Реакции нуклеофильного замещения 5,7-дихлор-4,6- динитробензофуроксана с n,n-диэтиланилином

Э. Э. Канчурина, Л. В. Спатлова, Л. М. Юсупова,

В. Ф. Сопин, И. В. Г алкина, В. И. Г алкин

РЕАКЦИИ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ 5,7-ДИХЛОР-4,6-ДИНИТРОБЕНЗОФУРОКСАНА С М,М-ДИЭТИЛАНИЛИНОМ

Квантовохимическим методом исследованы путь и строение образующихся продуктов реакции дихлординитробензофуроксана с диэтиланилином. Из полученных результатов следует, что всестороннее квантовохимическое исследование с полной оптимизацией геометрии изучаемых молекул и их, возможных аддуктов позволяет сделать вывод об образовании соли в водно-диметилсульфоксидной среде. Показана высокая биологическая активность полученного продукта.

С целью дальнейшего изучения химических и биологических свойств высокореакционноспособного субстрата 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксана в настоящей работе было изучено его взаимодействие с -диэтиланилином. Интерес к различным производным бен-зофуроксанов обусловлен тем, что они обладают различными видами биологической активности, а именно антимикробной, фунгицидной, акарицидной и многими другими [1-2].

Как следует из полученных экспериментальных данных, в изученной реакции 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксана (ДХДНБФ) с Ы,Ы-диэтиланилином в водно-диметилсульфоксидной среде образуется не предполагаемый продукт аминозамещения атомов хлора ДХДНБФ, а соль -диэтиланилина с 7-хлор-5-гидрокси-4,6-

динитробензофуроксаном (ХГФ). На основании данного исследования можно предположить следующую схему реакции:

С1

О2Ы

N02

С1

ДХДНБФ

N

\ ДМСО

О + н2о --------*

. / 2 -НС1

N

Ч

О

нО

О2Ы

С1

ХГФ

/

N

Ч

О

О+

NEt2

+ /Н-

N / \ Et Et

О

О2Ы

С1

О

/

N

Ч

О

Квантовохимическим методом исследован путь реакции ХГФ с -

диэтиланилином и строение образующегося продукта с целью выявления возможных

квантовохимических критериев, позволяющих более обоснованно относить полученные продукты реакций к классу солей, комплексов или дизамещенных аминами по атомам хлора бензофуроксана.

Для выбора адекватного для данных систем расчетного метода мы провели квантовохимический расчет с полной оптимизацией геометрии самого ДХДНБФ тремя методами: неэмпирическим методом АЬіпіїіо (в базисе 6-3Ш) и современными полуэмпирическими методами (РМ3 и АМ1). При этом показано, что результаты расчетов методом РМ3 практически полностью согласуются с данными неэмпирического расчета. Вследствие этого метод РМ3 был выбран в качестве основного в дальнейших расчетах. Все расчеты проводились с полной оптимизацией геометрии исследуемых соединений с пределом вычислений 1 кал/моль. Геометрия молекул ДХДНБФ и ХГФ представлена на рисунке 1.

Рис. 1 - Геометрия молекул: а) ДХДНБФ

Энергетическую выгодность реакции гидролиза ДХДНБФ:

ДХДНБФ + Н2О = ХГФ + HCl

оценивали как разность в энергии образования конечных продуктов и исходных веществ. Ехгф = -1944.384 ккал/моль; Ehci = -101/569 ккал/моль; Едхднбф = -1813.701 ккал/моль; Е(Н2О) = -217.222 ккал/моль.

Отсюда Ереакции = ^продуктов - ^„сходных = -1944.384 -101.569 + 1813.701 + 217.222 = -15.030 ккал/моль.

Полученная значительная отрицательная величина энергии реакции однозначно свидетельствует о выгодности процесса гидролиза даже в газовой фазе (для которой проводится квантовохимический расчет) и даже в отсутствие основания, связывающего выделяющийся хлористый водород. В присутствии основания это значение станет еще более отрицательным на величину энергии реакции основания с хлористым водородом. Мы оценили последнюю величину на примере реакции HCl с диэтиланилином, который является одним из объектов нашего экспериментального исследования. Энергия реакции образования гидрохлорида диэтиланилина составила -5.819 ккал/моль. Таким образом, общая энергия реакции гидролиза ДХДНБФ в присутствии диэтиланилина составляет в газовой фазе -20.849 ккал/моль, т.е. в присутствии амина процесс гидролиза ДХДНБФ становится еще более

выгодным. Совершенно очевидно, что в полярной водно-диметилсульфоксидной среде термодинамическая выгодность этого процесса по сравнению с газовой фазой еще более увеличится.

Такой всесторонний подход полностью себя оправдал. Так, например, в случае ди-этиланилина старт из предположения комплекса действительно показал наличие водородной связи между ОН -группой ХГФ и атомом азота, однако программа не смогла преодолеть этот локальный минимум и полностью перенести протон к атому азота (рис.2). Энергия реакции в этом случае является положительной (+1.596 ккал/моль), что свидетельствует о ее термодинамической невыгодности. В то же время, старт из предположения соли сразу дал выигрыш в энергии образования и энергии реакции в 3 ккал/моль, энергия реакции составила -1.300 ккал/моль, обозначив ее термодинамическую выгодность, что и соответствует действительности. Следует отметить, что и рассчитанная геометрия соли (рис.3) также хорошо совпадает с данными рентгеноструктурного анализа.

Рис. 2 - Геометрия аддукта ХГФ-диэтиланилин в предположении комплекса с водородной связью

Рис. 3 - Геометрия аддукта ХГФ-диэтиланилин в предположении образования соли

Для исследования строения полученного продукта методом рентгеноструктурного анализа были выращены кристаллы фиолетового цвета. Таким образом, окончательные данные о молекулярной и кристаллической структуре продукта реакции 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксана с Ы,Ы-диэтиланилином представлены на рисунке 4.

Рис. 4 - Соль М,М-диэтиланилина и 5-окси-7-хлор-4,6- динитробензофуроксана

Данные ренгеноструктурного анализ свидетельствует о том, что при взаимодействии ДХДНБФ с -диэтиланилином образуется соль с полным переносом протона от гидроксильной группы ХГФ к атому азота -диэтиланилина (рис. 4).

Экспериментальная часть

При смешении равномолекулярных количеств 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксана и -диэтиланилина в водно-диметилсульфоксидной смеси растворителей (1:9) при комнатной температуре наблюдали быстрое окрашивание реакционной смеси в красный цвет. Для полного прохождения реакции исходную смесь выдерживали в течение двух часов на водяной бане при 60 0С. Полученная маслообразная жидкость при охлаждении закристаллизовалась. После перекристаллизации соли из изопропилового спирта были выделены кристаллы фиолетового цвета с Т пл.159,1 °С. В ИК-спектре полученной соли обнаружены характеристические полосы поглощения в области 1610 (С=1\1-0) и 3447 см"1 (N42).

Найдено, %: С 45,12; Н 3,76; N 16,45.

Вычислено, %: С 45,10; Н 3,97; N 16,46.

Индивидуальность и термическая устойчивость полученной соли была изучена термогравиметрическим методом на аппарате ТОЛ/86ТЛ85/Б, данные дериватограммы однозначно указывают на солевое строение продукта.

Нами совместно с сотрудниками кафедры физиологии и этологии животных Казанской государственной академии ветеринарной медицины (КГАВМ) были проведены исследования биологической активности полученной соли N,N-диэтиланилина и 5-окси-7-хлор-4,6-динитробензофуроксана. Данная соль обладает высокой антибактериальной и фунгистатической

активностью в отношении патогенной микрофлоры: Escherichia coli (конц. 0,01 %); Staphelococcus aureus штамм 209 p (конц. 0,01%); Pseudomonas aeruginosa (конц. 0,0001%), Aspergillus niger (конц

0.05.%) и Candida albicans (конц. 0,0001 %).

Литература

1. Л.И. Хмельницкий, С.С. Новиков, Т.И. Годовикова, Химия фуроксанов: Реакция и применение. М.: Наука, 1993. С. 245-249.

2. А.С. Салахова: Автореф. дис. ... канд. хим. наук, Казань, 1999. 16 с.

© Э. Э. Канчурина - асп. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ; Л. В. Спатлова - канд. хим. наук, асс. каф. химической технологии органических соединений азота КГТУ; Л. М. Юсупова - д-р хим. наук, проф. той же кафедры; В. Ф. Сопин - д-р хим. наук, проф., зав. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ; И. В. Галкина - канд. хим. наук, доц. КГУ; В. И. Галкин - д-р хим. наук, дир. химического ин-та им. Бутлерова.