Transcript
Журнал органической химии Т. 50. Вып. УДК ТЕРМИЧЕСКИЕ, КИСЛОТНО-КАТАЛИЗИРУЕМЫЕ И ФОТОЛИТИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ СПИРОЦИКЛИЧЕСКИХ 3Н-ПИРАЗОЛОВ ПРОДУКТОВ РЕАКЦИЙ МЕТИЛ-, ФЕНИЛ- И п-толил(фенилэтинил)сульфонов С 9-ДИАЗОФЛУОРЕНОМ В.А.Васин, Ю.Ю.Мастерова, 1 В.В.Разин, 2 Н.В.Сомов 3 1 Мордовский государственный университет им. Н.П.Огарёва , Саранск, ул. Большевистская, 68; 2 Санкт-Петербургский государственный университет 3 Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского Поступила 15 апреля 2014 г. Метил-, фенил- и п-толил(фенилэтинил)сульфоны реагируют с 9-диазофлуореном в диэтиловом эфире при 20 С с образованием продуктов 1,3-диполярного циклоприсоединения по правилу Ауверса соответствующих спироциклических 3Н-пиразолов. При кипячении в толуоле в течение 2 ч эти пиразолы изомеризуются в 5-сульфонил-3-фенилпиразоло[1,5-f]фенантридины, а кипячение их в бензоле, ацетонитриле и этаноле даёт смесь тех же фенантридинов и 3-сульфонил-3афенил-3аН-дибензо[e,g]индазолов с преобладанием последних. Индазолы являются кинетически контролируемыми продуктами термолиза и количественно переходят в фенантридины при кипячении в толуоле. При действии каталитической добавки 2 SO 4 в ледяной уксусной кислоте при 20 С сульфонилзамещенные спироциклические 3Н-пиразолы и индазолы превращаются в 3a-фенил-2-дибензо[e,g]индазол-3(3a)-oн. Сульфонилзамещенные фенантридины в тех же условиях переходят в 3-фенил-1-дибензо[e,g]индазол. Фотолиз спироциклических 3Н-пиразолов приводит к смеси сульфонилзамещённых циклопропенов и 2Н-циклопента[j,k]флуоренов. Известно, что ацетилены с электроноакцепторными заместителями проявляют высокую реакционную способность как диполярофилы в реакциях [3 + 2]-циклоприсоединения с участием алифатических диазосоединений в качестве 1,3-диполей [1, 2]. Если в такую реакцию ввести дизамещенные диазометаны, то продуктом циклоприсоединения оказываются производные 3Н-пиразола [3, 4]. Эти неароматические гетероциклические соединения весьма привлекательны тем, что при нагревании или при кислотном катализе испытывают перегруппировку Ван-Альфена Хюттеля [5, 6] с образованием производных ароматического гетероцикла 1Н-пиразола и/или неароматического гетероцикла 4Н-пиразола [3, 4, 7], а при УФ облучении, а иногда и при нагревании подвергаются деазотированию, что приводит к производным циклопропена [8]. Несмотря на то, что сульфонилзамещенные ацетилены являются очень реакционноспособными диполярофилами [9 11], известны лишь немногочисленные примеры их участия в реакциях [3 + 2]- циклоприсоединения с дизамещенными диазометанами [12 19]. До настоящего времени в литературе нет ни одного примера перегруппировки Ван- Альфена Хюттеля в ряду сульфонилзамещенных 3Н-пиразолов. Между тем, следовало ожидать, что сульфонильная группа в составе 3Н-пиразола может внести определенную специфику в протекание этой перегруппировки. Кроме того, следовало надеяться, что соединения, содержащие арил(метил)сульфонильную группу, будут кристаллическими при комнатной и более высокой температуре, что обещало экспериментальные удобства при работе с ними. В настоящей работе мы осуществили синтез сульфонилзамещенных 3Н-пиразолов (Ia в) на основе реакций метил-, фенил- и п-толил(фениэтинил)- сульфонов (IIа в) с 9-диазофлуореном, а также изучили термические, кислотно-катализируемые и фотолитические превращения соединений (Ia в). 9-Диазофлуорен ранее уже был использован в качестве 1,3-диполя при циклоприсоединении к симметрично замещённым диполярофилам диметиловому эфиру ацетилендикарбоновой кислоты и бис(трифторметил)ацетилену, что привело к образованию соответствующих замещенных спироциклических 3Н-пиразолов [5, 20]. 1 2 + 2 Et 2 O IIa _ в Взаимодействие ацетиленов (IIа в) с небольшим избытком 9-диазофлуорена мы осуществляли при 20 С в диэтиловом эфире в течение 4 6 дней. В каждом случае реакция отличалась строгой региоселективностью, отвечающей образованию производного 3Н-пиразола (Iа в), соответствующего присоединению диазосоединения к активированному ацетилену по правилу Ауверса. * 20 o C Здесь и далее R = Me (a), (б), n-mec 6 4 (в) ' 3' 2' 8 Ia _ в 1' 5' Спироциклические 3Н-пиразолы (Iа в) выделены в индивидуальном виде кристаллизацией. Их строение подтверждается данными элементного анализа, УФ, ИК, ЯМР 1 Н и 13 С спектроскопии и EI-MS. В ИК спектрах этих соединений наблюдаются две интенсивные характеристические полосы поглощения сульфонильной группы в области ~1150 и 1320 см 1. В УФ спектрах соединений (I) обнаруживаются пики поглощений с максимумами ~235 нм (logε ~3.5) и ~270 нм (logε ~2.0). В масс-спектрах наиболее интенсивными являются пики, соответствующие потере молекулярным ионом сульфонильной группы и молекулы азота. Дополнительно для подтверждения региохимии полученных циклоаддуктов был выполнен 1 Н 1 Н OESY-эксперимент для соединения (Iа). В спектре обнаруживается взаимодействие протона Н 2'' фенильного кольца с протонами Н 1,8 флуоренильного остатка (кросс-пики а, рис. 1). Кросс-пики б и в отвечают взаимодействию протона Н 2'' с протонами Н 3,6 и Н 2,7 соответственно. Кросс-пики г, д и е соот- 3'' 4'' 2'' 5'' б a 4 в '' SO 2 Me Рис. 1. Фрагмент спектра 1 Н 1 Н OESY 5'-(метилсульфонил)-4'-фенилспиро[флуорен-9,3'-пиразола] (Iа). ветствуют взаимодействию протонов Н 2,7 с протонами Н 4,5, Н 1,8 и Н 3,6. И, наконец, кросс-пики ж отражают взаимодействие протонов Н 1,8 и Н 3,6. При * Анализ реакционных смесей методом ЯМР 1 Н обнаруживает в них примесь (менее 5%), которую предположительно можно признать за региоизомер 3Н-пиразола (Iа в) продукт присоединения против правила Ауверса. 3 отнесении сигналов протонов использовали технику COSY-эксперимента, а также данные по дальнему спин-спиновому взаимодействию протонов фенильного кольца с атомами водорода метилсульфонильной группы в спектре 1 Н 1 Н OESY. Наблюдаемая региоселективность реакций находится в согласии с действием электронного фактора в диполярофиле. Поскольку подход реагентов при [3 + 2]-циклоприсоединении осуществляется компланарно, плоская система 9-диазофлуорена, повидимому, не создаёт существенных пространственных затруднений при образовании переходного состояния. Тем самым, различие в эффективных объемах заместителей при тройной связи исходного непредельного сульфона нивелируется. 3Н-Пиразолы (Iа в) при кипячении в этаноле, ацетонитриле и бензоле (78 82 С) в течение 3 5 ч образуют смесь производных 1Н- и 4Н-пиразола фенантридинов (IIIа в) и индазолов (IVа в) с преобладанием последних (табл. 1). Кипячение тех же 3Н-пиразолов (Iа в) в толуоле (112 С) в течение 1 2 ч приводит только к фенантридинам (IIIа в). При менее продолжительном кипячении конверсия этих пиразолов оказывается неполной, а в реакционной смеси присутствует также примесь индазолов (IVа в). 112 o C 78 _ 82 o C Iа _ в IIIа _ в Таблица 1 Условия и состав продуктов термолиза 3Н-пиразолов (Iа в) IVа _ в 3Н-Пиразол Время реакции, ч; конверсия пиразола (I), %; относительная доля пиразолов (III) и (IV),% EtO СН 3 C С 6 Н 6 Толуол Iа 2, 90, 20, 80 2, 89, 11, 89; 2, 78, 14, 86; 2, 100, 99, 1 4, 97, 21, 79 5, 96, 38, 62 Iб 4, 100, 35, 65 1, 100, 100, 0 Iв 2, 95, 32, 68 2, 100, 40, 60; 4, 100, 50, 50 Соединения (IIIа в) и (IVа) выделены в кристаллическом виде. Их строение установлено с помощью ИК, ЯМР 1 Н и 13 С спектроскопии. Соединения (IVб, в) выделить в индивидуальном виде не удалось, поэтому они охарактеризованы спектральными методами в смесях с их изомерами (IIIб, в). Абсолютное подтверждение строения 1Нпиразолов (III) было получено при рентгеноструктурном анализе одного из них фенантридина (IIIа) (рис. 2, табл. 2). Заслуживающей внимания особенностью строения этого соединения является практически перпендикулярное расположение фенильного кольца к плоскости конденсированной гетероциклической системы. В пользу строения 4Н-пиразолов (IVа в) свидетельствует наличие в спектрах ЯМР 13 С двух сигналов атомов углерода диметиленгидразинового фрагмента в слабопольной области при ~ 177 и 182 м.д. (ср. [7, 21]). Согласно современным представлениям [8], перегруппировка Ван-Альфена Хюттеля тетразаме- 1, 100, 43, 57 1, 100, 100, 0 Рис. 2. Пространственное строение 2-(метилсульфонил)-3-фенилпиразоло[1,5-f]фенантридина (IIIа) по данным РСА. щенных 3Н-пиразолов протекает как 1,5-сигматропный сдвиг заместителя в положении 3 по двум направлениям: либо в сторону атома С 4, либо в сторону атома 2. Наш эксперимент по термолизу спиросоединений (Iа в) полностью согласуется с такими 4 Таблица 2 Кристаллографические данные, характеристики дифракционного эксперимента и параметры уточнения структуры соединений (IIIa, VI) Параметр Соединение IIIa Соединение VI Формула C O 2 S C Молекулярная масса, а.е.м Внешний вид Бесцветные призмы Бесцветные призмы Размеры кристалла, мм Тип решетки Моноклинная Моноклинная Пространственная группа P 1 21/c 1 P 1 21/c 1 Температура, K 298(2) 293(2) Число формульных единиц Z 4 4 а, Å (17) (10) b, Å (3) (2) c, Å (18) (2) β, град (19) (10) Область съемки 13 h 13; 30 k 30; 13 l h 13; 18 k 18; 17 l 17 Объем ячейки V, Å (6) (4) Плотность D x, г/см Излучение MоK α (λ Å) MоK α (λ Å) Коэффициент поглощения μ, мм F(000) Область сканирования по θ, град Наблюдаемых отражений Независимых отражений R int Число уточняемых параметров GOOF R для отражений с I 2σ(I) R(F) , wr(f 2 ) R(F) 0.051, wr(f 2 ) R для всех отражений R(F) , wr(f 2 ) R(F) , wr(f 2 ) 0.14 Остаточная электронная плотность (мин./макс.), e/å и и представлениями: сигматропный сдвиг в сторону атома азота приводит к 1Н-пиразолам (IIIа в), а сдвиг к атому углерода к 4Н-пиразолам (IVа в). Подобные превращения наблюдались и при термолизе спироциклического 3Н-пиразола, полученного при циклоприсоединении диазофлуорена к диметиловому эфиру ацетилендикарбоновой кислоты: в уксусной кислоте происходило образование 1Н-пиразола, соответствующего сигматропному сдвигу к атому азота [5], а при кипячении в бензоле получался другой 1Н-пиразол, возникновение которого предполагает первоначальное образование 4Н-пиразола, соответствующего сигматропному 1,5-сдвигу в сторону углеродного атома [22]. * * Мы полагаем, что первоначально образующийся 4Н-пиразол [аналог соединения (IV)] далее последовательно испытывает два 1,5-сигматропных сдвига группы СО 2 Ме и через новый 3Н-пиразол переходит в 1Н-пиразол, подобно тому как это имеет место для превращения родственного соединения метил- 3,4,5-трифенил-4Н-пиразол-4-карбоксилата, описанного в работе [23]. Спироциклический 3Н-пиразол, образующийся при циклоприсоединении диазофлуорена к бис(трифторметил)ацетилену при кипячении в толуоле в течение 1 ч нацело переходил в 1Н-пиразол аналог соединений (III) [20]. В нашем случае, когда 4Н-пиразол (IVа) был выделен в индивидуальном виде, интерес вызывает наблюдаемая зависимость направления изомеризации 3Н-пиразола (I) от температуры. Нами было установлено, что 4Н-пиразолы (IVа в) полностью превращаются в 1Н-пиразолы (IIIа в) при кипячении в толуоле в течение 1 ч. Такой результат следует трактовать как свидетельство обратимости изомеризации 3Н-пиразолов (Iа в) в сторону 4Н-пиразолов (IVа в). Соединения (I, IV) не являются ароматическими и близки по энергии. Наоборот, изомеризация 3Н-пиразолов (Iа в) в сторону ароматической стабилизированной системы 1Н-пиразола (IIIа в) оказывается энергетически выгодным процессом. Таким образом, 4Н-пиразолы (IVа в) оказываются кинетически контролируемыми продуктами 5 термолиза 3Н-пиразолов (Iа в), а 1Н-пиразолы (IIIа в) отвечают термодинамическому контролю термической изомеризации. То, что скорость изомеризации (I) (IV) должна быть выше по сравнению со скоростью превращения (I) (III), что и наблюдается в условиях термолиза при относительно низкой температуре, может быть обосновано аргументами, изложенными в работе [21] в отношении родственного спироциклического производного A + C 3 CO 2 Iа _ в 1,5-сдвиг Б IVа _ в SO 2R C 3 CO 2 Такое превращение для спироциклических 3Н-пиразолов (Iа в) можно трактовать как результат их проходящей в кислой среде через катион А 1,5-сигматропной перегруппировки в соответствующий индазол (IVа в), находящийся в протонированной по атому 1 форме Б. Дальнейшее реагирование интермедиата Б, который может получиться также и непосредственно из индазола (IVа в), с водой + 2 O _ + 3Н-пиразола, где поднимался вопрос об обратимости его термической изомеризации. При выдерживании 3Н-пиразолов (Iа в) в уксусной кислоте в присутствии каталитической добавки 2 SO 4 при 20 С в течение 3 5 дней с последующей обработкой реакционных смесей водой во всех случаях был получен единственный продукт индазолон (V). Тот же продукт образуется в указанных условиях и из 4Н-пиразолов (IVа в). O _ RSO 2 O V сопровождается элиминированием сульфиновой кислоты и приводит к образованию соединения (V). В то же время выдерживание растворов фенантридинов (IIIа, б) в уксусной кислоте в присутствии каталитической добавки 2 SO 4 приводит к необычному результату образованию известного индазола (VI) [24, 25]. III + 1,5-фенантрен А 1,5-фенантрен В A' 1,5-фенантрен 1,5- Б' Г 2 O _ RSO 3 Соединение (VI) выделено в кристаллическом виде и охарактеризовано спектральными методами. Строгое доказательство строения получено при проведении РСА его монокристаллов (рис. 3, табл. 2). Чтобы объяснить превращение фенантридина (III) в индазол (VI), предполагающее столь сильное изменение в структуре гетероциклического остова, Д Е необходимо допустить возможность обратимой изомеризации катиона В в протонированный по атому 1 катион А и переход последнего в катион А. Затем катион А испытывает 1,5-сигматропную перегруппировку в сторону атома углерода с образованием протонированной формы 4Н-пиразола Б. Дальнейший путь к соединению (VI) включает VI 6 Рис. 3. Пространственное строение 3-фенил-1-дибензо[e,g]- индазола (VI) по данным РСА. последовательность миграций фенильного и сульфонильного заместителей, приводящих вначале к катиону Г, а затем к протонированной форме сульфонамида Д, гидролиз последнего при обработке реакционной смеси водой с образованием 2Н-индазола Е и его изомеризацию. Подобные превращения наблюдались для полученного из диметилового эфира ацетилендикарбоновой кислоты спироциклического 3Н-пиразола при нагревании в серной кислоте с образованием аналога соединения (VI) [5]. Обратный переход термодинамически более стабильного 1Н-пиразола (III) в менее устойчивый спироциклический 3Н-пиразол, по-видимому, облегчен из-за того, что он реализуется через протонированную форму В, что отличает этот процесс от приведенных выше термических перегруппировок. Рассмотренные схемы превращений, несомненно, требуют дополнительного экспериментального подтверждения, над получением которого мы продолжаем работу. Кроме того, необходимо осмыслить, почему 3Н-пиразолы (I) в мало различающихся условиях реагируют в одном случае через протонированную по атому 1 форму А, а в другом через протонированную по атому 2 форму А.* Вместе с тем, в литературе [26] имеются примеры схожего конкурентного протонирования родственных 3Н-пиразолов по одному из каждых азотных атомов и перегруппировок таких протонированных форм, ведущих к различным продуктам. В отличие от полученного из диметилового эфира ацетилендикарбоновой кислоты спироциклического 3Н-пиразола, испытывающего частичное деазотирование в условиях термолиза [22, 27], 3Н-пиразолы (Iа в) подобной термической реакции не обнаруживают. Деазотирование соединений (Iа в) протекало при УФ облучении их растворов в C 2 Cl 2 (кварцевая пробирка, 20 С) в течение 5 8 ч. В каждом случае были получены двухкомпонентные смеси соединений, не содержащих азота: спироциклического производного циклопропена (VIIа в) и изомерного ему производного 2Н-циклопента[j,k]флуорена (VIIIа в) в соотношениях 3.3:1, 5.5:1 и 7.5:1 соответственно. a + Ж З VIIа _ в hv б Iа _ в в И а 1,3-циклизация; б 1,5-циклизация; в 1,5-сдвиг. VIIIа _ в Соединения (VIIа в) и (VIIIа в) выделены в индивидуальном виде с помощью колоночной хроматографии на силикагеле. Их строение устанавли- * Можно, конечно, допустить, что катион А получается непосредственно из протонированного по атому 2 фенантридина (III) при его перегруппировке. 7 вали методами ИК, ЯМР 1 Н и 13 С спектроскопии и масс-спектрометрии. В ИК спектрах всех соединений обнаруживаются полосы поглощения при ~1150 и 1300 см 1, характеристичные для сульфонильной группы. Наличие дизамещенной циклопропеновой двойной связи в соединениях (VIIа в) подтверждается присутствием интенсивной полосы поглощения при ~1800 см 1 (ср. [28, 29]). В пользу приписываемого соединениям (VIII) строения свидетельствуют данные эксперимента OE для соединения (VIIIа), в ходе которого было обнаружено дальнее спин-спиновое взаимодействие атомов водорода группы C 3 с протоном Н 2. В согласии с литературными данными [30 34], образование соединений (VIIа в) и (VIIIа в) можно объяснить как результат двух конкурирующих направлений изомеризации соответствующих винилкарбенов З, в свою очередь, возникающих при фотоизомеризации исходных 3Н-пиразолов (Iа в) в диазоалканы Ж, и их последующего деазотирования. Можно полагать, что электроциклическая 1,3- циклизация карбена З в синглетной форме в согласии с правилами Вудворда Хофмана завершается образованием производного циклопропена (VIIа в), а 1,5-циклизация того же карбена в триплетной форме, включающего стильбеновый фрагмент, приводит через нестабильную неароматическую структуру И к замещенному индену (VIIIа в) (ср. с [35, 36]). Таким образом, можно констатировать, что 9-диазофлуорен реагирует с (фенилэтинил)сульфонами строго региоселективно с образованием производного 3Н-пиразола, соответствующего продукту [3 + 2]- циклоприсоединения по правилу Ауверса. Термическая и кислотно-катализируемая изомеризации полученных 3Н-пиразолов приводят к неизвестным ранее производным 1-дибензо[e,g]индазола и пиразоло[1,5-f]фенантридина, а УФ облучение к смеси сульфонилзамещённых производных циклопропена и 2Н-циклопента[j,k]флуорена, получить которые иными способами достаточно проблематично. При этом термолиз 3Н-пиразолов при относительно низких температурах даёт кинетически контролируемый продукт в результате миграции заместителя при атоме С 3 к атому С 4. При более высокой температуре образуется продукт термодинамического контроля, соответствующий миграции заместителя от атома С 3 к атому 2. Сама же изомеризация оказывается обратимой: 4Н- и 1Н-пиразолы переходят друг в друга через соответствующий 3Н-пиразол. Экспериментальная часть Спектры ЯМР 1 и 13 C записаны на спектрометре JM-ECX400 JEOL (400.1 и MГц соответственно) в СDCl 3, и в некоторых специально указанных случаях в ДМСО-d 6. Химические сдвиги измерены относительно сигналов остаточных протонов (δ Н 7.26 м.д.) или атомов углерода (δ С 77.0 м.д.) в дейтерохлороформе и ДМСО-d 6 (δ 2.50 и 39.5 м.д. соответственно). ИК спектры получены в таблетках KBr на Фурье-спектрометре ИнфраЛЮМ ФТ-02. УФ спектры записаны на двулучевом УФ-ВИД спектрофотометре UV-2600 (Shimadzu) в метаноле. Элементные анализы выполнены на СНS-анализаторе VarioMICRO. Масс-спектры получены с использованием системы KOIK RBK-RGC5000B-MSQ12 фирмы KOIXBERT I-TEC, S.A. (Испания). Ионизация электронным ударом, U ион. 70 эв. Аналитическую ТСХ проводили на пластинах Sorbfil, элюент легкий петролейный эфир ацетон, 4:1, проявление в иодной камере. Для колоночной хроматографии использовали силикагель Merck 60 ( мм), элюент легкий петролейный эфир ацетон, 8 5:1. Пригодные для РСА кристаллы соединений (IIIa) и (VI) были выращены при комнатной температуре из CCl 3 и ДМСО соответственно. Массивы дифракционных отражений получены на автоматическом четырехкружном дифрактометре Oxford Diffraction Xcalibur Gemini S, снабженном CCD-детектором SAPPIRE III. Определение параметров ячейки и измерение интенсивностей дифракционных отражений произведено с использованием пакета программ CrysAlisPro (Agilent Technologies, 2012) [37]. Первоначальные фрагменты структур соединений (IIIа) и (VI) были найдены прямыми методами в комплексе программ SELX-97 [38], WinGX [39]; оставшиеся неводородные атомы были определены по разностному синтезу электронной плотности. Положения атомов водорода в структуре с
