Гем-дигалогенарилциклопропаны в реакциях с нитратом натрия в трифторуксусной и серной кислотах

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

УДК 547.512

ГЕМ-ДИГАЛОГЕНАРИЛЦИКЛОПРОПАНЫ В РЕАКЦИЯХ С НИТРАТОМ НАТРИЯ В ТРИФТОРУКСУСНОЙ И СЕРНОЙ КИСЛОТАХ

Л.Г. Сагинова, Мохаммад Альхамдан, В.С. Петросян

Взаимодействие гем-дигалогенфенилциклопропанов (Hal = Cl, Br) с нитратом натрия в трифторуксусной кислоте приводит к обычным продуктам электро-фильного замещения. В случае же гем-дибром-фенилциклопропана помимо гем-дибромнитрофенилциклопропанов образуется продукт нитрозирования 1-фенил-1-трифторацетокси-3,3-дибром-3-нитрозопропан. При использовании в этой реакции конц. серной кислоты образуются преимущественно 5-галоген-3-арил-изоксазо-лы. Нитрование 1,1-дифенил-2,2-дибромфенилциклопропана в аналогичных условиях приводит к образованию 1,1-нитрофенил-2,2-дибромциклопропанов.

Ранее сообщалось, что при взаимодействии гем-дигалогенфенилциклопропанов с нитритом натрия в кислой среде в результате раскрытия малого цикла образуются нитрозосоединения с высоким выходом [1]. В настоящей работе изучено взаимодействие 1, 1 -дихлор-2-фенил(1)-, 1, 1 -дибром-2-фенил(11)- и 1,1-дибром-2,2-дифенил(111)циклопропанов с нитратом натрия в трифторуксусной и серной кислотах. В кислой среде, как известно, генерируется катион нитрония [2], являющийся в данной реакции электрофилом.

Как и в случае нитрозирования, оказалось, что на течение реакции влияют как природа кислоты, так и пространственное строение субстрата. При нитровании гем-дихлорфенилциклопропана (I) нитратом натрия в трифторуксусной кислоте при разных соотношениях реагентов (1:1, 1:2, 1:3) во всех случаях была получена смесь орто(1У)- и пара(У)- нитрофенил-гем-дих-лорциклопропанов в соотношении 1:1.45.

При нитровании же гем-дибромфенилциклопро-пана (II) при соотношении реагентов 1:1, реакционная смесь окрашивалась в ярко-синий цвет. Оказалось, что в этом случае помимо обычных продуктов элект-рофильного нитрования орто- (VI) и пара- (VII) нит-ропроизводных также образуется продукт нитрозирования 1 -фенил-1 -трифторацетокси-3,3 -дибром-3-нитро-зопропан (VIII).

При использовании трехкратного избытка реагента (1:3) образуются только продукты нитрования: VI (43 %) и VII (57%) со следами нитрозопроизводного VIII.

Нитрозирование гем-дибромфенилциклопропана (II) в условиях реакции нитрования можно объяснить возможным образованием катиона нитрозония по одной из следующих схем:

В пользу предложенных схем говорит то, что, во-первых, циклопропан (II) имеет достаточно низкий потенциал ионизации (~9 эВ) [3] и, во-вторых, известно, что трифторуксусная кислота стабилизирует образующиеся катионы и катион-радикалы, а также способствует их образованию [4].

Схема Б аналогична описанным в литературе [5]. Можно предположить, что в условиях нитрования в трифторуксусной кислоте генерируются как нитроний - катион, осуществляющий электрофильное нитрование по ароматическому кольцу субстрата, так и нит-розоний - катион, раскрывающий малый цикл, что приводит к образованию нитрозосоединения.

Строение полученных соединений (IV -VII) было доказано методами ЯМР Н, С и ИК-спектроскопии. Довольно неожиданными оказались данные спектров ЯМР 13С, приведенные в табл. 1.

Разница в химических сдвигах четвертичных углеродных атомов С при атомах хлора (~60 м.д.) и брома (~ 27 м.д.) обусловлена «эффектом тяжелого атома» (электронные оболочки тяжелых атомов экранируют соседнее ядро углерода). Следует обратить внимание на то, что химические сдвиги атомов углерода С1 в изученных соединениях очень близки. Следовательно, эти атомы углерода должны иметь сходные характеристики. Электронная плотность на этих атомах не зависит от природы ароматического заместителя. Это означает, что введение в ароматическое кольцо гем-дигалоген-фенилциклопропанов нитрогруп-пы не оказывает заметного влияния на свойства мало-

го цикла, т.е. в молекуле субстрата отсутствует сопряжение.

Как при нитрозировании, так и при нитровании гем-дигалогенфенилциклопропанов большое значение имеет природа кислоты. Так, при нитровании гем-дигалогенфенилциклопропанов (I, II) в конц. серной кислоте в стандартных условиях при соотношении субстрат - реагент - кислота 1:1.5:3 помимо обычных продуктов электрофильного нитрования (IV -VII) нами были получены 3-(4-нитрофенил)-5-галоге-низоксазолы (IX, X).

Использование трехкратного избытка нитрата натрия способствовало повышению селективности реакции и увеличению выхода изоксазолов до 90 %. Для установления структуры изоксазолов использовали методы ЯМР Н, С и масс-спектрометрический анализ. Интересно отметить, что среди продуктов реакции нами не было обнаружено изоксазола, не содержащего нитрогруппы в ароматическом кольце. С целью подтверждения предположения о последовательности превращений - нитрование с последующим раскрытием малого цикла - в реакцию был введен 1-( 4-нит-

Т а б л и ц а 1

Химические сдвиги атомов углерода соединений общего вида

А

Аг ^_А_На12

Номер соединения с1 с2 с3

I 35.06 60.65 25.26

IV 33.95 60.24 26.53

V 34.25 60.19 26.33

II 35.45 26.77 28.40

VI 35.43 27.84 28.30

VII 34.46 26.30 28.30

рофенил)-2,2-дибромциклопропан (VII), в результате был получен только идентичный изоксазол (X). Следует также отметить, что орто-изомер (VI) в этой реакции совершенно нереакционноспособен. Это, вероятно, связано с эффектом поля нитрогруппы, а также с тем, что обьемная орто-нитрогруппа может создавать стерические препятствия атакующей субстрат электро-фильной частице. Образование изоксазолов (IX, X) можно представить следующей схемой:

Как и следовало ожидать, стерические препятствия играют существенную роль при нитровании пространственно затрудненных циклопропанов. Так, при нитровании циклопропана (III) оказалось , что состав реакционной смеси зависит от используемого соотношения реагентов. При проведении опытов с различным соотношением субстрат - реагент (1:1, 1:2, 1:3, 1:5) оказалось, что осуществляется последовательное элек-трофильное нитрование в ароматические кольца субстрата и образуются следующие соединения:

Т а б л и ц а 2

Состав реакционной массы в реакции нитрования 1,1 -дифенил - 2.2 -дибромциклопропана (III) в конц. серной кислоте при разных соотношениях реагентов ( рассчитан по данным спектров ПМР).

Соотношение субстрат / реагент Состав реакционной массы, %

III XI XII

1:1 87 13 -

1:2 33 - 67

1:3 следы - 100

Состав реакционной массы в зависимости от соотношения реагентов приведен в табл. 2.

Таким образом, при использовании большого избытка нитрата натрия в этой реакции не обнаружено даже следов нитрозирования. Нитрофенилциклопропа-ны (XI, XII) были идентифицированы с помощью спектров ПМР и элементного анализа. Они имеют характерный спектр ПМР: сингл ет в алифатической части (5 4.04 м.д. для XI и 2.83 м.д. для XII. В слабом поле соединение XII имеет два дублета (8.04 и 8.24 м.д., JHCH 8.8 Гц), соответствующие пара-нитрофе-нильным заместителям.

Экспериментальная часть

Спектры ПМР были сняты на приборах «Bruker-WP-80» и «Varian-VXR-400» с рабочими частотами 80 и 400 Мгц в растворителях (CCl4 ,CDCl3, ацетон-^6, CF3COOH ), внутренний стандарт - ГМДС, ТМС. Спект-

13

ры

ЯМР 1JC снимали на приборе «Varian VXR-400» (рабочая частота 100 Мгц в CDCl3, ацетон-^ с полной развязкой от протонов), внутренний стандарт -ТМС. ПК-спектры получены на приборах «ИКС-22» и «UR-20» в вазелиновом масле или в тонком слое. УФ-спектры сняты на приборе «Cary-219» (0.05 М раствор в циклогексане или CF3COOH). Масс-спектры снимали на приборе «Varian МАТ-44-S» при ионизирующем напряжении 80 эВ.

Исходные гем-дигалогенфенилциклопропаны получали присоединением дигалогенкарбена к двойной связи стирола или a-фенилстирола в условиях межфазного катализа.

1-Фенил-2,2-дихлорфенилциклопропан (I), т. кип. 110 - 112° С (10 мм рт. ст .), nD0 1.5549 [6], 1-фе-нил-2,2-дибромфенилциклопропан (II), т. кип. 129 -130° С (9 мм рт. ст.), nD° 1.5995 [7], 1,1-дифенил-2,2-дибромфенилциклопропан (III), т. пл. 158 - 159° С (из этанола).

Спектр ЯМР 1Н (5, м.д., CDCl3): 2.42 с (2Н, СН2), 7.16 т ,7. 25 т, 7.44 д ( 10 Н , ароматические протоны). Спектр ЯМР 13 С ( 5, м.д., CDCl3): 33.36 (CBr2), 34.36 (CH2), 44.95 ( CPh2), 127.20 -141.75 (ароматические углероды). Найдено %: С 49.76, Н 3.38. C15H14Br2. Вычислено %: С 51.14, Н 3.41.

Общая методика нитрования гем-дигалогенарил-циклопропанов

а) К раствору 0.01 моля гем-дигалогенфенилцик-лопропана в 0.1 моля соответствующей кислоты, охлажденному до 0°С , в течение 20 - 30 мин добавляли 0.01 моля нитрата натрия и перемешивали до окончания реакции.

б) К раствору 0.01 моля гем-дигалогенфенилцик-лопропана в 5 мл хлорофорома, охлажденному до 0° С , в течение 30 мин добавляли раствор 0.01 моля реагента в 0.1 молях соответствующей кислоты и перемешивали до окончания реакции.

Контроль за течением реакции осуществляли методом ТСХ на Silufol, элюент - смесь гексана и эфира в соотношении 4:1. После окончания реакции реакционную смесь выливали в воду и экстрагировали последовательно гексаном или петролейным эфиром и хлороформом. Органические вытяжки промывали 2%-м раствором бикарбоната натрия, водой и высушивали хлористым кальцием. После удаления растворителя кристаллы перекристаллизовывали из этилового спирта или хлороформа, жидкие вещества разделяли с помощью колоночной хроматографии ( носитель -SiO2 40/100 или Silpearl , элюент - смесь гексана и эфира в соотношении 4 : 1. или CCl4 - CHCl3 - эфир в соотношении 4 : 1 : 1).

Параллельные опыты проводили по методике (б). Рассчитанное для нитрования обоих субстратов количество нитрата натрия растворяли в серной кислоте и разделяли на две равные части.

Трифторуксусная кислота

1. В реакцию вводили 1.87 г (0.01 м) 1-фенил-2,2-дихлор-циклопропана (I), 0.85 г (0.01 м) нитрата натрия в 10 мл трифторуксусной кислоты. Реакционную смесь разделяли с помощью колоночной хроматографии (колонка 100 х 20 мм, Silpearl, элюент - смесь гексана и эфира, 4 : 1). Выделяли 0.7 г (32%) 1-(2-нитрофенил)-2,2-дихлорциклопропана

(IV) , т. пл. 32 - 34° С (из хлороформа) [8].

^ектр ЯМР 'Н ( 5, м.д., ацетон-й6 ): 2.12 м (2 Н, СН2), 3.43 м (1 Н, СН), 7.49 д (1 Н, ароматический , J НСН 8.0 Гц) , 7.60 т ( 1 Н, ароматический, J НСН 7.6 Гц ), 7.73 т ( 1 Н, ароматический, 3J Н СН 7.6 Гц ), 8.13 д (1 Н, ароматический, 3J НСН 8 Гц). Найдено %: С 46.77, Н 3.12. С9Н7а2К02. Вычислено %: С 47.12, Н 3.02.

1.2 г (53 %) 1-(4-нитрофенил)-2,2-дихлорцик-лопропана (V) т. кип. 147 - 148° С ( 4 мм рт. ст.), nD0 1.6047 [8]. Спектр ЯМР 1Н (5, м.д., ацетон-ё6): 2.08 м (2Н, СН2), 3.20 т (1Н, СН), 7.60 д (2Н, ароматические протоны, JНСН 8.4 Гц), 8.22 д (2Н, ароматические протоны, JНСН 8.4 Гц). Найдено %: С 47.52, Н 2.66. С9Н7а2К02. Вычислено %: С 47.12, Н 3.02. .

2. В реакцию вводили 2.7 г (0.01 м) 1-фенил-2,2-дибромциклопропана (II), 0.85 г (0.01 м) нитрата натрия в 10 мл трифторуксусной кислоты. Реакционную смесь разделяли на колонке 100 х 20 мм, носитель SiO2 40/100, элюент - смесь гексана и эфира в соотношении 4:1. Выделяли 0.3 г (8 %) 1-фенил-1-трифтор-ацетокси-3,3 - дибром-3 -нитрозопропана (VIII).

УФ-спектр (0.05 М гексан): 615 нм [1], 0.8 г, 24% 1-(2-нитрофенил)-2,2-дибромциклопропана (VI), вязкое масло. Спектр ЯМР 1Н (5, м.д. ацетон-й6): 2.27 м ( 2Н , СН2 ), 3.38 т ( 1Н, СН), 7.27 д ( 1Н,

33

аром., JK СН 8.0 Гц), 7.53 т (1Н, аром., JK СН 7.6 Гц), 7.61 т ( 1Н, аром., 3J НСН 7.6 Гц), 8.14 д (1Н, аром., 3J НСН 8 Гц). Спектр ЯМР 13С (5, м.д., ацетон-ё6): 26.30 (СН2), 28.30 (CBr2), 34.46 (СН), 124.90 - 131.0, 147.28 ( ароматические атомы углерода ). Найдено %: С 34. 22, Н 2.42. С9Н7Вг2Ш2. Вычислено %: С 33.64, Н 2.18., 1.5 г , 49 % 1 -(4-нитрофенил)-2,2-дибромциклопропана (VII), т. пл. 80 - 81°С ( из этанола). Спектр ЯМР 1Н (5, м.д., ацетон-ё6): 2.09 м( 2Н , СН2 ), 3.03 т (1Н, СН), 7.42 д ( 2Н , ароматические протоны, JНСН 8.4 Гц), 8.22 д ( 2Н , ароматические протоны, JНСН 8.4 Гц). Спектр ЯМР 13С ( d, м.д., ацетон-ё6): 27.84 (СН2), 28.30 (СВг2), 35.43 (СН), 123.30 - 129.73 , 143.04 -ароматические атомы углерода.Найдено % : С 33.39, Н 2.01. С9Н7Вг2К02. Вычислено %: С 33.64, Н 2.18. ИК-спектр (см -1): 1530, 1360 (N02 ).

Концентрированная серная кислота

1. В реакцию вводили 1.87 г ( 0.01 м) 1-фенил-2,2-дихлорциклопропана (I), 0.85 г ( 0.01 м ) нитра-

та натрия в 10 мл конц. H2SO4. Из реакционной массы выделяли 0.14 г (6%) 1-(2-нитрофенил)-2,2-ди-хлорциклопропана (IV), т.пл. 32° С (из хлороформа) [8], 0.4 г (18%) 1-(4-нитрофенил)-2,2-дихлорцикло-пропана (V), т.кип. 147 - 148° С (4 мм рт. ст.) [8] и 1.3 г (60%) 3-(4-нитрофенил)-5-хлоризоксазола (IX), т. пл. 171°С (из спирта) [9]. Спектр ЯМР 1Н (5, м. д., ацетон-ё6 ): 6.98 с ( 1Н, =СН ), 8.09 д (2Н, ароматические протоны, 3/НСН 8.8 Гц), 8.30 д ( 2Н , ароматические протоны, /НСН 8.8 Гц).

Спектр ЯМР 13С (5, м.д., ацетон-ё6): 100.35 (=СН) , 155.59 (CCl), 162.44 (C-Ar), 134.18 (С - Сар), 149.19 (Сар - NO2), 124.21 - 127.78 (ароматические углероды). Найдено [M+] 224. C9H5ClN2O3. Вычислено М 224. Найдено %: С 48.19, Н 2.29. N 12.47. C9H5ClN2O3. Вычислено %: С 48.21, Н 2.23, N 12.50. ИК-спектр (см- 1): 1530, 1350 (NO2).

2. Из 1.8 г (0.01 м ) 1-фенил-2.2-дихлорцикло-пропана (I), 1.7 г (0.02 м ) нитрата натрия, 20 мл конц. H2SO4 выделяли 2 г (90%) 3-(4-нитрофе-нил)-5-хлоризоксазола (IX), т.пл. 170 - 171°С (из спирта) [9].

3. Из 2.76 г ( 0.01 м) 1-фенил-2,2-дибромцик-лопропана (II), 0.85 г ( 0.01 м ) нитрата натрия в 10 мл конц. H2SO4 выделяли 0.4 г , 12 % 1-(2нитрофе-нил)-2,2-дибромциклопропана (VI), 0.8 г (25 %) 1 -(4-нитрофенил)-2,2-дибромциклопропана (VII), т. пл. 80 - 81° С ( из этанола) и 1.34 г (50%) 3-(4- нитрофенил)-5-бромизоксазола ( X), т. пл. 188 -189° С ( из этанола) [9]. Спектр ЯМР 1Н ( 5 , м.д., ацетон-ё6):6.69 с ( 1Н, =СН), 7.89 д ( 2Н, ароматические протоны, /НСН 8.8 Гц), 8.12 д ( 2 Н , ароматические протоны,

3/НСН, 8.8 Гц). Спектр ЯМР 13С (5 ,м.д., ацетон-ё6):' 105.10 (=СН) , 160.20 (СВг), 162.60

(С - Ar), 134.10 (С - С аР), 143.00 (С аР - NO2), 125.0 - 128.63 ( ароматические углероды). Найдено [M +] 268. C9H5BrN2O3 . Вычислено М 268. Масс-спектр m/z, %: 268 (14.42), 189 (100), 188 (15.3), 143 (57), 115 (20.7), 88 (21.36), 87 ( 13.68), 76 (65.70), 75 (40.1), 74 (22.73).

4. Из 2.76 г (0.01 м) циклопропана (II) , 1.7 г (0.02 м) нитрата натрия, 20 мл конц. H2SO4 выделяли

2.6 г (90%) 3-(4-нитро-фенил)-5-бромизоксазола (X), т. пл 188 - 189° С (из спирта) [9].

5. Из 3.5 г (0.01 м) 1,1-дифенил-2,2-дибромцик-лопропана (III), 0.85 г (0.01 м) нитрата натрия в 10 мл конц. H2SO4 выделяли 0.4 г (10%) 1-фенил-1-(4-нитрофенил)-2,2-дибромциклопропана (XI), т.пл. 143° С (из хлороформа). Спектр ЯМР 1Н (5, мд, ацетон^ ): 4.04 с ( 2Н, СН2), 7.22 т (1Н), 7.32 т (2Н), 7.61 т (2Н) - ароматические протоны, 7.82 д (2Н, ароматические протоны, /Н,СН 8.8 Гц), 8.27 д (2Н, ароматические протоны, /Н,СН 8.8 Гц). ИК спектр ( см -1 ): 1530, 1360 (NO2 ). Найдено %: С 45.60, Н 2.80. С15Н14Br2NO2. Вычислено %: С 45.34, Н 2.77.

6. Из 3.5 г ( 0.01 м) 1,1-дифенил-2,2-дибром-циклопропана (III), 2.5 г (0.03 м) нитрата натрия в 30 мл конц. H2SO4 выделяли 3.5 г (85%) 1,1-ди(4--нитрофенил)-2,2-дибромциклопропана (XII), т.пл. 201 - 202° С ( из хлороформа). Спектр ЯМР 1Н (d, м.д., ацетон-ё6): 2.83 с (2Н, СН2), 8.04 д (4Н, ароматические протоны, /НСН 8.8 Гц), 8.24 д (4Н, ароматичес-

3 -1

кие протоны, /НСН 8.8 Гц). ИК-спектр (см ): 1520, 1360 (NO2). Найдено % : С 40.72, Н 2.18, N 5.29. с^н^вг^^. Вычислено %: С 40.72, Н 2.26, N 6.34.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Сагинова Л.Г., Мохаммад Альхамдан, Петросян B.C. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2, Химия. 1995. 36. С. 573.

2. Crivello /.V // J. Org. Chem. 1981. 46. P. 3056.

3. Shudo K., Kobayaschi T., Utsunomiya C. // Tetrahedron. 1977. 33. P. 1721.

4. Рудаков E.C., Лобачев В.Л., Савсуненко О.Б. // Кинетика и

катализ. 1990. 31. С. 795.

5. Морковник А.С. // ЖОрХ. 1982. 52. С. 1877.

6. Henseling K.O.,Weyerstahl P. // Chem. Ber. 1975. 108. S. 2803.

7. Dale WJ., Swartzentruber P.E. // J. Org. Chem. 1959. 24. P.

955.

8. Нефедов О.М., Шафран Р.Н. // ЖОрХ. 1974. 10. С. 477.

9. Shaw-Tao Lin, Lee-Huey Lin, Yih-Fan Yao // Tetr. Lett. 1992. 33. P. 3155.

Поступила в редакцию 03.12.96