О механизмах реакции галогенциклизации аллилтиоазинов

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Д. Г. Ким, Ю. О. Субботина, А. В. Белик О механизмах реакции галогенциклизации аллилтиоазинов

Рассмотрены механизмы галогенциклизации различных аллилтиоазинов. Показано, что иодциклизация протекает по электрофиль-ному механизму через образование иодониевого иона, а бромциклиза-ция- через образование бромониевого и тиираниевого ионов. При бромциклизации 8-аллилтиохинолина реализуется электрофильный механизм и механизм через присоединение брома с образованием 8-бис(бромметил)метилтиохинолина и последующей внутримолекулярной циклизацией. Механизмы реакций подтверждены квантово-химическими рассчетами.

В ранних работах [1,2] авторы полагали, что галогенциклизация протекает в две стадии. Вначале происходит присоединение галогена по двойной связи, а затем — внутримолекулярная циклизация.

X

Р-?-(Он2)п—014=0^

X,

р-г-^н^—онх-о^х

п = 3, 4

Р = А1к, Аг

? = ын, ЫР

\ /

он I

он2х

(ОН,)п

В более поздних работах [3-5], по данным кинетических и стереохими-ческих исследований, пришли к мнению, что галогенциклизация протекает по синхронному механизму, сущность которого заключается в том, что происходит одновременная атака галогена (электрофила) и гетероатома (нук-леофила) на различные атомы углеродов двойной связи.

X,

X

т

"'X—X

? = о, э, ын

В других работах [6,7] авторы, основываясь на электрофильном механизме присоединения галогенов к алкенам, сделали вывод, что галогенцикли-зация протекает через галогенониевый ион (галогенониевый механизм).

Ъ = О, Б, ЫИ

Нами установлено, что в зависимости от природы галогена реакция га-логенциклизации протекает по различным механизмам и направлениям. Так,

2-аллилтиопиридин реагирует с йодом с образованием трииодида

3-иодметил-2,3-дигидротиазоло[3,2-а]пиридиния (I), а с бромом образуется смесь бромидов 3- и 2-бромметил-2,3-дигидротиазоло[3,2-а]пиридиния (II, III) [8]. Такое различное направление, по-видимому, связано с тем, что иод-циклизация протекает с промежуточным образованием иодониевого катиона (IV), а бромциклизация — бромониевого иона (V), который переходит в тии-раниевый (эписульфониевый) ион (VI). При внутримолекулярной циклизации тиираниевого иона VI образуется смесь бромидов II и III (тиираниевый механизм). Можно предположить, что иодониевый ион IV более устойчив, чем бромониевый ион V, который в свою очередь менее устойчив, чем тиираниевый VI.

Щ Г^ VI III

I, II, IV, V Х=Бг, I

Синхронный механизм мало вероятен при галогенциклизации 2-аллилтиопиридина 2- и 8-аллилтиохинолинов. Для реализации этого механизма необходимо, чтобы молекула приняла конформацию Б или В, в которых двойная связь приближена к атому азота. Как показывают расчеты (метод РМ3, программа НУРБЯСИБМ), более выгодными являются кон-формации А (Е= -1961,20) и Г (Е= -1963,93), а менее выгодными - конформа-ции Б (Е= -1960,84) и В (Е= -1955,26).

а

А

Б

В

Г

Нами установлено, что иодциклизация 2-аллилтиопиридина, 2- и 8-аллилтиохинолинов протекает в присутствии иодоводородной кислоты (образование гидроиодидов) с образованием тех же продуктов, что и в ее отсутствие. Это свидетельствует о том, что происходит галогенониевый, а не синхронный механизм.

Протеканию синхронного механизма будет препятствовать также способность пиридинового атома азота вступать в комплексообразование с молекулой галогена.

При бромировании 2-аллилтиохинолина в СС14 образуется бромид 2-бромметил-2,3-дигидротиазоло[3,2-а]хинолиния (VII), который практически сразу падает из раствора при сливании растворов исходных реагентов (бромониевый механизм). После отделения бромида VII из раствора падает смесь бромида VII и бромида 3-бромметил-2,3-дигидротиазоло[3,2-а]-хинолиния (VIII, тиираниевый механизм).

При бромировании 8-аллилтиохинолина образуются желтые кристаллы бромида 3-бромметил-2,3-дигидро-1,4-тиазино[2,3,4-7,у]хинолиния (X), которые практически сразу падают из реакционного раствора [9]. После отделения бромида X из бесцветного раствора постепенно (в течение суток) начинают падать желтые кристаллы бромида 2-бромметил-2,3-дигидро-1,4-тиа-зино[2,3,4-7,у]хинолиния (XI) с примесью бромида X. Это позволяет предположить, что бромид XI образуется из 8-бис-(бромметил)-метилтиохинолина (XII). По-видимому, бромониевый ион XIII частично циклизуется с образованием бромида XI, а частично переходит в тиираниевый ион XIV, который реагирует с бромид ионом с образованием дибромпроизводного XII. Если бы тиираниевый ион XIV сразу переходил в бромид XII, то мы не наблюдали

Х2п+1

VII

IX

VIII

бесцветный реакционный раствор после отделения бромида X, а образование бромида XI не происходило бы в течение длительного времени.

Вг

"Вг

Вг

XIII

СН(СН2Вг)2

Вг

Э^^Вг X

Вг

Вг

XIV

XII

XI

Вг

9

Вг

N

Вг"

1 + J Вг N

Вг

XV XVII XVI

Промежуточные ионы XIII и XIV в принципе могут прореагировать с бромид ионом с образованием 8-(2,3-дибромпропилтио)хинолина (XV), при внутримолекулярной циклизации которого может образоваться бромид X. Это подтверждено нами экспериментально. При взаимодействии 8-меркаптохинолината натрия с 1,2,3-трибромпропаном образуется дибром-производное XV, при циклизации которого основным продуктом является бромид X.

Следует отметить, что внутримолекулярная циклизация дибромпроиз-водных XII и XV может происходить через обратные превращения в тиира-ниевый ион XIV.

Теоретически при внутримолекулярной циклизации соединения XV может образоваться бромид 3-бром-3,4-дигидро-2Н-1,3-азепино[2,3,4-/,/]-

хинолиния (XVI). Бромид XVI может образоваться из тиетаниевого иона XVII, который в свою очередь образуется из дибромпроизводного XV.

С целью доказательства образования дибромпроизводных XII и XV нами исследовано бромирование аллилфенилсульфида, близкого по структуре к 8-аллилтиохинолину, но не содержащего атома азота. При этом, методом ПМР установлено, что реакция протекает с образованием смеси бис-(дибромметил)метилфенилсульфида (основной продукт) и 2,3-дибром-пропилфенилсульфида. Это свидетельствует о том, что при бромировании аллилфенилсульфида образуется как бромониевый, так и тиираниевый ионы.

РЬ-8-СН2-СН=СИ2 + БГ2 ^ РЬ^-СЩС^БГ^ + РЬ^-С^-СНБГ-С^БГ

Ранее [11] было показано, что аллилметилсульфид реагирует с бромом в СС14 при -100С с образованием 1,3-дибром-2-метилтиопропана, который образуется из тиираниевого иона.

Из вышесказанного следует, что при бромциклизации 2-аллил-тиопиридина и 2-аллилтиохинолина также может образоваться бис-(дибромметил)метилтиопроизводное, способное циклизоваться внутри-молекулярно.

В отличие от аллилтиоазинов, 2-металлилтиопиридин, 2- и 8-мет-аллилтиохинолины реагируют с бромом только по бромониевому механизму с образованием одного циклического продукта. Продукт бромциклизации, образующийся из тиираниевого иона, нами не обнаружен.

2-Аллтио-4-пиримидиноны теоретически могут реагировать с бромом и иодом по схеме реакции галогенциклизации как по атому N1, так и по атому К3. Направление галогенциклизации прежде всего будет зависеть от тауто-мерной формы 2-аллилтио-4-пиримидинонов. Если протон будет локализован у атома то галогенциклизация будет протекать по атому N и наоборот. Нами методом РМ3 показано, что более выгодной является таутомерная форма с протоном у атома N (таутомер А).

О

О

Р.

ГС

О

N

Л,

X

Б

Р — Н, С2Н5

Р — Н, СН3, N^2

X —Вг, I

По данным ПМР и ИК-спектроскопии основным продуктом является продукт галогенциклизации по атому азота N [10].

Таблица

Энергия связывания (Еы„d) таутомерных форм

R1 R2 E

Таутомер A Таутомер B

H H -1948,71 -1945,53

H CH3 -2233,22 -2230,64

H NH2 -2123,65 -2120,45

C2H5 CH3 -2796,67 -2793,69

Таким образом, в работе показано, что иодциклизация 2-аллил-тиоазинов протекает по электрофильному механизму через промежуточный иодониевый ион, а бромциклизация — через бромониевый и тиираниевый ионы. При бромциклизации 8-аллилтиохинолина реализуется бромониевый и тиираниевый механизм, а также механизм с образованием 8-бис(ди-броммметил)метилтиохинолина и 8-(2,3-дибромпропилтио)хинолина и последующей внутримолекулярной циклизацией.

Список литературы

1. Fittig R., Hjelt E. // Ann. 1883. B.216. S. 61 — 65.

2. Bougault J. // Ann.chim. phus. 1908. B.14. S. 145 — 157.

3. Станинец В.И., Шилов Е.А. // Успехи химии. 1971. Т.40, №3. С.491—512.

4. Геваза Ю.И., Станинец В.И., Зефиров Н. С. Электрофильная внутримолекулярная циклизация олефинов. Киев: Наук. думка, 1990, 156 с.

5. Родиновская Л.А.,Шаранин Ю.А., Шестопалов А.М., Литвинов В.П. // ХГС. 1988. №6. С.805-812.

6. Undheim K. // Heterocycles. 1981. Vol.15, №2. Р. 1349 — 1394.

7. Cardillo G., Orena M. // Tetrahedron. 1990.Vol. 46, №10.P 3221 — 3408.

8. Ким Д.Г. //ХГС. 1999. №3. С.334 — 336.

9. Ким Д.Г.// ХГС. 1997. №8. С.781 — 784.

10. Ким Д.Г., Шмыгарев В.И., Харлампиева Е.П., Воробьев Д.В. // Журн. орган. химии. 1997. Т.33, №.9. С.1416 — 1417.

11. Bland J.M., Stamer H C. // J. Org. Chem. 1983. Vol.48. P.4393 — 4394.

Выражаем благодарность Р. М. Арсламбекову и Е. В. Смолиной за консультации, оказанные при подготовке данной статьи.