Кинетические и квантово-химические исследования реакций 1,3-диполярного циклоприсоединения с-арил-n-фенилнитронов с пропинилфосфонатами

УДК 543.4:544.2 Э. А. Иртуганова

КИНЕТИЧЕСКИЕ И КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕАКЦИЙ

1,3-ДИПОЛЯРНОГО ЦИКЛОПРИСОЕДИНЕНИЯ С-АРИЛ-1М-ФЕНИЛНИТРОНОВ

С ПРОПИНИЛФОСФОНАТАМИ

Ключевые слова: 1,3-диполярное циклоприсоединение, пропинилфосфонаты, нитроны, кинетика реакции, регио- и хемоселек-

тивность, ВЗМ и НСМ орбитали.

Исследованы реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения нитронов к пропинилфосфонатам. Выявлено, что взаимодействие С-арил-Ы-фенилнитронов с эфирами пропинилфосфоновой кислоты независимо от условий реакции приводит к образованию единственного продукта изоксазолиновой структуры. Установлено, что увеличение размеров аллококсильного радикала у атома фосфора в молекуле пропинилфосфоната приводит к некоторому понижению активности аддендов в циклоприсоединении, что подтверждено кинетическими измерениями и квантовохимическими расчетами.

Keywords: 1,3-dipolar cycloaddition, the propinylphosphonates, nitrones, kinetic of reaction, regio- and chemoselectivity, HOMO and

LUMO orbitals.

The reactions of 1,3-dipolar cycloaddition of nitrones to the propinylphosphonates was investigated. It was found that the interaction of C-aryl-N-phenylnitrones with esters of the propinylphosphonic acid leads to the formation of a single ad-duct of isoxazoline structure independently of the reaction conditions. It was found that an increase in the size of the alkoxy radical at the phosphorus atom in the molecule of the propinylphosphonate leads to the some reduction in the activity of lig-ands in the cycloaddition, which is confirmed by kinetic measurements and quantum-chemical calculations.

конкретном случае, несомненно, будет зависеть от химической природы как диполя, так и диполяро-фила. Большинство диполярофилов, как показывают исследования в области химии диполярного цикло-присоединения, реагируют с нитроном с образованием 5-замещенных изоксазолидиновых циклов с высокой степенью региоселективности. По мере того, как величины потенциалов ионизации нитронов понижаются или сродство к электрону диполя-рофилов повышается, наблюдается возрастающая тенденция в сторону образования 4-замещенных изоксазолидинов.

Экспериментальная часть: синтез, спектроскопический анализ и кинетические исследования продуктов

Одной из целей экспериментальной части исследования являлось изучение хемо- и региоселективности реакций 1,3-диполярного циклоприсоедине-ния ацетиленовых производных соединений четы-рехкоординированного фосфора с С-арил-замещенными N-фенилнитронами с привлечением спектральных методов анализа и кинетических измерений.

Спектры ЯМР 1Н записаны на спектрометрах «Unity-300» (300 МГц), «Varian HA-100D» (100 МГц), «Tesla BS-467A» (60 МГц), внутренний стандарт - гексаметилдисилоксан (ГМДС), тетраметил-силан (ТМС), иногда использовался внешний стандарт - CaHa, СНзС1.

Спектры ЯМР Р получены на спектрометре «Unity-300» (300 МГц) и на приборе «ЯМР КГУ-4» на частоте 10,2 МГц относительно loc-стандарта (Н3РО4).

Спектры ЯМР С записаны на спектрометре «Bruker WH-90» (22,63 МГц), химические сдвиги

Введение

Нитроны в соответствии с классификацией Зуст-мана относятся к 1,3-диполям II-типа, для которых взаимодействие фронтальных молекулярных орби-талей в реакциях 1,3-диполярного циклоприсоединения с монозамещенными диполярофилами схематически представлено на рис. 1.

Рис. 1 - Диаграмма взаимодействия фронтальных МО 1,3-диполей нитронов

Основываясь на теории МО, можно предположить, что регио- и стереохимия процесса циклопри-соединения нитронов к любым ненасыщенным системам будет определяться типом взаимодействия фронтальных орбиталей: при взаимодействии НСМО диполя с ВЗМО монозамещенного донорны-ми группами олефина с большим выходом должен получаться 5-замещенный изоксазолидин; и, наоборот, взаимодействие ВЗМО диполя с НСМО замещенного акцепторной группой диполярофила должно приводить к предпочтительному образованию изоксазолидина с заместителем в 4-ом положении кольца. Преобладающее взаимодействие в каждом

ядер атома углерода указаны относительно внутреннего стандарта ТМС.

ИК-спектры получены на спектрофотометре «иЯ-20», образцы исследованы в виде жидких пленок, суспензий в вазелиновом масле или растворов в ССЦ, СаИа, СИзСИ.

Исходные соединения получены по известным методикам, чистота их контролировалась физико-химическими методами (ИК, ЯМР 1Н и 31Р) и соответствием физических констант литературным данным. Растворители абсолютировали известными способами.

Фосфорилацетилены (Р0)2Р(0)С=ССН3 получали из диалкилхлорфосфитов, синтезированных путем прибавления РС13 к эфирному раствору абсолютного спирта в присутствии основания при минус 10-15оС, и соответствующих карбинолов. С-арил-Ы-фенилнитроны синтезировали из фенилгид-роксиламина и пара-замещенного бензальдегида.

При изучении региохимии циклоприсоединения нитронов к кумуленам [1,2] представляло интерес исследовать реакции нитронов с изомерами алле-нилфосфонатов - пропинилфосфонатами.

Нами были изучены реакции С-арил-Ы-фенилнитронов с О,О-диалкиловыми эфирами про-пинилфосфоновой кислоты при кипячении в бензоле и при длительном стоянии смеси аддендов при комнатной температуре без растворителя. Во всех случаях взаимодействие нитронов с пропинилфос-фонатами приводит к образованию исключительно 4-диалкилфосфонзамещенных изоксазолинов,

строение которых подтверждается данными ЯМР 1Н и Р, ИК спектроскопии и элементного анализа.

Взаимодействие фосфорилацетилена и С-арил-Ы-фенилнитрона описывается следующей схемой реакции:

Экспериментально исследованы следующие фосфорилацетилены: диметиловый, метилэтиловый, диэтиловый и диизопропиловый эфиры пропинил-фосфоновой кислоты.

Методика взаимодействия С-я-метокисфенил- Ы-фенилнитрона с диалкиловым эфиром пропинил-фосфоновой кислоты: к 8,12 г (~30ммоль) нитрона, растворенного в СН2С12, добавляли по каплям 6,30 г (~30 ммоль) пропинилфосфоната. Реакционную смесь нагревали до 80оС в течение 20 часов до исчезновения в ее ИК спектре полосы поглощения ацетиленовой связи в области 2220 см-1. Затем растворитель удаляли в вакууме, вязкий остаток перегоняли в вакууме. Выход продукта 65%.

Т.кип. 114°С при 0,05 мм.рт.ст; =1.5380;

а™

- =1.1033.

Найдено, %: С 61.58, Н 6.71, Р 8.01. С21Н25Р05Ы. Вычислено, %: С 62.47, Н 6.45, Р 7.71.

ИК, V, см-1: 1655 (С=Ы), 1615 (С=С), 1260 (Р=О), 1120-1130 (Р-О-С).

ПМР, 5, м.д.(СС14, ГМДС): 1.95 с. (=ССН3), 4.22 д. (СН), 31рн~ 7 Гц.

Методика взаимодействия С-я-метокисфенил- Ы-фенилнитрона с диизопропиловым эфиром пропи-нилфосфоновой кислоты: к раствору 2,514 г (~12ммоль) нитрона, растворенного в ДМФА, прибавляли по каплям 2,26 г (~12 ммоль) пропинил-фосфоната. Реакционную смесь нагревали до 70оС в течение 21 часа до исчезновения в ее ИК спектре характерной полосы поглощения ацетиленовой связи в области 2220 см-1. Затем растворитель удаляли в вакууме, густой темно окрашенный остаток дважды перегоняли в вакууме. Выход продукта 42%.

„и'

Т.кип. 121 С при 0,04 мм.рт.ст; *» =1.5290.

Найдено, %: С 63.58, Н 7.83, Р 7.50. С23Н29Р05Ы. Вычислено, %: С 64.01, Н 7.00, Р 7.20.

ИК, V, см-1: 1665 (С=Ы), 1620 (С=С), 1270 (Р=О), 1125-1130 (Р-О-С).

ПМР, 5, м.д.(С6Н6, ГМДС): 2.10 д. (=ССН3), 4.05 д. (СН), 31рн~ 8 Гц. 1

В спектре ЯМР Н перегнанного в вакууме продукта циклоприсоединения С,Ы-дифенил-нитрона к О,О-диметилпропинилфосфонату имеется высокой интенсивности дублетный сигнал резонанса протонов двух метоксильных групп у атома фосфора с 5=3.65 м.д. и КССВ 31РН= 11 Гц. Наряду с мульти-плетным широким сигналом протонов фенильных групп в области 6.58-7.4 м.д., в ПМР спектре проявляется мультиплетный сигнал с 5=4.01 м.д., отвечающий резонансу протона в 3-ем положении изо-ксазолидинового кольца. Экзоциклическая СН3-группа дает интенсивный сигнал в виде дублета в области 1.8 м.д. с 41РН= 3,0 Гц, который при подавлении фосфора в спектре ЯМДР {1Н} {31Р} вырождается в синглетную линию.

В ИК-спектре реакционной смеси и перегнанного продукта отсутствует полоса поглощения ацетиленовой связи в области 2210 см-1, имеются характеристические полосы поглощения С=С связи (1680 см-1), Р=О (1240-1250 см-1), Р-О-С (1020-1030 см-1), С6Н5- (1510,1530 см-1).

В спектре ЯМР 1 Н продукта циклоприсоедине-ния диизопропилового эфира пропинилфосфоновой кислоты к С,Ы-дифенилнитрону имеются сигналы протонов фенилов двух фенильных групп с 5=6.8 -7.3 м.д., экзоциклической СН3-группы в области 1.8 м.д. с 41РН= 2,9 Гц. Зафиксирован мультиплетный сигнал, соответствующий резонансу протона у С3-атома гетероцикла, с 5=3.9 м.д. Протоны двух изо-пропокси-групп у атома фосфора проявляются в спектре ПМР в виде триплета в области 1.15 м.д., отвечающего резонансу протонов метильных групп, и мультиплетной полосы протонов —СН— фрагмента с 5=4.35 м.д.

ИК спектр 2,3-дифенил-4-диизопро-покси-фосфорил-5-метилизоксазолина содержит полный комплекс характеристических полос поглощения групп С=С, Р=О, Р-О-С, Р1г

ПМР спектры 2,3-дифенил-4-диметокси-фосфорил-5-метил-изоксазолина и 2-фенил-3-яара-

метоксифенил-4-диэтоксифосфорил-5-метилизокса-золина представлены на рис.2,3.

Рис. 2 - Спектр ЯМР 1Н и ЯМДР 1Н-{31Р} 2,3-дифенил-4-диметоксифосфорил-5-метил-изоксазолина

Рис. 3 - Спектр ЯМР 1Н и ЯМДР 1Н-{31Р} 2-фенил-3-пара-метоксифенил-4-диэтоксифосфо-рил-5-метил-изоксазолина

Следует отметить, что с увеличением числа углеродных атомов в диалкоксифосфорильном фрагменте пропинилфосфоната наблюдается тенденция к уменьшению реакционной способности диполь-диполярофильной пары.

Интересны сведения о 1,3-диполярном цикло-присоединении алкенов с фосфон-группой в р-положении к двойной связи: алкилового эфира ал-лилфосфоновой кислоты [3]. Взаимодействие С,Ы-дифенил- и С-бензоил-Ы-фенилнитронов с О,О-диметилфосфонатом приводит к образованию 2-фенил-3-бензоил (или фенил)-5-диметилфосфоно-метиленизоксазолидина как при комнатной температуре, так и при нагревании в бензоле:

Авторами отмечена большая диполярофильная активность аллилфосфонатов в реакциях с нитронами по сравнению с винилфосфонатами, что не очень понятно. Возможно, авторы свои кинетические измерения проводили вблизи или выше изокинетиче-ской точки.

Для выяснения электронного влияния заместителей у атома фосфора в пропинилфосфонатах на их диполярофильную активность в реакциях с нитронами были проведены кинетические измерения этих реакций методами ИК спектроскопии.

Реакции нитронов с пропинилфосфонатами имеют суммарный второй порядок, первый по каждому реагенту. Была получена линейная зависимость оптической плотности й=!дио/и от концентрации (где ио - интенсивность падающего света, ^ -интенсивность света, прошедшего через поглощающую среду). Константы скорости второго порядка рассчитывали по уравнению:

к -3'303,Л

1Ч

Значения констант скорости реакций нитронов с пропинилфосфонатами являются средними величинами 2-4 параллельных опытов.

Кинетические исследования реакций циклопри-соединения нитронов к пропинилфосфонатам проводили на приборе «иЯ-20» (с компенсацией растворителя) путем отбора проб по ходу процесса. За ходом взаимодействия следили по изменению интенсивности характеристической полосы поглощения ацетиленовой связи в области 2220 см-1. Реакции проводились при температуре 80оС в растворителе пара-ксилоле до 70-80 % завершенности.

Полученные величины констант скорости реакции циклоприсоединения алкоксифосфорилацетиленов представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Среднестатистические значения константы скорости реакций фосфорилирован-ных ацетиленов с С,М-дифенилнитроном

Диполярофил К

(СНзО)2Р(О)СЕС-СНз 10.0

(С2Н5О)2Р(О)СЕС-СНз 6.5

(1-СзНуО)2Р(О)СЕС-СНз 4.2

Полученные результаты свидетельствуют о некотором падении реакционной способности диполь-диполярофильной пары в зависимости от увеличения числа атомов углерода в алкоксильном фрагменте пропинилфосфоната. Причина такого изменения активности, на наш взгляд, в пространственных затруднениях для подхода молекулы 1,3-диполя к кратной связи диполярофила при переходе от ме-токсильного к изопропилоксильному фрагменту. Это подтверждается следующими наблюдениями: если термическая реакция циклоприсоединения ди-метилового эфира пропинилфосфоновой кислоты к С,Ы-дифенилнитрону заканчивается за 15 часов, то О,О-диизо-пропилфосфонат и тот же С,Ы-дифенилнитрон нагревают в принятых условиях уже в течение 25 часов.

Квантово-химические подходы к изучению реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения свидетельствуют о том, что наиболее вероятным является четырехцентровое переходное состояние с большей (синхронный двухстадийный механизм) или меньшей (синхронный одностадийный механизм) асим-

метрией в образовании новых связей. Изучение кинетических изотопных эффектов реакций этого типа также указывает на синхронный механизм с циклическим переходным состоянием.

Следует отметить, что теоретическое рассмотрение реакций 1,3-диполярного циклоприсоединения получило основное развитие после предложения Зустманом классификации таких реакций в зависимости от относительного расположения взаимодействующих фронтальных орбиталей, определяемого строением аддендов.

Привлекая к обсуждению результатов взаимодействия квантовохимические представления [4], очевидным является то, что в реакциях 1,3-диполярного циклоприсоединения определяющими являются в основном взаимодействия высшей занятой атомной орбитали (ВЗМО) 1,3-диполя с низшей свободной атомной орбитали (НСМО) диполярофи-ла. При этом взаимная ориентация аддендов в процессе циклоприсоединения такова, что взаимодействуют центры с наибольшими коэффициентами атомных орбиталей, отражающих их электронную заселенность.

Для нитронов расчет величины (Сху) , где Сх -коэффициент атомных орбиталей, у- резонансный интеграл межорбитального взаимодействия, дает значения, представленные в таблице 2.

Таблица 2 - Данные для ВЗО и НСО элементов, составляющих молекулу нитрона

диполярофила такова, что взаимодействуют центры с наибольшими коэффициентами атомных орбита-лей, отражающими электронную заселенность орби-талей.

Обсуждение результатов

Результаты работы представляют интерес для изучения влияния заместителей в реагентах на ре-гиоселективность процессов присоединения, установления взаимосвязи между строением и реакционной способностью аддендов органической и эле-ментоорганической структуры.

1. Найдено, что взаимодействие нитронов с О,О-диалкоксипропинилфосфонатами происходит региоселективно, приводя к образованию только одного из двух возможных изомеров, обеспечивая удобный метод синтеза фосфорилированных гете-роциклов изксазолинового ряда.

2. Показано, что реакции С-арил-Ы-фенилнитронов с О,О-диалкиловыми эфирами про-пинилфосфоновой кислоты и при кипячении в бензоле, и при длительном стоянии смеси аддендов при комнатной температуре без растворителя дают один и тот же региохимический результат.

3. Подтверждено, что увеличение размеров аллококсильного радикала у атома фосфора в молекуле пропинилфосфоната приводит, как и ожидалось, к некоторому понижению активности адден-дов в циклоприсоединении.

4. Квантово-химическими расчетами показано, что введение акцепторных заместителей (в нашем случае - фосфорильной группы) в непредельное соединение, увеличивает заселенность атомных ор-биталей, охарактеризованной суммой квадратов соответствующих атомных коэффициентов, на углеродном атоме и для НСО, и для ВЗО орбиталей п-связи.

Литература

[1]. Э.А Иртуганова, Вестник Казанского технологического университета, 17, 3, 30-34

[2]. Э.А Иртуганова, Н.Г.Хусаинова, Вестник Казанского технологического университета, 15, 9, 52-56

[3]. О.Бескег, М.Яо881ег, Ш.ЦШ, Z.Anorg.Allg.Chem,. 473, 2, 7-19

[4]. М.И. Кабачник, в Сб. Химия и применение фосфорор-ганических соединений, Наука, Москва, 1972. С.30-48.

^xY)2 ВЗО ^xY)2 НСО

С N O C N O

1,11 0,05 1,06 0,98 1,03 0,32

Для ВЗО нитрона величины коэффициентов на атомах углерода и кислорода соизмеримы, что, по-видимому, объясняет образование обоих региоизо-меров в случае взаимодействия с этого диполя с фосфорилированными алленами. При этом для фос-форилалленов наибольший коэффициент С х найден для центрального углеродного атома.

Введение акцепторной нитро-группы в молекулу С,Ы-дифенилнитрона приводит к снижению энергии его ВЗМО, вследствие чего реакционная способность пары «С-пара-нитрофенил-Ы-фенил-нитрон -фосфорилаллен» уменьшается по сравнению с парой «С,Ы-дифенилнитрон - фосфорилаллен».

Согласно теории возмущения фронтальных ор-биталей преимущественная ориентация диполя и

© Э.А. Иртуганова - к. хим. наук, доцент каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ, irtuganel@mail.ru.

© E. A. Irtuganova - Ph.D. in Chemistry, assistant professor of the Department of Analytical Chemistry, Certification and Quality Management, KNITU, irtuganel@mail.ru.