Строение, свойства и Adn-реакции 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1

Бекин, Вадим Владимирович

Строение, свойства и Adn-реакции 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1 тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

Бекин, Вадим Владимирович АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Самара МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Строение, свойства и Adn-реакции 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1»

Автореферат диссертации на тему "Строение, свойства и Adn-реакции 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1"

На правах рукописи

005061848

Бекин Вадим Владимирович

СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА И АсЦ-РЕАКЦИИ 1,5-ДИАРИЛПЕНТЕН-2-ИН-4-ОНОВ-1

специальность 02.00,03 - Органическая химия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

3 ИЮН 2013

Самара-2013

005061848

Работа выполнена на кафедре «Химия и химические технологии» Федерального бюджетного государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тольяттинский государственный университет».

Научный руководитель: кандидат химических наук, доцент

ПИСАРЕВА Валентина Сергеевна

Официальные оппоненты: БУТОВ Геннадий Михайлович

доктор химических наук, профессор, Волжский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», заместитель директора по научной работе ОСЯНИН Виталий Александрович кандидат химических наук, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», доцент кафедры органической химии

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Самарский государственный

университет», г. Самара

Защита состоится 2 июля 2013 г. в 14 часов 00 мин. на заседании диссертационного Совета Д 212.217.05 при ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» по адресу г. Самара, ул. Молодогвардейская 244, ауд. 200.

Отзывы с замечаниями по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244, СамГТУ, Главный корпус, на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.217.05; тел./факс: (846) 3335255, e-mail: kinterm@samgtu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» (ул. Первомайская, 18)

Автореферат разослан 31 мая 2013 г. Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.217.05, K.X.H., доцент

Саркисова B.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Винилацетиленовые кетоны ароматического ряда являются чрезвычайно интересным классом органических соединений. Наличие двойной, тройной связей, а также карбонильной группы делает винилацетиленовые кетоны весьма реакционноспособными соединениями и открывает широкие возможности их использования для синтеза самых различных соединений. Полученные на основе ениновых кетонов продукты нуклеофильного присоединения, относящиеся к гетероциклическому ряду (пиразолы, изоксазолы, пиримидины, флавоны, бензодиазепины и др.), имеют чрезвычайно широкий диапазон практического использования. Многие из них обладают биологической активностью и успешно используются в качестве эффективных антимикотиков, средств защиты растений, противораковых препаратов. Кроме того, некоторые ненасыщенные карбонильные соединения ароматического ряда проявляют противогрибковую и инсектицидную активность против тли.

Несмотря на довольно обширные исследования в области химии винилацетиленовых карбонильных соединений, 1,5-диарилпентен-2-ин-4-оны-1 являются на сегодняшний день малоизученными объектами. Приведенные в литературе данные для отдельных представителей этого ряда не имеют систематического характера. В результате недостаточно изученными остались вопросы их строения и реакционной способности, регио- и стереоселективности в реакциях нуклеофильного присоединения.

В этой связи исследование структуры, физико-химических свойств и реакционной способности в ряду замещенных 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1 является актуальной задачей.

Цель работы - систематизация данных о строении, физико-химических свойствах и реакционной способности в реакциях нуклеофильного присоединения ряда 1,5-дизамещенных пентен-2-ин-4-онов-1.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- синтезировать представительный ряд замещенных 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1;

-изучить строение 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1;

- изучить реакции 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1 с нуклеофильными реагентами.

Научная новизна. Установлено, что 1,5-диарилпентен-2-ин-4-оны-1 в растворе и в кристаллическом состоянии находятся в виде Е-$,-цис-конформеров.

На основании индексов реакционной способности, вычисленных функционалом ВЗР\У91/6-31 в (<1,р), показано, что природа заместителей в арильных кольцах 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1 преимущественно не оказывает влияния на региоселективность присоединения нуклеофила.

Направление присоединения к 1,5.-диарилпентен-2-ин-4-онам-1 определяется природой нуклеофильного реагента: присоединение 2,4-

динитрофенилгидразина происходит по первому, пиперазина и бензилтиол - по третьему, а морфолина - по пятому углеродному атому.

Найдены корреляционные зависимости между квантово-химическими характеристиками и потенциалами полуволн полярографического восстановления в ряду 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1.

Практическая значимость. На основе 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1 разработаны методики синтеза 1,5-диарил-3-бензилтиопентин-4-онов-1, 1,5-диарил-5-морфолинопентадиен-2,4-онов-1 и Н,>Г-ди-3-(1,5-диарилпентин-4-он-1-ил)пиперазинов. Полученные в работе данные могут быть использованы при синтезе противогрибковых средств и средств защиты растений на основе винилацетиленовых кетонов.

Апробация работы. Основные положения работы отражены в двух докладах на XXV Юбилейной международной научно-технической конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии», г. Уфа, 6-8 декабря 2011 г.; и в докладе на III Международной молодежной научно-практической конференции «Коршуновские чтения», г. Тольятти, 26-28 сентября 2012 г.

Публикация результатов. По теме диссертации опубликовано 5 работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы и трех приложений. В первой главе представлен обзор литературных данных по методам синтеза й химическим превращениям винилацетиленовых кетонов ароматического ряда. Во второй главе сформулированы цель и задачи исследования, приведены и обсуждены спектральные характеристики, строение и данные полярографического восстановления 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1. Проведена корреляция потенциалов первой полуволны полярографического восстановления с квантово-химическими дескрипторами (ЕНсмсь глобальной и локальной электрофильностью). Изучены реакции с бензилмеркаптаном, морфолином, пиперазином и 2,4-динитрофенилгидразином. В третьей главе описаны методики синтеза винилацетиленовых кетонов и продуктов на их основе. Приведены методики исследования полярографического восстановления и квантово-химических расчетов, условия получения спектральных характеристик.

Работа изложена на 121 странице машинописного текста, содержит 15 таблиц, 28 рисунков и 3 приложения, литературный список включает 142 библиографических источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Синтез 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1

Объектами исследования в настоящей работе были замещенные 1,5-диарилпентен-2-ин-4-оны-1 (HI). Соединения Ilia - IIIp получали по Кляйзену-Шмидту конденсацией замещенных ацетофенонов (Ia-Ii) или 2-

ацетилфурана (lo) с фенилпропиоловыми альдегидами (IIa, IIb, Ilh) в водно-спиртовой среде при температуре 0-4 °С в присутствии NaOH. Соотношение этиловый спирт : вода подбиралось таким образом, чтобы выделяющийся в ходе реакции малорастворимый кетон III выпадал в осадок. В результате достигались хорошие выходы (50-90%) и достаточная чистота продуктов. Конденсация замещенных в ^-положении ацетофенонов (Х= З-ВгСбКЦ, 3-NH2C6H4) с II сопровождалась сильным осмолением, в результате чего выход кетонов Illg и lili составлял лишь 10-30%.

-н2о

Ia-Ii, lo

IIa, IIb, Ilh

ГОа-IIIp

где Y= H; X= C6H5 (Illa), 4-СН3СбН4 (Illb), 4-/-C3H7C6H4 (IIIc), 4-CH3OC6H4 (Illd), 4-C2H5OC6H4(IIIe), 4-С1С6Н4 (Illf), 3-BrC6H4 (Illg), 4-BrC6H4 (Illh), 3-NH2C6H4 (lili), 2-фурил (IIIo). Y= CH3; X= C6H5(IIIj), 4-CH3C6H4 (IUI), 4-ClC6H4 (Illm).

Y= Br; X= C6H5 (Illk), 4-BrC6H4 (Illn), 2-фурил (IIIp) Кетоны III представляют собой кристаллические соединения светло-желтого цвета, хорошо растворимые в бензоле, диэтиловом эфире и хлороформе. Их чистота подтверждена методами ТСХ и ГЖХ, а структура — спектроскопией ЯМР *Н, ЯМР 13С, ИК и УФ, для кетонов Illa, Ше и Шк структура подтверждена РСА.

С целью сравнения характеристик полярографического восстановления аналогичным способом из ацетофенонов и £-коричного альдегида были получены 1,5-диарилпентадиен-2,4-оны-1 (IV). о

онс

NaOH

la, le, If, Ih, Iq

IVa, IVe, IVf, IVh, IVq

где X= C6H5 (IVa), 4-C2H5OC6H4 (IVe), 4-ClC6H4 (IVf), 4-BrC6H4 (IVh), 3-N02C6H4(IVq)

2. Спектральные характеристики и строение 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1

Дублетные сигналы винильных протонов в спектрах ЯМР 'Н кетонов III лежат в области 7.09-7.14 м.д. и 7.27-7.46 м.д. Величины КССВ J= 15.1-15.8 Гц однозначно свидетельствуют о том, что данные соединения имеют Е-конфигурацию связи С=С. О ^-конфигурации говорит и наличие полос внеплоскостных (990, 960 см-1) деформационных колебаний атомов водорода при двойной связи в ИК спектрах кетонов 1П. Для а,Р-ненасыщенных кетонов

характерным является %-цис- - s-wpaí/c-конформационное равновесие, которое

Данные рентгеноструктурного анализа кетонов Illa, Ше и 1Пк (рис. 1) показывают, что в кристаллическом состоянии они имеют E-s-цис-конфигурацию. Для изучения конформационного равновесия III в растворе нами привлечены данные ИК- спектроскопии. Валентные колебания С=0-группы проявляются в виде одиночной симметричной полосы в области 16671659 см'1. Синглетность полосы характерна как для растворов (ССЦ и СНС13), так и для твердой фазы (таблетка KBr) III. Величины vc=o при этом соответствуют s-г/ис-конформеру. Таким образом, на основании данных спектроскопии ЯМР 'Н, ИК, а также РСА можно сделать вывод, что кетоны III в растворе и в кристаллической фазе, находятся исключительно в виде E-s-цис-конформеров. Причиной этого очевидно является взаимное отталкивание атомов водорода, находящихся в о-положении арильного кольца X и р-положении винильной связи Е-з-тяранс-конформера. Существование E-s-транс-конформера подразумевает потерю планарности и выход системы из взаимного сопряжения, что энергетически невыгодно. Исключение составляют кетоны Illg и Шп, для которых возможно конформационное равновесие.

Значения vq=o кетонов III чувствительны к электронному влиянию заместителей, вводимых в арильные кольца. При этом существует приблизительная корреляция между сдвигами vc-o и константами заместителей Окамото - Брауна (а+) в арильном кольце (X):

Avc-o=8.9a+(r~0.89) Валентные колебания тройной связи Ш проявляются в виде полосы малой интенсивности в области 2196-2198 см" . Положение этой полосы малочувствительно к влиянию заместителей и растворителя (ССЦ, СНС13). Сравнение областей ацетиленового поглощения кетонов III и 1,5-диарилпентен-1-ин-4-онов-3 показало, что в молекулах III тройная, двойная

связи и карбонильная группа принимают большее участие во взаимном сопряжении.

Для некоторых кетонов III нами изучены масс-спектры электронного удара при стандартной энергии ионизации 70 эВ. Для соединений Illa, Illb и lile наиболее интенсивным в масс-спектре является пик молекулярного иона. Среди осколочных наибольшую интенсивность имеют ионы, образующиеся в результате элиминирования иона с массой [NT' - 29] (miz 203 для П1а, miz 217 для ШЬ и miz 247 для lile). Их интенсивность в этих случаях достигает 52-88% от Другими наиболее характерными осколочными ионами являются

[СбН5С=ССН=СНСО]+ 0miz 155), [СбН4СОСН=СНС=СС6Н5]+ (miz 231),

образующиеся в результате отрыва' заместителей из четвертого положения бензоильной части 1,5-диарилпентен-2-ин-4-она-1 и [СбН5С=ССН=СН]+ (miz 127), образующийся в результате элиминирования ацетофенонового фрагмента.

УФ-спектры соединений III типичны для а,р-непредельных кетонов. Они содержат 2-3 максимума, а также, в некоторых случаях, «плечевое» поглощение. Длинноволновая уширенная полоса при = 328-342 нм претерпевает батохромный сдвиг при замене этанола на гептан, что соответствует я—>7с*-электронному переходу.

2.1. Протоноакцепторная активность винилацетиленовых кетонов

Для определения относительной основности кетонов III нами изучено смещение полосы валентных колебаний Av0n при Н-комплексообразовании с фенолом. Полученные нами данные приведены в таблице 1. В случае варьирования заместителей в бензольном кольце (X) молекулы III между сдвигами Avoh и с константами Окамото-Брауна (а+) существует хорошая корреляция (рис. 2):

)gAu* Av* = _0 л l£7+ = a98g)

А У он

,н

он

200 г

0nig

*-'......... 1 1 1 '140 ...............

-0.7 -0.5 -0.3 -0.1 0.1 0.3 0.5

Рис. 2. Корреляция сдвига полосы валентных колебаний фенола ( ) с константами Окамото — Брауна

Наличие линейной корреляции между Ду0н и свидетельствует о прямом полярном сопряжении СО-группы с заместителями в арильном кольце X соединений Ш. Пользуясь известным уравнениемрК-ш* =0.039хДуоя -13.23

[1] определены рКвн* полученных соединений (таблица 1).

В ряду III основность удовлетворительно коррелируется (г = 0.955) с зарядом на атоме кислорода карбонильной группы (таблица 1), вычисленным квантово-химическим методом в базисе натуральных орбиталей ВЗР>У91/6-ЗЮ (¿.Р)-

Таблица 1. Сдвиги Ду0н при Н-комплексообразовании кетонов Ш с фенолом (растворитель - ССЦ) и заряд на атоме кислорода карбонильной

№ Уон, см'1 Д^он» см'х Чс-о № У0н, см'1 ДУОН, см 1 Яоо

Ша 3446 165 6.80 0.561 щ 3437 174 6.44 0.561

ШЬ 3438 173 6.48 0.563 1Пк 3440 171 6.56 0.559

Шс 3436 175 6.41 0.563 1111 3425 186 5.98 0.572

ПЫ 3412 199 5.47 0.570 П1ш 3449 162 6.91 0.561

Ше 3422 189 5.86 0.571 Шп 3451 160 6.99 0.558

1Ш 3452 159 7.03 0.560 Шо 3410 201 5.39 0.558

III щ 3460 151 7.34 0.556 Шр 3411 200 5.43 0.556

ШЬ 3460 151 7.34 0.560

-погрешность определения -рКт, составляет7-11%

3. Полярографическое восстановление 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1

Для оценки реакционной способности кетонов III, нами было изучено их полярографическое восстановление, которое может рассматриваться как простейшая модель Ас1м-реакции. -Полярографическое восстановление III проводилась при различных рН (буфер Бриттона-Робинсона, рН=1.8-9.0), а также на фоне (Г-Ви)4ЫС104 (таблица 2). В зависимости от рН среды восстановление изучаемых кетонов протекает в две или три стадии.

Таблица 2. Потенциалы полуволн (~Еу, В), соответствующие первой

стадии восстановления кетонов III и IV на фоне (/-Ви^МСЮ^

№ -Е/2,В № -Еуг,В № -Еуг,В № -Еуг,В

Ша 0.752 1Ш 0.718 1П1 0.773 1Уа 0.881

ШЬ 0.770 ШЬ 0.713 Шш 0.732 1Уе 0.915

Шс 0.758 пп 0.763 Шп 0.679 т 0.807

ПИ 0.802 Ш) 0.769 Шо 0.780 1УЬ 0.761

Ше 0.788 Шк 0.696 Шр 0.735 1Уя 0.523

' Коршунов С.П. Ас^|-реакции ненасыщенных кетонов: Дис. в виде научного доклада докт. хим. наук. Тольятти, 1997. 72 с.

Потенциалы первой стадии восстановления коррелируются с константами Гаммета:

для кетонов Ш Еуг = 0.144сг-0.748 (г = 0.946) для кетонов IV Еуг = - 0.857 (г = 0.977)

4. Квантово-химическое изучение строения и реакционной способности 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1

Для квантово-химических расчетов использован функционал B3PW91/6-31G (d,p). Согласно расчетным данным для кетона Illa местом атаки нуклеофильного реагента могут являться три реакционных центра Q, Сз и С5 со значениями локальной электрофильности 0.257, 0.305 и 0.331 соответственно. При этом для С2 величина значительно меньше, чем для С] (&>;= 0.100), а для С4 она имеет отрицательное значение (а>* = — 0.048), что свидетельствует о дезактивации этого центра для нуклеофильной атаки.

В виду близких значений локальной электрофильности на атомах С3 и С5 нами было сделано предположение, что введение одного заместителя в одно из ароматических колец Ша может изменить место нуклеофильной атаки. Для проверки данного предположения были произведены расчеты двух рядов монозамещенных кетонов III. Серия А имеет заместители R(, а серия Б -заместители R2. Квантово-химический расчет произведен для 77 соединений, рассчитанные молекулярные индексы для синтезированных кетонов приведены в таблице 3.

Введение одного заместителя существенно не меняет распределения электронной плотности в пентаде относительно кетона Ша. Рассчитанные значения локальной электрофильности для нуклеофильной атаки {col) для синтезированных кетонов приведены в таблице 4.

Из полученных данных следует, что закономерность убывания значений локальной электрофильности для нуклеофильной атаки в ряду С5 > С3 > Q соединения Illa остается и при введении одного заместителя. Направление нуклеофильной атаки в Ас1м-реакциях с кетонами III будет зависеть не столько от природы и положения заместителя в арильном кольце, сколько от природы нуклеофильного агента.

В рядах соединений III и IV наблюдаются корреляции между потенциалами первой полуволны и квантово-химическими дескрипторами: энергией НСМО (уравнение 1), глобальной (уравнение 2) и локальной (уравнение 3) электрофильностями. Параметры регрессии общего вида уравнений 1-3 = ах + b приведены в таблице 5.

№ 1Р ^ВЗМО ЕА ¿немо И Л со Дю' И.Д

Ша 6.202 2.463 4.332 3.740 2.510 - 3.460

ШЬ 6.154 2.393 4.273 3.760 2.428 -0.082 3.450

Шс 6.154 2.396 4.275 3.758 2.431 - 0.079 3.535

Шс1 6.081 2.307 4.194 3.773 2.331 -0.179 2.634

Ше 6.065 2.289 4.177 3.775 2.311 -0.199 2.897

ПК 6.301 2.612 4.456 3.689 2.692 0.182 4.053

6.304 2.630 4.467 3.674 2.716 0.206 2.508

1ПЬ 6.298 2.614 4.456 3.684 2.695 0.185 4.001

1111 5.529 .2.315 3.922 3.213 2.394 -0.116 2.268

ПИ 6.060 2.396 4.228 3.664 2.440 -0.070 4.077

Шк 6.270 2.600 4.435 3.670 2.680 0.170 2.559

1П1 6.012 2.403 4.208 3.609 2.453 -0.057 4.060

Шш 6.155 2.539 4.347 3.616 2.613 0.103 4.857

Шп 6.361 2.739 4.550 3.622 2.858 0.348 2.211

Шо 6.152 2.421 4.287 3.732 2.462 -0.048 3.329

П1р 6.227 2.562 4.394 3.664 2.635 0.125 2.870

1Уа 6.009 2.361 4.185 3.648 2.401 -0.109 3.307

IV е 5.885 2.210 4.048 3.675 2.228 -0.282 2.296

ГО 6.111 2.505 4.308 3.606 2.573 0.063 4.277

1УЬ 6.109 2.509 4.309 3.600 2.579 0.069 4.218

1Уч 6.284 2.834 4.559 3.450 3.012 0.611 8.877

и = -

- здесь Аса -£-1,5-дифенилпентен-2-ин-4

изменение она-1.

Ц = 1Р

глобального

- ЕА; со

индекса э.

ш 2Л

лектрофильности

относительно

Таблица 4. Величины а>\ кетонов III и IV, эВ

№ с, С3 с5 № с, С3 с5

Ша 0.257 0.305 0.331 1111 0.258 0.302 0.327

1ПЬ 0.245 0.289 0.315 Шш 0.273 0.326 0.351

Шс 0.247 0.289 0.314 1Пп 0.283 0.329 0.357

ИМ 0.223 0.271 0.299 Шо 0.241 0.298 0.328

Ше 0.221 0.268 0.295 Шр 0.237 0.293 0.326

ПИ 0.282 0.333 0.357 1Уа 0.225 0.209 0.274

Шв 0.292 0.341 0.363 1Уе 0.196 0.181 0.247

ШЬ 0.284 0.333 0.356 ГО 0.249 0.233 0.294

ПК 0.240 0.282 0:302 Шг 0.251 0.234 0.292

П« 0.249 0.299 0.327 0.237 0.254 0.310

Шк 0.255 0.300 0.331

Таблица 5. Параметры регрессии уравнений 1-3 для соединений III (при Y = Н) и IV ___

Параметры регрессии Уравнение 1 (х = Енсмо) Уравнение 2 (х = го) Уравнение 3

III IV III IV С,III C3III С3П1

а - 0.223 - 0.652 0.200 0.391 1.276 1.171 1.181

-Ь 1.298 2.396 1.253 1.798 1.077 1.105 1.137

г 0.940 0.975 0.965 0.991 0.980 0.964 0.940

Для кетонов IV между Е1/2 первой волны и локальной электрофильностью корреляции не наблюдается. Причиной этого вероятно является сложный характер участия рассматриваемых локальных центров в полярографическом восстановлении. Таким образом, результаты квантово-химических расчетов кетонов III серии А в целом хорошо коррелируют с данными полярографического восстановления. Ввиду близкого влияния заместителей в сериях А и Б, можно предположить, что полученные корреляции квантово-химических дескрипторов с потенциалами первой полуволны для серии А будут сохраняться и для серии Б, а также для дизамещенных кетонов. Основываясь на данных корреляциях, нами был выполнен расчет потенциалов первой полуволны для синтезированных кетонов. Полученные результаты представлены в таблице 6. Из этих данных можно сделать вывод, что корреляции потенциала первой полуволны от Енсмо > найденная для серии А, с достаточной достоверностью может быть использована для предсказания потенциалов восстановления кетонов серии Б, а также дизамещенных кетонов.

Таблица 6. Расчетные и экспериментальные значения потенциалов первой полуволны (- Ещ, В) восстановления кетонов III__

№ X Y Расчет Е\а по корреляции с расчетными величинами Эксперимент

Енсмо CD сок+для атомов

С, ■ С3 с5

Illj С6н5 СН3 0.764 0.765 0.759 0.755 0.751 0.769

П1к С6н5 Вг 0.718 0.717 0.751 0.753 0.746 0.696

Ш1 4-СН3С6Н4 СН, 0.763 0.762 0.748 0.751 0.751 0.773

Ulm 4-С1С6Н4 СН, 0.732 0.730 0.728 0.751 0.722 0.732

Hin 4-ВгС6Н4 Вг 0.688 0.681 0.715 0.720 0.716 0.679

Шо 2-Фурил Н 0.759 0.760 0.769 0.756 0.760 0.780

Шр 2-Фурил Вг 0.727 0.726 0.774 0.762 0.752 0.735

5. Синтезы на основе 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1

Исходя из данных квантово-химических расчетов следует ожидать, что наиболее активными электрофильными центрами в молекулах 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1 будут первый, третий и пятый атомы углерода

пентады. Направление атаки нуклеофильного реагента по этим трем реакционным центрам, в первую очередь, будет определяться природой нуклеофила. Для выявления факторов, определяющих направление нуклеофильного присоединения к 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онам-1, нами изучены их реакции с Б- и КГ-нуклеофилами.

5.1. Реакция 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1 с в-нуклеофилами

Реакцию с бензилтиолом проводили в 95%-ном этаноле в присутствии каталитических количеств триэтиламина. Реакция завершается через 30-40 минут при комнатной температуре с . образованием бесцветных кристаллических кетосульфидов V, выход которых составляет 60-90%. Независимо от соотношения бензилтиол : кетон III происходит присоединение одной молекулы реагента.

шя, шь, mf, nih, mi, шо

Va, Vb, Vf, Vh, VI, Vo

где Y= H; X= C6H5 (Va), 4-CH3C6H4 (Vb), 4-ClC6H4 (Vf), 4-BrC6H4 (Vh), 2-фурил (Vo).

Y= CH3; X= 4-CH3C6H4 (VI).

При этом кетоны III, содержащие электроноакцепторные заместители (Vf, Vh), дают большие выходы (90%), чем кетоны с электронодонорными заместителями (Vb, VI) выход которых составляет — 64-75%.

В спектрах ЯМР *Н соединений V присутствуют два дублета дублетных при 3.25-3.48 м.д. (J= 16.9, 6.2-6.3 Гц) и 3.43-3.62 м.д. (/= 16.8-17.4, 7.8-8.0 Гц), соответствующих паре диастереотопных протонов На и Нь. Протон метановой группы Не дает дублет дублетов при 4.18-4.35 м.д. (J= 7.6-7.7, 6.3-6.4 Гц), а протоны На и Не бензильного фрагмента — два дублетных сигнала в областях 3.99-4.02 м.д. (J= 13.3 Гц) и 4.03-4.08 м.д. (J = 13.3-13.7 Гц). Сигналы, соответствующие протонам двойной связи, отсутствуют. В спектрах ЯМР 13С имеются сигналы атомов углерода тройной связи (84.1-88.6 и 87.8-89.5 м.д.) и карбонильной группы (185.0-195.9 м.д.). Алкильные атомы углерода дают сигналы при 30.5-30.6, 35.3-36.1 и 43.9-44.2 м.д. В УФ-спектрах продуктов отсутствует максимум, характерный для а,р-ненасыщенных кетонов (>.тах = 330-370 нм), а в ИК-спектрах полоса vc=o смещена относительно субстрата в область 1690-1685 см-1. Эти данные указывают на то, что в молекуле аддуктов V карбонильная группа находится в

сопряжении только с арильным кольцом. Существенной особенностью ИК-спектров соединений V является отсутствие полос Ус=с, которые должны проявляться в области 2260-2190 см-1, что объясняется высокой выравненностью связи (сигналы соответствующих углеродов проявляются в спектрах ЯМР ПС).

Данные РСА (рис. 3) однозначно доказывают строение адцуктов V 1,5-диарил-3-бензилтиопентин-4-онов-1.

Переходное состояние для данной реакции, предположительно, по своей структуре сходно с переходным состоянием процесса нуклеофильного тиилирования

халконов. Для изучаемых кетонов III оно может быть представлено следующей схемой:

Рис. 3. Строение 1,5-дифенил-З-бензилтиопентин-4-она-1 (Уа) по данным РСА

Селективность присоединения объясняется более высокой поляризуемостью, большей мягкостью и склонностью двойной связи к электрофильным процессам, чем тройной. Полного разделения зарядов в системе (С2Н5)зНЫ+.. ."8СН2РЬ и образования сольватированных ионов, вероятно, не происходит, что подтверждается образованием продукта 1,2-присоединния, а не смеси продуктов 1,2- и 1,4-присоединения. Согласно литературным данным реакция протекает как синхронный процесс, а переходное состояние имеет цвиттерионный характер.

В аналогичных условиях происходит присоединение к кетонам III тиофенолов, однако реакция протекает при этом по тройной связи.

та, 111Ь. 111(1,1ПГ

VI», VIЬ, ум, У1Г, VII'. \1я

где Ъ= Вг; Х= С6Н5 У= Н (У1а), Х=4-СН3С6Н4 У= Н (У1Ь), Х=4-СН3ОСбН4 У= Н (УИ), У= Н Х=4-С1С6Н4 (VII). Н; Х=4-С1С6Н4 У=Н (У1г). Ъ= СН3; Х=4-С1С6Н4 У=Н (УЬ).

Выход аддуктов VI в зависимости от природы заместителей X, Y и Z составляет 43-83%. Согласно данным спектроскопии ЯМР ]Н диеновые кетоны VI представляют собой смесь EJS и E,Z-изомеров. Для E,Z-изомера характерно наличие двух дублетных сигналов при 6.97-7.05 м.д. (J11.2-11.5 Гц) и 7.05-7.10 м.д. (J 11.2-11.5 Гц), соответствующих протонам Нс и На, а также дублета дублетов при 8.20-8.29 м.д. (J 11.211.5, 14.9-14.4 Гц), относящегося к протону Нь (таблица 7). В спектрах ЯМР Н £Д-изомеров винильные протоны Не и На дают дублеты при 6.19-6.29 м.д. {J 11.7 Гц) и 6.74-6.88 м.д., протон Нь при этом попадает в область сигналов арильных протонов и перекрывается ими. Соотношение ЕД!Е,1 в CDC13 составляет 1 : (1.52.7); соединения Vid и Vis присутствуют в растворе в виде чистых .E,Z-H30Mep0B.

Рис. 4. Строение £,2-1-(4-хлорфенил)-5-фенил-5-фенилтио-2,4-пентадиенон-1 (VIr) по данным РСА

Таблица 7. Данные спектров ЯМР 'Н диеновых кетосульфидов VI (8, м.д., J, Гц)

№ E,Z- изомер Д£-изомер Е,Е: E,Z

Ha Hb He На Не

IVa перекрыт 8.23, 11.2, 15.1 перекрыт 6.84, 14.9 6.28, 11.7 1 :1.5

IV6 7.20, 14.9 8.22, 11.1, 15.0 7.04, 11.7 6.88, 14.9 6.29, 11.7 1 :2.7

IVr 7.12, 14.9 8.27, 11.2, 15.0 7.02, 11.2 6.74, 14.7 6.19, 11.7 1 :2.4

IVe 7.14, 15.1 8.23, 11.1, 15.0 перекрыт 6.81, 14.7 6.24, 11.7 1 :2.2

По данным РСА и ИК спектроскопии (одна полоса vc=o) соединения VI в кристаллической фазе существуют в виде индивидуальных E,Z-изомеров.

5.2. Реакция 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1 с аминами

Выбор циклических аминов в качестве реагентов обусловлен наличием их фрагментов в составе многих лекарственных средств. Винилацетиленовые кетоны III вводили в реакцию с морфолином при различном мольном соотношении (1 : (1-4)) и непродолжительном нагревании (1-2 часа) в спирте.

mb,iiie,mf,mh

VHb, Vlle, Vllf, VUh

где Y= H; X= 4-CH3C6H4 (Vllb), 4-C2H5OC6H4 (Vlle), 4-ClC6H4 (Vllf), 4-BrC6H4 (Vllh)

В МеОН и ЕЮН взаимодействие с морфолином протекает достаточно легко, продукты образуются с выходом 53-91%, причем скорость присоединения заметно возрастает при X = 4-С1СбН4 и 4-ВгСвН4. В гексане и бензоле реакция практически не идет. Образуются кристаллические вещества интенсивно-оранжевого цвета.

Согласно данным элементного анализа продуктов, независимо от мольного соотношения реагентов происходит присоединение одной молекулы морфолина к кетону III. Образование продуктов большей стехиометрии не происходит даже при длительном кипячении с избытком морфолина (данные ГЖХ).

В ИК спектрах аддуктов VII отсутствует voc и происходит смещение vc=o в область меньших частот (1646-1641 см"1). В УФ-спектрах же появляется интенсивный максимум в области 404-422 нм (ё х 10~3= 17.2-37.7 в ЕЮН). Таким образом, ИК- и УФ- спектры свидетельствуют о наличии в молекулах продуктов сопряженной системы кратных связей.

В спектрах ЯМР 'Н соединений VII присутствуют сигналы СНг-групп

морфолинового цикла в области 3.08- 66 í СН2 3.72-3.73

3.13 м.д. и 3.72-3.73 м.д. Сигналы Н2С48.7 ^СН2з.08-злз

протонов при двойных связях проявляются в виде двух дублетов в области 5.73-5.72 м.д. и 6.79-6.70 м.д. (J = 11.6-11.9 Гц и 14.0-14.4 Гц, соответственно), что свидетельствует о 6.70-6.79

присутствии двух различных двойных связей в молекуле.

Спектр ЯМР ,3С соединения Vllh подтверждает структуру продукта присоединения по тройной связи - 1-(4-бромфенил)-5-морфолино-5-фенилпентадиен-2,4-она-1. Сигналы атомов углерода морфолинового кольца дают два сигнала при 48.7 и 66.6 м.д. Сигналы, соответствующие атомам углерода двойных связей, проявляются при 103.0, 116.6, 147.1, и 161.4 м.д.

Таким образом, «возмущающее» действие карбонильной группы не ограничивается соседней кратной связью, а распространяется на винилацетиленовую пентаду в целом. Экспериментальные данные подтверждают правильность заключений, сделанных на основе величин квантово-химических дескрипторов. Варьирование заместителей X и Y не приводит к изменению направления нуклеофильной атаки морфолина - во всех случаях образуются лишь продукты присоединения по тройной связи. '

Реакция III с пиперазином протекает при 3-5 минутном нагревании в спирте. Продукты представляют собой мелкокристаллические бесцветные соединения. Элементный анализ продуктов показал, что даже будучи взятым в двукратном избытке по отношению к кетону, пиперазин присоединяется к двум молекулам кетона. Неожиданным оказалось и то, что присоединение идет по двойной связи. Это следует из спектральных характеристик продуктов.

Ша, ШЬ, IUd, Jllh, IIIJ

Villa, Vnib, Vind, Vlllh, VHIj

где Y= H; X= C6H5 (Villa), 4-СН-АНЦ (Vlllb), 4-CH3OC6H4 (Vllld), 4-BrC6H4 (Vinh).

Y=CH3;X=C6H5(VIIIj).

В ИК-спектре аддукта Villa Vc-o смещается до 1684 см4, что соответствует сопряжению с арильным кольцом. В спектрах ЯМР 'Н сигналы метиленовых протонов появляются в виде двух дублетов дублетов при 3.34 м.д. (J= 15.9, 5.5 Гц) и 3.44 м.д. (/= 15.9, 8.2 Гц), сигнал метанового протона представлен в виде плохо разрешенного дублета дублетов при 4.35 м.д. Сигнал протонов пиперазинового цикла проявляются одним мультиплетным сигналом при 2.75 м.д. Равнозначность протонов пиперазинового цикла и их соотношение с другими протонами в спектре свидетельствует о присоединение к одной молекуле пиперазина двух молекул кетона III, что также подтверждается отсутствием сигнала аминного протона.

В спектре ЯМР 13С присутствуют сигналы атомов углерода СО-группы (196.9 м.д.), СН2-группы (21.7 м.д.). По спектру HMQC (рис. 4) было установлено, что четырем атомам углеродам пиперазинового цикла соответствует уширенный сигнал при 49.7 м.д. Таким образом, спектральные данные подтверждают структуру ]М,М'-ди-3-(1,5-диаршшентин-4-он-1-ил)пиперазинов (Vni).

Морфолин и пиперазин имеют сравнимую нуклеофильность и близкие значения константы основности (рКа 8.33 и 9.83 соответственно). Их структуры тоже сходны - оба они находятся преимущественно в кресловидной конформации и поэтому различие в направлении присоединения к кетонам Ш нельзя объяснять изменением нуклеофильности реагента. Между тем известно, что в растворе между винилацетиленовыми карбонильными соединениями и аминами образуются водородные связи:

R R"

\ / N—Н—0=С

—... тг

~6Г

1шГ "ТОО

таг

160

"Тво

8, м. д.

Рис. 5. Двумерный спектр ЯМР НМС^С Ы,Ы'-ди-3-[1-(4-метилфенил)-5-фенилпентин-4-он-1-ил]пиперазина (УШЬ)

Образование водородной связи между пиперазином и двумя молекулами кетона III приводит к структуре, в которой атом азота пиперазина слишком удален от пятого углеродного атома винилацетиленовой пентады -электрофильного центра при тройной связи:

Поэтому пиперазин атакует находящийся поблизости электрофильный центр при двойной связи. Тройная связь «выключается» из сопряжения с карбонильной группой и деактивируется по отношению к нуклеофильным реагентам. На последней стадии образуется енол (О), который перегруппировывается в бис-кетон (Б) (енолы неустойчивы и легко претерпевают это превращение). Водородная связь, возникающая между атомами водорода №1-группы пиперазина и карбонилом в предреакционном состоянии (А), увеличивает электрофильность кетона III.

Данная схема объясняет направленность процесса присоединения пиперазина и образование бис-аддукта.

5.3. Реакция 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1 с 2,4-динитрофенилгидразином

Кетоны III и IV в метанольном растворе в присутствии HCl гладко реагируют с 2,4-динитрофенилгидразином, в результате чего с высокими выходами образуются соответствующие 2,4-динитрофенилгидразоны:

где У= Н; Х= С6Н5 (1Ха), 4-СН3С6Н4 (1ХЬ), 4-СН3ОС6Н4 (1Хс1), 4-ВгС6Н4 (ЕХЬ), У=

СН3;Х=С6Н5(Щ).

Гидразоны IX - кристаллические вещества ярко-красного или красно-оранжевого цвета, плохо растворимые в этаноле. В ИК-спектрах соединений IX вместо полосы Ус=о (1660 см'1) появляется полоса (1615 см"1), положение ус=с сохраняется. В спектрах ЯМР 'Н IX имеются два дублетных сигнала

винильных протонов при 6.43 м.д. (715.9-16.3 Гц) и 7.07-7.09 м.д. (J 15.9-16.3 Гц), синглетный сигнал NH-группы при 11.65-11.68 м.д. Полученные спектральные данные подтверждают структуру продуктов реакции - 2,4-динитрофенилгидразонов 1,5-диарилпентен-2-ин- h.ss-ÍÜm-n S43 4-oHOB-l. Циклизации гидразонов в - пиразолины- J-ч не происходит даже при длительном их х § с%с кипячении в ледяной уксусной кислоте. 7°7"71>9

Таким образом, нами были получены продукты реакций III по трем реакционным центрам - тройной связи, двойной связи и карбонильной группе. Показано, что во всех случаях реакции протекают региоселективно. Заместители в арильных кольцах не оказывают влияния на направление атаки нуклеофила, что согласуется с данными квантово-химических расчетов. Направление нуклеофильной атаки определяется природой реагента.

Для синтезированных веществ нами была произведена оценка вероятности проявления биологической активности с использованием программы PASS online. Согласно данным расчета для соединений 1Па-1Пт, IVa, Día, IXb, IXd, IXh, IX] наиболее вероятно проявление свойств агониста апоптоза (apoptosis agonist), а для IVa, IVh, Vllb, Vile, Vllh, Vllk, Vlln наиболее вероятно противоопухолевое действие (antineoplastic).

ВЫВОДЫ

1. Конденсацией Кляйзена-Шмидта арилпропиоловых альдегидов с ароматическими кетонами синтезирован ряд 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1. Методами PC А, ИК- и ЯМР !Н спектроскопии показано, что данные соединения в кристаллической фазе и в растворе находятся в виде E-s-цис-конформеров,

2. На основании индексов реакционной способности, вычисленных функционалом B3PW91/6-31G (d,p), показано, что природа заместителей в бензольных колецах 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1 не оказывает влияния на региоселективность присоединения нуклеофилов, что также подтверждено синтетическими данными.

3. Установлено, что полярографическое восстановление 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1 по механизму аналогично восстановлению халконов и 1,3-диарилпропин-3-онов. Потенциалы полуволн хорошо коррелируются с квантово-химическими дескрипторами (Енсмо. глобальной и локальной электрофильностыо).

4. Изучены реакции 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1 с морфолином и пиперазином. Присоединение морфолина протекает региоселективно по тройной связи, в результате чего образуются 1,5-диарил-5-М-морфолинопентадиен-2,4-оны-1. Реакция с пиперазином приводит к образованию бис-аддуктов по двойной связи - >1,М'-ди-3-(1,5-диарилпентин-4-он-1 -ил)пиперазинов.

5. Изучено взаимодействие 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1 с бензилмеркаптаном и тиофенолами в присутствии триэтиламина. Методами ЯМР 'Н и ЯМР 13С показано, что продуктами реакции являются неописанные ранее 1,5-диарил-3-бензилтиопентин-4-оны-1 и 1,5-диарил-5-арилтио-2,4-пентадиеноны-1 соответственно.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Бекин В. В., Писарева В. С., Голованов А. А. Оценка электрофильности 1,5-диарилпент-2-ен-4-ин-1 -онов квантово-химическим методом // Баш. хим. ж. 2012. Т. 19. № 1. С. 130-135.

2. Бекин В. В., Писарева В. С., Голованов А. А. Некоторые аспекты полярографического восстановления 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1 // Баш. хим. ж. 2012. Т. 19. № з. с. 32-34.

3. Бекин В. В., Писарева В. С. Реакционная способность 1,5-диарилпент-2-ен-4-ин-1-онов // Материалы XXV юбилейной международной научно-" технической конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии». Уфа, 2011. С. 66-68.

4. Бекин В. В., Писарева В. С., Янгиров Т. А., Голованов А. А., Харитонова А. А. Синтез 1,5-диарилпент-2-ен-4-ин-1-онов // Материалы XXV юбилейной международной научно-технической конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии». Уфа, 2011. С. 90-91.

5. Бекин В. В., Писарева В. С., Голованов А. А., Докичев В. А., Латыпова Р. Д., Вологжанина А. В. Спектральные характеристики и строение 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1 // Сборник научных трудов III Международной молодежной научно-практической конференции «Коршуновские чтения». Тольятти, 2012. С. 42-47.

Отпечатано с разрешения диссертационного Совета Д 212.217.05 ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

Протокол № 14 от 28 мая 2013 г.

Подписано в печать 29.05.2013. Формат 60x84/16. Печать оперативная. Тираж 100 экз. Усл. п. л. 1,16. Заказ №3-324-13.

Издательство Тольяттинского государственного университета 445667, г. Тольятти, ул. Белорусская, 14

Текст научной работы диссертации и автореферата по химии, кандидата химических наук, Бекин, Вадим Владимирович, Самара

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ТОЛЬЯТТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

БЕКИН Вадим Владимирович

СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА И Ас^-РЕАКЦИИ 1,5-ДИАРИЛ ПЕНТЕН-2-ИН-4-ОНОВ-1

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата химических наук

Специальность 02.00.03 - Органическая химия

Научный руководитель: кандидат химических наук, доцент, Писарева В. С.

Самара - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.........................................................................................4

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................5

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР......................................................................................8

1.1. Строение 1,5-дизамещенных пентенинонов...............................................8

1.2. Реакции винил ацетиленовых кетонов.........................................................9

1.2.1. Реакции гидрирования, бромирования и гидробромирования.....12

1.2.2. Взаимодействие винилацетиленовых кетонов с монофункциональными нуклеофилами..........................................15

1.2.3. Взаимодействие винилацетиленовых кетонов с бифункциональными нуклеофилами..............................................17

1.2.4. Реакции внутримолекулярной гетероциклизации винилацетиленовых кетонов............................................................20

1.3. Синтез пентен-2-ин-4-онов-1.....................................................................21

2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ................................................................29

2.1. Синтез замещенных 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1............................29

2.2. Спектральные характеристики и строение 1,5-диарилпентен-2-ин-4-

онов-1..........................................................................................................31

2.2.1. Протоноакцепторная активность 1,5-диарилпентен-2-ин-4-

онов-1..................................................................................................44

2.3. Полярографическое восстановление 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1 47

2.4. Квантово-химическое изучение строения и реакционной способности

1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1..............................................................52

2.5. Синтезы на основе 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1 ..............................59

2.5.1. Реакция 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1 с Б-нуклеофилами......60

2.5.2. Реакции 1,5-дифенилпентен-2-ин-4-онов-1 с аминами.................71

2.5.3. Реакция 1,5-дифенилпентен-2-ин-4-онов-1 с

2,4-динитрофенилгидразином........................................................79

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.....................................................................81

3.1. Синтез винилацетиленовых и диеновых кетонов....................................83

3.1.1. Ацетильные производные................................................................83

3.1.2. Арилацетилены.................................................................................87

3.1.3. Арилпропаргиловые альдегиды....................................................89

3.1.4. Винилацетиленовые кетоны............................................................91

3.1.5. Диеновые кетоны..............................................................................97

3.2. Синтезы на основе винилацетиленовых кетонов....................................99

3.2.1. 1,5-Диарил-3-бензилтиопентин-4-оны-1........................................99

3.2.2. 1,5-Диарил-5-морфолинпентадиен-2,4-оны-1..............................102

3.2.3. КД\Г-ди-3-(1,5-диарилпентин-4-он-1-ил)пиперазины.................104

3.2.4. Динитрофенилгидразоны 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1......105

ВЫВОДЫ.................................................................................................................107

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................108

ПРИЛОЖЕНИЕ А...................................................................................................122

ПРИЛОЖЕНИЕ Б....................................................................................................125

ПРИЛОЖЕНИЕ В...................................................................................................157

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ВАК - винилацетиленовый кетон: ВАК-1 -пентен-2-ин-4-он-1 ВАК-3 -пентен-1 -ин-4-он-З ВАК-5 -пентен-1-ин-3-он-5

Евзмо - энергия высшей занятой молекулярной орбитали, эВ

Енсмо - энергия низшей свободной молекулярной орбитали, эВ

1Р - потенциал ионизации, эВ

ЕА - сродство к электрону, эВ

ц- химический потенциал, эВ

г| - химическая жесткость, эВ

со - глобальная электрофильность, эВ

сок+ - локальная электрофильность для нуклеофильной атаки, эВ ц - дипольный момент молекулы, Д

Еи — потенциал полуволны полярографического восстановления, В

о - константа Гаммета

о+ - константа Окамото - Брауна

рК - показатель константы протонизации основания

ВВЕДЕНИЕ

Винилацетиленовые кетоны ароматического ряда являются чрезвычайно интересным классом органических соединений. Наличие двойной, тройной связей, а также карбонильной группы делает винилацетиленовые кетоны весьма реакционноспособными соединениями и открывает широкие возможности их использования для синтеза самых различных соединений. Полученные на основе ениновых кетонов продукты нуклеофильного присоединения, относящиеся к гетероциклическому ряду (пиразолы, изоксазолы, пиримидины, флавоны, бензодиазепины и др.), имеют чрезвычайно широкий диапазон практического использования. Многие из них обладают биологической активностью и успешно используются в качестве эффективных антимикотиков, средств защиты растений, противораковых препаратов. Кроме того, некоторые ненасыщенные карбонильные соединения ароматического ряда проявляют противогрибковую и инсектицидную активность против тли.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- синтезировать представительный ряд замещенных 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1;

-изучить строение 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1;

- изучить реакции 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1 с нуклеофильными реагентами.

Научная новизна. Установлено, что 1,5-диарилпентен-2-ин-4-оны-1 в растворе и в кристаллическом состоянии находятся в виде Е-Б-цис-конформеров.

На основании индексов реакционной способности, вычисленных функционалом ВЗР\¥91/6-31 в (<1,р), показано, что природа заместителей в ар ильных кольцах 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1 преимущественно не оказывает влияния на региоселективность присоединения нуклеофила.

Направление присоединения к 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онам-1 определяется природой нуклеофильного реагента: присоединение 2,4-динитрофенилгидразина происходит по первому, пиперазина и бензилтиол -по третьему, а морфолина - по пятому углеродному атому.

диарилпентин-4-он-1-ил)пиперазинов. Полученные в работе данные могут быть использованы при синтезе противогрибковых средств и средств защиты растений на основе винилацетиленовых кетонов.

Апробация работы. Основные положения работы отражены в двух

докладах на XXV Юбилейной международной научно-технической

конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной

химии», г. Уфа, 6-8 декабря 2011 г.; и в докладе на III Международной молодежной научно-практической конференции «Коршуновские чтения», г. Тольятти, 26-28 сентября 2012 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы и трех приложений. В первой главе представлен обзор литературных данных по методам синтеза и химическим превращениям винилацетиленовых кетонов ароматического ряда. Во второй главе сформулированы цель и задачи исследования, приведены и обсуждены спектральные характеристики, строение и данные полярографического восстановления 1,5-диарилпентен-2-ин-4-онов-1. Проведена корреляция потенциалов первой полуволны полярографического восстановления с квантово-химическими дескрипторами (ЕНсмо> глобальной и локальной электрофильностью). Изучены реакции с бензилмеркаптаном, морфолином, пиперазином и 2,4-динитрофенилгидразином. В третьей главе описаны методики синтеза винилацетиленовых кетонов и продуктов на их основе. Приведены методики исследования полярографического восстановления и квантово-химических расчетов, условия получения спектральных характеристик.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Строение 1,5-дизамещенных пентенинонов

В молекулах 1,5-дизамещенных пентенинонов возможны три варианта взаимного расположения структурных фрагментов пентады - двойной, тройной связи и карбонильной группы, соответствующие пентен-2-ин-4-ону-1 (ВАК-1), пентен-1 -ин-4-ону-З (ВАК-3) и пентен-1-ин-3-ону-5 (ВАК-5):

ь> I Т

А ^г» 1 н Н2 Н Р2

ВАК-1 ВАК-3

.Ся ^ н

Ri X

Г)

;3spCKR ГЛ2

ВАК-5

где Ri и R2= Alk, Ar.

Различные сочетания структурных фрагментов в молекуле пентенинонов во многом определяют свойства и реакционную способность этого ряда соединений. Известно, что основность этих кетонов близка к основности халконов и выше, чем у соответствующих им 1,3-диарилпропин-2-ohob-I. Так, по данным [1] для 1,5-дифенилпентен-1-ин-4-она-3 рКВн+= 5.62, для 1,3-дифенилпропин-2-она-1 рКВн+= 6.51, и основность пентенинонов возрастает в ряду: ВАК-1 < ВАК-5 < ВАК-3 [1]. Введение электроноакцепторных заместителей в ароматические ядра приводит к снижению основности ВАК-3. Пентениноны более полярны, чем ацетиленовые кетоны (4.23 Д и 3.50 Д для 1,5-дифенилпентен-1-ин-4-она-3 и 1,3-дифенилпропин-2-она-1 соответственно). При этом, дипольные моменты

молекул ВАК-1, ВАК-3 и ВАК-5 практически одинаковы (4.22, 4.21 и 4.23 Д соответственно) [1].

Как и у всех этиленовых кетонов, полученных методом кротоновой конденсации, геометрия двойной связи ВАК-1 и ВАК-3 соответствует Е-конфигурации. В растворе ВАК-3 находится в виде смеси Е'-б-цис- и Е-б-транс-конформеров, преимущественно преобладает .Е-Б-транс-структура [2]. В твердом же состоянии, ВАК-3 находятся исключительно в ^-Б-транс-форме [2]. 1,5-Дифенилпентен-1-ин-4-он-3 является более полярным соединением, чем 1,3-дифенилпропин-2-он-1. Увеличение дипольного момента в данном случае, по всей видимости, объясняется преимущественным содержанием в смеси более полярного Я-з-транс-конформера [2].

Исключение в ряду ВАК-3 составляет кетон, имеющий метокси-группу в фенилацетиленовой части молекулы (Я2 = 4-МеОС6Н4), который находится преимущественно в ¿^-Б-цис-форме, однако причина этого неясна.

Строение ВАК-1 и ВАК-5 изучено в значительно меньшей степени. В литературе приведены лишь некоторые сведения по ИК- и ЯМР 'Н-спектрам отдельных ВАК-1 [3-5], не позволяющие достоверно судить о строении всего ряда.

1.2. Реакции винилацетиленовых кетонов

Винил ацетиленовые кетоны являются реакционноспособными соединениями. Продукты гетероциклического ряда, полученные на их основе, находят широкое применение в качестве эффективных антимикотиков, средств защиты растений, противораковых препаратов [6, 7]. В связи с этим особый интерес представляют Ас1м-процессы, в которых винилацетиленовые кетоны взаимодействуют с активными группами -N11, -8Н, -ОН и др.

В 1,5-дизамещенных пентенинонах три реакционных центра находятся во взаимном сопряжении, взаимное расположение этих фрагментов и

наличие заместителей может изменять химические свойства данных соединений. Так, тройная связь более активна по отношению к нуклеофильным агентам, но в некоторых случаях активность двойной связи может оказываться большей или равной по отношению к ацетиленовой связи. Наибольший интерес при этом представляют винилацетиленовые кетоны ароматического ряда, введение заместителей в арильные кольца которых позволяет в значительных пределах варьировать распределение электронной плотности в пентаде, а, следовательно, и реакционную способность субстрата.

Авторами работы [1] показано, что тройная связь в молекуле ВАК-3 более слабо передает электронные эффекты заместителей, по сравнению с двойной связью. Это приводит к невысокой чувствительности физико-химических и кинетических характеристик к изменению характера заместителей ВАК-3 [8]. При этом следует отметить, что ацетиленовая связь в молекулах ВАК-3 оказывается более полярной, чем в 1,3-дифенилпропин-2-оне-1.

Винилацетиленовые кетоны ароматического ряда являются активными

электрофилами в реакциях нуклеофильного присоединения и сравнительно

легко присоединяют такие реагенты, как амины [8], а также тиолы [9].

Изучение кинетики реакции с анилином (растворитель - 95%-ный этанол) [1]

показало, что по реакционной способности ВАК-3 мало отличаются от 1,3-

дифенилпропинонов. Свойства заместителей в арильных кольцах

закономерно влияют на активность ВАК-3: электронодонорные увеличивают,

а электроноакцепторные уменьшают скорость реакций замещенных кетонов

по сравнению с незамещенным. При этом для заместителей в винильной

части молекулы соблюдается уравнение Гаммета. Температурные

зависимости констант скоростей подчиняются уравнению Аррениуса. На

основе ВАК-3 разработаны препаративные синтезы |3-аминовинилкетонов

(при реакции с первичными аминами), флавонов (при реакции с вторичными

аминами), 2,4-дизамещенных 1,5-бензодиазепинов, пиразолов и

пиримидинов [1]. ВАК-1 как исходные вещества для синтеза подобных соединений остались значительно менее изученными.

Известно, что высокая реакционная способность винилацетиленовых кетонов в реакциях нуклеофильного присоединения является основным фактором, обусловливающим их биологическую активность [1]. Установлено, что ненасыщенные кетоны обладают отчетливо выраженными избирательными противогрибковыми свойствами [2, 10-12]. Наиболее перспективными в этом отношении антимикотиками являются ВАК-3, имеющие донорные заместители в фенилэтинильном фрагменте молекулы, такие, как 1-фенил-5-(4-метоксифенил)пентен-1-ин-4-он-3 и 1-(2-фурил)-5-(4-метоксифенил)пентен-1-ин-4-он-3. ВАК-1 и ВАК-5 обладают меньшей антимикотической активностью [5].

1-фенил-5-(4-метоксифенил)пентен- 1-(2-фурил)-5-(4-метокси

1 -ин-4-он-З фенил)пентен-1 -ин-4-он-З

Известно что ненасыщенные кетоны проявляют инсектицидную активность против тли [13-16]. Так 1,5-дифенилпентанон-1 и 1,5-дифенилпентен-2-он-1, впервые выделенные из корня стеллеры карликовой (Stellera chamaejasme), обладают антифедантными свойствами по отношению к бахчевой (Aphis gossypii) и обыкновенной злаковой тле (Schizaphis graminum) [13]. Причем отмечена большая эффективность 1,5-дифенилпентен-2-она-1 по сравнению с 1,5-дифенилпентаноном-1 и низкая токсичность обоих соединений по отношению к нецелевым организмам. 1,5-Дифенилпентанон-1 проявляет инсектицидную активность против люцерновой или акациевой тли (Aphis craccivora) и одной из разновидностей комара обыкновенного (Culex pipiens pallens) [14]. Аналоги

1,5-дифенилпентанона-1 также проявляют инсектицидную активность против тли [15, 16].

1,5-дифенилпентанон-1

1,5-дифенилпентен-2-он-1

1.2.1. Реакции гидрирования, бромирования и гидробромирования Винилацетиленовые кетоны как представители ненасыщенных соединений способны присоединять водород, бром и бромистый водород. Порядок восстановление кратных связей в условиях каталитического гидрирования винилацетиленовых кетонов (при поглощении 0.5-1 моля водорода), как описано в работах [17-19], зависит от строения кетона. В случае пентен-2-ин-4-онов-1 алкильного ряда наблюдается селективное восстановление тройной связи с образованием пентадиена-2,4-она-1: | о

Н-,

КГ

Направление каталитического гидрирования в молекуле пентен-1-ин-4-онов-3 зависит от заместителей и Я2. При гидрировании на катализаторе Р(1/СаС03 в случае, если ^ = = Н, а так же при Я] = СН3, Я2 = Н присоединение водорода в первую очередь происходит по ацетиленовой связи с образованием пентадиен-1,4-она-3 [20-23]:

Н,

Ра/СаСОч

В аналогичных условиях присоединение первого моля водорода к гексен-1-ин-4-ону-3 происходит примерно в равных долях по двойной и по тройной связи с образованием смеси гексин-1-она-4 и гексадиен-1,4-она-3.

Кроме того, на первой стадии происходит восстановление СО-группы с последующей изомеризацией гексен-1-ин-4-ола-3 в гексадиен-2,4-ол-5 [23]:

Избирательное гидрирование пентен-1-ин-4-она-3 по тройной связи объясняется, по-видимому, благоприятными условиями адсорбции этого кетона на катализаторе. Для дизамещенных пентен-1-ин-4-онов-3 гидрирование приводят к восстановлению только СО-группы [21]. При гидрировании дизамещенных пентен-1-ин-4-онов-3 так же наблюдается процесс изомеризации.

Интересной особенностью облада�