CC BY
54Органический синтез и биотехнология
УДК 547.792 Т.П. Кофман1
Светлой памяти М.С. Певзнера
В химии 1,2,4-триазола особое место занимают его нитро-производные. В их ряду интересны в химическом и в энергетическом плане 3-нитро- (N1), 3,5-динитро- ^N1), 3-нитро-5-амино- (ANТA) и 3-нитро-5-азидо-1,2,4-триазол (ANТ). Это наиболее исследованные представители ряда 3-нитро-5-R-1,2,4-триазола, и они вполне доступны, благодаря работам, выполненным, в основном, в Технологическом институте. Ранее нами опубликованы обзоры, посвященные, главным образом, энергетически обогащенным веществам [1-3], в том числе отдельным представителям этого ряда [3]. Систематические исследования по синтезу и химии 3-нитро-5^-1,2,4-триазолыам были начаты в 60-ые годы М.С Певзнером, и им предшествовали единичные патенты США [4].
Методы получения 3-нитро-5-Я-1,2,4-триазолов.
Для синтеза нитропроизводных 1,2,4-триазола применялись диазотирование и окисление соответствующих амино-триазолов и ^нитрование 3^-1,2,4-триазолов с последующей перегруппировкой образовавшихся ^нитропроизвод-ных в С-нитросоединения.
Диазотирование аминотриазолов.
Первым в ряду 3-нитро-5^-1,2,4-триазолов методом диазотирования был синтезирован 3,5-динитро-1,2,4-триа-зол [4]. Его получали из 3,4,5-триамино- или 3,5-диамино-1,2,4-триазолов по Зандмейеру в присутствии солей меди. Более универсален некаталитический вариант синтеза [5]. Этим способом были получены почти все известные 3-нитро-5^-1,2,4-триазолы, в том числе и некоторые их ^замещенные = Н, R = Н, ОНз, C2H5, П-О3Н7, C6H5, рт-ОбНз, m-NO2-C6H5NO2, COOCHз, {-(СН2)п-3-нит-ро-1,2,4-триазол-5-ил, п = 0,1,2} [5], ОООН [6], NHAc [7], а [8], ОН2ОООН [9]; R' = 2-ОНз, R =Н, ОООН; ^ = 4-ОНз, R = Н [5], схема 1.
РАЗВИТИЕ ХИМИИ 3-НИТРО-5-Я-1,2,4-ТРИАЗОЛОВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ИНСТИТУТЕ. ЧАСТЬ 1. (ОБЗОР)
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) 190013, Санкт-Петербург, Московский пр. 26
В первой части обзора рассмотрены методы получения, реакционная способность, физико-химические свойства 3-нитро-5-!1-1,2,4-триазолов и реакции по атому азота цикла с различными электрофильными агентами.
Ключевые слова: 3-нитро-5-К-1,2,4-триазолы, физико-химические свойства, корреляционный анализ, диазотирование, нитрование, окисление, 1\1-алкилирование.
Исследование кинетики этой реакции показало [10], что, в отличие от диазобензолов [11], скорость реакции диазо-триазола с нитритом натрия разнится по порядку (полуторный и третий по нитрит-аниону, соответственно), что авторы объясняют прототропным равновесием продуктов реакции для триазолов. На методе [5] основан технологический вариант синтеза 3-нитро-1,2,4-триазола. Выход нитропроизводных, как правило, выше 60%.
Окисление аминотриазолов.
Окисление было использовано, в первую очередь, для синтеза 5-амино-3-нитро-1,2,4-триазола (ANTA) - обработке 30%-ным пероксидом водорода в присутствии вольфрамата натрия подвергались 3,5-диамино-1,2,4-триазол (гуаназол) и N-ацилгуаназол [12]. Впоследствии способ был распространен на все доступные аминосоединения триазольного ряда, в том числе на некоторые N-замещенные гуаназолы - R' = H, R = H, СНз, NH2 COOH, Cl, COOH, Cl, NO2 [13], CH2COOH [9,13], N3 [14]; R = NH2, R' = CH3, CH2COOH, CH2CH(CH3)OH [13], схема 2.
NOo R NQ2
N-Y <NaWQ4 N-Y NaWQ4 N-Y
RÁf l/4 R ^
Схема 2
Было показано, что активность аминотриазолов падает с повышением электроноакцепторности заместителя R и симбатно росту NH-кислотности соответствующего 5-амино-3^-1,2,4-триазола. Для субстратов, не замещенных по гетероатому, процесс может быть интенсифицирован путем введения основания. Этот прием позволяет синтезировать по этой схеме даже DNT.
Схема 1
1 Кофман Татьяна Павловна, д-р хим. наук, вед. науч. сотр. каф. химической технологии органических соединений азота, e-mail: [email protected]
Дата поступления - 07 декабря 2009 года
N-í
ANTA
NOz
H
N02
IT
DNT
1NT
I
№
Схема 3
В 1-замещенных гуаназолах окислению подвергается только дистальная аминогруппа, при этом образуются только 1-к-5-амино-3-нитро-1,2,4-триазолы [13]. Окисление гуаназола идет в две стадии (синтез ANTA и далее - DNT), а существенное различие в скоростях этапов позволяет выделять 5-амино-3-нитро-1,2,4-три-азол экстракцией этилацетатом, что решает проблему его синтеза (выход до 60%),. Сопутствующим продуктом является ^^-азокси-3,3'-бис(5-амино-3-нитро-1,2,4-триазол), [13], схема 3.
Нитрование 5-Я-1,2,4-триазолов.
Известно, что атомы углерода триазольного цикла пассивны к действию нитрующих агентов. Описанный случай прямого введения нитрогруппы в цикл c выходом к ANTA [15], схема 4, идет, несомненно, через N-нитрование по гетероатому кольца с последующей внутримолекулярной перегруппировкой нитрогруппы из положения 1 в положение 5. Ключевой этап - нитрование 5-ацетиламино-1,2,4-триазола до 5-ацетила-мино-3-нитро-1,2,4-триазола смесью концентрированной азотной кислоты и уксусного ангидрида (0-3оС).
NO2 NO2
к ANTA
Схема 4
Гидролиз продукта нитрования ведет к целевому соединению.
Способ, к сожалению, малоэффективен, многостадиен и небезопасен.
Синтез 3-нитро-5-к-1,2,4-триазолов (к = Н, СНз, С1, Вг, N02) оказался возможным при нитровании 3-к-1,2,4-триа-золов солями нитрония в безводных растворителях. Он идет с образованием интермедиатов - 1-нитро-5-к-1,2,4-триазолов, которые не стабильны и либо распадаются, либо перегруппировываются. При введении в реакцию NH-кислот (7 = Н, схема 5) идет распад 1-нитро-5-к-1,2,4-триазолов из-за гидролиза образовавшейся в процессе реакции кислотой, и в этом варианте синтеза было выделено лишь два соединения (к = Н, СНз). Гидролиз предотвращался, если в реакцию вводили 1-триметилсилил-3-к-1,2,4-триазолы (7 = Б1Мез), при этом 1-нитропроизвод-ные получали, как правило, с высоким выходом. При нагревании они легко перегруппировывались в 3-нитро-5-к-1,2,4-триазолы (70-90%). Но при нитровании N1 □N1 был зафиксирован лишь в следовых количествах [13], схема 5.
N-
R
R
NCV
/У
А
I
S02
& н
NOa
Схема 5
В реакции используются соли нитрония в сухих апротонных средах, что достаточно трудоемко и небезопасно, а нитрование проходит успешно, если заместитель к - донор или слабый акцептор электронов.
Физико-химические свойства и реакционная способность 3-нитро-5-Я-1,2,4-триазолов.
Для оценки строения и реакционной способности 3-нитро-5-к-1,2,4-триазолов и некоторых их производных -в основном ^метил-3-нитро-5-к-1,2,4-триазолов, проводился их квантово-химический (КХА) [17] и рентгено-структурный анализ (РСА) [18-20], исследовались ИК спектры и спектры комбинационного рассеяния света для NН-кислот [21] и их анионов [22], изучались УФ [23, 24] и ПМР спектры [25], определялись дипольные моменты
[26], а также спектры ЭПР и полярографическое восстановление производных 3-нитро-1,2,4-триазола (ацетонит-рил) с образованием устойчивых дианион-радикалов
[27]. Достаточно глубоко исследовались кислотно-основные свойства 3-нитро-5-к-1,2,4-триазолов [23, 28-36] и проводился корреляционный анализ физико-химических параметров от констант заместителей к [23-25, 28,29,33].
Квантово-химический и рентгеносгруктурный анализ. Анализируя молекулярные диаграммы 3-нитро-5-к-1,2,4-триазолов и приняв в качестве индексов реакционной способности заряды на атомах кольца (квантово-химиче-ский анализ - КХА, метод МО ЛКАО в приближении Хюк-келя), авторы [17] пришли к выводу, что введение нитро-группы в цикл приводит к существенному изменению и зарядов атомов, и порядков связей. При этом кольцо в целом заряжено положительно и является донором электронов для нитрогруппы. Согласно данным КХА, нитро-группа в цикле может быть объектом нуклеофильного замещения, а в □N1 к нему должны быть способны обе нитрогруппы.
Так как незамещенный □N1 чрезвычайно гигроскопичен, то для исследования некоторых свойств применялось его 1-метилпроизводное. Рассмотрев электронное строение последнего, и убедившись в том, что заряды на атомах углерода в цикле достаточно близки, авторы пришли к выводу о возможности вывода нитрогруппы в положении 5 из плоскости кольца в производных, замещенных по положению 1.
Методом рентгеноструктурного анализа (РСА) исследовалась кристаллическая структура 1-метил-3,5-динит-ро-1,2,4-триазола [18], 3,3'-динитробис-1.2,4-триазол-5-ила [19] и 3-нитро-3'-хлор-1-Н-бис-1.2,4-триазол-5-ила [20]. Для 1-метил-3,5-динитро-1,2,4-триазола [18] установлено, что в кристаллической ячейке упакованы две молекулы, несколько отличающиеся друг от друга по параметрам (длинам связей и углам). Для обеих независимых молекул расстояние ^N02 для нитрогруппы в положении 5 короче, чем в положении 3, но нитрогруппы отклонены от плоскости цикла незначительно, при этом нитрогруппа в положении 3 отклонена от плоскости цикла даже больше, чем нитрогруппа в положении 5. Т.е., действительно существует некоторая пространственная неэквивалентность нитрогрупп, но при этом не подтверждается предположение, сделанное на базе КХА, о существенной некопланарности с кольцом нитрогруппы в положении 5.
Молекулы и С-С- и С^-битриазолов по геометрии аналогичны другим производным триазола - соответствующие углы и длины связей обоих циклов очень близки, циклы плоские и, как и нитрогруппы, лишь слегка отклонены от плоскости кольца (4-5о), а атомы водорода и хлора лежат практически в его плоскости.. Для бициклов характерна трансоидная конфигурация (заместители в кольцах максимально удалены друг от друга [19, 20]). Установлено, что 3,3'-динитро-бис-1,2,4-триазол-5-ил содержит кристаллизационную воду [19].
Дипольные моменты. В вопросе о структуре 3-нитро-5-к-1,2,4-триазолов важна таутомерия. Местополо-
жение протона в цикле удалось выяснить путем экспериментального определения дипольных моментов, как самих ИИ-кислот, так и их 1- и 4- метилпроизводных [26]. Значения рэксп для 3-нитро-5-к-1,2,4-триазолов были близки их векторно вычисленным моментам, что свидетельствовало о структуре 1-Н-таутомеров. Для 1-метил-3,5-динитро-1,2,4-триазола Мэксп.. сопоставимо с Мрасч., полученным как векторным способом, так и на основе его электронных параметров [17]. И это еще раз подтверждает, что цикл и нитрогруппы лежат практически в одной плоскости.
Спектральные характеристики (ИК, ЯМР, УФ спектроскопия). В ИК и КР спектрах всех нитропроизводных три-азола присутствует полоса 1540-1560 см-1, практически не чувствительная к типу заместителей в кольце и отнесенная к антисимметричным валентным колебаниям нитрогруппы [21]. Они наиболее характеристичны и лежат в узких спектральных интервалах. Симметричные валентные колебания нитрогруппы проявляются при -1302-1313, неплоское - 680-700, деформационное - около 645 см-1. Для 1-метил-3,5-динитро-1,2,4-триазола в растворах и кристаллах наблюдалось расщепление полосы антисимметричных колебаний нитрогруппы (около 1555 см-1) на две, что авторы интерпретировали как проявление пространственной неэквивалентности нитро-групп [21]. Согласно спектрам, в анионах 3-нитро-5-к-1,2,4-триазолов и 3,3'-динитробис-1.2,4-триазол-5-ила нитрогруппы копланарны циклу. Строение аниона в растворе и кристалле однотипно, металл в солях координируется с атомом кислорода нитрогруппы [22].
Спектроскопия ПМР. Спектры ПМР рассмотрены для серии Й-метилзамещенных 3-нитро-5-к-1,2,4-триазолов [25]. Показано, что положение сигналов Й-метильных групп зависит от расположения заместителя в цикле и его характера - полярности и экранирующей способности. С повышением электроотрицательности заместителя сигнал сдвигается в слабое поле, при этом оказалось, что нитрогруппа более сильный акцептор, чем внутрицикли-ческая азагруппа. Существенно сказывается на местоположении сигнала И1-метильной группы экранирующий эффект заместителя в положении 5 цикла. И это особенно заметно в случае азидной группы.
УФ спектроскопия. Исследования УФ спектров 3-нит-ро-5-к-1,2,4-триазолов [23, 24] показали, что введение нитрогруппы в триазольный цикл вызывает батохромный сдвиг полосы поглощения кольца (Л 215-230 нм, !де 3.8-4.0) относительно незамещенного 1,2,4-триазола (Л 186.2 нм), при этом появляется дополнительная полоса при 250-340 нм (!д£ 3.6-3.9), обусловленная сопряжением цикла с нитрогруппой. Последний максимум очень чувствителен к типу заместителя к и к переводу структуры в анионную форму, при этом введение как электронодо-норных, так и электроноакцепторных заместителей ведет к его батохромному сдвигу по сравнению с 3-нитро-1,2,4-триазолом. Коротковолновый максимум мало чувствителен и к природе заместителя, и к переходу в анионную форму [24].
УФ спектроскопия широко применялась при исследовании кислотно-основных свойств 3-нитро-5-к-1,2,4-триа-золов [23, 29-35].
Кислотно-основные свойства. 3-Нитро-5-к-1,2,4-триа-золы, незамещенные по гетероатому цикла, - достаточно сильные ИИ-кислоты (рКа 6.05 ^ -0.66) [23, 28, 30, 32-35], и для них же характерна весьма низкая основность (рКвн+ -1.86 ^ -10.82) [24, 29, 33]. Отметим здесь, что ЭЙТ является представителем весьма узкого ряда сильных органических кислот, его отличает и самая низкая в серии 3-нитро-5-к-1,2,4-триазолов основность, таблицы 1-4.
Таблица 1
к РКа к РКа
ЫИ2 7 05 [34] 4-МО2СбИв 4 20 [23]
СНз 6 75[23] ОСеИв 4 20[30]
С2Н5 6 65[23] N3 3 85[33]
П-С3Н7 6 60 [23] СООСНз 3 55[23]
СОО 610 [23] Ы(ЫО2)СИз 312[30]
н 6 05[23] Вг 3 05[35]
С6И5 5 65 [23] С1 3 00г [30]
ОСНз 535[30] N02 - 0 66 [23]
Э-ЫОзСеИь 4 40 [23]
Таблица 2
рКа С-С-Бициклических производных _3-нитро-5-^1,2 4-триазола [23]
Бис-(3,3'-динитро-1,2,4-триазол-5-ил) этан
Бис-(3,3'-динитро-1,2,4-триазол-5-ил) метан
Бис-(3,3'-динитро-1,2,4-триазол-5-ил)
РКа1
5 00
4 15
3 30
рКа2
6 60
6 30
5 35
Таблица 3
рКа некоторых Ы-С-бициклическизх 3-нитро-5-Я-1,2 4-
к РК,
1,2,4-триазол-1-ил 2 00
3-бром-1,2,4-триазол-1-ил 1 63
3-хлор-1,2,4-триазол-1-ил 1 59
3-азидо-1,2,4-триазол-1-ил 1 75
3-нитро-1,2,4-триазол-1-ил 0 92
Таблица 4
1К' - рКвн+ К = СНз (Н ) К' - рКвн+ К = СНз (Н)
1\1НСНз 2 01 ОРИ 6 15 6
1ЧН2 2,10 N3 6 51в
1\(СНз)2 2 67 С1 7 286
СНз 3 94; 3 62 (2 93)а Вг 7 62
С2Н5 4 396 СРз 9 57
ОСНз 4 88 6 N02 10 82
Н 3 62 (2 93)а ; 5 56
а [23 ]; 6 Данные М.С.Певзнера и Н.Н.Горбуновой (спектроскопия ЯМР1Н); в [33]
Корреляционный анализ. Широкое исследование физико-химических свойств производных триазола позволило проследить влияние заместителей в различных положениях цикла при использовании корреляционного анализа в 14 сериях соединений этого ряда. Применяли, в основном, двухпараметовые уравнения с раздельным учетом индукционного и резонансного эффекта заместителей [23-25, 28, 29, 33].
В работе [24] авторы коррелировали положение длинноволнового максимума в УФ спектрах для двух серий: 1-метил-3-нитро-5-к и -5-нитро-3-к-1,2,4-триа-золов. Удовлетворительная корреляция между волновым числом и константами Гаммета найдена только для а+ (Оп+ - а0) и только для 1-метил-3-нитро-5-к-1,2,4-триазолов
V = 8110 (ап+- а0) + 39345 (г = 0.992)
Эта зависимость указывает на возможность прямого полярного сопряжения нитрогруппы и заместителя к в кольце. И, что важно, - для обеих этих серий максимумы поглощения для соединений с +С-заместителя-ми смещены в длинноволновую область. Двухпарамет-ровая корреляция волновых чисел от 01 и ос также лишь удовлетворительна, распадается на два участка и демонстрирует существенно более значимый вклад констант ос (рС/р1 = 7.70 и 2.20) [28].
Заметно +С-эффект заместителей проявился и при корреляции хим. сдвигов сигналов метильной группы с о-константами в спектрах ПМР 1-метил-3-нитро-5-к-1,2.4-триазолов [25] (здесь возможны погрешности за счет проявления эффектов магнитной анизотропии).
+
При использовании констант ам корреляционная зависимость также распадается на две (корреляция для o„ и Oi отсутствует): при этом к одной ветви относятся заместители, обладающие более чем одной неподелен-ной парой электронов (OR, галогены), ко второй - все другие.
Дбснз = - 0.87 Om + 0.04 (r = 0.950, n = 5);
Дбснз = - 1.20 Om + 0.44 (r = 0.991, n = 6) Азидопроизводное выпадает из обеих корреляций. Двухпараметровая корреляция Дбснз с константами Oi и Oc также двухчастна
Дбснз = - 0.727oi- 0.631 Oc +0.15 (r = 0.996, n = 6) Дбснз = - 0.299oi- 0. 31 Oc +0.03 (r = 0.813, n = 5) и демонстрирует заметный вклад сопряжения (pc/pi 0.87 и 1.03).
Неравноценность передачи эффекта сопряжения из положения 5 в положение 3 и в обратном направлении для замесителя R зафиксирована и при корреляции констант скорости нуклеофильного замещения нитро-группы (1-метил-3-нитро-5^- и 1-метил-5-нитро-3-R-1,2,4-триазолы соответственно) гидроксид анионом [28].
lg k = 5.33oi + 3.45Oc -7.24 (r = 0.999, n = 5) и Ig k = 5.42oi + 1.12Oc -7.24 (r = 0.987, n = 7). Индукционное влияние заместителя в этих сериях близко, а передача эффекта сопряжения из положения 5 в 3 втрое выше, чем в обратном направлении.
Особую ценность в практическом плане (прогнозирование свойств) имеют корреляционные зависимости, полученные при исследовании кислотно-основных свойств 1,2,4-триазолов [23, 28, 29, 33]. Вначале это были одно-параметровые корреляции для серии 3-нитро-5^-1,2,4-триазолов (рКа) [23] и 1-метил-3-нитро-5^-1,2,4-триазо-лов (рКвн+) [29]
рКа = -8.92Om + 5.95 (r = 0.990, n =9); рКа = -10.53oi + 6.27 (r = 0.993, r = 9); рКа = -7.23Op + 5.84 (r = 0.975, r = 9). рКвн+ = -7.22Op - 5.51 (r = 0.99, n =5). Впоследствии были получены двухпараметовые зависимости для 3-нитро-5^-1,2,4-триазолов (рКа) и их ме-тилпроизводных (рКвн+) [28]:
рКа = -8.93 Oi - 3.49 Oc + 6.17 (r = 0.994, n =9), рКвн+ = -7.92 Oi - 4.45 Oc - 4.63 (r = 0.988, n =11)* * М.С. Певзнер и Н.Н. Горбунова (по данным табл. 4). Кроме того, была найдена общая четырехпараметро-вая корреляция с раздельным учетом индукционных эффектов и эффектов сопряжения заместителей в положениях 3 и 5 для большой серии 3^-5^'-1,2,4-триазолов [28]:
рКа = -5.37 Oi(3) - 2.85 Oc(3) - 8.57 Oi(5) - 3.09 Oc(5) + 9.81;
(r = 0.994, s = 0.30, n =25). Отметим, что для всех приведенных корреляций характерны большие значения коэффициентов P, т.е. - показана высокая чувствительность свойств этих соединений к электронному эффекту заместителя в кольце.
Знание значений рКа особенно важно при оценке реакционной способности NH-кислот триазольного ряда, которая определяется нуклеофильностью и основностью их анионов, рКа - ориентир при выборе условий синтеза для выполнения реакций нуклеофильного замещения и присоединения,
Основность анионов 5-замещенных нитротриазолов, в том числе и 5-амино-3-нитро-1,2,4-триазола, по водороду и углероду исследовались путем определения рКа и констант равновесия обратимого гидроксиметилирова-ния, нуклеофильная реакционная способность - по скоростям реакции присоединения к метилвинилкетону (lg k) [36]. Удовлетворительная корреляция значений рКа c константами Or0 и величин pK с константами Oi и Igk соответственно в первом случае, а также линейность зависимостей Igk от констант Oi0 и Igk от параметров основности по водороду и углероду - во втором, свидетельствует о том, что 5-амино-3-нитро-1,2,4-триазол не выпадает из
серии 3-нитро-5-к-1,2,4-триазолов, и он должен по реакционной способности соответствовать 3-нитро-5-к-1,2,4-триазолам близкой кислотности и давать продукты присоединения также по положению Л1.
Исследовалась кинетика метилирования натриевых солей 3-нитро-5-к-1,2,4-триазолов диметилсульфатом в водно-диоксановых смесях с возрастающим содержанием воды [37]. Можно было ожидать, что в 90%-ном диокса-не (10% воды) скорость реакции в этом ряду будет расти в порядке возрастания рКа, и для 01\1Т она будет наименьшей. Однако результат противоположен ожидаемому - скорость метилирования 01\1Т - максимальна. С ростом доли воды в водно-диоксановой смеси скорость метилирования 01\1Т падает, но она остается аномально высокой. Это, по-видимому, обусловлено малой степенью специфической сольватации малоосновного аниона 01\1Т. Близкая ситуация наблюдается в ряду полинитроалканов - реакционная способность аниона тринитрометана, существенно превышает активность анионов динитроме-тильных соединений [38].
Реакции по иминному атому азота цикла.
3-Нитро-5-к-1,2,4-триазолы - полидентные системы, т.е. неселективность при алкилировании не исключена. Метилирование диазометаном привело к смеси Л1- (преобладающий) и Л-изомеров (к = Н, СНз). Диметилсульфат в щелочной среде независимо от условий дал только 1-метил-3-нитро-к-1,2,4-триазолы (к = Н, СНз, СООМе, N02), схема 6 [39], т.е. стериче-ский фактор в данном варианте существенного значения не имеет. 3,5-Динитро-1,2,4-триазол всегда алки-лируется избирательно. Диметилированные соединения ни в одном случае выделены не были.
1 КЗД1 /Л
:нз сщ
X = 1, OSO£H» кх =
Схема 6
Варьируя электрофилы (аллил-, алкилгалогениды, галогенацетаты: X = С1, Вг; к = Н, Ме, Е^ Вг, N02, 3-нитро-1,2,4-триазол-5-ил), использовали, как правило, натриевую соль соответствующего триазола и апро-тонные растворители (ацетон, ДМФА) [40-42]. При алкилировании дигалогенидами моно- и дитриазолилзамещенные были получены только при применении дибромэтана, дибромметан давал только продукт дизамещения [41], схема 7
N02 N02
Дл аСЦ£Н=С1Ь N-/ XCI^OOR'
"—л> —
СЩШ-СВг К Na+ CI^COOR'
N02
о-
Схема 7
Na+
СЩЗг2 I (СЦЭЬ
СЦ,
Г Ф " NQ2 О
2 - ¿Чг
Метилирование 3-нитро-1,2,4-триазол-5-она диметилсульфатом в щелочной среде идет по атомам Л1 и Л4 цикла и кислороду оксогруппы, схема 8.
ш
<Аг
н
N02 N02 N02
Н
/и ^ у
¿4, ^
N02
Схема 8
перевинилирования триазолов винилацетатом в присутствии солей ртути [41]. Метод применим для азолов с рКа 3-7, в случае ЭЙТ реакция идет по типу электро-фильного присоединения по кратной связи -С = С-, схема 11.
//
N02
\т Н2С=СНОАс
К'
сн=сн2
14-
I
н
N0, N02
\т Н2С=СНОАс // \т
СН^ЮАс Схема 11
Моно- или дизамещение, как и изомерный состав продуктов, зависят от условий реакции (соотношение реагентов, рН среды, растворитель) [31]. Первая ионизация 3-нитро-1,2,4-триазол-5-она идет по атому Л4, что определяет преимущественное метилирование по этому центру в моноанионе. В дианионе преобладает замещение по более нуклеофильному атому Л4. Образование метоксипроизводного отмечено только в среде ДМФА..
Реакции с окисями олефинов [к'= И, СИз, СИ2ОСИ3, СИ2ОИ, СИ2С!, СИ2ОЙО2, СИ2Й(ИО2)СИз] были исследованы для 3-нитро-5-к-1,2,4-триазолов (к = И [41, 43], Вг [34], ЙИ2 [44], ЙО2 [45]), 1-метил-3-нитро-1,2,4-триа-зол-5-она [46], схема 9, и 1,2,4-триазолио-4-нитроими-да, схема 10 [47].
Ш
° £
N02
О^Г ^СВДЩОДК
Н3
......()........
И N Н
N02
ь
О
N02
и N
сц£Н(оцк'
Схема 9
Замещенные а-окиси дают вторичные спирты согласно правилу Красуского, алкилирование идет только по циклу и с образованием исключительно Л^-изо-меров [34, 41, 44, 45]. По гетероатому замещение прошло и для 1,2,4-триазолио-4-нитроимидаи при реакции и с окисями, и с алкилгалогенидами (п = 9,11.15) [47], схема 10.
МЮНЕЗЮН
Ш ^N-N-N02
СВДЩВДК
Вг(СЩгЮ% , _
-► Ч-кЗ
¿ЩСЩиСНз
Схема 10
Для триазолов, рКа которых >3, алкилирование окисями олефинов проводили в протонодонорных средах, используя в качестве катализатора основания, для ЭЙТ (рК -0.6) катализатор не требуется, но реакция выполняется в апротонных растворителях во избежание взаимодействия а-окиси с растворителем при катализе собственно ЭЙТ [45].
Серия 1-винил-3-нитро-5-к-1,2,4-триазолов (к = И, ОСНз, СИз, ЙИАс, N3, галоген) была получена путем
Для 3-нитро-5-к-1,2,4-триазолов характерны реакции обычные для СН-кислот алифатического ряда -реакции типа Михаэля [35, 43, 48, 49], Анри [48, 50-52] и Манниха [53, 54].
С метилвинилкетоном и производными акриловой кислоты, 3-нитро-5-к-1,2,4-триазолы с рКа >3 (к = И, СИз, Вг [43, 49]) взаимодействуют в присутствии оснований. Но в случае 3-нитро-5-амино-1,2,4-триазол (рКа 7.05) продукт присоединения метилвинилкетона получен только в их отсутствие (целевой кетон выпадает из-за плохой растворимости, сдвигая равновесный синтез в сторону целевого вещества) [35]. Введение щелочи ведет к реакции аминогруппы цикла с оксогруп-пой кетона с аннелированием к тразольному циклу. Для ЭЙТ введение катализатора не требуется [43, 49]. С акриловой кислотой все 3-нитро-к-1,2,4-триазолы, кроме ЭЙТ, не взаимодействуют вовсе, но метилакри-лат и акрилонитрил в присутствии оснований дают соответствующие аддукты. ЭЙТ легко присоединяется к акриловой кислоте, но и с метилакрилатом, и с акрило-нитрилом в воде он дает только 3,5-динитро-1,2,4-три-азол-1-илпропионовуюкислоту [49], схема 12.
Я
N0,
¥ н
N
СН2=СНЯ
жь
я
N
(СН^
Я = Н, Ме, Вг, Шз, Ш2: Я' =СОСН3; Я = Н, Ме, Вг: Я' = СООСН3, СТЧ; Я = Ш2: Я =
СООН, Ш2. Схема 12
3-Нитро-1,2,4-триазол-5-он и его 1- и 4-монометил-замещенные дают с метилвинилкетоном при щелочном катализе - продукты присоединения, схема 13:
СЦг= СНСОСН}
N02
К" ^
/и
И' - И" - ц
Н, И" = сн* И" = Н, К = Сй»
СНз = СНСОСЦ3
I
св£в£0сн;) К' = Ме, СЦ£Ц£0С1% ц^ссоси/л^ ,N02
0Л1Г
¿Е
Схема 13
3-Нитро-1,2,4-триазол-5-он при реакции с формальдегидом и метилолацетамидом дает монометилольное и ацетил-аминометильное производные соответственно [48], схема 14,
NOz
N-Y сщ)
NOg
Л>
О
щт
Y —- л*
N02
¿ЩШСОСН, Схема 14
оаЛ
NOa
сщуг
0*Л
л
NOz,
N" CIljOIL
СНА 1ую4
N02 о^Ы
Ас/) (AcCI)
NOa
Т
СЩ)Ас
СЦрС!^ N^NOa
Схема 15
Различие связано со сменой места протонирова-ния: в молекуле 1-гидроксиметил-DNT протонируется не атом Л4, что обычно для других 3-нитро-к-1,2,4-три-азолов, а атом кислорода гидроксиметильной группы, что ведет к образованию карбокатиона и затем - простого эфира [51].
Конденсации 3-нитро-1,2,4-триазола с формальдегидом и аминами в воде была безуспешной [32], однако в ледяной уксусной кислоте с ^метилен-трет-бути-ламином был получен ди (3-нитро-1,2,4-тиазол-1-илме-тил)-7рет-бутиламин (вероятно, через азакарбениевый ион) [52], схема 16.
-К°2 - N02 Щ]
¡4.
О-
I
СИ2= NBu-t АсОН
-M^ut^N
"А"
"А"
Схема 16
сщюмкцрн -►
NCb
N
I
ciyvncocn3
Схема 17
Из других реакций с электрофилами, нужно упомянуть N-хлорирование 3-нитро-1,2,4-триазола в щелочной среде [8] и ^арилирование его соли дифторидом ксенона в смеси ацетонитрила с бензолом [54], схема 18.
Метилольное производное DNT с формальдегидом не стабильно [32, 50], но его образование было зафиксировано методом ПМР, а затем образовавшийся 1-гидроксиме-тил-3,5-динитро-1,2,4-триазол был переведен в ацетат [50]. В концентрированной серной кислоте реакция DNT с формальдегидом ведет только к (3,5-динитро-1,2,4-триа-зол-1-ил) метиловому эфиру (выход максимален в 101% Н2-Б04 ) [51], схема 15. И наоборот - 3-нитро-5-к-1,2,4-триа-золы с рКа >3 (к = Н, Ме) дают вполне стабильные 1-гид-роксиметилпроизводные [50], но не образуют бицикличе-ские эфиры [51], схема 15.
О-
I
NOa
О-
NO2 XeFaO
Он
NO2
NOa
Схема 18
Тот же продукт был получен в работе [55]. Окисление аниона 3-нитро-1,2,4-триазола идет через промежуточный радикал, который, взаимодействуя со средой, отщепляет атом водорода, превращаясь в 3-нитро-1,2,4-триазол, а в бензоле дает 1-фенил-3-нит-ро-1,2,4-триазол, схема 19.
,N02 .NOa
SH
п
н V
Схема 19
К N-замещению относится и гетерилирование 3-нитро-5-к-1,2,4-триазолов 5-метил-7-хлор-1,2,4-триа-золо [1,5-а] пиримидином с образованием 5-метил-7-триазол-1-ил-1,2,4-триазо [1,5-а] пиримидинов [56] (к = Н, СНз, NH2, N3, С, Вг), схема 20. Реакцию удалось провести успешно лишь для 3-нитро-5-к-1,2,4-триазо-лов, рКа которых не ниже 3.
N02
R N
Другой пример реализации реакции типа Манниха [53] - взаимодействие DNT с ^гидроксиметилацетами-дом, [53], который готовили отдельно, что привело к 3,5-динитро-1,2,4-триазол-1-илацетамиду, схема 17
Схема 20
Реакции, связанные с превращениями в функциях N-заместителей цикла или у атомов углерода кольца и их взаимодействие, приводящее к аннелированию, будут рассмотрены во 2-ой части обзора.
Литература
1. Певзнер М.С. // Рос. Хим. Ж. 1997. T. XLI. Вып. 2. С. 73-83.
2. Ostrovskii V.A., Pevzner M.S., Kofman T.P., Shcherbinin M.B., Tselinskii I.V. Rews and Accounts in Heterocycl. Chem. 1999.. Vol. 3. Р 467-526. /Eds. O.A. At-tauaasi, O Spinelly. Printed in Italy by Centro Audiovisivi e StampaUniversita di Camerino.
3. Кофман Т.П. // ЖОрХ. 2002. Т. 38. Вып. 9. C. 1289-1300.
4. Wiley R.H., Smith N.R. US 3.111.524. 1963. // C.A. 1964 Vol. 60. 2951с; Burchfield H., Gullstrom D.K US 3.054.800. 1962. // C.A. 1963. Vol. 58. 10220; Wiley R.H., Smith N.R. US 3.165.753. 1965 // C.A. 1965. Vol. 62, 7770е.
5. Багал Л.И., Певзнер М. С., Фролов А.Н., Шелудя-кова Н.И. //ХГС. 1970. № 2. С. 259-264.
6. Багал Л.И., Певзнер М. С., Лопырев В.А. // ХГС. 1967. № 1, С. 180-183.
7. Певзнер М.С., Гладкова Н.В., Кравченко Т.А. // ЖОрХ. 1996. T. 32. Вып. 8. C. 1230-1233.
8. Кофман Т.П., Успенская Т.Л., Певзнер М.С. // ЖОрХ. 1993. Т.29. Вып. 11. С. 2328-2330.
9. КофманТ.П., Уварова Т.А., Карцева Г.Ю. // ЖОрХ. 1995. Т. 31. Вып. 2. С. 271-275.
10. Фролов А.Н., Певзнер М.С., Багал Л.И. // ЖОрХ. 1971. Т. 7, Вып. 7. С. 1519-1525.
11. Багал Л.И, Певзнер М.С., Фролов А.Н. // ЖОрХ. 1969. Т. 5. Вып. 10. С. 1820-1828.
12. Способ получения 5-амино-3-нитро-1,2,4-триа-зола: а.с. 979342 СССР. №3313438; заявл.06.07.81; опубл.07.12.82, Бюл. № 45. 2 с.
13. Кофман Т.П., Пакетина Е.А // ЖОрХ. 1997. Т. 33. Вып. 8. С.1201-1208.
14. Кофман Т.П., Наместников В.И. // ЖОрХ. 2003. Т. 39. Вып. 4. С. 615-620.
15. Певзнер М.С., Кулибабина Т.Н., Поварова Н.А., Килина Л.В. // ХГС. 1979. № 8. С. 1132-1135.
16. Певзнер М.С., Кулибабина Т.Н., Иоффе С.Л., Маслина И.А., Гидаспов Б.В., Тартаковский В.А. // ХГС. 1979. № 4. С. 550-554..
17. Мельников В.В., Певзнер М. С., Столпакова В.В., ХорьковаЛ.Ф. // ХГС. 1971. № 3. С. 409-413.
18. Старова Г.Л., Франк-Каменецкая О.В., Певзнер М.С// Ж.Структ.Хим. 1988. Т. 29. № 5. С. 162-164.
19. Никитина Е.В., Старова Г.Л., Франк-Каменецкая О.В., Певзнер М.С. // Кристаллография. 1982. Т. 27. Вып. 3. С. 485-488.
20. Старова Г.Л., Франк-Каменецкая О.В., Усов О.А., Кузьмин А.М., Певзнер М. С. // Ж.Структ.Хим. 1982. Т. 23. № 5. 171-173.
21. Мельников В.В., Столпакова В.В., Певзнер М. С. //ХГС. 1971. № 3 С. 414-417; Мельников В.В., Столпакова В.В., Певзнер М. С. Гидаспов Б.В. // ХГС. 1973. № 5. С. 707-712; Их же. ХГС. 1973. № 9. С. 1194-1198.
22. Мельников В.В., Столпакова В.В., Хорькова Л.Ф. Певзнер М.С., Мельникова Н.Н. // ХГС. 1972. № 1. С. 120-123; Мельников В.В., Столпакова В.В., Певзнер М. С. Гидаспов Б.В. // ХГС. 1973 № 10. С. 1423- 1431.
23. Багал Л.И, Певзнер М. С. //ХГС. 1970, № 4. С. 558-562.
24. Багал Л.И, Певзнер М. С. // ХГС. 1971. № 2. 272-274.
25. Певзнер М.С., Тимофеева Т.Н., Горбунова Н.Н, Фролова Г.М. // ЖОрХ. 1976. Т. 12. Вып. 10. С 1361-1364.
26. Певзнер М. С., Федорова Е.Я., Шохор И.Н., Багал Л.И. //ХГС. 1971. № 2. С. 275-278.
27. Вакульская Т.И., Рахматулина Т.Н., Певзнер М.С., Кофман Т.П, Лопырев В.А. // ХГС. 1987. № 3. С. 343-347.
28. Певзнер М.С., Кофман Т.П., Горбунова Н.Н. // ЖОрХ. 1978. Т. 14. Вып. 10. С. 2024-2029.
29. Широкова Н.П., Митюкова Н.Б., Певзнер М.С., Островский В.А., Колдобский Г.И., Иерусалимский Г.Б. // ЖОрХ. 1989. Т. 25. Вып. 9. С. 2002-2008.
30. Кофман Т.П., Сущенко Л.Ф., Певзнер М.С. // ХГС. 1980. № 11. С. 1553-1557.
31. Кофман Т.П., Певзнер М.С., Жукова Л.Н., Кравченко Т.А., Фролова Г.М. // ЖОрХ. 1980. Т.16. Вып. 2.
С. 420-425.
32. Серов Ю.В., Певзнер М.С., Кофман Т.П., Це-линский И.В. // ЖОрХ. 1990. Т. 30. Вып. 4. С. 903-907.
33. Певзнер М.С., Мартынова М.Н.,Тимофеева Т.Н. // ХГС. 1974. № 9. С. 1288-1291.
34. Кофман Т.П., Зыкова Г.А., Мануйлова В.И., Певзнер М.С., Тимофеева Т.Н. // ХГС. 1974. № 7. С. 997-1002.
35. Кофман Т.П., Пакетина Е.А. // ЖОрХ. 1994. Т.
30. Вып. 5. С. 774-776.
36. Серов Ю.В., Певзнер М.С., Кофман Т.П., Це-линский И.В. // ЖОрХ. 1990. Т. 26. Вып. 6. С. 1356-1359.
37. Керусов В.М., Певзнер М. С. //ХГС. 1974. № 11. С. 1564-1568.
38. Селиванов В.Ф., Одокиенко С. С., Гидаспов Б.В. // ХПХ. 1973. Т. 46. Вып.5. С. 1157
39. БагалЛ.И., Певзнер М. С., Шелудякова Н.И., Керусов В.М. //ХГС. 1970. № 2 . С. 265-268. .
40. Стоцкий А.А., Ткачева Н.П. // ЖОрХ. 1974. Т. 10. Вып. 10 С. 2232-2233.
41. Кофман Т.П., Карцева Г.Ю. // ЖОрХ. 2001. Т. 37. Вып. 5. С.744-754.
42. Остапкович А.М., Кофман Т.П. Лисицына Л.В., Певзнер М.С. // Изв. вузов. Сер. хим. и хим. технол.
1979. Т.22. № 4. С. 402-406.
43. Кофман Т.П., Медведева Н Ю., Успенская Т.Л., Певзнер М.С. // ХГС. 1976. № 7. С. 991-994.
44. Кофман Т.П., Пакетина Е..А. // ЖОрХ. 1995. Т.
31. Вып. 7. С. 1063-1067.
45. Кофман Т.П., Мануйлова В.И., Певзнер М.С., Тимофеева Т.Н. // ХГС. 1975. № 5. С.705-707; Способ получения производных 3,5-динитро-1,2,4-триазола: а.с. 432147 СССР. № 1785685; заявл. 16.05.72; опубл. 15.06.74, Бюл. № 22. 2 с.
46. Кофман Т.П., Васильева И.В., Певзнер М.С. // ХГС. 1977. № 10. С. 1407-1410; Способ получения производных 3-нитро-1,2,4-триазола-5-она: а.с. 497298 СССР. № 2015039; заявл. 17.04.74; опубл. 30.12.75, Бюл. № 48. 2 с.
47. Кофман Т.П., Карцева, Г.Ю., Щербинин М.Б. // ЖОрХ. 2002. Т. 38. Вып. 9. С. 1397-1404.
48. Кофман Т.П., Жукова Л.Н., Певзнер М.С. // ХГС. 1981. № 4. С. 552-558.
49. Кофман Т.П., Кривошеева Г.С., Певзнер М.С. // ЖОрХ. 1993. Т.29. Вып. 11. С. 2304-2310.
50. Певзнер М.С., Иванов П.А., Гладкова Н.В., Сущенко О.Н., Твердохлебов В.П., Мясникова З.С. // ХГС.
1980. № 2. С. 251-256.
51. Певзнер М.С. // ЖОрХ. 1995. T. 31. Вып. 8. С. 1221-1222.
52. Коваленко А.Л., Певзнер М. С., Кофман Т.П., Целинский И.В. // ЖОрХ. 1991. T. 27. Вып. 1. C. 222-223.
53. Кофман Т.П., Кирпенко З.В. // ЖОрХ. 1994. T. 30. Вып. 5. C. 765-769.
54. Трубицын А.Е., Мельников А.А., Певзнер М. С., Целинский И.В. Ниязымбетов М.Е., Петросян В.А. // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1989 № 3. С. 736-738.
55. Петросян В.А., Ниязымбетов М.Е., Певзнер М.С., Уграк Б.И. // Изв. АНСССР. Сер. хим. 1988. № 6. С. 1643-1646.
56. Кофман Т.П., Карцева, Г.Ю. // ЖОрХ. 2000. T. 36. Вып. 6. C. 899-905.
