

Me3SiO

N

N' I

SiMe3

Me3SiO

Л

или

108

/

106

107

/N=\ ^-чч N Me1SiO ^N-

Me

Me

( J ^

Л

i i

"Л Меч XV

SiMej

106a

N

(

SuMe Mc 1066

U'

/

Mc'

Me-

i

▼ N

A

XJ i

Me

109

N

107a| РОС. НАЦИОМ^ЬНАЯ ¡ БИБЛИОТЕКА { СПмрЩп * О» М ит I

+

+

Спектр ЯМР 13С в области сильного поля содержит 5 сигналов (из-за совпадения двух сигналов из шести ожидаемых), относящиеся к углеродам тримегилсилильных групп. Сигналы при -0.73 и -0.93 5 относятся к атомам углерода OSiMe-ггрупп, а при -1.58, -1.91 и -2.17 5 - NSiMe^-групп. В слабопольной области спектра ПС 6 сигналов принадлежат атомам С-5 (169.85, 164.52 и 164.3 5) и атомам С-3 (153.01, 149.56 и 141.43 8) трех изомеров. На основании спектров ЯМР 13С с развязкой от протонов, но без эффекта Оверхаузера ("gate-decoupling") удалось оценить соотношение изомеров (~ 1 : 1.5 : 2 - N,0- N.N- и N.O-изомеры, соответственно).

Смесь изомеров 106-108 при обработке ■ ClCH2SiMe2Cl трансформируется, соответственно, в бициклические продукты: 4,4-диметил-5#-4-силаоксазоло[2,Зч1]-1,2,4-триазол (106а), 4,4-диметил-5Я-4-силаоксазо-ло[2,3-е]-1,2,4-триазол (1066), 5,5-диметил-3,4-дигидро-5-силаоксазоло[2,3-с]-1,2,4-триазол (107а) и 5,5-диметил-3,4-дигидро-5-силаоксазоло[2,3-Ь]-1,2.4-триазол (108а). Последние идентифицированы на основании анализа данных ЯМР модельных метилированных изомеров и 3-замещенных аналогов, представленных выше

Таким образом, результаты исследований продуктов триметилсилилирования азолов свидетельствуют о существенном влиянии заместителя на процесс силилирования. 1,2,4-триазолон при взаимодействии с гексаметилдисилазаном образует три продукта ТМС-силилирования, 3-хлорпроизводное - 2 продукта, а 3-нитро-изомер - только один.

4. Строение азолов, не способных к таутомерии

4.1. Продукты викариозного нуклеофильного замещения водорода (ВНЗ) в N-органилзамещенных нитроазолах

Некоторые химические реакции могут проходить исключительно с N-замещенными азолами. Например, реакции викариозного нуклеофильного замещения водорода характерны для N-замещенных нитроазолов, в которых исключены как прототропные перегруппировки, так и образование азолильных катионов.

Нами методом мультиядерного ЯМР установлено строение продуктов викариозного С-аминирования 1-органилзамещенных нитроазолов и их модельных соединений (нитробензолы). Показано, что аминирование 4-нитропроизводных 1-метилпиразола (110), 1-метилимидазола. (111) и 2-фенил-1,2,3-триазола (112) галогенидами 1,1,1-триметилгидразиний в суперосновной среде идет в положение 5, а аминирование 1-метил-5-нитробензимидазола (113) - в положение 4.

В результате реакции образуются 1-метил-5-амино-4-нитропиразол (114), 1-метил-5-амино-4-нитроимидазол (115), 2-фенил-4-нитро-5-амино-1,2,3-триазол (116) и 1-метил-4-амино-5-нитробензимидазол (117), соответственно

o2n

o2n

n 1 "

CH3 110

I

СН3 111

no2

гт

,n n,

Y,

Ph 112

© © Me,N-NH2 X

А1КОМ/ДМСО

o2n

\

h2n

s,

n'

I

CH3 114

h2n

o2n

I

CH3 115

h2n s,

I

N.

n:

I' Ph

116

n02 \(4

o2n

nh2

n >

n

I

СНз

117

При взаимодействии 1-метил-4-нитропиразола (110) с 4-амино-1,2,4-триазолом (118) (в качестве аминирующего агента) наряду с продуктом аминирования 114 образуется неизвестный ранее (1-метил-4-нитропиразол-5-ил)( 1,2,4-триазол-4-ил)амин (119).

02Ы

Y

сн3

2 +

110

n-n

V 1

NH2 118

o2N

o2n

/-ВиОК,ДМСО

h2n

Л \

I

ch3 114

i n-n"

NW I

119

// W 4 n N' I

ch3

Взаимодействие 4-амино-1,2,4-триазола (118) с нитробензолом в тех же условиях приводит к образованию продукта аминирования 120 и продуктов конденсации - бис(я<зра-нитрофенил)амина (121), пара-нитрофенил-( 1,2,4-триазол-4-ил)амина (122) и бис(«ара-нитрофенил)(1,2,4-триазол-4-ил)амина (123). Два последних соединения ранее не были известны.

118

N—N

о N ->■

NH;

/-ВиОК,ДМСО

02n

02n

o2n

o2n

О

nh,

О

/^N n-n i I VsiN H W

n

I

n

i >

n-n

120

no2 121 122

no2

4.2. Новые производные 1-метилпиразола

Установлено строение 3-замещенных 1-метил-5-хлорпиразола, полученных гетероциклизацией при взаимодействии 2,2-дихлорвинил-кетоновс 1,1-Диметилгидразином.

Обнаружено влияние заместителей в положении 3 пиразолов 124-136 на константу экранирования ядра 1SN атомов N-1 (-178 -s- -188 м.д.) и N-2 (-74 -г -82 м.д.).

С1гС=СН-С-Я + H2N-NMe2 II О

HiN-NMe,

CU CV

;c=ch-c-r и

N -I

NMe,

r

Cl

! w U к

Nv

Me Me _

©

H2N-NMe3

C?

Я = А1к, Агу1, СРз, СН2С1 124-136

Электроноакцепторные заместители смещают положение резонансного сигнала атома азота-15 N-1 пиразолов 124-136 в слабое поле.

4.3. Функционально замещенные тиазолы

Нами впервые методами ЯМР 'Н, 13С и и квантовой химии изучены продукты реакции органилтиохлорацетиленов с диалкилзамещенными тиосемикарбазонами и доказано строение образующихся 2-алканон-/*/-[4-(органилтио)-1,3-тиазол-2-ил]гидразонов с потенциальными фотохромными свойствами.

r's-c=c-ci

h2n

N=C"

/

-r2 0=<d, R'S

R

R3 -"

137-139

R'.R2, R3 = Alk

H d3

Анализ экспериментальных данных Ю и 20 спектроскопии ЯМР и рассчитанных (ВЗЬУР/6-311++01А0) спектров ЯМР ПС и N доказывает локализацию избыточного протона на иминном атоме азота.

4.4. Гетерил(арил)замещенные 1,3,4-тиадиазолина и 1,3,4-тиадиазола

Реакции ацетилирования тиосемикарбазонов 4-метоксибензапьдегида, 4-пиридинальдегида, 2-тиофенальдегида, 2-фуранальдегида, 3-индол-апьдегида и изатина уксусным ангидридом сопровождаются замыканием цикла с одновременным ацетилированием по группам NH кольца и группам NHi открытой цепи с образованием соответствующих 2-ацетиламино-1,3,4-тиадиазолов (140-142) и 2-ацетиламино-4-ацетил-5-гетерил-1,3,4-тиадиазо-линов (143-148).

Методами 1D и 2D спектроскопии ЯМР доказано строение этих соединений.

R-CH=N-NH-C-NH2 , R-CH=N-N=C-NH2

II I

S SH

H3COC

"N-N3 N-N

(CH,C0)20

R^tC ^-NHCOCH3 + R—(l NHCOCH,

н 143-148 140-142

К-н~-00 0-.0-,

Обнаружено влияние природы гетероарильного кольца на параметры спектров ЯМР тиадиазолов и показано, что в ароматических тиадиазолах химические сдвиги магнитно-активных ядер гетерокольца более чувствительны к влиянию заместителей, чем в тиадиазолинах.

4.5.1Ч-(триметоксисилилметил)- и 1У-(силатранилметил)азолы

Методом мультиядерной спектроскопии

ЯМР 'Н, |3С, |5Ы и нами изучено строение (Ы-гетерилметил)силатранов (149-158) - продуктов реакции переэтерификации Ы-триметоксисилилметильных производных гетероциклического ряда (пиррол, индол, 2-метилиндол, карбазол, имидазол, 3,5-диметилпиразол, бензимидазол, 1,2,4-триазол и \Н- и 2Я-бензотриазол) триэтаноламином По данным ЯМР реакция натриевого производного бензотриазола с хлорметилтриметоксисиланом приводит к смеси N-1- (157а) и Ы-2-(триметоксисилилметил)бензотриазола (158а). Последние при взаимодействии с триэтаноламином образуют соответствующие 1- (157) и 2-(силатранилметил)бензотриазолы (158).

В этих соединениях миграция триметоксисилилметильной и силатранилметильной групп, естественно, невозможна. Резонансный сигнал "ч5|" в спектрах производных силатрана 149-158 (-76 ч- -81 мд) смещен в сильное поле относительно свойственного родственному триметоксисилильному производному примерно на 25 м д.

* Совместно с О М. Трофимовой

HetCH2Si(OMe)3 + (HOCHjCH^N

f |

-HetCH2Si(OCH2CH2)3N + ЗМеОН

"«•• QO^O?- Gp-

а>'а>-

i i il i

149-158

Это вызвано тем, что в силатранах атом кремния пентакоординирован, а в триметоксисилильных аналогах - тетракоординирован. Сигналы атомов азота-15 бензотриазольного цикла наиболее чувствительны к переходу от одной структуры к другой. Так, экранирование ядра l5N 1- и 2-(триметоксисилилметил)- (157а, 158а) и 1-й 2-(силатранилметил)бензо-триазолов (157, 158) сильно зависит от положения заместителя в бензотриазольном цикле, при этом различия химических сдвигов 1- и 2-изомеров составляют более 100 м.д.

Химические сдвиги ЯМР 'Н, |3С и bN ядер гетерокольца N-(силатранилметил)гетерилов и N-метилгетерилов мало отличаются.

В ряду изученных соединений химические сдвиги ядер кремния и азота силатранильного фрагмента изменяются взаимосвязанно: повышение экранирования ядер кремния (-77.3 -г -81.3 м.д) в указанной на схеме последовательности варьирования гетерилметильного заместителя сопровождается пропорциональным уменьшением экранирования ядер азота (-351.9 * -350.3 м.д.). Последнее, согласно ранее разработанной в ИрИХ СО РАН концепции, отражает последовательное усиление трансаннулярного связывания азот-кремний в силатрановом остове этих соединений и, следовательно, увеличение значений индукционных констант гетероциклического заместителя

ВЫВОДЫ

1. Методами мультиядерной и динамической спектроскопии ЯМР ('Н, ПС, bN, 29Si), ЭПР и квантовой химии систематически изучены основные особенности строения и таутомерных превращений широкого круга азолов (пиразолы, имидазолы, 1,2,3-триазолы, 1,2,4-триазолоны и их бензаннелированные аналоги), их N- и О-триметилсилилированных производных, а также структура перспективных для практического использования продуктов прежде неизвестных реакций некоторых из них с рядом органических и кремнийорганических соединений.

2. Продемонстрирована существенная зависимость скорости прототропного обмена в молекулах азолов от характера среды, концентрации субстрата и природы С-заместителей. Установлено возрастание значений

свободной энергии активации 1,2-прототропных превращений 4-замещенных пиразола (10 -г 15 ккал/моль в СБ3СЮ) с увеличением электроноакцепторных свойств заместителя. Обнаружена практическая независимость констант таутомерного равновесия 3(5)-замещенных пиразола от внешнего окружения (среда, агрегатное состояние) и повышение равновесного содержания 3-11-таутомера с увеличением а-акцепторных свойств заместителя.

Неэмпирическим расчетным методом ЯШ7 6-31 в* предсказано • смещение таутомерного равновесия 2-замешенных 5(6)-нитробензимидазола

в сторону 5-Ы02-таутомера при возрастании я-акцепторной способности заместителя. Доказано отсутствие 1-гидроксиформы и независимость значений констант таутомерного равновесия (поли)нитробензимидазолонов от положения и числа нитрогрупп. Показано, что нитробензотриазолы испытывают 1 3, а не 1 === 2 прототропный обмен.

3. Методами ЯМР 'Н, |3С и |5Ы и корреляционного анализа обнаружено, что электронные эффекты заместителей в бензимидазольных системах из положения 2 в положение 5(6) и обратно передаются по единому механизму, причем эффективность передачи в обратном направлении примерно на 20% выше. В 2-замещенных бензимидазола, их 5(6)-нитро- и 1 -метилпроизводных вклад резонансной составляющей в передачу эффектов заместителей из положения 2 в положения 4,7 гораздо больше (60-70%), чем в положения 5,6. Механизм проводимости эффектов заместителей при переходе от нейтральных молекул бензимидазолов к их катионам (четвертичным солям) практически не меняется.

4. Методом динамического ЯМР, показано, что значения свободной энергии активации силилотропного обмена в 4-замещенных Ы-триметилсилилпиразола изменяются в зависимости от природы заместителя в пределах 22 -г 25 ккал/моль. Впервые обнаружено и детально исследовано каталитическое воздействие галогенов (12, Вг2, С12) и триметилгалогенсиланов (На1 = I, Вг, С1) на силилотропные превращения этих соединений. Доказана ключевая роль формирования и распада соответствующих 1,2-бис-ТМС-пиразолиевых солей в инициируемом такими катализаторами ускорении силилотропных перегруппировок. Это явление носит, вероятно, общий характер для Ы-силилированных азолов и, в частности, объясняет быстрые в шкале ЯМР 1,2-силилотропные превращения молекул тетраметил-1,3-бис-(Г-

* пиразолил)дисилоксана и 1,3-перегруппировку 1-ТМС-1,2,3-триазола

Вопреки сложившимся представлениям обнаружено, что барьеры взаимных переходов 1-ТМС-1,2,3-триазола и его 2-ТМС-аналога существенно «> превышают 25 ккал/моль Впервые показано, что триметилсилилирование

1,2,3-триазола приводит к образованию изомерной смеси 1- и 2-триметилсилил-1,2,3-триазола в соотношении 1 : 5 (ДОс* » 25 ккал/моль).

5. Установлено строение продуктов триметилсилилирования 3-замещенных 1,2,4-триазолона-5 и их 1- и 4-метилпроизводных Доказано, что взаимодействие гексаметилдисилазана с 1-метил-1,2,4-триазолоном-5 приводит к образованию смеси (3 : 2) продуктов Ы- и О-силилирования, а с 4-метилзамещенным и 1-метил-4-нитропроизводным лишь к родственным Ы-

ТМС- и О-ТМС-продуктам, соответственно. Последующая реакция продуктов N-триметилсилилирования с диметил(хлорметил)хлорсиланом приводит к ранее к неизвестным бициклическим солям - хлоридам соответствующих производных 3,4-дигидро-5-силаоксазоло [2,3-d]-1,2,4-триазолия, а аналогичные реакции О-триметилсилилированных продуктов - к хлоридам 5Я-4-силаоксазоло[2,3-е]-1,2,4-триазолия. Взаимодействие 1,2,4-триазолона-5 с избытком гексаметилдисилазана заканчивается образованием смеси трех биссилилированных продуктов: 1,4-, 1,5 и 4,5- (или 2,5-). Их ,

обработка диметил(хлорметил)хлорсиланом дает неизвестные ранее бициклы: 4,4-диметил-5Я-4-силаоксазоло[2,3-с1]-, 4,4-диметил-5#-4: силаоксазоло[2,3-е]-, 5,5-диметил-3,4-дигидро-5-силаоксазоло[2,3-с]- и 5,5-диметил-3,4-дигидро-5-силаоксазоло[2,3-Ь]-1,2,4-триазолы. Раскрыты »

схемы таких превращений.

6. Изучено строение N-триметоксисилилметилазолов и продуктов их переэтерификации триэтаноламином - N-силатранилметилазолов. Обнаружено влияние природы азольного кольца на химические сдвиги сигналов ядер атранового фрагмента: последовательный переход от пиррольного производного к производным индола, карбазола, пиразола, имидазола, бензимидазола, 1,2,3-бензотриазола, 1,2,4-триазола и 2/У-бензотриазола сопровождается увеличением экранирования ядра кремния и дезэкранированием ядра азота-15 атранового остова. Это свидетельствует об усилении трансаннулярного связывания азот-кремний в силатрановом остове этих соединений в порядке перечисления и, следовательно, увеличении значений индукционных констант их гетероциклического заместителя. Миграция триметоксисилилметильной и силатранилметильной группы в этих азолах отсутствует.

7. Установлено строение продуктов викариозного нуклеофильного замещения водорода в нитроазолах и нитробензолах галогенидами 1,1,1- триметилгидразиния или 4-амино-1,2,4-триазолом в суперосновной среде (ЯОМ/ДМСО, R= i-Bu, Me; М=К, Na и КОН/ДМСО). Показано, что С-аминирование 1 -метил-4-нитропиразола, 1-метил-4-нитро-имидазола и

2-фенил-4-нитро-1,2,3-триазола с использованием 1,1,1-триметилгидразиний галогенидов осуществляется по атому С-5, а аминирование 1-метил-5-нитробензимидазола по атому С-4. Взаимодействие 4-амино-1,2,4-триазола с 1-метил-4-нитропиразолом ведет к образованию 5-амино-1-метил-4-нитропиразола и ранее неизвестного 1-метил-4-нитропиразол-5-ил(1,2,4-триазол-4-ил)амина,

8. С использованием методов 1D и 2D спектроскопии (СН CORR,

HSQC, НМВС, COSY, NOESY, INADEQUATE) и квантовой химии >

исследованы способы формирования новых полифункциональных производных азолов. Доказано образование 2-ацетиламино-5-гетерил(арил)-1,3,4-тиадиазола и 2-ацетиламино-4-ацетил-5-гетерил-1,3,4-тиадиазолина в реакции ацетилирова-ния тиосемикарбазонов 4-метоксибензальдегида, 4-пиридинальдегида, 2-тиофенальдегида, 2-фуранальдегида,

3-индолальдегида и изатина уксусным ангидридом. Установлено строение 3-замещенных 1-метил-5-хлорпиразола, полученных взаимодействием

2.2-дихлорвинилкетонов с 1,1-диметилгидразином. Методами ЯМР Н, С,

i5N и квантовой химии доказано строение солей 2-алканон-М-[4-органилтио-

1.3-тиазол-2-ил]гидразонов, образующихся при взаимодействии

(алкилтио)хлорацетиленов с тиосемикарбазонами.

Публикации, содержащие основной материал диссертации

Обзоры

1. Larina L. I., Lopyrev V. A. Nuclear Magnetic Resonance of Nitroazoles // In: Topics m Heterocyclic Systems - Synthesis, Reactions and Properties. Eds. 0. Attanasi, D. Spinelli. Reseach Signpost: Trivandrum 1996. Vol. 1. P. 187-237.

2. Ларина Jl. И., Лопырев В. А., Воронков М. Г. Методы синтеза нитроазолов // ЖОрХ. 1994. Т. 30, вып. 7. С. 1081-1118.

3. Lopyrev V. A., Larina L. I., Voronkov М. G. Nitration of Azoles. // Reviews on Heteroatom Chemistry. 1994. Vol. 11. P. 27-64.

4. Лопырев В. А, Ларина Л. И., Вакульская Т. И. Количественная оценка электронных эффектов заместителей в пятичленных ароматических азотсодержащих гетероциклах // Успехи химии. 1986. Т. 55, № 5. С. 769-793.

5. Larina L. I., Lopyrev V. A., Klyba L. V., Bochkarev V. N. Mass Spectrometry of Nitroazoles // Targets in Heterocyclic Systems. Chemistry and Properties. Eds. O. A. Attanasi, D. Spinelli. Italian Soc. Chem. 1998. Vol. 2. P. 443-470.

6. Лопырев В. А., Ларина Л. И., Воронков М. Г. Химия триметилсилил-азолов //ЖОрХ. 2001. Т. 37, вып. 2. С. 165-206.

Статьи

7. Ларина Л. И., Вакульская Т. И., Нефедова О. Б., Шибанова Е. Ф., Лопырев В. А., Воронков М. Г. Исследование электронных эффектов заместителей в 2-замещенных бензимидазола методом ЯМР // Докл. АН СССР. Сер. хим. 1979. Т. 249, № 4. С. 903-907.

8. Lopyrev V. A., Larina L. I., Vakul'skaya Т. I., Larin М. F., Nefedova О. В., Sliibanova Е. F., Voronkov М. G. Transmission of the substituent effects in 2-substituted benzimidazoles studied by 'H and l3C NMR // Org. Magn. Reson. 1981. Vol. 15, N3. P. 219-224.

9 Larina L. I., Vakul'skaya Т. I., Filatov A. V., Istomin В. I., Shibanova E. F., Lopyrev V. A., Voronkov M. G. Investigation of benzimidazoles. 2. The influence of substituents and solvents on the 'H and l3C NMR chemical shifts of 2-substituted 1,3-dimethylbenzimidazolium perchlorates // Org Magn. Reson. 1981. Vol. 17, N l.P. 1-5.

10 Лопырев В. А., Ларина Л. И., Вакульская Т. И , Болотин В. А. Квантово-химическое исследование 2-замещенных нитробензимидазола // Деп. ВИНИТИ N 6097-82. 1982. С. 1-44.

11. Lopyrev V. A., Larina L. I., Vakul'skaya Т. I., Shibanova Е. F., Titova I. А., Voronkov М. G. Investigation of Benzimidazoles. 3. Transmission of the Substituent Effects in 2-substituted l-methylbenzimidazoles Studied by 13C NMR // Magn. Reson. Chem. 1982. Vol. 20, N 4. P. 212-216.

12 Lopyrev V. A, Larina L. I., Vakul'skaya Т. I., Voronkov M. G., Bolotin V. A. Investigation of Benzimidazoles 4. MINDO/3 and 1NDO Calculation of 2-substituted Nitrobenzimidazoies // THEOCHEM. 1984 Vol. 15, N 3-4. P. 309-322.

13. Лопырев В. А., Болотин В. А., Ларина Л. И., Вакульская Т. И. Квантово-химический анализ таутомерии нитробензимидазолов // Журн. структ. химии. 1984. Т. 25, № 2. С. 163-165.

14. Лопырев В. А., Ларина Л. И., Баумане Л. X., Шибанова Е. Ф., Гавар Р. А., Пономарева С. М., Вакульская Т. И., Страдынь Я. П. ЭПР и полярография нитроазолов. Полярографическое изучение нитробензимидазолов//ХГС. 1984. № 9. С. 1246-1251.

15. Lopyrev V. A., Larina L. I., Vakul'skaya Т. I., Larin M. F., Shibanova E. F., Titova I. A., Voronkov M. G., Liepin'sh E. E. Investigation of benzimidazoles. 5. Transmission of the Substituent Effects jn 2-substituted 5(6)-nitrobenzimidazoles Stuied by 'H, 13C and 1SN NMR spectroscopy // Magn. Reson. Chem. 1985. Vol. 23, N 5. P. 301-304.

16. Lopyrev B. A., Larina L. I., Vakul'skaya T. I., Shibanova E. F., Titova I. A., Voronkov M. G. Investigation of Benzimidazoles. 6. Transmission of the Substituent Effects in Dianion Radicals of 2-substituted 5(6)-nitrobenzimidazoles Stuied by ESR Spectroscopy//Magn. Res. Chem. 1985. Vol. 23, N 5. P. 305-310.

17. Болотин В. А., Стабинскайте В. С., Ларина Л. И, Лопырев В. А., Чипанина H. Н. Интерпретация УФ-спектров 2-замещенных 5-нитро- и 1-метилбензимидазолов // Депонир. Литовский физический сборник. N 1573-Лит.-86 Вильнюс. 1986. С. 1-43.

18. Болотин В. А., Стабинскайте В. С., Ларина Л. И, Лопырев В. А., Чипанина Н. Н. Интерпретация УФ-спектров 2-замещенных 5-нитро- и 1-метилбенз-имидазолов// Литовский физический сборник. 1987. Т. 27, №1. С. 114-115.

19. Stefaniak L., Kamienski В., Webb G., Larina L., Lopyrev V., Voronkov M. Investigation of benzimidazoles. VII. A l3C and 15N NMR Study of Some Nitro-benzimidazolones // Bull. Pol. Acad. Sci. Chem. 1991. Vol. 39, N 3. P. 317-319.

20. Турчанинов В. К, Матвиенко Э. А, Ларина Л. И, Шулунова А. М., Байкалова Л. В, Лопырев В. А. Исследование бензимидазолов. 7. Связь УФ и фотоэлектронных спеетров//Изв. РАН. Сер. хим. 1993.№ 10. С. 1761-1767.

21. Dolgushin G. V., Lazarev I. M., Larina L. I., Lopyrev V. A, Voronkov M. G. A 3 Cl NQR and MNDO Study of 3,5-dichloro-l,2,4-triazole and Its Ionic Forms //Z. Naturforsch. 1994. B. 49A, N 1-2. S. 167-170.

22. Долгушин Г. В., Ларина Л. И., Никитин П. А., Лопырев В. А. Спектры ЯКР 35С1 и строение хлорсодержащих производных бензимидазола // ЖОХ. 1996. Т. 66, вып. 12. С. 2026-2030.

23. Dolgushin G., Lazarev I., Nikitin P, Larina L. 35C1 NQR of the N-Cl Bond and Modified Townes-Dailey Theory // Z. Naturfor. 1996. B. 51 A, N 5-6. S. 544-548.

24. Лопырев В. А., Ларина Л. И., Албанов А. И., Сорокин М. С., Долгушин Г. В. Каталитическая силилотропия в производных N-триметилсилил-пиразола // Изв. АН. Сер. хим. 1996. № 12. С. 3011-3013

25. Вокин А. И., Комарова Т. Н., Ларина Л. И., Лопырев В. А. Исследование УФ спектров изомерных нитропиразолов в рамках полуэмпирического метода AMI (CI) // Изв. АН. Сер. хим. 1997. № 2. С. 310-314.

26. Larina L. I., Sorokin M. S., Albanov A. I., Elokhina V. N., Protsuk N. I., Lopyrev V. A. NMR Study of C- and N-Trimethylsilylazole Derivatives // Magn. Reson. Chem. 1998. Vol. 36, N 1. P. 110-115.

27

28

29

30

31

32.

33.

34.

35

36.

37

38.

39.

40.

Demina M. M., Velikanov A., Medvedeva A. S., Larina L. I. and Voronkov M. G. Universal Method for Trimethylsilylation of Acetylenic Alcohols and Glycols Hi. Organometal. Chem. 1998. Vol. 553, N 1-2. P. 120-133. Лопырев В. А., Елохина В. H., Крылова О. В., Нахманович А. С., Ларина Л. И., Сорокин M С., Вокин А. И. Викариозное С-аминирование 1-метил-4-нитропиразола // ХГС. 1999. №9. С. 1254-56. Елохина В. Н., Нахманович А. С., Ларина Л. И., Шишкин О. В., Баумер В Н., Лопырев В. А. Синтез 1-[1-бром-2-бензоил(2-теноил)винил)]-1,1-диметилгидразиний бромидов из 1-бром-2-бензоил(2-теноил)ацетиленов и 1,1-диметилгидразина// Изв. АН. сер. хим. 1999. № 8. С. 1536-1538. Елохина В. Н., Крылова О. В., Ларина Л .И., Нахманович А. С., Сорокин М. С., Волкова К. А., Лопырев В. А. О взаимодействии 1-метил-4-нитропиразола с 4-амино-1,2,4-триазолом // ХГС. 2000. № 4. С. 551-552. Елохина В. Н., Нахманович А. С., Карнаухова Р. В., Ларина Л. И., Лопырев В. А. Взаимодействие 1,1-диметилгидразонов с пропаргилбромидом и 1,3-дибромпропином //ЖОрХ. 2000. Т. 36, вып. 4. С. 502-4. Елохина В. Н., Ларина Л. И , Нахманович А. С., Лопырев В. А. Продукты взаимодействия 1,1-диметилгидразина с пропаргилбромидом и 1,3-ди-бромпропином //ЖОХ. 2000. Т. 70, вып. U.C. 1860-1862 Дьячкова С. Г.. Гусарова Н. К., Бескрылая Е. А., Ларина Л И.. Трофимов Б А. Реакция (алкилтио)хлорацетиленов с тиомочевиной // Изв. АН. РАН. Сер. хим. 2000. № 7. С. 1321-1322.

Дьячкова С. Г., Гусарова Н. К., Никитина Е. А., Ларина Л. И., Синеговская Л.

M, Абрамов А В., Трофимов Б. А. Органилтио-хлорацетилены. 4. Реакция с

тиомочевиной//ЖОХ.2001.Т.71,вып. U.C. 1816-1821.

Крылова О. В., Елохина В. Н., Нахманович А. С., Ларина Л. И, Лопырев В. А.

Викариозное С-аминирование нитробензола //ЖОрХ. 2001. Т. 31, вып. 6. С.

933-934.

Елохина В. Н., Карнаухова В. Н., Нахманович А. С., Ларина Л. И.,

Лопырев В. А Спиро[2-ацетиламино-4-ацетил-1,3,4-тиадиазол-5.3'-Ы-

ацетилиндол-2-он] // в Монографии Трудов конференции "100

избранных методов синтеза гетероциклов" 2001. С. 393.

Левковская Г. Г., Боженков Г. В., Ларина Л. И., Евстафьева И. Т.,

Мирскова А. Н. Синтез и свойства трифторметил-2,2-дихлорвинил-

кетона // ЖОрХ. 2001. Т. 31, вып. № 5. С. 684-688.

Левковская Г. Г., Боженков Г. В., Ларина Л. И., Мирскова А. Н. Новый

путь получения и свойства 3-алкил-, хлоралкил-, перфторалкил-, арил-1-

метил-5-Н(Вг)(С1)-пиразолов из хлор(бром)винилкетонов и N-

диметилгидразина // ЖОрХ. 2002. Т. 38, вып. 10. С. 1554-59.

Larina L. I., Karnaukhova R. V, Nakhmanovich A. S., Shagun V. A., Ushakov

P. E., Lopyrev V. A. Structure of N,N-dimethylhydrazone Alkylation Products

// J. Mol. Structure. 2002. Vol. 604, N 1. P. 165-176.

Карнаухова P. В., Нахманович А. С., Ларина Л. И., Лопырев В. А. Взаимодействие 1,1-диметил-2Ч2-цианоэтал)гидразина с пропарг илбромидом, 1,3-ди-брочпропином и бромистым аллилом //ЖОХ. 2002. Т. 72, вып 9. С. 1520-1522.

41. Donskaya О. V., Elokhina V. N., Nakhmanovich A. S., Vakul'skaya Т. I., Larina L. I., Vokin A. 1., Albanov A. I., Lopyrev V. A. Vicarious C-amination of 1-methyl-4-nitroimidazole // Tetrahedron Lett. 2002. Vol. 43, N 37. P. 1613-1616.

42. D'yachkova S. G., Nikitina E. A., Larina L. I., Ushakov P. E., Gusarova N. K., Smegovskaya L. S., Trofimov B. A. Reaction of (Alkylthio)chloroacetylenes with Thiosemicarbazones: A Route to Functionalized Thiazoles // Synthesis. 2002. N7 P. 913-920.

43. Елохина В. H., Карнаухова В. Н., Нахманович А. С., Ларина Л. И. Лопырев В.А. Реакции тиосемикарбазонов гетероциклического ряда с уксусным ангидридом //ЖОрХ. 2002. Т. 38, вып. 2. С. 318-20.

44. Voronkov М. G., Trofimova О. М., Brodskaya Е. 1., Bolgova Yu. I., Larina L.

I., Klyba L. V., Zel'bst E. A., Chernov N. F. The Synthesis of Stereoelectronic •

Structure of 1- and 2-(Trimethoxysilylmethyl)- and 1- and 2-(Silatranylmethyl)benzotriazole // ARKIVOC 2003. N 13. P. 125-136

45. Starikova О. V., Dolgushin G. V., Larina L. I., Komarova T. N., Lopyrev V.A Synthesis of New Stable Carbenes from the Corresponding 1,3-Dialkylimi-dazolium and Benzimidazolium Salts // ARKIVOC 2003. N 13. P. 119-124.

46. Старикова О. В., Долгушин Г. В., Ларина Л. И., Комарова Т. Н., Лопырев В. А. Получение 1,3-диалкилированных солей имидазолия и бензимида-золия //ЖОрХ. 2003. Т. 39, вып. 10. С. 1536-1539.

47. Боженков Г. В., Левковская Г. Г., Мирскова А. Н., Долгушин Г. В., Ларина Л. И., Ушаков П. Е. Хлор(бром)винилкетоны и 2,2-дихлоракролеин в реакциях с гидразинами трифторметил-2.2-дихлор-винилкетона // ЖОрХ. 2003. Т. 39, вып. № 8. С. 1140-1146.

Тезисы докладов

48. Ларина Л. И., Калихман И. Д., Ларин М. Ф., Нефедова О. Б., Чипанина Н. Н , Шибанова Е. Ф., Вакульская Т. И., Сарапулова Г. И., Лопырев В. А. Изучение передачи электронных эффектов в бензимидазолах. // 2 Всесоюзное совещание по химии гетероциклических соединений. Рига Тезисы докладов. Часть 2. 1979. С. 58-59.

49. Ларина Л. И., Лопырев В. А., Вакульская Т. И., Болотин В. А. Квантово-химический анализ молекулярных конформаций 2-замещенных нитробензимидазола. // VI симпозиум по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул. Вильнюс. Тезисы докладов. 1982. С. 95.

50. Болотин В. А., Лазаускас В. М., Стабинскайте В. С., Ларина Л И., Лопырев В. А., Чипанина Н. Н. Квантово-химический анализ 2-замещенных нитробензимидазола. // IX Всесоюзное совещание по квантовой химии. Иваново. Тезисы докладов. 1985. Т. 2. С. 14.

51. Витковский В. Ю., Павлинский В. Г., Ларина Л. И., Титова И. А., * Лопырев В. А. Фрагментация 2-замещенных 5(6)-нитробензимидазола

при электронном ударе // Всесоюзная научная конференция "Химия и технология органических красителей и промежуточных продуктов" Ленинград. Тезисы докладов. 1985. С. 58-59.

52. Ларина Л. И...Чипанина Н. Н., Шулунова А. М., Титова И. А., Лопырев В А. Электронные эффекты заместителей в дианион-радикалах

нитробензимидазолов // 11 Всесоюзное совещещание. по электрохимии органических соединений. Львов. Тезисы докладов. 1986. С. 85.

53 Larina L. I., Lopyrev V. A.,.VakuI'skaya Т. I., Transmission of the Substituent Effects in 2-Substituted Benzimidazoles // Second Czechoslovak Cbemometry Conference International. Brno. Czechoslovak. Book of Abstracts. 1990. P.47.

54. Ларина Л. И, Лопырев В. А., Стефанияк Л., Камински Б., Вебб Г. А Спектры ЯМР 13С, N и таутомерия бензимидазолонов // V Всесоюзная конференция по химии азотсодержащих гетероциклических соединений. Черноголовка Тезисы докладов. Часть 2. 1991. С. 185.

55 Ларина Л. И., Ермиков А. Ф., Лопырев В. А. Исследование таутомерии 5(6)-нитробензимидазолов в газовой фазе // Всесоюзная конференция по теоретической органической химии. Волгоград. Тезисы. 1991. С. 129.

56. Долгушин Г. В., Лазарев И. М., Ларина Л. И., Лопырев В А ЯКР 35С1 некоторых азолов, их анионов и катионов // Всесоюзная конференция по теоретической органической химии. Волгоград. Тезисы. 1991. С. 130.

57 Dolgushin G. V, Lazarev I М.,.Larina L I, Lopyrev V. A, Voronkov M. G. A "CI NQR and MNDO Study of 3,5-Dichloro-l,2,4-triazole and Its Ionic Forms. XII International Symposium on Nuclear Quadrupole Resonance Spectroscopy. Zurich. Switzerland. Book of Abstracts. 1993 0-13.

58. Dolgushin G. V., Lazarev I. M., Nikitin P A., Larina L. I, Voronkov M. G. A Cl-35 NQR and MNDO Investigation of Inorganic and Organic Chlorine Compounds. // Fifteenth Austin Symposium on Molecular Structure. Austin. USA. Book of Abstracts. 1994. P. 113.

59 Larina L. I., Sorokin M. S., Albanov A. I., Komarova T. N., Elokhina V. N., Karnaukhova R. V., Nakhmanovich A. S,. Dolgushin G. V., Lopyrev V. A. The Tautomerism of 4-Substituted Pyrazoles. // The Fourth International Conference on Heteroatom Chemistry. Seoul. Korea. Abstracts. 1995 P. 279.

60 Dolgushin G. V., Lazarev I M„ Nikitin P. A., Larina L. I. 35C1 NQR and Quantum Chemistry. N-Cl Bond. // The Fourth International Conference on Heteroatom Chemistry. Seoul. Korea. Abstracts 1995. P. 161.

61. Larina L. I., Lopyrev V. A. Tautomerism and Reactivity of Pyrazole Derivatives. // Japan-Russian Workshop on Reactivity of Organic Compounds Irkutsk. 1995.

62 Larina L. I., Titova I. A., Protsuk N. I., Lopyrev V. A. The Transmission of the Substituent Effects in Nitrobenzenes and Nitrobenzimidazoles. // The Seventh International Conference on Correlation Analysis in Chemistry. Fukuoka. Japan. Book of Abstracts. 1996. P. 104.

63. Larina L. I., Albanov A. I., Sorokin M. S., Komarova T. N., Elokhina V. N., Karnaukhova R. V., Nakhmanovich A S , Lopyrev V. A. Substititent Effects in the Pyrazoles // The Seventh International Conference on Correlation Analysis in Chemistry. Fukuoka. Japan. Book of Abstracts. 1996. P. 105.

64. Larina L.I., Sorokin M.S., Albanov A.I., Lopyrev V.A. Silylotropy in N-Trimethylsilylazoles // The XI International Symposium of Organosilicon Chemistry. Montpellier. France. Book of Abstracts. 1996. PC 25

65. Ларина Л.И, Албанов А.И., Сорокин М.С., Комарова Т.Н., Елохина В.Н, Карнаухова Р.В, Нахманович Л.С. Лопырев В.А Силилотропия в производных N-триметилсилилпиразола // V Всероссийский симпозиум

"Строение и реакционная способность кремнийорганических соединений". Иркутск. Тезисы докладов. 1996. С. 74.

66. Лоиырев В А., Сорокин М.С., Албанов А.И., Ларина Л.И. Силилирование 1,2,3-триазолов // V Всеросс. симпозиум "Строение и реакционная способность кремнийорганических соединений". Тез. докл. Иркутск. 1996. С 73.

67. Албанов А.И., Ларина Л.И., Сорокин М.С., Лопырев В.А., Воронков М.Г Изучение взаимодействия 1-триметилсилилпиразолов с 1,3-дихлортетра-метилдисилоксаном методом ЯМР 'Н, ,3С и Si // V Всероссийский симпозиум "Строение и реакционная способность кремнийорганических соединений" Иркутск. Тезисы докладов. 1996. С. 13.

68. Voronkov М. G., Larina L. I., Lopyrev V. A. The Chemistry of Trimethylsilylazoles // International Memorial I. Postovsky Conference on Organic Chemistry. Ekaterinburg. Abstracts. 1998. PL 19. P. 183.

69. Ларина Л. И., Албанов А. И., Гостевский Б. А., Сорокин М. С., Процук Н И., Лопырев В. А Изучение N,N'- и Ы,0-бис-ТМС-1,2,4-триазолона и их взаимодействия с диметил(хлорметил)хлорсиланом // Петербургские встречи-98 "Химия и применение фосфор-, сера- и кремнийорганических соединений" С-Петербург. Тезисы докладов. 1998. С. 136.

70. Lopyrev V. A., Larina L. I., Voronkov М. G. Trimethylsilyl Derivatives of Azoles // The 5th International Conference on Heteroatom Chemistry. London (Ontario) Canada Abstracts. 1998. TH-B-12.00

71. Larina L I., Karnaukhova R. V., Shagun V. A., Nakhmanovich A. S. Ushakov P. E., Lopyrev V. A., Alkylation of pyridine-3- and -4-carbaldehyde N,N-dimethylhydrazone // 17th International Congress of Heterocyclic chemistry. Vienna. Austria. Book of Abstracts. 1999. PO-298.

72. Larina L. I., Lopyrev V. A., Elokhina V. N., Krylova О. V., Nakhmanovich A S., Vokin A. I. Study of Vicarious Amination of C-Nitroazoles // 17th International Congress of Heterocyclic Chemistry. Vienna. Austria. Book of Abstracts. 1999. PO-297.

73. Elokhina V. N., Nakhmanovich A. S., Larina L I., Lopyrev V. A., Desmurs J-R. Synthesis of Substituted 1,3,4-Thiadiazolines and 1,3,4-Thiadiazoles / 8lh Blue Danude Symposium on Heterocyclic Chemistry. Bled. Slovenia Book of Abstracts. 2000. P. 73.

74. Larina L., Albanov A., Ushakov P., Gostevskii В., Sorokin M.. Abzaeva K. Lopyrev V. Structure of C- and N- Trimethylsilylazoles // 19th European Colloquium on Heterocyclic Chemistry. Aveiro. Portugal. Abstracts 2000 P. 94

75 Donskaya О V. Elokhina V. N., Vakul'skaya Т. I., Vokin A I., Larina L. I.. Lopyrev V A. One Electron Transfer in the Reactions of Vicarious Nucleophilic Substitution // International Conference on Reaction Mechanisms and Organic Intermediates S.-Peterburg. Abstracts. 2001. P. 57.

76 Laiina L., Ushakov P., Albanov A. Gostevskii B, Sorokin M. Lopyrev V Synthesis of Novel Bicyclic Azoles // World Chemistry Congress (IUPAC 38" Congress). Australia. Brisbane. Book of Abstracts. 2001. PE 125.

77 Дьячкова С Г., Гусарова Н. К., Никитина Е. А.. Ларина Л. И.. Трофимов В А. Реакции органилтиохлорацетиленов с S.N-центрированными биф\ нкциональными нуклеофилами II 1 Международная научная

конференция "Современные проблемы органической химии, экологии и биотехнологии". Луга. Тезисы докладов. 2001. Т. 1. С. 83-84.

78. Воронков М. Г., Болгова Ю. И., Трофимова О. М., Клыба Л. В., Албаков А. И., Ларина Л. И., Чернов Н Ф., Пестунович В. А. (N-Триметоксисилил-метил)- и (Ы-силатранилметил)-1,2,3-бензотриазол // Всероссийский симпозиум "Химия органических соединений кремния и серы", посвященный 80-летию академика М. Г. Воронкова. Иркутск Тезисы докладов. 2001. С. 190.

79. Larina L. I., D'yachkova S. N., Gusarova N. К., Nikitina E. A., Trofimov B. A. Structure of New 2-Alkanon-N-[4-organylthio)-l,3-thiazol-2-yl]hydra-zones // 20th International Symposium on the Organic Chemistry of Sulfur. Flagstaff. Arizona. USA. Book of Abstracts. 2002. PM-23.

80. Larina L. I., Nizovtseva Т. V., Elokhina V. N., Komarova T. N., Karnaukhova R. V., Nakhmanovich A. S., Ushakov P. E., Lopyrev V. A., Desmurs J.-R. Synthesis and Structure of Novel 5- and 6-Membered S,N-containing Heterocycles // 20th International Symposium on the Organic Chemistry of Sulfur. Flagstaff. Arizona. USA. Book of Abstracts. 2002. ОС 14.

81. Voronkov M. G„ Trofimova О. M., Bolgova Yu. I., Zel'bst E. A., Belyaeva V. V., Larina L. I., Chernov N. F. N-(l-Silatranylalkyl)azoles // Mark Vol'pin (1923-1996) Memorial International Symposium "Modern Trends in Organometallic and Catalytic Chemistry". Moscow. Abstracts. 2003. P. 135.

82. Starikova О. V., Komarova T. N., Larina L. I., Lopyrev V. A., Dolgushin G. V. Synthesis and Properties of Stable N-Heterocyclic Carbenes // 7 Conference on the Chemistry of Carbenes and Related Intermediates. Kazan Conference Program and Abstracts. 2003 P. 90.

Авторское свидетельство

83. Лопырев В. А., Курочкин В. Н., Шибанова Е. Ф., Титова И. А, Чекалина О. В., Вакульская Т. И., Ларина Л. И., Воронков М. Г. Способ получения 2-алкоксибензимидазолов. Авторское свидетельство Л« 1266848. 1986. Бюллетень 1986. № 40. С 75.

Подписано в печать: 17.10.2003-10-17 Формат 60X841/16 Бумага офсетная. Объем 5.5 печ. л. Тираж 120. Заказ № 92

Отпечатано в печатном салоне «Август»

Лицензия № 0011 от 09.02

г. Иркутск, ул Лермонтова, 128, оф. 340

» te 92 ft

2.00?- A

Введение

Глава 1. Таутомерия азолов

1.1. Аннулярная прототропия азолов

1.1.1. Вырожденная прототропия 4-замещенных пиразола

1.1.2. Невырожденная таутомерия 3(5)-замещенных пиразола

1.1.3. Таутомерия других азолов

1.2. Аннулярная прототропия бензазолов

1.2.1. Бензимидазолы

1.2.2. Бензимидазолоны

1.2.3. Бензотриазолы

Глава 2. Электронное строение азолов. Эффекты заместителей

2.1. Введение. Электронные эффекты заместителей в азолах и родственных соединениях

2.2. Передача эффектов заместителей в бензимидазольных системах

2.2.1. 2-Замещенные бензимидазола, их анионы и катионы

2.2.2. Проводимость эффектов заместителей в 2-замещенных бензимидазола и их 5(6)-изомерных аналогах

2.2.3. Передача эффектов заместителей в солях 1,3-диметил-бензимидазолия в различных растворителях

2.2.4. 2-Замещенные 1-метилбензимидазола

2.2.5. 2-Замещенные 5(6)-нитробензимидазола

2.2.6. Дианион-радикалы 2-замещенных 5(6)-нитробензимидазола 111 2.3. Передача эффектов заместителей в нитробензолах

Глава 3. Кремнийорганические производные азолов

3.1. Некоторые проблемы химии триалкилсилилазолов

3.1.1. Применение и реакционная способность С- и N-триметилсилилазолов И

3.1.2. Строение и физико-химические свойства триалкилсилилазолов

3.1.3. Силилотропные превращения N-триалкилсилилазолов

3.2. Спектроскопия ЯМР С-и N-триметилсилилазолов

3.2.1. Строение С-и N-триметилсилилазолов

3.2.2. Силилотропные перегруппировки 4-замещенных N-триметилсилил пиразола

3.3. Катализ силилотрии в азолах

3.3.1. Производные N-триметилсилилпиразола

3.3.2. Тетраметил-1,3-бис-(3-К-пиразолил)дисилоксаны

3.4. Строение продуктов триметилсилилирования 1,2,3-триазола

3.5. Силилотропные перегруппировки других N-триметилсилилазолов

3.6. Установление строения продуктов триметилсилилирования производных 1,2,4-триазолона-5 и продуктов последующего пересилилирования диметил(хлорметил)хлорсиланом

3.6.1. Продукты силилирования 1-метил- и 4-метил-1,2,4-триазолона

3.6.2. Продукы силилирования 3-нитро-1,2,4-триазолона-5 и его 1 -метилпроизводного

3.6.3. Строение продуктов силилирования 3-хлор-1,2,4-триазолона

3.6.4. Строение продуктов силилирования 1,2,4-триазолона-

Глава 4. Строение азолов, не способных к таутомерии

4.1. Введение

4.2. Продукты викариозного нуклеофильного замещения водорода в N-органилзамещенных нитроазолах

4.2.1 Строение продуктов С-аминирования N-замещенных нитроазолов галогенидами 1,1,1 -триметилгидразиния

4.2.2 Продукты взаимодействия N-замещенных нитроазолов

О с 4-амино-1,2,4-триазолом

4.2.3 Строение продуктов реакции нитробензола с солями

1,1,1 -триметилгидразиния и 4-амино-1,2,4-триазолом

4.3. Новые производные 1-органилпиразола

4.4. Производные тиазольного ряда

4.4.1 Строение 2,4-дизамещенных тиазола

4.4.2 Строение 1,3,4-тиадиазолов и 1,3,4-тиадиазолинов

4.5. (1Ч-Гетерилметил)триметоксисиланы и (1Ч-гетерилметил)силатраны

4.5.1 М-(Триметоксисилилметил)- и М-(силатранилметил)-бензотриазолы

4.5.2 Ы-(Силатранилметил)азолы

Глава 5. Экспериментальная часть

5.1. Физико-химические методы исследования

5.2. Квантово-химические расчеты

5.3. Корреляционный анализ 222 О 5.4. Исследованные вещества и растворители

Выводы

Актуальность темы. Азолы занимают важное место в химии гетероциклических соединений. Их уникальные свойства и специфическая биологическая активность привлекают пристальное внимание исследователей всего мира. Производные азолов используются в качестве лекарственных препаратов, радиосенсибилизаторов, анестетиков, пестицидов и гербицидов, красителей, пластификаторов, ионных жидкостей.

Столь значительное практическое применение азолов требует понимания особенностей их электронного строения, спектральных свойств и таутомерных превращений. Таутомерия азолов составляет один из наиболее интересных разделов теории их строения и реакционной способности. Корректная интерпретация химического поведения и биологической активности этих гетероциклических систем невозможна без знания структуры таутомерных форм и факторов, определяющих их относительную устойчивость.

К началу наших исследований электронное строение, таутомерные превращения пиразолов, имидазолов, триазолов и их бензаннелированных аналогов не были детально изучены. Практически отсутствовали данные о влиянии заместителей и среды на таутомерное равновесие этих соединений, способных претерпевать многочисленные химические превращения.

Систематизация и обобщение имеющихся на этот счет сведений, разработка новых подходов к изучению строения и таутомерии С- и N-замещенных азолов с использованием современных методов мультиядерной и динамической спектроскопии ЯМР и квантовой химии являются актуальной задачей. Получение новых знаний в этой области необходимо для создания на основе азолов новых веществ и материалов с потенциально полезными свойствами.

Данная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Иркутского института химии им. А.Е. Фаворского

СО РАН по темам: "Исследование строения, стереодинамики и комплексообразования молекул, их взаимодействия со средой и излучением методами квантовой химии и спектроскопии" (номер гос. регистрации 01860109689), "Теоретические и спектральные исследования строения и реакционной способности ненасыщенных гетероатомных и элементоорганических соединений" (номер гос. регистрации 01990000413) и "Спектрометрия и квантовая теория стереоэлектронного строения ненасыщенных гетероатомных соединений и их реакций" (номер гос. регистрации 01200107929). Проводимые исследования были поддержаны грантами Международного научного фонда (Грант № 1300 и № 1000), Международного Научно-Технического Центра (Грант № 427), Российского фонда фундаментальных исследований (Гранты № 94-03-09836 и № 98-0332899), Национального центра научных исследований Франции (CNRS) (фонд Кастлера) совместно с фирмой Rhodia (01.07.99-31.03.00). Исследования выполняются в рамках программы Отделения химии и наук о материалах РАН № 4.1.7 "Теоретическое и экспериментальное изучение природы химической связи и механизмов важнейших химических реакций и процессов".

Цель работы: развитие представлений о строении, стереодинамическом поведении, химических и таутомерных превращениях широкого круга азолов и их кремнийорганических производных. В рамках этой фундаментальной проблемы автор ставил перед собой следующие задачи: -исследование строения, прототропии и реакционной способности азолов; -изучение передачи эффектов заместителей через азольные системы; -исследование силилотропии в N-триметилсилилазолах; -исследование химических превращений азолов и их кремнийорганических производных.

Научная новизна и практическая значимость. Методами мультиядерной и динамической спектроскопии ЯМР (!Н, 13С, 15N, 29Si), ЭПР и квантовой химии систематически установлены особенности строения и таутомерных превращений широкого круга С-замещенных азолов (пиразолы, имидазолы, 1,2,3-триазолы, 1,2,4-триазолоны и их бензаннелированные аналоги), их N- и О-триметилсилилированных и модельных производных, а также структура перспективных для практического использования продуктов прежде неизвестных реакций некоторых из них с рядом органических и кремнийорганических соединений. Показана высокая эффективность использования спектроскопии ЯМР 15N в решении структурных задач химии этих гетероциклических систем.

Исследованы особенности прототропных перегруппировок функционально замещенных азолов, включая важнейшие для фармако-химии нитропроизводные. Установлены и проанализированы зависимости констант таутомерного равновесия и свободной энергии активации прототропных превращений от электронной природы заместителей азолов.

Впервые количественно оценена проводимость эффектов заместителей в азолах, их катионах и анионах, а какже в дианион-радикалах нитробензимидазолов. Установлен анизотропный характер передачи эффектов заместителей в несимметрично замещенных гетероциклах, а также общность ее механизма в нейтральном бензимидазоле и его катионе.

Определено строение С- и N-триметилсилилпроизводных азолов, их бис- и трис-триметилсилильных аналогов, проанализировано влияние природы гетероцикла и заместителя на константы равновесия и значения свободной энергии активации силилотропных превращений.

Открыто каталитическое воздействие галогенов и триметилгалоген-силанов на процессы силилотропии N-триметилсилилпиразолов, ключевая стадия которого заключается в промежуточном образовании галогенида М,М'-бис(триметилсилил)пиразолия.

Изучено строение и перегруппировка новых бициклических кремний-органических производных азолов, полученных путем триметилсилилиро-вания замещенных 1,2,4-триазолона-5 и последующего пересилилирования диметил(хлорметил)хлорсиланом. Установлено, что триметилсилилирование высокоэнергетического 3-нитро-1,2,4-триазолона-5 приводит к N,0-6hc-ТМС-1,2,4-триазолу, а триметилсилилирование 1,2,4-триазолона-5 и его

3-хлорзамещенного - к смеси трех (N,N\ N,0 и N',0) и двух (N,0 и N',0) бис-ТМС-изомеров, соответственно. Показано, что их взаимодействие с диметил(хлорметил)хлорсиланом приводит к образованию ранее неизвестных производных 5-силаоксазоло[2,3-Ь]-, 5-силаоксазоло[2,3-с]- и 5//-4-силаоксазоло[2,3-с1]-1,2,4-триазолов, а взаимодействие родственных моно-ТМС-производных N-алкилированных 1,2,4-триазолов - к соответствующим бициклическим ониевым солям.

Установлено строение М-(триметоксисилилметил)азолов и потенциально биоактивных продуктов их переэтерификации триэтаноламином -М-(силатранилметил)азолов, а также тонкие особенности влияния природы азольного кольца на степень трансаннулярного взаимодействия в последних.

Оптимизированы процессы С-аминирования N-метилированных нитроазолов и нитробензолов 1,1,1- триметилгидразиний галогенидами и

4-амино-1,2,4-триазолами в реакции викариозного нуклеофильного замещения (ВНЗ) водорода в суперосновной среде. Изучено строение образующихся аминопроизводных нитроазолов.

Полученные результаты существенно расширили сложившиеся представления о механизме химических и таутомерных превращений азолов, открыли новые пути управления их реакционной способностью. Апробация работы и публикации. Результаты работы представлены на II Всесоюзном совещании по химии гетероциклических соединений (Рига, 1979); VI Симпозиуме по межмолекулярному взаимодействию и конформа-циям молекул (Вильнюс, 1982); IX Всесоюзном совещании по квантовой химии (Иваново, 1985); 11 Всесоюзном совещании по электрохимии органических соединений (Львов, 1986); Международной конференции по хемометрии (Брно, 1990); V Всесоюзной конференции по химии азотсодержащих гетероциклических соединений (Черноголовка, 1991); Всесоюзной конференции по теоретической органической химии (Волгоград, 1991); XII и

XIII Международном симпозиуме по спектроскопии ЯКР (Цюрих, 1993, Провиденс, США, 1995); XV Международном симпозиуме по молекулярному строению (Остин, США, 1994); IV и V Международной конференции по гетероатомной химии (Сеул, 1995, Лондон, Канада, 1998); 1 Российско-Японском симпозиуме по реакционной способности органических соединений (Иркутск, 1995); VII Международной конференции по корреляционному анализу в химии (Фукуока, Япония, 1996); XI Международном симпозиуме по кремнийорганической химии (Монпелье, Франция, 1996); V Всероссийском симпозиуме "Строение и реакционная способность кремний-органических соединений" (Иркутск, 1996); Международной конференции памяти И.Я. Постовского по органической химии (Екатеринбург, 1998); Конференции "Петербургские встречи-98" "Химия и применение фосфор-, сера- и кремнийорганических соединений" (С-Петербург. 1998); XVII Международном конгрессе по гетероциклической химии (Вена, 1999); VIII Международном симпозиуме "Голубой Дунай" по гетероциклической химии (Блед, Словения, 2000); XIX Европейском коллоквиуме по гетероциклической химии (Авиеро, Португалия, 2000); I Международной конференции "Современные проблемы органической химии, экологии и биотехнологии" (Луга, 2001); Международной конференции по механизмам реакций и органическим интермедиатам (С-Петербург, 2001); 38 Конгрессе ЮПАК (Брисбан, Австралия, 2001); Всероссийском симпозиуме "Химия органических соединений кремния и серы" (Иркутск, 2001); 20 Международном симпозиуме по органической химии серы (Флагстаф, Аризона, США, 2002); Международном симпозиуме памяти М.Е. Вольпина "Современные направления в металлорганической и каталитической химии" (Москва, 2003).

По материалам диссертации автором прочитаны лекции в Институте органической химии ПАН (Польша, 1990), в Университете Киото (Япония, 1996), в Университете Одензе (Дания, 2000) и в Университете Мадрида (Испания, 2000).

По теме диссертации опубликовано 83 печатных работы в отечественных и зарубежных изданиях, из них шесть обзоров и одно авторское свидетельство [1-7]. Предложенные публикации составляют основу диссертационной работы и подготовленной к печати монографии по нитроазолам.

Объем и структуру работы. Диссертационная работа изложена на 285 страницах машинописного текста, включает 64 таблицы и 15 рисунков. Библиография насчитывает 446 наименований. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка цитируемой литературы.

выводы

1. Методами мультиядерной и динамической спектроскопии ЯМР (!Н, 13С, 15N, 29Si), ЭПР и квантовой химии систематически изучены основные особенности строения и таутомерных превращений широкого круга азолов (пиразолы, имидазолы, 1,2,3-триазолы, 1,2,4-триазолоны и их бензаннелированные аналоги) и их N- и О-триметилсилилированных производных, а также структура перспективных для практического использования продуктов прежде неизвестных реакций некоторых из них с рядом органических и кремнийорганических соединений.

2. Продемонстрирована существенная зависимость скорости прототропного обмена в молекулах азолов от характера среды, концентрации субстрата и природы С-заместителей. Установлено возрастание значений свободной энергии активации 1,2-прототропных превращений 4-замещенных пиразола (10 -s- 15 ккал/моль в CD3OD) с увеличением электроноакцепторных свойств заместителя. Обнаружена практическая независимость констант таутомерного равновесия 3(5)-замещенных пиразола от внешнего окружения (среда, агрегатное состояние) и повышение равновесного содержания З-Я-таутомера с увеличением ст-акцепторных свойств заместителя.

Неэмпирическим расчетным методом RHF 6-31G* предсказано смещение таутомерного равновесия 2-замещенных 5(6)-нитробензимидазола в сторону 5-Ы02-таутомера при возрастании ^-акцепторной способности заместителя. Доказано отсутствие 1-гидроксиформы и независимость значений констант таутомерного равновесия (поли)нитробензимидазолонов от положения и числа нитрогрупп. Показано, что нитробензотриазолы испытывают 1=^3, а не 1 2 прототропный обмен.

3. Методами ЯМР !Н, 13С и 15N и корреляционного анализа обнаружено,

Ф что электронные эффекты заместителей в бензимидазольных системах из положения 2 в положение 5(6) и обратно передаются по единому механизму, причем эффективность передачи в обратном направлении примерно на 20% выше. В 2-замещенных бензимидазола, их 5(6)-нитро- и 1-метилпроизводных вклад резонансной составляющей в передачу эффектов заместителей из 0 положения 2 в положения 4,7 гораздо больше (60-70%), чем в положения 5,6. Механизм проводимости эффектов заместителей при переходе от нейтральных молекул бензимидазолов к их катионам (четвертичным солям) практически не меняется. 0

4. Методом динамического ЯМР, показано, что значения свободной энергии активации силилотропного обмена в 4-замещенных N-триметилсилилпиразола изменяются в зависимости от природы заместителя в пределах 22 -s- 25 ккал/моль. Впервые обнаружено и детально исследовано каталитическое воздействие галогенов (12, Вг2, С12) и триметилгалогенсиланов (Hal = I, Br, С1) на силилотропные превращения этих соединений. Доказана ключевая роль формирования и распада соответствующих 1,2-бис-ТМС-пиразолиевых солей в инициируемом такими катализаторами ускорении силилотропных перегруппировок. Это явление О носит, вероятно, общий характер для N-силилированных азолов и, в частности, объясняет быстрые в шкале ЯМР 1,2-силилотропные превращения молекул тетраметил-1,3-бис-( 1 '-пиразолил)дисилоксана и 1,3-перегруппировку 1-ТМС-1,2,3-триазола. Вопреки сложившимся представлениям обнаружено, что барьеры взаимных переходов 1-ТМС-1,2,3-триазола и его 2-ТМС-аналога существенно превышают 25 ккал/моль. Впервые показано, что триметилсилилирование 1,2,3-триазола приводит к образованию изомерной смеси 1-й 2-триметилсилил-1,2,3-триазола в соотношении 1: 5 (AG* » 25 ккал/моль).

5. Установлено строение продуктов триметилсилилирования

3-замещенных 1,2,4-триазолона-5 и их 1-й 4-метилпроизводных. Доказано, что взаимодействие гексаметилдисилазана с 1-метил-1,2,4-триазолоном-5 приводит к образованию смеси (3 : 2) продуктов N(4)- и О-силилирования, а с

4-метилзамещенным и 1-метил-4-нитропроизводным протекает региоселек-тивно - по атому N-4 первого и атому О второго соединения. Последующая реакция продуктов N-триметилсилилирования с диметил(хлорметил)хлор-силаном приводит к ранее к неизвестным бициклическим солям - хлоридам соответствующих производных 3,4-дигидро-5-силаоксазоло[2,3-с1]-1,2,4-триазолия, а аналогичные реакции О-триметилсилилированных продуктов - к хлоридам 5//-4-силаоксазоло[2,3-е]-1,2,4-триазолия. Взаимодействие 1,2,4-триазолона-5 с избытком гексаметилдисилазана заканчивается образованием смеси трех биссилилированных продуктов: 1,4-, 1,5 и 4,5- (или 2,5-). Их обработка диметил(хлорметил)хлорсиланом дает неизвестные ранее бициклы: 4,4-ди-метил-5//-4-силаоксазоло[2,3-(1]-, 4,4-диметил-5//-4-сила-оксазоло[2,3-е]-, 5,5-диметил-3,4-дигтщро-5-силаоксазоло[2,3-с]-и5,5-диметил-3,4-дигидро-5-силаоксазоло[2,3-Ь]-1,2,4-триазолы. Раскрыты схемы таких превращений.

6. Изучено строение М-(триметоксисилилметил)азолов и продуктов их переэтерификации триэтаноламином - №(силатранилметил)азолов. Обнаружено влияние природы азольного кольца на химические сдвиги сигналов ядер атранового фрагмента: последовательный переход от пиррольного производного к производным индола, карбазола, пиразола, имидазола, бензимидазола, 1,2,3-бензотриазола, 1,2,4-триазола и 2//-бензотриазола сопровождается увеличением экранирования ядра кремния и дезэкранированием ядра азота-15 атранового остова. Это свидетельствует об усилении трансаннулярного связывания азот-кремний в силатрановом остове этих соединений в порядке перечисления и, следовательно, увеличении значений индукционных констант их гетероциклического заместителя. Миграция триметоксисилилметильной и силатранилметильной группы в этих азолах отсутствует.

7. Установлено строение продуктов викариозного нуклеофильного замещения водорода в нитроазолах и нитробензолах галогенидами 1,1,1- триметилгидразиния или 4-амино-1,2,4-триазолом в суперосновной среде (ROM/ДМСО, R= f-Bu, Me; М=К, Na и КОН/ДМСО). Показано, что С-аминирование 1-метил-4-нитропиразола, 1-метил-4-нитро-имидазола и 2-фенил-4-нитро-1,2,3-триазола с использованием 1,1,1-триметилгидразиний галогенидов осуществляется по атому С-5, а аминирование 1-метил-5-нитробензимидазола по атому С-4. Взаимодействие 4-амино-1,2,4-триазола с

1-метил-4-нитропиразолом ведет к образованию 5-амино-1-метил-4-нитропиразола и ранее неизвестного 1-метил-4-нитропиразол-5-ил( 1,2,4-триазол-4-ил)амина.

8. С использованием методов 1D и 2D спектроскопии (СН CORR, NH CORR, COSY, NOESY, INADEQUATE) и квантовой химии исследованы способы формирования новых полифункциональных производных азолов. Доказано образование 2-ацетиламино-5-гетерил(арил)-1,3,4-тиадиазола и

2-ацетиламино-4-ацетил-5-гетерил-1,3,4-тиадиазолина в реакции ацетили-рования тиосемикарбазонов 4-метоксибензальдегида, пиридин-4-альдегида, тиофен-2-альдегида, фуран-2-альдегида, индол-3-альдегида и изатина уксусным ангидридом. Установлено строение 3-замещенных 1-метил-5-хлорпиразола, полученных взаимодействием 2,2-дихлорвинилкето-нов с 1,1 -диметилгидразином. Методами ЯМР 'Н, 13С, ,5N и квантовой химии доказано строение солей 2-алканон-ЛГ-[4-органилтио-1,3-тиазол-2-ил]гидразонов, образующихся при взамодействии (алкилтио)хлорацетиленов с тиосемикарбазонами.

1. Larina L. L, Lopyrev V. A. Nuclear Magnetic Resonance of Nitroazoles //

2. Topics in Heterocyclic Systems - Synthesis, Reactions and Properties.

3. Editors Attanasi O. A., Spinelli D. Trivandrum. Research Signpost. 1996.1. Vol. LP. 187-237.

4. Ларина Л. И., Лопырев В. А., Воронков М. Г, Методы синтезанитроазолов // Журн. орг. химии. 1994. Т. 30, вып. 7. 1081-1118.

5. Lopyrev V. А., Larina L. L, Voronkov М. G. Nitration of Azoles //

6. Reviews on Heteroatom Chemistry. 1994. Vol. 11. P. 27-64.

7. Лопырев В. A, Ларина Л. И,, Вакульская Т. И. Количественная оценкаэлектронных эффектов заместителей в пятичленных азотсодержащих ароматических гетероциклах // Успехи химии. 1986. Т. 55, вып. 5. ^ 769-793.

8. Larina L. L, Lopyrev V. А., Klyba L. V., Bochkarev V. N. Mass

9. Spectrometry of Nitroazoles // Targets in Heterocyclic Systems. Chemistryand Properties. Editors Attanasi O. A., Spinelli D. Italian Society

10. Chemistry. Rome. 1998. Vol. 2. P. 443-470.1. О

11. Лопырев В. A., Ларина Л. И., Воронков М. Г. Химиятриметилсилилазолов // Журн. орг. химии. 2001. Т. 37, вып. 2. 1. 165-206.

12. Лопырев В. А., Курочкин В. Н., Шибанова Е. Ф., Титова И. А.,

13. Чекалина О. В., Вакульская Т. И., Ларина Л. И., Воронков М. Г.

14. Способ получения 2-алкоксибензимидазолов. Авторскоесвидетельство № 1266848. 1986 // Бюллетень изобр. 1986. № 40. 75.

15. Билобров В. М. Водородная связь. Внутримолекулярныевзаимоде?1Ствия. Киев: Наукова думка. 1991. 316 с. 1. О о