CC BY
36УДК (547.787.31+547.789.61):543.429.23
П.А. Губанова1, С.М. Рамш2
ОСОБЕННОСТИ СПЕКТРОВ ЯМР
л ____V
'Н ЧЕТВЕРТИЧНЫХ СОЛЕИ БЕНЗАЗОЛОВ В ДМСО^е
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26
Обнаружено, что при записи спектров ЯМР 'Н под влиянием остаточной влаги в ДМСО^6 четвертичные соли бензазолов претерпевают частичную трансформацию, что может приводить к неверным выводам о квалификации исследуемых образцов. Соблюдение определенных мер предосторожности позволяет получать качественные ЯМР-спектры указанных соединений в данном растворителе.
Ключевые слова: бензоксазол, бензотиазол, четвертичные соли, иодметилаты, ЯМР 'Н спектры, ДМСО^е.
Исследуя четвертичные соли бензазолов, мы обнаружили, что при записи спектров ЯМР 1Н растворов в ДмСо-d6 образцов 3-метилбензо[о]тиазол-3-ий-2-сульфоната (1а), 2,3-диметилбензо[о]оксазол-3-ий йодида (1б), 3-ме-тил-2-(метилтио)бензо[с]тиазол-3-ий йодида (1в) и 3-ме-тил-2-(2-(1\1-фенилацетамидо)винил)бензо[с]оксазол-3-ий йодида (2), кондиционных по обычным идентификационным параметрам, получаются спектральные картины, соответствующие суперпозиции спектров двух соединений -самой четвертичной соли и еще какого-то «постороннего» соединения. Специально поставленные опыты по препаративному гидролизу четвертичных солей (1а-в) и (2) позволили установить структуры этих «посторонних» соединений.
При препаративном гидролизе 3-метилбен-зо[о]тиазол-3-ий-2-сульфоната (1а) образуется 3-метил-бензо[с]тиазол-2(3Н)-он (3):
-э р- Н20
- Н23°3
СНя
N
I
СН,
1а
Сигналы в ЯМР 1Н спектре бензотиазолона (3) в ДМСО-d6 идентичны сигналам «постороннего» соединения в спектре сульфоната (1а), записанном в этом же растворителе (рисунок 1а). Это говорит о том, что при записи спектра 3-метилбензо[о]тиазол-3-ий-2-сульфоната (1а) в ампуле ЯМР-спектрометра помимо самого соединения (1а) присутствует продукт его гидролиза (3). В ЯМР 1Н спектре этого же образца сульфоната (1а), записанном в дейтери-рованном ацетонитриле СЭзСИ (рисунок 1б), дополнительные сигналы, соответствующие 3-метилбен-зо[о]тиазол-2(3Н)-ону (3), отсутствуют, и спектральная картина полностью соответствует структуре исследуемой соли. И хотя при записи спектра в дейтерированном ацетонитриле полного растворения сульфоната (1а) не было, можно с уверенностью утверждать, что исходная четвертичная соль не содержит примеси бензотиазолона (3), поскольку соединение (3) растворимо в ацетонитриле гораздо лучше, чем ионное соединение (1а). Таким образом, гидролиз соединения (1а) происходит не в ходе его синтеза или выделения, а после растворения в ДМСО^б, до
и/или во время записи спектра ЯМР, под действием содержащейся в дейтерированном ДМСО остаточной воды [1].
Рисунок 1. Область 1,0-9,0 м. д. спектров ЯМР1Н сульфоната (1а) в ДМСО-с16 (а) и в СйэСМ (б), 200 МГц. На рис. 1б видны также сигналы примесей в СР3СМ.
Препаративный гидролиз 2,3-диметилбензо[о]окса-зол-3-ий йодида (1б) приводит к продукту нуклео-фильного раскрытия оксазольного кольца - Л-(2-гид-роксифенил)-Л-метилацетамиду (4) [2, 3], «примесные» сигналы которого присутствуют в спектре соединения (1б) в ДМСО^б (рисунок 2а).
СО-
Н,0
- HI
СН,
он
У5
N^CH3
СН3
16
Губанова Полина Андреевна, аспирант каф. химической технологии органических красителей и фототропных соединений, e-mail: [email protected]
Рамш Станислав Михайлович, д-р хим. наук, проф., декан фак. тонкого органического и микробиологического синтеза, зав. кафедрой химической технологии органических красителей и фототропных соединений, e-mail: [email protected]
Дата поступления - 13 апреля 2010 года
Как и в случае 3-метилбензо[о]тиазол-3-ий-2-сульфона-та (1а), в спектре ЯМР четвертичной соли бензоксазола (16) в СЭзСЫ какие-либо дополнительные сигналы, в отличие от спектра этого соединения в ДМСО-с1в, отсутствуют (рисунок 2б). Аналогично соединению (1а), соединение (16) плохо растворимо в ацетонитриле, и в ампуле ЯМР-спектрометра полного растворения не наблюдается. В свою очередь продукт раскрытия гетерокольца а-(2-гидрокси-фенил)-а-метилацетамид (4) в дейтерированном ацетонитриле растворяется без остатка. Следовательно, и в этом случае можно утверждать, что примеси «раскрытого» продукта в исследованном образце соли (16) нет, а он образуется только при записи спектра в дейтерированном ДМСО под действием остаточной влаги растворителя [1]. Независимо от нас такой же вывод о лабильности четвертичных солей бензоксазола в ДМСО-Сб был сделан в работе [4], в которой качественные ЯМР-спектры этих солей были получены в дейтерированном хлороформе.
+ нго
х ,о*н2 -НА
СНз
тпраэдрическии интермедиа
Х=(), У=С1Г3 А=1 Х=Б, У=5СН3 Л=Т
(«) -НУ 11
(в) "одни 1 ДМСО
II
(■) Г =°
СНз 3 7 V
х-в 4,5 сн3
Х=0, У=С11, (4)
х-*, у-ясн. (5)
Записать спектры ЯМР 1Н соединения (1в) в дейтерированном ацетонитриле не удалось, поскольку оно в нем практически не растворимо. Качественный спектр этого соединения (рисунок зб), т. е. без набора сигналов продукта разложения (5), можно получить в ДМСО-Сб при соблюдении следующих мер предосторожности: брать малую навеску вещества (ввиду его малой растворимости в ДМСО-Сб); записывать спектр сразу же после кратковременного встряхивания ампулы с навеской вещества и растворителем при комнатной температуре, причем, если полного растворения вещества не происходит - не дожидаясь полного растворения; ни в коем случае не нагревать ампулу с навеской вещества и растворителем с целью растворить вещество. Если же повторить запись спектра в этой же ампуле на следующий день, то в нем детектируются сигналы продукта раскрытия кольца (5). Следует отметить, что в отличие от соединения (1а) в образцах соединений (16,в) примесей в виде продуктов гидролиза по способу их получения содержаться не может.
Рисунок 2. Область 1,0-10,0 м. д. спектров ЯМР1Н иодметилата бензоксазола (1б) в ДМСО-с1б (а) и в СйзО\1 (б), 400 МГц. На рис. 2б видны также сигналы примесей в СйзСЫ.
Аналогично предыдущим случаям, в ЯМР спектре 3-ме-тил-2-(метилтио)бензо[о]тиазол-3-ий йодида (1в) в ДМСО-Сб дополнительный набор сигналов принадлежит 5-метил 2-меркаптофенил(метил)карбамотиоату (5) - продукту гидролитического раскрытия тиазольного кольца под действием содержавшейся в ДМСО-Сб остаточной влаги (рисунок 3а). Действительно, при нагревании соединения (1в) в товарном диметилсульфоксиде образуется только «раскрытый» продукт (5), хотя препаративный гидролиз этого соединения, как и препаративный гидролиз сульфоната (1а), дает 3-метилбензо[о]тиазол-2(3л)-он (3).
По-видимому, преобладающее направление стабилизации тетраэдрического интермедиата - отрыв уходящего аниона или разрыв азольного цикла с образованием «раскрытого» соединения - зависит как от природы реакционной среды (диметилсульфоксид или вода), так и от природы уходящей группы: «хорошая» уходящая группа ИБОз- отщепляется и в плохо сольватирующем анионы ДМСО, а «плохая» СИзБ- - только в воде.
Рисунок 3. Область 1,0-9,0 м. д. спектра ЯМР 1Н иодметилата бензотиазола (1в) в ДМСО-ё6, записанного без соблюдения мер предосторожности (а), и спектра этого же образца в том же растворителе, записанного с соблюдением мер предосторожности (б), 400 МГц.
В ЯМР 1Н спектре 3-метил-2-(2-(1\1-фенилаце-тамидо)винил) бензо[о]оксазол-3-ий йодида (2) в ДМСО-Сб дополнительный набор сигналов (рис. 4а) принадлежит продукту гидролиза (6) за счет остаточной влаги в дейтерированном растворителе, но, в отличие от четвертичного оксазольного производного (16), при гидролизе соединения (2) не происходит раскрытия оксазольного цикла, а отщепляется подвижная ацетильная группа. Препаративный гидролиз соединения (2) также дает 3-метил-2-(2-(фенил-амино)винил)бензо[о]оксазол-3-ий йодид (6):
н2о
-СНзСООН
Следует заметить, что 3-метил-2-(2-(фенил-амино)винил)бензо[о]оксазол-3-ий йодид (6) может как образовываться в ходе записи спектра в ДМСО-Сб,
так и присутствовать в качестве примеси в образце соединения (2) по способу его получения из 2,3-диме-тилбензо[о]оксазол-3-ий йодида (16) и дифенилфор-мамидина в присутствии ацетангидрида [5], т. е. в результате «недоацетилирования» промежуточно образующегося соединения (6):
N^N
Н
N* СН,
(СНзСО^О
СНз
Однако в спектрах кондиционного образца соединения (2), полученного по способу [5], записанных в ДМСО-Сб при соблюдении приведенных мер предосторожности (рисунок 4б), а также в СЭзСИ (рисунок 4в), набор сигналов соединения (6) не наблюдается, что свидетельствует об отсутствии примеси дезацетильно-го производного (6) в этом образце.
Рисунок 4. Область 1,0-10,0 м. д. спектра ЯМР 'Н иодмети-лата ацетилпроизводного (2) в ДМСО-de, записанного без соблюдения мер предосторожности (а), спектра этого же образца в том же растворителе, записанного с соблюдением мер предосторожности (б), и спектра этого же образца в CD3CN (в), 400 МГц. На рис. 4в видны также сигналы примесей в CD3CN.
Таким образом, изученные четвертичные соли бен-зазолов (1а-в) и (2) являются лабильными соединениями, чувствительными к остаточной влаге в ДМСО-de, что необходимо учитывать при оценке их квалификации методом спектроскопии ЯМР. При записи спектров без соблюдения необходимых мер предосторожности в них детектируются «посторонние» сигналы, обусловленные трансформацией указанных солей под действием остаточной воды, обычно содержащейся в этом растворителе.
Экспериментальная часть
Спектры ЯМР 1Н записаны на спектрометрах Вгикег АМ-400 (400 МГц) и Вгикег АМ-200 (200 МГц) в ДМСО-Сб и СЭзСи. ИК спектры записаны на спектрофотометре БЫтаС1и FTIR-8400Б в таблетках КВг. Элементный анализ проведен на анализаторе Leco СИЫБ(О) 942.
3-Метилбензо[4]тиазол-3-ий-2-сульфонат (1а) [6]. К 2,3 г (0,009 моль) бензотиазолсульфоната калия добавили смесь 12,0 мл ледяной уксусной кислоты и 1,0 г (0,9 мл, 0,009 моль) ацетангидрида. Кипятили с обратным холодильником 7-10 минут. Прекратили нагревание и медленно ввели при мягком кипении 4,0 г (3,0 мл, 0,030 моль) диметилсульфата. Кипятили с обратным холодильником в течение 5 часов, упаривали, отмывали продукт на фильтре уксусной кислотой, затем ледяной водой, высушили в вакуум-эксикаторе. Для очистки продукта проводили перекристаллизацию из ацетонитрила с активированным углем. Выход 1,0 г (48%), т. пл. 308-310°С (лит. т. пл. 310°С [6]). Найдено, %: С 42,03; Н 3,15; N 6,25. Св^ИОзБ!. Вычислено, %: С 41,91; Н 3,08; N 6,11. ИК-спектр (тонкий слой), V, см-1: 3100-3013 (С-Н), 1592-1580 (аром), 1336 (С-^, 1403 (СНз), 1269 (С=^, 1056-1042 (БОз), 808 (СНз), 622 (С-Б). Спектр ЯМР 1Н (СЭзС^ 200 МГц), 5, м. д.: 4,44 с (3Н, NCHз), 7,74-7,96 м (2Н, Иаром), 8,10 д (У 8,5 Гц, 1И, Иаром), 8,23 д (У 7,9 Гц, 1И, Иаром). Спектр ЯМР 1Н (ДМСО-Сб, 200 МГц), 5, м. д. (1а): 4,50 с (3Н, NCHз), 7,76-7,79 м (2Н, Иаром), 8,32 д (У 8,5 Гц, 1И, Иаром), 8,45 д (У 7,9 Гц, 1И, Иаром); (3): 3,42 с (3Н, NCHз), 7,10-7,60 м (4И, Иаром).
2,3-Диметилбензо[4]оксазол-3-ий йодид (16)
[2]. В стеклянную ампулу поместили 10,0 г (9,0 мл, 0,075 моль) 2-метилбензоксазола и 12,2 г (5,4 мл, 0,075 моль) йодистого метила и сразу же запаяли. Нагревали на водяной бане в течение 5 часов. Образовавшийся осадок извлекли из ампулы, промыли ацетоном и высушили в вакуум-эксикаторе. Выход 17,4 г (84%), т. пл. 194°С (лит. т. пл. 196°С [2]). Найдено, %: С 39,30; Н 3,60; N 5,10. СдИп^О! Вычислено, %: С 39,30; Н 3,66; N 5,09. ИК-спектр (тонкий слой), V, см-1: 3030 (С-Н), 1625 (С=^, 1620 (аром), 1420-1380 (аром). Спектр ЯМР 1Н (СЭзС^ 400 МГц), 5, м. д.: 3,05 с (3Н, СИз), 4,05 с (3Н, NCHз), 7,73-7,97 м (4И, Иаром). Спектр ЯМР 1Н (ДМСО-Сб, 400 МГц), 5, м. д.: (16): 3,07 с (3Н, СИз), 4,08 с (3Н, NCHз), 7,73-8,15 м (4И, Иаром); (4): 1,68 с (3Н, СИз), 3,02 с (3Н, NCHз), 6,75-7,15 м (4И,
Иаром).
3-Метил-2-(метилтио)-бензтиазол-3-ий йодид (1в). 8,4 г (0,046 моль) 2-метилтиобензотиазола растворили при перемешивании в 8,2 г (8,0 мл, 0,128 моль) метилйодида. Раствор темно-коричневого цвета оставили стоять в темном месте на 3 дня. Образовавшийся на дне колбы блестящий кристаллический осадок промыли ацетоном (жидкой фазы почти нет), отфильтровали и высушили в вакуум-эксикаторе. Выход 7,3 г (49%), т. пл. 135°С (лит. т. пл. 146°С [7]). Найдено, %: С 33,44; Н 3,00; N 4,45. СдИп^! Вычислено, %: С 33,44; Н 3,12; N 4,33. Спектр ЯМР 1Н (ДМСО-Сб, 400 МГц, записан с соблюдением мер предосторожности, сразу же после растворения образца в ДМСО-Сб при комнатной температуре), 5, м. д.: 3,14 с (3Н, БСИз), 4,13 с (3Н, NCHз), 7,70 т (У 7,9 Гц, 1И, Иаром), 7,82 т (У 7,9 Гц, 1И, Иаром), 8,18 д (У 8,9 Гц, 1И, Иаром), 8,39 д (У 7,9 Гц, 1И, Иаром). Спектр ЯМР 1Н (ДМСО-Сб, 400 МГц, записан на следующий день после растворения образца в ДМСО-Сб), 5, м. д. (1в): 3,13 с (3Н, БСИз), 4,13 с (3Н, NCHз), 7,69 т (У 7,9 Гц, 1И, Иаром), 7,81 т (У 7,9 Гц, 1И, Иаром), 8,18 д (У 8,9 Гц, 1И, Иаром), 8,39 д (У 7,9 Гц, 1И, Иаром); (5): 2,17 с (3Н, БСИз), 3,82 с (3Н, NCHз), 7,30-7,80 м (4И, Иаром).
3-Метилбензо[^]тиазол-2(3Н)-он (3). А. 2,0 г (0,009 моль) 3-метилбензо[о]тиазол-3-ий-2-сульфоната (1а) кипятили в 30,0 мл воды в течение 15 минут. Выпавший осадок отфильтровали, высушили в вакуум-
эксикаторе. Выход 0,40 г (28%), т. пл. 69-71°С (лит. т. пл. 74°С [8]). Найдено, %: С 58,11; Н 4,27; N 8,52. С8Н71\ЮБ. Вычислено, %: С 58,16; Н 4,27; N 8,48. ИК-спектр (тонкий слой), V, см-1: 2939 (СНз), 1680 (С=О), 1589 (аром). Спектр ЯМР 1Н (ДМСО^б, 200 МГц), 5, м. д.: 3,42 с (3Н, NCHз), 7,10-7,26 м (2Н, Наром), 7,34 т (У 7,9 Гц, 1Н, Наром), 7,52 д (У 7,5 Гц, 1Н, Наром). Б. 0,50 г (0,0015 моль) 3-метил-2-метилтиобензотиазолий йодида (1в) при нагревании растворили в 15 мл воды и кипятили в течение 2 часов. При охлаждении выпал осадок, который отфильтровали и высушили в вакуум-эксикаторе. Выход 0,12 г (48%), т. пл. 69°С (лит. т. пл. 74°С [8]). Спектр ЯМР 1Н (ДМСО^б, 400 МГц), 5, м. д.: 3,40 с (3Н, N^3), 7,16 т (У 7,9 Гц, 1Н, Наром), 7,24 д (У 7,9 Гц, 1Н, Наром),7,34 т (У 7,9 Гц, 1Н, Наром), 7,55 д (У 7,9 Гц, 1Н, Наром).
Л-(2-Гидроксифенил)-Л-метилацетамид (4). 0,50 г (0,0018 моль) 2,3-диметилбензо[о]оксазол-3-ий йодида (1б) при нагревании растворили в 15,0 мл воды и кипятили в течение 1 часа. При охлаждении выпал осадок, который отфильтровали и высушили в вакуум-эксикаторе. Выход 0,16 г (53%), т. пл. 146°С (лит. т. пл. 151°С [2]). Спектр ЯМР 1Н (СЭзС^ 400 МГц), 5, м. д.: 1,72 с (3Н, СНз), 3,08 с (3Н, N043), 6,89 т (У 7,9 Гц, 1Н, Наром), 6,98 д (У 7,9, 1Н, Наром), 7,16 д (У 7,9, 1Н, Наром), 7,21 т (У 7,9 Гц, 1Н, Наром), 8,36 с (1Н, ОН). Спектр ЯМР 1Н (ДМСО^б, 400 МГц), 5, м. д.: 1,68 с (3Н, СНз), 3,03 с (3Н, N^3), 6,79 т (У 7,9 Гц, 1Н, Наром), 6,91 д (У 7,9, 1Н, Наром), 7,06-7,14 м (2Н, Наром), 9,66 с (1Н, ОН).
5-Метил 2-меркаптофенил(метил)карба-мотиоат (5). 0,70 г (0,0022 моль) 3-метил-2-(метил-тио)-бензтиазол-3-ий йодида (1б) перемешивали при комнатной температуре в 5,0 мл товарного ДМСО. Растворения исходной соли не было. Постепенно выпадал осадок белого цвета, который через 2 дня отфильтровали и высушили. Выход 0,1 г (21%). Спектр ЯМР 1Н (ДМСО^б, 400 МГц), 5, м. д.: 2,17 с (3Н, БСНз), 3,81 с (3Н, NCHз), 7,30-7,80 м (4Н, Наром).
3-метил-2-(2-(л-фенилацетамидо)винил)-бензо[й]оксазол-3-ий йодид (2) [5, 9]. Смесь 4,1 г (0,015 моль) 2,3-диметилбензо[о]оксазол-3-ий йодида (1б), 4,5 г (0,023 моль) дифенилформамидина и 19,5 г (18,0 мл, 0,19 моль) ацетангидрида кипятили на песчаной бане 1,5 часа, затем отгоняли растворитель на ротационном испарителе. Маслянистый осадок затирали ацетоном, отфильтровывали и высушили в вакуум-эксикаторе. Выход 4,1 г (65%), т. пл. 207°С (лит. т. пл. 210°С [5]). Найдено, %: С 51,54; Н 4,1; N 6,75. С18Н17^021. Вычислено, %: С 51,44; Н 4,08; N 6,67. Спектр ЯМР 1Н (СЭзС^ 400 МГц), 5, м. д.: 2,06 с (3Н, СНз), 3,68 с (3Н, NCHз), 5,38 д (У 13,8, 1Н, СН), 7,39-7,87 м (9Н, Наром), 9,17 д (У 13,8, 1Н, СН). Спектр
ЯМР 1Н (ДМСО-d 6, 400 МГц, записан с соблюдением мер предосторожности, сразу же после растворения образца в ДМСо^б при комнатной температуре), 5, м. д.:
2.06 с (3Н, СНз), 3,82 с (3Н, NCH3), 5,43 д (J 13,8, 1H, СН), 7,47-8,03 м (9Н, Наром), 9,07 д (J 13,8, 1Н, СН). Спектр ЯМР 1Н (ДМСО^б, 400 МГц, записан без предосторожностей), 5, м. д. (2): 2,06 с (3Н, СНз), 3,82 с (3Н, NC^), 5,43 д (J 13,8, 1Н, СН), 7,47-8,03 м (9Н, Наром),
9.07 д (J 13,8, 1Н, СН); (6): 3,04 с (3Н, NC^), 4,44 д (J 13,8, 1Н, СН), 6,54-7,37 м (9Н, Наром), 8,25 д (J 13,8, 1Н, СН).
3-Метил-2-(2-(фениламино)винил)бен-зо[а]оксазол-3-ий йодид (6). 0,30 г (0,0007 моль) 3-метил-2-(2-(^фенилацетамидо) винил)бензо[о]окса-зол-3-ий йодида (2) кипятили в 10,0 мл воды в течение 10 минут. При охлаждении выпал осадок, который отфильтровали и высушили в вакуум-эксикаторе. Выход 0,11 г (41%). Спектр ЯМР 1Н (ДМСО^б, 400 МГц), 5, м. д.: 3,04 с (3Н, NQ-h), 4,44 д (J 13,8, 1Н, СН), 6,54-7,37 м (9Н, Наром), 8,24 д (J 13,8, 1Н, СН), 9,43 с (1Н, N^.
Литература
1. Нагибина О.А., Михайлов Л.Е., Рамш С.М. Необычное поведение четвертичных солей бензоазо-лов в диметилсульфоксиде // Фундаментальные исследования в технических университетах. Межвуз. сб. науч. трудов. Санкт-Петербург: изд-во СПбГПУ, 2004. С. 254-255.
2. Clark L.M. Quaternary salts of benzoxazoles // J. diem. Soc. 1926. Р. 232-236.
3. Oliveros L., Wahl H. Etude des sels de dimethyl-2,3-benzoxazolium //Bull. Soc. dim. 1969. Р. 2815-2820.
4. Santos R., Fernandes L.M., Boto R.F., Almeida S., Almeida P. NMR spectroscopy study of 2-methylbenzoxazolium salts hydroxylation in DMSO-d6 solution // Tetrahedron Lett. 2006. V. 47. P. 6723-6725.
5. Anish A.W. Benzoxazoles and method of preparation. Pat. 2429178 USA. 1947; С.А. 1948, 42, 619a.
6. Larive H., Collet P., DennHauler R., Vincennes K. Cycloammonium sulfobetaines in synthesis of cyanine- and merocyanine sensitizing dyes // Bull. Soc. chim. 1956. Р. 1443-1453.
7. Morgan. K.J. The alkylation of mercaptobenzothia-zole // J. Chem. Soc. 1958. P. 854-858.
8. Metzger J., Larive H., Denn Hauler R., Baralle R., Gaurat C. Comportement et reactivite d'heterocycloammo-niums dans la synthese des colorants cyanines et carbo-cyanines // Bull. Soc. dim. 1964. Р. 2857-2867.
9. Toutchkine A., Nalbant P., Hahn K.M. Facile Synthesis of Thiol-Reactive Cy3 and Cy5. Derivatives with Enhanced Water Solubility // Bioconjugate Chem. 2002. V. 13. P. 387-391.
