Некоторые закономерности сульфохлорирования амидов 2-тиофенкарбоновой кислоты Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Т 50 (4)

ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ

ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

2007

УДК 547.732.5

П.К. Писарев, А.В. Тарасов, Ю.А. Москвичев, А.А. Никифорова, А.С. Быченков

НЕКОТОРЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ СУЛЬФОХЛОРИРОВАНИЯ АМИДОВ 2-ТИОФЕНКАРБОНОВОЙ КИСЛОТЫ

(Ярославский государственный технический университет) E-mail: [email protected]

Осуществлено сульфохлорирование ряда амидов 2-тиофенкарбоновой кислоты. Выявлено значительное влияние строения амидного фрагмента на место включения сульфогруппы в молекулу. Предложены условия селективного получения производного 4-хлорсульфонилтиофен-2-карбоновой кислоты.

Производные ароматических и гетероциклических сульфокарбоновых кислот находят широкое применение в качестве мономеров для поликонденсационных полимерных материалов [1], пестицидов [2], лекарственных средств различного назначения [3]. Основным промежуточным соединением для их получения являются сульфо-хлориды, которые, в свою очередь, синтезируются главным образом посредством реакции соответствующих соединений с хлорсульфоновой кислотой

[4].

Процессы электрофильного замещения, к которым относится и сульфохлорирование, довольно широко изучены в случае замещенных тиофенов. Производные тиофена намного более активны в таких реакциях, чем соответствующие производные бензола, хотя большая часть реакций протекает в обоих случаях по одинаковому механизму [5]. Для многих реакций получены количественные данные, демонстрирующие применимость для тиофена полуэмпирических соотношений, связывающих строение и реакционную способность, в частности, уравнения Гаммета. При

этом возможно использование электрофильных

+

констант заместителей а , наиденных для ряда бензола: передача эффектов заместителя из положения 2 в положение 5 описывается с помощью

констант сг^, взаимодействию между положениями 2 и 4 или 3 и 5 отвечают константы <т+ Г61.

М L J

Принципиальным отличием правил ориентации в ряду тиофена от известных для бензола законо-

мерностей является то, что почти всегда преобладающим является эффект гетероатома, а не заместителя. Таким образом, обычно наблюдается преимущественное, а часто исключительное -замещение, которое может даже вызвать вытеснение или перегруппировку имеющегося заместителя. Лишь при наличии двух свободных -положений проявляется согласованная ориентация заместителя и гетероатома цикла. Селективность электрофильного замещения уменьшается с увеличением активности реагента или при использовании более жестких условий проведения процесса. Наличие заместителя в а-положении тиофенового цикла также оказывает значительное влияние на реакционную способность, причем существенно большее, чем в случае бензольных аналогов. Так, наличие в положении 2 тиофеново-го цикла электроноакцепторного заместителя эффект) облегчает протекание замещения в 4-положение, приводя, таким образом, в итоге к смеси 2,4- и 2,5-изомеров, как правило, с преобладанием последних [7]. Однако с увеличением электроноакцепторного эффекта заместителя степень замещения в положение 4 увеличивается. Например, в случае ацильных групп, модифицированных протонированием или комплексоообра-зованием с кислотами Льюиса, возможно селективное проведение электрофильного замещения в 4-положение [8].

Сульфохлорирование 2-тиофенкарбоновой кислоты 4-кратным избытком хлорсульфоновой кислоты при 60 °С приводит к получению смеси

продуктов с общим выходом 75% (уравнение 1), содержание в которой 2,4- и 2,5-изомеров примерно одинаково [9].

ОС|Н80з,60°С /ТХ3°2Г -- Н00С^^>-8°2С1 + НООС-^ )>

(1)

Б 2

В случае проведения процесса при 130 С из реакционной смеси выделяется один 2,4-изомер. Объясняется это протеканием дальнейшего сульфохлорирования 2,5-изомера с образованием сульфокислоты (уравнение 2), которая не превращается в сульфохлорид по причине более быстрого образования ангидрида (уравнение 3).

НООС

анэо 13° Г эаа -^-»

Н°зБ НОО^^/ Б°2С|

и \

^БО,. ЧСО

При выливании реакционной смеси в воду этот ангидрид быстро гидролизуется, а образующаяся кислота растворяется в воде. Остающаяся нерастворенной 4-хлорсульфонилтиофен-2-карбо-новая кислота, по-видимому, более устойчива при высоких температурах к воздействию хлорсуль-фоновой кислоты, чем 2,5-изомер.

Однако существенными недостатками, отличающими подобный метод получения 2,4-изомера, являются весьма низкий выход - лишь около 40%, а также потеря значительной части исходной тиофенкарбоновой кислоты. Поэтому в настоящей работе мы исследовали протекание сульфохлорирования различных амидов 2-тиофенкарбоновой кислоты с целью определения характера влияния строения последних на изомерный состав продуктов реакции. При этом в качестве итоговой предполагалась задача выбора на основе полученных данных условий для получения индивидуальных соединений с высоким выходом.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для проведения эксперимента использовалась свежеперегнанная без доступа влаги воздуха хлорсульфоновая кислота и длительно прогретые в сушильном шкафу исходные амиды. Процесс сульфохлорирования проводился в термостатированном стеклянном реакторе, оборудованном рубашкой для теплоносителя (вода), мешалкой, термометром и обратным холодильником с хлор-кальциевой трубкой. В качестве растворителя выступал 4 кратный избыток ХСК по отношению к 0,015 моль исходного вещества. В каждом случае реакция протекала в течение 2-х часов при температуре 60°С, т.к. таких условий достаточно для ее завершения вне зависимости от строения амида

[9]. По истечении времени процесса реакционная смесь при перемешивании выливалась на лед, выпавший белый осадок отфильтровывался и промывался 100 мл воды. Затем 0,01 моль высушенного продукта растворяли в 3 мл ацетонитрила и постепенно при перемешивании прикапывали к раствору 0,022 моль морфолина. По окончании добавления реакционную смесь разбавляли 20 мл воды, при этом гидрохлорид морфолина растворялся, и выпадал светлый осадок. Он отфильтровывался без кристаллизации во избежание нарушения изомерного состава. Идентификация и определение соотношения изомеров в виде соответ-ств(у2)ющих сульфонилморфолидов проводились методом ПМР. Спектры ЯМР 5%-ных растворов образцов в ДМСО-<16 с внутренним стандартом ТМС были записаны на приборе "Вгикег -DRX 500".

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Основные результаты проведенного исследования представлены в таблице.

Прежде всего, необходимо отметить значительное влияние строения заместителя Я в кар-бамидной группе на степень сульфирования в то или иное положение. По всей видимости, это следствие вышеупомянутого протонирования, поскольку проведение процесса в среде хлорсуль-фоновой кислоты способствует возникновению этого явления. Кроме того, электроноакцепторные свойства исследованных заместителей не так сильно отличаются друг от друга, чтобы обеспечить столь заметное различие в их ориентирующем влиянии, как это наблюдается в данном случае, в отсутствие других действующих факторов. В данном случае мы не наблюдаем смены характера направляющего сульфирование влияния в рассматриваемом ряду соединений (П-УП), во всех случаях замещение идет преимущественно в 4 положение. Однако изменение соотношения изомеров следует признать весьма существенным, по крайней мере, для ряда замещенных тиофенов с заместителями одной природы и с приблизительно одинаковым электронным влиянием на молекулу. Протонирование же атомов кислорода и азота должно существенно повлиять на скорость и направление протекания процесса сульфирования. Радикальное изменение характера протекания реакции в случае перехода от карбоксильной к карбамидной группе (соединения I и II соответственно) косвенно подтверждает участие обоих этих атомов во взаимодействии с протонами. Наблюдаемые различия в ориентирующем сульфирование влиянии фрагмента Я можно объяснить сте-рическими факторами, оказывающими влияние на

НС1

О

БО2С1 (3)

НГ1, - НБО

2--4

Б

степень протонирования. Из таблицы видно, что характер направляющего действия меняется от незамещенного (II) к дизамещенному (VII) азотному атому с увеличением длины, разветвленно-сти и объема заместителей. Кроме того, важную роль играют их электронные свойства. Так, для соединений VI и VII соотношение изомеров практически одинаково, хотя степень экранирования атома азота от протонирования в случае дизаме-щенного амида значительно больше. Это объясняется сильным электроноакцепторным эффектом изоксазольного цикла, нивелирующим последствия протонирования.

Таблица

Данные по выходам соответствующих сульфонил-хлоридов, соотнесению пиков на ПМР-спектрах и изомерному составу смесей соединений вида

O N-SO.

4_3 «

Table Data on yields of corresponding sulfonylchlorides, on NMR-spectra bands identification and on isomeric composition of compounds'mixture of the type

/ \

O N-SO,

4_3 ...

TU*

Соединение Заместитель R Суммарный выход на стадии сульфохлори-рования, % 'И ЯМР-спектр, 8, м.д. Соотношение 4- и 5-заме-щенных, %

I -OH 75 2.91 т, 3.64 т (8H^ Иморфоли- на); 7.82 д, 8.53 с (1Н, Из); 7.67 д (0.51И, И4); 7.78 с (0.49И, Н5); 13.82 с (1Н, СООИ) 49 : 51

II -NH2 76 2.83 т, 3.32 т (8И^ Иморфоли- на); 7.82 с (1Н, Из); 8.41 с (1Н, Н5); 8.018.85 м (1Н, œNH) 100 : 0

III -NHCH3 82 2.86 т, 3.80 т (8И^ Иморфоли- на); 2.53 д (3Н, CH3); 7.65 д, 7.95 с (1И, Из); 7.82 д (0.14И, Н4); 8.40 с (0.86И, И5); 8.75 д (1Н, TONH) 86 : 14

IV NHCH(CHs)2 76 2.92 т, 3.67 т (8И, Иморфоли- на); 1.18 д (6И, (CH3)2); 4.024.10 м (1И, СИ); 7.65 д, 8.12 с (1И, 78 : 22

Из); 7.93 д (0.22И, И4); 8.43 с (0.78И, И5); 8.05 д (1И, СОЫН)

V 83 2.94 т, 3.68 т (8Н^ Иморфоли- на); 1.53-1.90 м (8И, Ициклопен- тана); 4.66 м (1И, NŒ); 7.66 д, 8.08 с (1И, Из); 7.95 д (0.32И, И4); 8.39 с (0.68И, И5); 8.67 д (1И, СОNH) 68 : з2

VI "H^HL 78 2.97 т, 3.64 т (8H^ Иморфоли- на); 2.43 с (3И, СИз); 6.72 с (1И, Иизоксазо- ла); 7.74 д, 8.39 с (1И, Из); 8.13 д (0.43И, И4); 8.52 с (0.57И, И5); 11.70 с (1И, TONH) 57 : 4з

VII -О 80 2.85 т, 3.67 т ^^^ Иморфоли- на); 1.50-1.88 м, 3.80-3.93 м Ипипери-дина); 7.47 с, 7.50 д (1И, Из); 7.72 д (0.44И, И4); 8.83 с (0.56И, И) 56 : 44

Основным итогом проведенной работы является обнаружение соединения, сульфохлориро-вание которого протекает исключительно в 4-положение с достаточно высоким выходом (76%), что позволяет получать замещенные тио-фены такого строения с существенно меньшими потерями реагентов, чем в предложенном ранее способе [9].

ЛИТЕРАТУРА

1. Бюллер К.-У. Тепло- и термостойкие полимеры. М.: Химия. 1984. С. 1056.

2. Мельников Н.Н. Химия и технология пестицидов. М.: Химия. 1974. С. 768.

3. Машковский М.Д. Лекарственные средства. М.: Новая волна. 2005. 1216 с.

4. Сьютер Ч. Химия органических соединений серы. М.: Изд-во ин. лит. 1951. Т. 3. С. 233.

5. Общая органическая химия / Под ред. Д. Бартона, У.Д. Оллиса. М.: Химия. 1985. Т. 9. С. 800.

6. Получение и свойства органических соединений серы / Под ред. Л.И. Беленького. М.: Химия. 1998. С. 560.

7. Джилкрист Т. Химия гетероцикл. соединений. М.: Мир. 1996. С. 464.

8. Новые направления химии тиофена / Под ред. Я.Л. Гольдфарба. М.: Наука. 1976. С. 560.

9. Тарасов А.В. и др. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2003. Т. 46. Вып. 9. С. 11-13.

Кафедра химической технологии органических веществ