CC BY
44
УДК 547-316
С. С. Вершинин (к.х.н., доц.)1, Э. Р. Миндиярова (асп.)1, А. Р. Гильванов (магистрант)1, Л. Н. Зорина (к.х.н., доц.)2
СТЕРЕОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ БРОМИРОВАНИЯ 2,2,4-ТРИМЕТИЛ-1,3-ДИОКСОЛАНА МОЛЕКУЛЯРНЫМ БРОМОМ
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 1 кафедра биохимии и технологии микробиологических производств, 2кафедра общей и аналитической химии 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347) 2431935, e-mail: [email protected]
S. S. Vershinin1, E. R. Mindiyarova1, A. R. Gilvanov1, L. N. Zorina2
STEREOCHEMICAL ASPECT OF 2,2,4-TRIMETHYL-1,3-DIOXOLANE BROMINATION BY MOLECULAR BROMINE
Ufa State Petroleum Technological University 1, Kosmonavtov Str, 450062, Ufa, Russia; ph. (347) 2431935, e-mail: [email protected]
Бромирование 2,2,4-триметил-1,3-диоксолана молекулярным бромом в среде четыреххлорис-того углерода при мольном соотношении реагентов диоксолан:Бг2:СС14, равном 1:1:5, и температуре кипения реакционной смеси протекает регио- и стереоселективно с образованием 61% цис-2-бромметил-2,4-диметил-1,3-диоксолана и 39% транс-2-бромметил-2,4-диметил- 1,3-диок-солана при полной конверсии субстрата. Строение, конфигурацию и мольное соотношение изомеров определяли по данным ЯМР 1Н, 13С спектроскопии и методом ГЖХ. Полученные бромдиоксоланы находятся в преимущественной конформации конверта с псевдоэкваториальным положением СН3— группы при углеродном атоме С-4 с преобладанием цис-изомера с экваториальной ориентацией бромалкильного заместителя.
Ключевые слова: бромирование; диастерео-меры; цис-, транс-2-бромметил-2,4-диметил-1,3-диоксолан; региоселективность; спин-спиновое взаимодействие; стереоселективность; химический сдвиг.
The bromination of 2,2,4-trimethyl-1,3-dioxolane by molecular bromine in carbon tetrachloride with molar ratio of dioxolane: Br2:CCl4 as 1:1:5 under boiling temperature of the reaction mixture occurs regio- and stereoselectively with full conversion of substrate into 61% of cis-2-bromomethyl-2,4-dimethyl-1,3-dioxolane and 39% of £rfl«s-2-bromomethyl-2,4-dimethyl-1,3-dioxolane. The structure, configuration and molar ratio of isomers were determined by 1H and 13C NMR and gas chromatography. The prevalent conformation of obtained bromodioxolanes is half-chair with pseudoequatorial position of CH3-group at carbon atom C-4 with prevalence of cis-isomer with eqatorial orientation of bromoalkyl substitute.
Key words: bromination; diastereomers; cis-, £rfl«s-2-bromomethyl-2,4-dimethyl-1,3-dio-xolane; chemical shift; regioselectivity; spin-spin interaction; stereoselectivity.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках базовой части государственного задания.
This work was financially supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation as part of the base part of the state task.
Известно, что бромирование циклических кеталей протекает селективно по а-положению алкильного заместителя при С-2 атоме углеро-
Дата поступления 22.01.15
да 1-3. Бромирование 2,2,4-алкилзамещенных 1,3-диоксациклоалканов приводит к смеси изомеров цис- и транс-2-(а-бромалкил)-2,4-диал-кил-1,3-диоксациклоалканов 4.
Целью настоящего исследования является изучение стереохимических особенностей протекания бромирования 2,2,4-триметил-1,3-ди-оксолана (1) молекулярным бромом.
Установлено, что бромирование 2,2,4-три-метил-1,3-диоксолана (1) молекулярным бромом в среде четыреххлористого углерода при мольном соотношении реагентов 1:Вг2:СС14, равном 1:1:5, и температуре кипения реакционной смеси протекает регио- и стереоселек-тивно с образованием 61% цис-2-бромметил-2,4-диметил-1,3-диоксолана (2а) и 39% транс-2-бромметил-2,4-диметил-1,3-диоксолана (2б) при полной конверсии субстрата 1.
О.
Вг2
А, СС14
Вг о
О
Вг
2а
+ НВг
2б
Смесь стереоизомеров 2а и 2б была разделена методом препаративной ГЖХ. Строение, конфигурацию и мольное соотношение изомеров 2а и 2б определяли по данным ЯМР 13С спектроскопии (табл.1—3) и методом ГЖХ. На основе анализа параметров спектров ЯМР изомеров 2а и 2б, были определены их термодинамически предпочтительные конфор-мации.
Известно, что замещенные 1,3-диоксола-ны существуют в складчатых конформациях типа конверта или полукресла (твист-форма) 5. Для стереоизомерной пары бромдиоксоланов 2а и 2б возможны две граничные пары кон-формеров 5,6:
Вг О^
На
г а
На
2а
Не
2б
Зависимость вицинальных констант спин-спинового взаимодействия протонов от величины двугранного угла используется для определения конформаций молекул, так в трех-, четырех- и пятичленных циклических системах значение ^цисНаНа> 3ЛтрансНаНе 7,8.
По данным спектров ЯМР вициналь-ные константы взаимодействия протона при углеродном атоме С-4 с протонами На и Не при углеродном атоме С-5 для бромдиоксолана 2а составили ^=7.81 Гц и 3J=5.7 Гц, а для бромдиоксолана 2б ^=8.4 Гц и 3J=5.6 Гц (табл. 1). Согласно приведенному неравенству 7 определена ориентация протонов: ^4а5а= =7.81 Гц > ^4а5е=5.7 Гц для соединения 2а и ^4а5а=8.4 Гц >^4а5е=5.6 Гц для соединения 2б, следовательно, в бромдиоксоланах 2а и 2б протон при углеродном атоме С-4 занимает псевдоаксиальное положение, а группа СН3 при углеродном атоме С-4 — псевдоэкваториальное.
Таким образом, бромдиоксоланы 2а и 2б находятся в преимущественной конформации конверта с псевдоэкваториальным положением СН3-группы при углеродном атоме С-4. Близкие значения химических сдвигов изомеров 2а и 2б (табл. 2, 3) подтверждают, что они находятся в одинаковой конформации и отличаются только расположением группы СН2Вг при углеродном атоме С-2 в пространстве.
Анализ химических сдвигов в спектрах ЯМР и 13С группы СН2Вг бромдиоксола-нов 2а и 2б позволяет определить ее пространственное положение. Так, в бромдиоксолане 2а химические сдвиги СН2Вг группы (8=3.37 м.д., 8с=36.83 м.д.), а в бромдиоксолане 2б (8= =3.41 м.д., 8с =37.76 м.д.). Поскольку в соединении 2а группа СН2Вг находится в более сильном поле, чем в соединении 2б, то в бром-диоксолане 2а группа СН2Вг — псевдоэкваториальная, а в бромдиоксолане 2б — псевдоаксиальная 7,8.
В соответствии с вышеизложенным, изомер 2а — является цис-2-бромметил-2,4-диме-тил-1,3-диоксоланом, а изомер 2б — транс-2-бромметил-2,4-диметил-1,3-диоксоланом.
Таким образом, установлено, что броми-рование 2,2,4-триметил-1,3-диоксолана проте-
+
1
+
е
Н
:
кает регио- и стереоселективно с преимущественным образованием соединений с экваториальной ориентацией бромалкильного заместителя. Здесь, как и в случае 2,2-диалкилзаме-щенных 1,3-диоксациклоалканов, бромирова-ние протекает исключительно в а-положение заместителя при С-2 атоме цикла 4, продуктов бромирования по метильной группе при С-4 атоме углерода не обнаружено.
Экспериментальная часть
Спектры ЯМР 1Н и С записаны в CDCl3 на приборе Вгикег АМ-300 (рабочая частота 300 и 75.47 МГц соответственно), внутренний стандарт — ТМС. 2,2,4-Триметил-1,3-диоксо-лан (1) получен ацетализацией 1,2-пропандио-ла ацетоном по известной методике 9.
(цис, транс)2-Бромметил-2,4-диметил-1,3-диоксолан (2а, 2б). Бромирование проводили в двугорлой колбе, снабженной магнитной мешалкой, обратным холодильником и капельной воронкой. В колбу вносили 1.16 г (0.01 моль) 2,2,4-триметил-1,3-диоксолана (1), 7.7 г (0.05 моль) четыреххлористого углерода и нагревали до кипения. Затем медленно прибавляли 1.63 г (0.0102 моль) брома с такой скоростью, чтобы реакционная смесь имела светло-желтую окраску. По окончании выделения бромистого водорода реакционную смесь обрабатывали диэтиламином и отфильтровывали на фильтре Шотта от осадка гидробромида диэтиламина. На роторном испарителе упаривали четыреххлористый углерод и диэтиламин, а остаток фракционировали в вакууме в токе аргона. Конверсия субстрата 100%. Выход 2а,б 1.9 г (99%). Т.кип. 105 0С (10 мм рт. ст.).
Методика разделения и выделения цис-и транс- изомеров 2-бромметил-2,4-диметил-1,3-диоксолана (2а и 2б). Разделение смеси цис- и транс- изомеров 2-бромметил-2,4-диме-тил-1,3-диоксолана (2а и 2б) осуществляли на хроматографе Chrom-5 с детектором по теплопроводности. Использовали хроматографичес-кую колонку 240 х 0.3 см со смешанной жидкой фазой Бентон 34 + додецилфталат (1:1) при температуре 110 0С, расход газа-носителя (гелий) — 40 см3/мин. Время удержания цис-бромдиоксолана 2а Кцис=14.3 мин, а транс-бромдиоксолана 2б КтрДнс=14.7 мин. Состав смеси Сцис=61%, Странс=39%. Для разделения в препаративном варианте на хроматографе F-21 (Perkin Elmer) с детектором по теплопроводности использовали хроматографическую колонку 500 х 0.8 см, заполненную указанной фазой. Кондиционирование фазы проводили при температуре от 50 до 130 0С в течение 48 ч. Эффективное разделение цис-, транс-бромди-оксоланов (2а,б) было достигнуто при температуре 90 0С и расходе гелия через колонку 80 см3/мин, при объеме пробы на одно деление 25 мкл.
транс-Бромдиоксолан 2б получен с чистотой 99%, цис-бромдиоксолан 2 а — с чистотой 75%. Спектральные характеристики продуктов приведены в табл. 1—3.
Таблица 1
Величины КССВ протонов (Гц) в спектрах ЯМР 1Н 2,2,4-триметил-1,3-диоксолана (1), цис-2-бромметил-2,4-диметил-1,3-диоксолана (2а) и транс-2-бромметил-2,4-диметил-1,3-диоксолана (2б)
Соединение aJ4aCH3 J4a5a J4a5e 2J5a5e
1 6.07 7.7 5.68 -7.7
2а 6.04 7.81 5.7 -7.82
2б 6.06 8.4 5.6 -8.25
Таблица 2
Величины химических сдвигов (м.д.) протонов в спектрах ЯМР 1Н 2,2,4-триметил-1,3-диоксолана(1), цис-2-бромметил-2,4-диметил-1,3-диоксолана (2а) и транс-2-бромметил-2,4-диметил-1,3-диоксолана (2б)
Соединение С2-СНз С4-Н С5-Н С4-СН3 С2-СН2ВГ
1 1.1 / 1.15 3.95 3.17 (e) / 3.79 (a) 1.01 -
2а 1.55 4.32 3.5 (e) / 4.12 (a) 1.3 3.37
2б 1.5 4.29 3.53 (e) / 4.09 (a) 1.32 3.41
Таблица 3
Величины химических сдвигов (м.д.) атомов углерода в спектрах ЯМР 13С 2,2,4-триметил-1,3-диоксолана (1), цис-2-бромметил-2,4-диметил-1,3-диоксолана (2а) и транс-2-бромметил-2,4-диметил-1,3-диоксолана (2б)
Соединение С2 С4 С5 С4-СН3 С2-СН3 С2-СН2ВГ
1 108.23 71.58 70.45 18.09 25.46/26.08 -
2а 107.83 73.34 71.56 18.44 24.04 36.83
2б 107.59 73.06 71.93 17.77 23.34 37.76
Литература
1. Рахманкулов Д. Л., Мартемьянов В. С., Злотс-кий С. С., Аюпова З. Л., Артамонова Т. С. Кинетика и механизм взаимодействия 1,3-диокса-циклоалканов с ДДБ/ / ЖОХ.— 1975.— Т.45.-С.2739-2741.
2. Богадский А. В., Камалов Г. П., Котляр С. А., Лукьяненко Н. Г., Райф Г. Р. Об особенностях реакции бромирования циклических ацеталей диоксандибромидом // Докл. АН СССР.-1977.- Т.237, №.2.- С.338-340.
3. Вершинин С. С., Макаева Р. М., Зорина Л. Н., Зорин В. В., Рахманкулов Д. Л. Бромирование 1,3-диоксоланов молекулярным бромом // ЖОХ.- 1996.- Т. 66, № 7.- С. 1177-1180.
4. Вершинин С. С., Макаева Р. М., Зорина Л. Н., Зорин В. В., Рахманкулов Д. Л. О влиянии ал-кильных заместителей на бромирование 1,3-диок-сациклоалканов молекулярным бромом / Нефть и газ. Межвузовский сборник научных статей.-Уфа.: УГНТУ, 1997.- № 2.- С. 127-129.
5. Стоддарт Дж. Стереохимия углеводов.- М.: Мир, 1975.- 304 с.
6. Спирихин Л. В. Стереохимия и спектроскопия ЯМР 4Н и 13С производных сульфолана и сила-циклопентана. Дис. ...канд. хим. наук.- Уфа.: ИОХ БФАН АН СССР, 1985.- 104 с.
7. Самитов Ю. Ю. Атлас спектров ядерного магнитного резонанса пространственных изомеров. - Казань: Казанский ун-т, 1978.- Т.1.- 205 с.
8. Inch T. D., Williams N. Structural Assignments of Some 2,2,4-Trisubstituted 1,3-Dioxolans // J. Chem. Soc.- 1970.- P.263-265.
9. Рахманкулов Д. Л., Зорин В. В., Латыпова Ф. Н., Мусавиров Р. С., Сираева И. Н. Методы синтеза 1,3-дигетероаналогов циклоалканов.- Уфа: изд-во «Реактив», 1998.- 254 с.
References
1. Rakhmankulov D. L., Martem'yanov V. S., Zlotskiy S. S., Ayupova Z. L., Artamonova T. S. Kinetika i mekhanizm vzaimodeystviya 1,3-dioksatsikloalkanov s DDB. [Kinetics and mechanism of reaction between 1,3-dioxolanes and DDB]. Russian Journal of General Chemistry, 1975, v.45, pp.2739-2741.
2. Bogadskiy A. V., Kamalov G. P., Kotlyar S. A., Luk'yanenko N. G., Rayf G. R. Ob osobennostyakh reaktsiy bromirovaniya tsiklicheskikh atsetaley dioksandibromidom. [About the features of cyclic acetalsbromination by dioxanedibromide]. Dokl. AN SSSR. [Report USSR Academy of Sciences], 1977, v.237, no.2, pp.338-340.
3. Vershinin S. S., Makaeva R. M., Zorina L. N., Zorin V. V., Rakhmankulov D. L. Bromirovanie 1,3-dioksolanov molekulyarnym bromom. [Bromination of 1,3-dioxolanes by molecular bromine]. Russian Journal of General Chemistry, 1996, v.66, no.7, pp.1177-1180.
4. Vershinin S. S., Makaeva R. M., Zorina L. N., Zorin V. V., Rakhmankulov D. L. O vliyanii alkil'nykh zamestiteley na bromirovanie 1,3-dioksa-tsikloalkanov molekulyarnym bromom. [About the influence of alkyl substitutes on bromination of 1,3-dioxocycloalkanes by molecular bromine]. Neft' i gaz. Mezhvuzovskij sbornik nauchnykh statej. [Petroleum and gas. Interuniversity collection of scientific articles]. Ufa, UGNTU Publ., 1997, no. 2, pp.127-129.
5. Stoddart J.F. Stereochemistry of carbohydrates. Wiley and Sons, Inc., 1971. 264 p. (Russ. ed.: Stoddart Dzh. Stereokhimiya uglevodov. Moscow, Mir Publ., 1975. 304 p.
6. Spirikhin L. V. Stereokhimiya i spektroskopiya YaMR 1H i 13C proizvodnykh sul'folana i silatsiklopentana. Dis. ...kand. khim. nauk. [Stereochemistry and JH, 13C NMR spectroscopy of sulfolane and silacyclopentane derivatives. PhD chem. sci. diss.]. Ufa, 1985, 104 p.
7. Samitov Yu. Yu. Atlas spektrov yadernogo magnitnogo rezonansa prostranstvennykh izomerov. [Atlas of nuclear magnetic resonance data for regioisomers]. Kazan', Kazan University Publ., 1978, v. 1, 205 p.
8. Inch T. D., Williams N. [Structural Assignments of Some 2,2,4-Trisubstituted 1,3-Dioxolans]. Journal of the Chemical Society, 1970, pp. 263265. doi: 10.1039/J39700000263
9. Rakhmankulov D. L., Zorin V. V., Latypova F. N., Musavirov R. S., Siraeva I. N. Metody sinteza 1,3-digeteroanalogov tsikloalkanov. [Methods for synthesis of cycloalkanes 1,3-diheter-oanalogues]. Ufa, «Reaktiv» Publ., 1998, 254 p.
