CC BY
11Journal of Siberian Federal University. Chemistry 3 (2011 4) 233-247
УДК 547.754.83+519.876.5+543.442.3
Реакция алкилирования перзамещенных «ара-нитрозофенолов
Д.Г. Слащинина, Ю.А. Алемасов®, Д.И. Илюшкина, В.А. Соколенко®, М.С. Товбиса, С.Д. Кирикбв
а Сибирский государственный технологический университет, Россия 660049, г. Красноярск, пр.Мира, 82, б Институт химии и химической технологии Сибирского отделения Российской академии наук Россия 660049, г. Красноярск, улМаркса 42, в Сибирский федеральный университет, Россия 660041, г. Красноярск, пр.Свободный 79 1
Received 2.09.2011, received in revised form 9.09.2011, accepted 16.09.2011
Теоретически и экспериментально изучена реакционная способность перзамещенных 4-нитрозофенолов в реакции алкилирования галоидными алкилами на примере калиевой соли 2,6-ди(алкоксикарбонил)-3,5-диметил-4-нитрозофенола. Расчетом на основе неэмпирического метода Хартри-Фока показано, что отрицательный заряд аниона в большей степени локализован на атоме кислорода гидроксильной группы, вместе с тем оценка полной энергии продуктов алкилирования указывает на предпочтительность алкилирования по атому кислорода нитрозогруппы с образованием эфиров хиноноксима. Экспериментально проведены реакции метилирования и этилирования перзамещенных нитрозофенолов. Выделенные продукты изучены с применением рентгеновской дифракции, ЯМР Н-спектроскопии и масс-спектрометрии. Методом поликристального рентгеноструктурного анализа установлена кристаллическая структура одного из продуктов алкилирования -метилового эфира 3,5-ди(этоксикарбонил)-2,6-диметил-1,4-бензохинон-1-оксима (C15H19NO6) (I). Кристаллографические параметры: a =7.3322(6) A, b = 10.5039(12) A, c = c 21.1520(20) А, в = 93.742(6)°, V = 1625.58(2) A33 Z=4, Пр.гр. P2/c. Поиск и моделирование структур проведены в прямом пространстве методом Монте-Карло с применением «жестких» и «мягких» ограничений. Уточнение координат выполнено методом Ритвельда. Установлено, что алкилирование происходит по кислороду нитрозогруппы. Кристаллическая структура представляет колоночную укладку молекул (I) вдоль оси а с попарным сближением между
* Corresponding author E-mail address: [email protected], [email protected]
1 © Siberian Federal University. All rights reserved
молекулами в колонке до расстояния 3.63 А за счет поворота каждой второй молекулы на 180о вокруг оси колонки. Строение молекул (I) таково, что метилоксимная группа ориентируется в плоскости кольца и имеет п-сопряжение с карбонильной. Этоксикарбонильные группы повернуты практически перпендикулярно кольцу. Другие полученные продукты алкилирования также имели структуру алкиловых эфиров 1,4-бензохинон-1-оксимов, что подтверждено данными ЯМР Н-спектроскопии и масс-спектрометрии.
Ключевые слова: гексазамещенные нитрозофенолы, алкилирование, нитрозофенолы, алкиловые эфиры 1,4-бензохинон-1-оксимов, рентгеноструктурный анализ поликристаллов, квантово-химические расчеты по методу Хартри-Фока, ЯМР Н-спектроскопия, масс-спектрометрия.
Известен ряд перзамещенных нитрозофенолов (рис.1), существующих в виде солей в мономерной нитрозоформе. В свободной нитрозофенольной форме соответствующие соединения димеризованы [1]. При их гидрировании образуются п-аминофенолы [2], некоторые производные которых нашли применение в химико-фармацевтической промышленности в качестве противоаритмических препаратов [3].
Недавно методом поликристального рентгеноструктурного анализа установлена кристаллическая структура соли - 2,6-диэтоксикарбонил-3,5-диметил-4-нитрозофенолята калия (рис. 2), принадлежащего рассматриваемому ряду [4,5]. Выяснено, что в кристаллической структуре катион калия находится на значительном расстоянии от атома кислорода фенолят-иона: кроме того, одна из этоксикарбонильных групп расположена не в плоскости бензольно -го кольца, а почти перпендикулярно к ней, что вызвано участием обеих этоксикарбонильных групп в координации калия. Нитрозогруппа, ориентируясь в плоскости бензольного кольца, также координирует калий. Особенностью строения является то, что атомы кислорода и азота, удаленные от катиона калия на расстояния: d(K-O)=2,50 А и d(K-N)=2,66A, неизбежно попадают в координационную сферу калия. Возникающая ориентация может быть интерпретирована как координация катиона калия пи-связью NO-группы. Нитрозогруппа оказывается более активной при координации катиона калия, чем кислород фенолят-иона, что, по-видимому, следует связать с наличием на ней избыточного отрицательного заряда. Учитывая особенности строения солей перзамещеных нитрозофенолов, интересно выяснить
I (a-f)
R = Me (a), Et (b), Pr (c), Bu (d), i-Bu (e), i-Am (f) Рис. 1. Молекулярная структура перзамещенных нитрозофенолов, использованных в настоящей работе
Рис. 2. Проекция структуры калиевой соли 2,6-диэтоксикарбонил-3,5-диметил-4-нитрозофенола вдоль оси а (обозначение атомов). Атомы водорода не показаны [4]
коое.
Н3С
еоок
R'-I
-KI
N0
II (а-Г
R = Me (а), Et (Ь), Pг (О, Bu (d), i-Bu (e), i-Am (Г)
коое.
НзС
коое.
еоок
III (а-1)
еоок
N-0-K'
IV (а-1)
а: Я=Я'=Ме; Ь: Я=Ме, Я'=Ег; с: Я=Ег, Я'=Ме; d: Я=Я'=Е1; е: Я=Рг, Я'=Ме; Г: Я=Рг, Я'=Ег; g: Я=Би, Я'=Ме; Ь: Я=Би, Я'=Ег; 1: ЯЧ-Би, Я'=Ме; ]: ЯЧ-Би, Я'=Ег; к: ЯЧ-Аш, Я'=Ме; 1: ЯЧ-Аш, Я'=Е1
Рис. 3. Возможные направления реакции алкилирования солей перзамещенных нитрозофенолов
а
3
3
о
Ь
относительную реакционную способность обсуждаемых групп в реакциях с иными реагентами. В частности, вопрос может быть поставлен о том, как будут алкилироваться калиевые соли перзамещенных нитрозофенолов галоидными алкилами: по атому кислорода гидрок-сильной группы или по атому кислорода нитрозогруппы? Схема возможных направлений реакции представлена на рис. 3.
Реакция алкилирования обычных (негексазамещенных) нитрозофенолов известна давно. Такие нитрозофенолы практически полностью находятся в виде таутомерного пара-бензохинонмонооксима (ПХМО). При алкилировании серебряной соли ПХМО иодистым метилом был получен метиловый эфир ПХМО, а иодистым этилом - этиловый эфир ПХМО [6]. Метиловый эфир ПХМО также образуется при алкилировании хиноноксима метиловым эфиром п-толуолсульфокислоты в метаноле в присутствии щелочи [7] и при действии диазоме-тана в диэтиловом эфире [8]. В работе [9] этиловый эфир оксима получили при алкилировании ПХМО этанолом в присутствии п-толуолсульфокислоты, однако здесь же показано, что при действии метанола в присутствии серной кислоты получается п-нитрозоанизол, т.е. алкилиро-вание может протекать и по фенольному гидроксилу. По фенольному гидроксилу идет реакция п-нитрозофенола с метанолом [10], при этом образуется п-нитрозоанизол. Таким образом, экспериментально подтверждены оба возможных направления реакции. Поэтому трудно заранее предсказать, по какому из путей должна пройти реакция алкилирования пара-нитрозофенолов паранитрозофенолов.
Определение наиболее вероятного пути реакции алкилирования в настоящей работе выполнено двумя способами. Произведена теоретическая квантово-химическая оптимизация строения нитрозофенолят-анионов и выполнена оценка зарядовой плотности на реакционных центрах. Экспериментально проведено алкилирование ряда калиевых солей перзамещенных нитрозофенолов. Строение продуктов алкилирования установлено с использованием метода поликристального рентгеноструктурного анализа, масс-спектрометрии и ЯМР 'Н-спектроскопии.
Экспериментальная часть
1. Синтез
Алкилирование замещенных 2,6-ди(алкоксикарбонил)-3,5-диметил-4-нитрозо-фенолов.
Калиевую соль гексазамещенного пара-нитрозофеонола (0,1 г) суспендировали в среде абсолютного диэтилового эфира (2 мл), добавляя йодистый алкил в избытке относительно калиевой соли пара-нитрозофенола. Смесь кипятили с обратным холодильником при перемешивании в течение суток при атмосферном давлении, при этом цвет реакционной смеси изменялся от зеленого до желтого. Продукт переходил в эфирный раствор. Осадок образовавшейся соли йодида калия отфильтровывали, фильтрат упаривали. Выделение продукта реакции из маслянистой реакционной массы проводили затиранием её с гексаном до затвердевания с последующей перекристаллизацией из петролейного эфира. Во всех случаях порошок был желтого цвета. Полученный продукт дополнительно сушили под вакуумом при комнатной температуре. Ниже приведены некоторые физико-химические и спектральные данные полученных веществ. Алкилирование 2,6-ди(алкоксикарбонил)-3,5-диметил-4-нитрозофенолов проводили при атмосферном давлении и перемешивании.
Метиловый эфир 3,5-ди(метоксикарбонил)-2,6-диметил-1,4-бензохинон-1-оксима (IV a). Выход 52 %, желтые кристаллы, т.пл. 117 - 118 °С. Спектр ЯМР 'Н (CDCl3), 5, м.д.: 2.24 с (3Н, PhŒ3), 2.38 с (3Н, PhŒ3), 3.902 с (3Н, СООСН3), 3.907 с (3Н, СООСН3), 4.25 с (3Н, NOŒ3). Масс-спектр, m/z (/отн., %): 281 (17) [M]+, 250 (41), 234 (32), 218 (29), 190 (16), 120(21), 97(25), 67 (100), 59 (37), 57(56), 55(46), 43 (68), 41 (36), 39 (48).
Этиловый эфир 3,5-ди(метоксикарбонил)-2,6-диметил-1,4-бензохинон-1-оксима (IV
b). Выход 17 %, желтые кристаллы, т.пл. 86 - 87 °С. Спектр ЯМР 'Н (CDCl3), 5, м.д.: 1.43 т (3Н, NOC2H5), 2.25 с (3Н, PhCH3), 2.40 с (3Н, PhCH3), 3.902 с (3Н, COOCH3), 3.907 с (3Н, COOCH3), 4.50 к (2Н, NOC2H5). Масс-спектр, m/z (1отн., %): 295 (35) [M]+, 264 (55), 250 (63), 234 (49), 218 (55), 190 (38), 67 (100), 59 (33), 43 (40).
Метиловый эфир 3,5-ди(этоксикарбонил)-2,6-диметил-1,4-бензохинон-1-оксима (IV
c). Выход 55 %, желтые кристаллы, т.пл. 115 - 116 °С. Спектр ЯМР 'Н (CDCl3), 5, м.д.: 1.371 т (3Н, COOC2H5), 1.378 т (3Н, COOC2H5), 2.24 с (3Н, PhCH3), 2.38 с (3Н, PhCH3), 4.24 c (3Н, NOCH3), 4.379 к (2Н, COOC2H5), 4.383 к (2Н, COOC2H5). Масс-спектр, m/z (/отн., %): 309 (25) [M]+, 264 (71), 219 (68), 204 (85), 188 (41), 67 (100), 66 (34), 57 (22), 55 (23), 43 (61), 39 (69).
Этиловый эфир 3,5-ди(этоксикарбонил)-2,6-диметил-1,4-бензохинон-1-оксима (IV d). Выход 80 %, желтые кристаллы, т.пл. 95 - 96 °С. Спектр ЯМР 'Н (CDCl3), 5, м.д.: 1.367 т (3Н, COOC2H5), 1.373 т (3Н, СООС2Н5), 1.42 т (3Н, NOС2Н5), 2.24 с (3Н, PhСН3), 2.40 с (3Н, PhСН3), 4.375 к (2Н, СООС2Н5), 4.378 к (2Н, СООС2Н5), 4.48 т (3Н, NOС2Н5). Масс-спектр, m/z (/отн., %): 323 (17) [M]+, 279 (28), 278 (60), 233 (56), 220 (47), 205 (48), 204 (100), 188 (28), 177 (21), 120 (17), 67 (73), 43 (22).
Метиловый эфир 3,5-ди(пропилоксикарбонил)-2,6-диметил-1,4-бензохинон-1-оксима
(IV e). Выход 60 %, желтые кристаллы, т.пл. 55 - 56 °С. Спектр ЯМР 'Н (CDCl3), 5, м.д.: 1.01 т (6Н, 2СООС3Н7), 1.75-1.77 уш. м (4Н, 2СООС3Н7), 2.24 с (3Н, PhСН3), 2.38 с (3Н, PhСН3), 4.24 с (3Н, NOСН3), 4.28 т (4Н, 2СООС3Н7). Масс-спектр, m/z (/отн., %): 337 [M]+.
Этиловый эфир 3,5-ди(пропилоксикарбонил)-2,6-диметил-1,4-бензохинон-1-оксима (IV f). Выход 72 %, желтые кристаллы, т.пл. 92 - 93 °С. Спектр ЯМР 'Н (CDCl3), 5, м.д.: 0.99 т (6Н, 2СООС3Н7), 1.43 т (3Н, NOС2Н5), 1.75-1.77 уш. м (4 Н, 2СООС3Н7), 2.24 с (3Н, PhСН3), 2.40 с (3Н, PhСН3), 4.29 т (4Н, 2 СООС3Н7), 4.49 к (2Н, ШС2Н5). Масс-спектр, m/z (1отн., %): 351 [M]+.
Метиловый эфир 3,5-ди(бутилоксикарбонил)-2,6-диметил-1,4-бензохинон-1-оксима
(IV g). Выход 46 %, желтые кристаллы, т.пл. 53 - 55 °С. Спектр ЯМР 'Н (CDCl3), 5, м.д.: 0.960 т (3H, СОО-С4Н9), 0.964 т (3H, СОО-С4Н9), 1.40-1.44 м (4H, 2СОО-С4Н9), 1.65-1.71 м (4H, 2COO-С4Н9), 2.23 с (3Н, PhOT3), 2.38 с (3Н, PhOT3), 4.23 с (3Н, ШСН3), 4.317 т (2Н, СОО-С4Н9), 4.320 т (2Н, СОО-С4Н9). Масс-спектр, m/z (/отн., %): 365 (30) [M]+, 310 (35), 292 (97), 236 (77), 219 (83), 205 (20), 188 (31), 120 (20), 67 (66), 57 (100), 43 (56), 41 (90).
Этиловый эфир 3,5-ди(бутилоксикарбонил)-2,6-диметил-1,4-бензохинон-1-оксима (IV h). Выход 47 %, желтые кристаллы, т.пл. 68 - 70 °С. Спектр ЯМР 'Н (CDCl 3), 5, м.д.: 0.960 т (3H, СОО-С4Н9), 0.965 т (3H, СОО-С4Н9), 1.41-1.42 м (4H, 2СОО-С4Н9), 1.43 т (3Н, ШС2Н5), 1.71-1.76 м (4H, 2СОО-С4Н9), 2.23 с (3Н, Phra3), 2.39 с (3Н, Phra3), 4.310 т (2Н, СОО-С4Н9), 4.317 т (2Н, СОО-С4Н9), 4.48 к (2Н, ШС2Н5). Масс-спектр, m/z (/отн., %): 379 (26) [M]+, 324 (33), 306 (100), 250 (75), 233 (90), 205 (57), 188 (39), 120 (21), 67 (74), 57 (94), 43 (48), 41 (95).
Метиловый эфир 3,5-ди(изобутилоксикарбонил)-2,6-диметил-1,4-бензохинон-1-оксима (IV i). Выход 49 %, желтые кристаллы, т.пл. 86 - 87 °С. Спектр ЯМР 'Н (CDCl3), 5, м.д.: 0.988 д (6Н, ТОО-ьС4Н9), 0.995 д (6Н, ТОО-ьС4Н9), 2.043 м(2Н, 2ТОО-ьС4Н9), 2.24 с (3Н, PhOT3), 2.39 с (3Н, Phra3), 4.106 д (2Н, ТОО-ьС4Н9), 4.110 д (2Н, ТОО-ьС4Н9), 4.24 с (3Н,
NOCH3). Масс-спектр, m/z (I0IH., %): 365 (iG) [M]+, iGi (2i), 74 (23), 57 (iGG), 56 (45), 44 (21), 43 (44), 41 (45).
Этилoвый j<|)ii|) 3,5-ди(изoбутилoксикаpбoнил)-2,6-димeтил-1,4-бeнзoхинoн-1-oксима
(IV j). Выход 52 %, желтые кристаллы, т.пл. 55 - 56 °С. Спектр ЯМР 1Н (CDCl3), S, м.д.: G.986 д (6Н, COO-i-C4H9), G.992 д (6Н, COO-i-C4H9), 1.43 т (3Н, NOC2H5), 2.G4 м (2Н, 2COO-i-C4H9), 2.24 с (3Н, PhCH3), 2.4G с (3Н, PhCH3), 4.12 д (4Н, 2COO-i-C4H9), 4.48 к (2Н, NOC2H5). Масс-спектр, m/z (I0IH., %): 379 (17) [M]+, 3G6 (64), 25G (53), 233 (66), 232 (4G), 2G5 (45), 2G4 (38), 188 (31), 67 (66), 57 (1GG), 43 (47), 41 (91).
Meтилoвый эфиф 3,5-ди(изoамилoксикаpбoнил)-2,6-димeтил-1,4-бeнзoхинoн-1-oксима (IV k). Выход 86 %, желтые кристаллы, т.пл. 74 - 75 °С. Спектр ЯМР 1Н (CDCl3), S, м.д.: G.953 д (6Н, COO-i-C5H11), G.958 д (6Н, COO-i-C5H„), 1.63 м(4Н, 2COO-i-C5H11), 1.74 м(2Н, 2COO-i-C5H11), 2.23 с (3Н, PhCH3), 2.37 с (3Н, PhCH3), 4.346 т (2Н, COO-i-C5H11), 4.349 т (2Н, COO-i-C5H11), 4.23 с (3Н, NOCH3). Масс-спектр, m/z (I0IH., %): 393 (5) [M]+, 3G7 (65), 3G6 (43), 3G5 (35), 237 (27), 236 (45), 219 (1GG), 218 (33), 188 (22), 12G (11), 71 (31), 67 (26), 43 (89), 41 (32), 39 (12).
Этилoвый эфиф 3,5-ди(изoамилoксикаpбoнил)-2,6-димeтилбeнзoхинoн-1-oксима (IV l). Выход 83 %, желтые кристаллы, т.пл. 6G - 61 °С. Спектр ЯМР 1Н (CDCl3), S, м.д.: G.956 д (6Н, COO-i-C5H11), G.959 д (6Н, COO-i-C5H11), 1.43 т (3Н, NOC2H5), 1.63 м (4Н, 2COO-i-C5H11), 1.75 м (2Н, 2COO-i-C5H11), 2.23 с (3Н, PhCH3), 2.39 с (3Н, PhCH3), 4.35 т (4Н, 2COO-i-C5H11), 4.48 к (2Н, NOC2H5). Масс-спектр, m/z (I0IH., %): 4G7 (6) [M]+, 321 (65), 32G (44), 319 (36), 251 (24), 25G (42), 233 (1GG), 232 (27), 188 (23), 67 (25), 43 (89), 41 (26), 39 (8).
2. Условия записи ЯМР'Н- и масс-спектров
Спектры ЯМР1Н получены на приборе Avance III 6GG Bruker в среде дейтерохлороформа. Масс-спектры регистрировали на приборе Finnigan MAT 82GG.
3. Методики квантово-химических расчетов
Квантово-химическая оптимизация проводилась с использованием программного комплекса FireFly [11] неэмпирическим методом Хартри-Фока в базисе 6-31G с поправками Мёллера-Плессе второго порядка [12-15].
4. Методика рентгеноструктурного определения структуры метилового эфира
3,5-ди(этоксикарбонил)-2,6-диметил-1,4-бензохинон-1-оксима
Порошковые дифракционные данные получены с использованием Cu Ka-излучения на дифрактометре X'Pert PRO с детектором PIXcel (Panalytical), снабженным графитовым моно-хроматором. Образец растирали в агатовой ступке и подготавливали методом прямой набивки кюветы. Условия съемки: диапазон от 3 до 9G° по 20, шагом G,G13°, At - 5Gc.
Параметры элементарной решетки определяли и уточняли при помощи программ, описанных в работах [16, 17]. Поиск модели структуры осуществлен методом Монте-Карло в программе FOX [18]. В качестве исходной модели была использована структура аниона C14H17NO6 [19]. Процедура уточнения отобранных вариантов структуры выполнялась полнопрофильным анализом с помощью программы FullProf [19]. Для обеспечения соответствия внутримолекулярной геометрии уточняемых молекул ожидаемым структурным группи-
ровкам на уточняемые величины (межатомные расстояния) накладывались ограничения с помощью весовых коэффициентов. Значения последних подбирались таким образом, чтобы при независимом уточнении атомных координат в процедуре полнопрофильного анализа интервал изменения расстояний и углов согласовывался с ожидаемым. «Мягкие» ограничения позволили избежать искажения геометрии молекул, которое проявлялось при свободном уточнении координат отдельных атомов. Ограничения двугранных углов не проводили. Уточнение структуры осуществлялось путем постепенного снятия жестких ограничений [21]. С использованием программыХР [24] на последнем этапе уточнения в модель структуры были добавлены атомы водорода, жестко прикрепленные к соответствующим углеродам. Тепловые параметры атомов уточнялись в изотропном приближении. Результат соответствия между вычисленной экспериментальной рентгенограммами для финальной модели структуры представлен на рис. 4. В таблице 1 приведены кристаллографические характеристики структуры метилового эфира 3,5-ди(этоксикарбонил)-2,6-диметил-1,4-бензохинон-1-оксима , а на рис. 5 и 6 показано кристаллическое строение.
Таблица 1. Кристаллографические параметры метилового эфира 3,5-ди(этоксикарбонил)-2,6-диметил-1,4-бензохинон-1-оксима (I) и характеристики рентгеноструктурного исследования
Молекулярная формула С15И19Ы06
Молекулярный вес 309,31
Пространственная группа Р21/с
а, А 7,3305(3)
ь, А 10,5034(8)
с, А 21,1531(17)
а, град. 90
в, град. 93.785(5)
у, град. 90
Объем, Е 1625,14(19)
Число формульных единиц на ячейку 4
Плотность dвыч, г/см3 1,264
Коэффициент линейного поглощения мм"1 0,827
Температура, К 295
Дифрактометр Х'Рей PRO
Излучение Си Ка
Длина волны, А = 1,54056, Х2 = 1,54439
Область съемки 20, град. 7,017- 89,983
Количество точек 3192
Количество рефлексов 3369
Количество уточняемых параметров 72
Яр, % 6,86
Я„р, % 9,42
Ягхр, % 7,42
^ Я^р /Яехр 1,27
Рис. 4. Экспериментальная (точки), вычисленная (сплошная линия) и ра зностная рентгенограммы, соответствующие полученному решению структуры С14Н16К1ТО6 . Положения рассчитанных рефлексов указаны вертикальными штрихами. Во вставке - дальняя область рентгенограммы в увеличенном масштабе
Рис. 5. Структура молекулы метилового эфира 3,5-ди(этоксикарбонил)-2,6-диметил-1,4-бензохинон-1-оксима (С1;Ц19М06)
Рис. 6. Укладка молекул метилового эфира 3,5-ди(этоксикарбонил)-2,6-диметил-1,4-бензохинон-1-оксима в кристаллической решетке
Результаты и обсуждение
Учитывая, что в анионах перзамещенных нитрозофенолов имеются два нуклеофильных центра - атомы кислорода гидроксигруппы и нитрозогруппы, в рамках квантово-химического анализа реакционной способности была проведена оптимизация строения нитрозофенолят-анионов по величине их полной энергии.
В таблице 2 представлены величины зарядовой плотности на кислородах гидроксигруппы и нитрозогруппы, полученные в результате оптимизации строения анионов. С точки зрения величины зарядов на нуклеофильных центрах предпочтительнее представляется протекание реакций по атому кислорода гидроксильной группы. В среднем превышение заряда составляет 0,17е. Замена алкоксикарбонильных групп в ряду (Ме, ...,Ат) приводит лишь к небольшому уменьшению разности заряда на рассматриваемых группах, что, очевидно, связано с отсутствием сопряжения их п-систем с бензольным кольцом. Возможным препятствием для реализации взаимодействия по атому кислорода гидроксильной группы может быть увеличивающийся стерический эффект алкоксигрупп.
Таблица 2. Эффективные заряды нуклеофильных центров
Анион Кислород гидроксигруппы Кислород нитрозогруппы
11а -0,545 -0,373
ПЪ -0,539 -0,374
11с -0,539 -0,376
Ш -0,523 -0,389
11е -0,536 -0,372
Таблица 3. Разность полных энергий молекул перзамещённых пара-алкоксинитрозобензолов и алкиловых эфиров пара-бензохинонмонооксимов
Молекулы Разность энергий, Хартри (Еш-Еге)
Ша - ^а 0,0135
ШЪ - М> 0,0040
Шс - ^с 0,0049
пи - т 0,0062
Ше - ^е 0,0047
1Ш - М 0,0061
П^ - ^ 0,0010
ПШ - № 0,0063
С другой стороны, произведённая оптимизация строения возможных продуктов алкилирования нитрозофенолов и сравнение полных энергий молекул, алкилированных по атому кислорода гидроксильной либо нитрозогруппы (табл. 3), свидетельствует о большей энергетической выгоде продуктов алкилирования по нитрозогруппе, в результате чего должны образовываться эфиры перзамещённых пара-бензохинонмонооксимов.
Экспериментальное выяснение путей алкилирования было проведено на реакции калиевых солей нитрозофенолов с йодистыми алкилами в среде абсолютного эфира. Во всех случаях были получены кристаллические продукты алкилирования желтого цвета. Состав продуктов был подтвержден масс-спектрометрическими измерениями, которые приведены в экспериментальной части. В каждом масс-спектре присутствовал молекулярный ион, точно соответствующий молекулярной массе алкилового эфира, и остальные фрагменты молекулы, образующиеся в результате электронного удара. Кристаллическая структура метилового эфира 3,5-ди(этоксикарбонил)-2,6-диметил-1,4-бензохинон-1-оксима (С]5И19М06) была определена рентгеноструктурным анализом, по поликристаллическому образцу. Вещество имеет молекулярную структуру (рис. 4). В кристаллической ячейке содержатся четыре идентичные формульные единицы, причем молекула асимметрична. Плоскости этоксикарбоксильных групп повернуты практически перпендикулярно кольцу, образуя, соответственно, двугранные углы: 79.89 о и 76.84о. Этоксигруппы ориентируются по разные стороны плоскости кольца. Четыре других заместителя (=0, -СН3, -СН3, =N0(0^) ) находятся в плоскости кольца. Метилоксим-
Таблица 4. Основные межатомные расстояния в структуре метилового эфира 3,5-ди(этоксикарбонил)-2,6 -диметил-1,4 -бензохинон-1 -оксима
Атом А Атом В ¿(А-в), (А ) Атом А Атом В ¿(А-В), (А )
1 2 3 1 2 3
014 С8 1,338 С6 С5 1,446
014 С20 1,464 С6 С11 1,514
015 С12 1,220 С7 С6 1,355
013 С8 1,211 С7 С2 1,451
01 С2 1,199 С7 С12 1,502
016 С12 1,342 С8 013 1,211
016 С18 1,451 С8 014 1,338
017 N10 1,399 С8 С3 1,497
017 С22 1,430 С9 С4 1,506
С2 01 1,199 С11 С6 1,514
С2 С3 1,445 С12 015 1,220
С2 С7 1,451 С12 016 1,342
С3 С4 1,351 С12 С7 1,502
С3 С2 1,445 С18 016 1,451
С3 С8 1,497 С18 С19 1,476
С4 С3 1,351 С19 С18 1,476
С4 С5 1,452 С20 014 1,464
С4 С9 1,506 С20 С21 1,481
С5 N10 1,300 С21 С20 1,481
С5 С6 1,446 С22 017 1,430
С5 С4 1,452 N10 С5 1,300
С6 С7 1,355 N10 017 1,399
ная группа, по-видимому, имеет п-сопряжение с карбонильной, что проявляется в наличии хи-нонного искажения бензольного кольца, (¿(С3-С2) =1.44(1) А, d(С3-С2) =1.35(1) А). Укороченные расстояния С2-01 (1.20А) и С5-Ш0 (1.30А) также указывают на возникновение двойных связей с атомами кислорода карбонильной и метилоксимной групп. Другие межатомные расстояния и углы приведены в табл. 4, 5.
Кристаллическая структура представляет колоночную укладку молекул вдоль оси а (рис. 6). В колонке молекулы располагаются по парам, связанным центром симметрии. Расстояние между плоскостями бензольных колец в парах составляет 3,63 А. Водородные связи отсутствуют, поэтому наблюдаемая укладка является результатом плотнейшей упаковки молекул с учетом их собственной геометрии.
Важная информация о строении эфиров была получена при анализе ЯМР 'Н-спектров. Судя по ЯМР 'Н-спектрам полученных продуктов, оказалось, что во всех случаях образовались алкиловые эфиры гексазамещенных хиноноксимов (рис. 3, путь Ь). В спектрах ЯМР 'Н протоны метильных групп кольца и протоны алкильных групп сложноэфирных замести- 243 -
Таблица 5. Основные углы между связями в структуре метилового эфира 3,5-ди(этоксикарбонил)-2,6-диметил-1,4-бензохинон-1-оксима
Атом А Атом В Атом С Угол (АВС) Атом А Атом В Атом С Угол (АВС)
1 2 3 4 1 2 3 4
С8 014 С20 121.06 С7 С6 С5 120.12
С12 016 С18 123.01 С7 С6 С11 121.87
N10 017 С22 107.43 С5 С6 С11 117.94
01 С2 С3 120.30 С6 С7 С2 119.90
01 С2 С7 119.96 С6 С7 С12 120.26
С3 С2 С7 119.69 С2 С7 С12 119.64
С4 С3 С2 120.52 013 С8 014 119.98
С4 С3 С8 120.74 013 С8 С3 121.45
С2 С3 С8 118.69 014 С8 С3 118.56
С3 С4 С5 119.67 015 С12 016 119.89
С3 С4 С9 116.09 015 С12 С7 120.86
С5 С4 С9 124.22 016 С12 С7 119.23
N10 С5 С6 124.11 016 С18 С19 102.37
N10 С5 С4 115.93 014 С20 С21 107.59
С6 С5 С4 119.94 С5 N10 017 122.28
Рис. 7. ЯМР 1Н-спектр метилового эфира 3,5-ди(этоксикарбонил)-2,6-диметил-1,4-бензохинон-1-оксима. На укрупнённом фрагменте спектра в области 1,37 м.д. и в области 4,38 м.д. видно «двоение» сигналов метильной и метиленовой групп сложноэфирных заместителей из-за син- либо антирасположения по отношению к метилоксимной группе
телей оказались неэквивалентными из-за син- либо антирасположения этих заместителей по отношению к алкилоксимной группе, из-за чего все заместители оказываются в разном окружении. По этой причине протоны всех указанных групп давали по два сигнала одинаковой интенсивности, с разными химсдвигами. В то же время алкильные группы эфира оксима не испытывают влияния асимметричной группировки, поэтому их протоны дают обычный сигнал. Так, метильная группа эфира оксима проявляется одним синглетом в слабом поле, этильная - одним квартетом в слабом поле и одним триплетом в сильном. Такая картина служит наглядным подтверждением того, что алкилирование прошло во всех случаях по атому кислорода нитрозогруппы.
ЯМР 'Н-спектр метилового эфира 3,5-ди(этоксикарбонил)-2,6-диметил-1,4-бензохинон-1-оксима представлен на рис. 7. ЯМР 'Н-метильные группы кольца неэквивалентны из-за син- либо антирасположения по отношению к метилоксимной группе и дают сигналы в виде синглетов с одинаковой интенсивностью с химсдвигами 2,24 и 2,38 м.д. Аналогично сигналы этильных сложноэфирных групп по той же причине дают «двойные» сигналы: триплеты с химсдвигами 1,371 и 1,378 м.д., а также квартеты 4,379 и 4,383 м.д. Сигнал метильной группы оксима-синглет с химсдвигом 4,24.
Таким образом, в результате проведенного исследования установлено, что, несмотря на большую локализацию заряда на атоме кислорода гидроксигруппы, реакция алкилирования перзамещенных нитрозофенолов протекает по атому кислорода нитрозогруппы с образованием энергетически более выгодных алкиловых эфиров гексазамещенных хиноноксимов.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (Гос. контракты № 02.740.11.0269 и № П2263) и Международного центра по дифракционным данным (ICDD, грант № 10-93).
Список литературы
1. Сёмин И.В., Соколенко В.А., Товбис М.С. Димеризация пространственно-затрудненных пара-нитрозофенолов // Журнал органической химии. 2007. 43. 545-548.
2. Слащинин Д.Г., Товбис М.С., Роот Е.В., Задов В.Е., Соколенко В.А. Каталитическое гидрирование перзамещенных п-нитрозофенолов // Журнал органической химии. 2010. 46. 527529.
3. Eiden F., Leister H.P., Mayer D. 5-Aminoacetamido-4,6-dimethyl-2-hydroxy-isophta^ure-diethylester: Synthese und Untersuchung antiarrhythmischer Eigenschaften // Arzneimittel-Forschung. 1983. 33. 101-105.
4. Алемасов Ю.А., Слащинин Д.Г., Товбис М.С., Кирик С.Д. Димеризация в гексазамещенных п-нитрозофенолах по данным рентгеноструктурного анализа// Журнал СФУ, серия «Химия». 2010. 3. 45-57.
5. Alemasov Yu.A., Slaschinin D.G., Tovbis M.S., Kirik S.D. X-Ray Diffraction and Spectroscopic Verification of Dimerization in Hexasubstituted Para-Nitrosophenols // Journal of Molecular Structure, 2011. 985.184-190.
6. Bridge J.L. Aether des Chinonoxims (p-Nitrosophenols) // Lieb.Ann., 1893. Bd.277. S.79-
7. Veibel S., Simesen M. H. Über die darstellung von methyläthern der chinon-oxime // Chem. Berichte. 1930. Bd.63. Issue 9. S.2476-2483.
8. Hodgson H. H. Reactions of nitrosophenols. Part I. Diazomethane as an agent for detecting nitrosophenolic structure // J.Chem.Soc. 1932. № 5. P. 1395-1398.
9. Hays J.T., Butts E.H., Young H.L., p-Nitrosophenol chemistry. I. Etherification of p-nitrosophenol. // J.Org.Chem.1967. V.32. №1. P.153-158.
10. Darchen A., Peltier D. Reduction electrochimique des p- et o-nitroalcoxybenzenes. Mecanisme de l'elimination de l'alcool // Bull.Soc.Chim.France. 1972. P. 4061-4067.
11. Granovsky A.A., Firefly version 7.1. G. http://classic.chem.msu.su/gran/firefly/index.html.
12. Baker J. Geometry optimization and saddle point location.// J. Comput. Chem. 1986. 7. 385395.
13. Helgaker T. Transition-state optimizations by trust-region image minimization// Chem. Phys. Lett. 1991.182. 503-510.
14. Dive C.G., Nguyen V.H., Ghuysen J.M. A quasi-Newton algorithm for first-order saddle-point location P. //Theoret. Chim. Acta. 1992. 82. 189-205.
15. Schmidt W., Baldridge K.K., Boatz J.A., Elbert S.T., Gordon M.S., Jensen J.H., Koseki S., Matsunaga N., Nguyen K.A., Su S., Windus T.L., Dupuis M., Montgomery J.A. General Atomic and Molecular Electronic Structure System // J. Comput. Chem. 1993. 14. 1347-1363.
16. Visser J.W. A fully automatic program for finding the unit cell from powder data // J. Appl. Cryst. 1969. 2. 89-95.
17. Kirik S.D., Borisov S.V., Fedorov V.E. Symmetry independent algoriphm for indexing of X-ray powder pattern // Zh. Strukt. Khim. 1979. 20. 359-364.
18. Favre-Nicolin V., Cerny R. FOX, 'free objects for crystallography': a modular approach to ab initio structure determination from powder diffraction // J. Appl. Cryst. 2002. 35. 734-743.
19. Rodriguez-Carvajal J., FullProf version 4.06, March 2009, ILL (unpublished).
20. Allen F.H. The Cambridge Structural Database: a quarter of a million crystal structures and rising // Acta Crystallogr. 2002. B58. 380-388.
21. Кирик С.Д. Уточнение кристаллических структур по профилю порошковых рентгенограмм с использованием жестких структурных ограничений // Кристаллография. 1985. 30. 185-187.
22. Solovyov L.A., Kirik S.D., Application of simulated annealing approach in powder crystal structure analysis // Material Science Forum. 1993. 133-136. 195-200.
23. Favre-Nicolin V., Cerra R. A better FOX: using flexible modelling and maximum likelihood to improve direct-space ab initio struture determination from powder diffraction // Z. Kristallogr. 2004. 219. 847-856.
24. Siemens (1989). XP. Molecular Graphics Program. Version 4.0. Siemens Analytical X-ray Instruments Inc., Madison, Wisconsin, USA.
Alkylation of Persubstituted ^ara-Ninrosophenols
Dimitri G.Slaschinina, Yuri A.Alemasov, Dimitri I.Ilushkina, William A.Sokolenkob, Michael S.Tovbisa and Sergei D.Kirikb,c
a Siberian State Technological University, 82. Mir a, Krasnoyarsk, 660049 Russia b Institute of Chemistry and Chemical Technology, 42 Marx St., Krasnoyarsk, 660049 Russia c Siberian Federal University, 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
Theoretical and experimental approaches were applied for the investigation of reactivity of persubstituted 4-nitrosophenols in the reaction with alkyl haloids by example of potassium salt of 2,6-di (alkoxy carbonyl)-3,5-dimethyl-4-nitrosophenol. Using unempirical Hartry-Fock approach it was shown that negative charge of the anion locates in much extend on oxygen of hydroxyl group, where as the estimation of a total energy of alkylated products points out benefit of alkylation onto oxygen atom of nitroso group yielding quinonoxime ester.
The methylating and ethylating reactions of persubstituted nitrosophenols were carried out. The obtained products were investigated using X-ray diffraction, 1H NMR and mass-spectroscopy. The crystal structure of methyl ether of 2,6-di (alkoxy carbonyl)-3,5-dimethyl 1,4-benzoquinone-1-oxime (C15H19NO6) (I) was determined by X-ray powder diffraction technique. The unit cell parameters are: a =7.3322(6) A, b = 10.5039(12) A, c = c 21.1520(20) A, p = 93.742(6)°, V = 1625.58(2) A33 Z=4, Sp.Gr. P21/c. The structure modeling was carried out in direct space by Monte-Carlo approach applying rigid and soft restrictions. Structure refinement was completed by Rietveld method. It was established the alkylation was directed into oxygen atom of nitroso group. The molecules(I) in crystal structure are packed in columns along axis a with pairwise convergence in column up to the distance of 3.63 A due to turn of every second molecules around the axis on 180o. In the molecular structure the methyl oxime group is oriented in the benzene plane and have n-conjugation with the ring. Ethoxycarbonyl groups are turned nearly perpendicular to the ring. Other obtained compounds have a structure of alkyl ether of 1,4-benzoquinone-1-oxime, that was proved by 1HNMR spectroscopy.
Keywords: hexasubstituted nitrosophenols, alkylation, nitrosophenols, alkyl ethers of 1,4-benzoquinone-1-oximes, polycrystalline X-ray diffraction analysis, Hartree-Fock quantum-chemical calculations, 1H NMR spectroscopy, mass spectrometry.
