N-Ацилокси-N-алкоксисечовини та NH-N,N-діалкоксиаміни. Реакції з нуклеофільними та електрофільними реагентами

Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук

N-АЦИЛОКСИ-N-АЛКОКСИСЕЧОВИНИ ТА NH-N,N-ДІАЛКОКСИАМІНИ. РЕАКЦІЇ З НУКЛЕОФІЛЬНИМИ ТА ЕЛЕКТРОФІЛЬНИМИ РЕАГЕНТАМИ

02.00.03 - органічна хімія

ЦИГАНКОВ Олександр Валерійович

Дніпропетровськ - 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі органічної хімії, Дніпропетровського національного університету, Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ

Науковий керівник: кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник Штамбург Василь Георгійович, Дніпропетровський національний університет кафедра органічної хімії, старший науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, професор Просяник Олександр Васильович, Український державний хіміко-технологічний університет, кафедра органічної хімії, професор

кандидат хімічних наук, професор Авдєєнко Анатолій Петрович, Донбаська державна машинобудівна академія, завідувач кафедрою хімії та охорони праці, професор

Провідна установа: Харківський національний університет ім. Каразіна, кафедра органічної хімії, Міністерства освіти і науки України, м. Харків

Захист дисертації відбудеться "16” лютого 2006 р. о 15.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.078.03 Українського державного хіміко-технологічного університету за адресою: м. Дніпропетровськ, проспект Гагаріна, 8.

З дисертацією можна ознайомитись у бiблiотецi Українського державного хіміко-технологічного університету, м. Дніпропетровськ, проспект Гагаріна, 8.

Автореферат розіслано “04 ” січня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Шевцова К.В.

АНОТАЦІЯ

Циганков О.В. N-Ацилокси-N-алкоксисечовини та NH-N,N-діалкоксиаміни. Реакції з нуклеофільними та електрофільними реагентами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.03 - органічна хімія. - Український державний хіміко-технологічний університет, Дніпропетровськ, 2005.

Знайдено, що у N-ацилокси-N-алкоксисечовинах, N-ацилокси-N-алкоксикарбаматах та N-хлор-N-алкоксисечовинах атом нітрогену в групах O-N-O та O-N-Cl, відповідно, має пірамідальну конфігурацію, зв'язки N-OC(O)R і N-OAlk нееквівалентні. Це пояснюється домінуванням аномерних ефектів n_O-?^*_N-OC(O)R і n_O-?^*_N-Сl, які приводять до дестабілізації зв'язків N-O(CO)R та N-Cl, відповідно, обумовлюючи таким чином аніонну рухливість ацилоксигрупи в атома хлору в реакціях з нуклеофілами.

Встановлена можливість нуклеофільного обміну ацилоксигрупи в N-ацилокси-N-алкоксиамідах при взаємодії з лужними солями карбонових кислот. Показана можливість заміщення ацилоксигрупи в реакціях N-ацилокси-N-алкоксисечовин з триметилфосфітом, ціаністим натрієм, ацетилхлоридом і триметилхлорсиланом. Знайдено, що у разі метанолізу N-ацилокси-N-алкоксисечовин при підвищеній температурі або в присутності сильних кислот утворюються N,N-діметоксисечовини.

Запропоновано новий спосіб синтезу NH-N,N-діалкоксиамінів.

Ключові слова: N-ацилокси-N-алкоксиаміди, N-ацилокси-N-алкоксисечовини, N-ацилокси-N-алкоксикарбамати, NH-N,N-діалкоксиаміни, аномерний ефект, аніонна рухливість, нуклеофільне заміщення біля атома азоту.

АННОТАЦИЯ

Цыганков A. В. N-Ацилокси-N-алкоксимочевины и NH-N,N-диалкоксиамины. Реакции с нуклеофильными и электрофильными реагентами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.03 - органическая химия. - Украинский государственный химико-технологический университет, Днепропетровск, 2005.

Диссертационная работа посвящена синтезу, установлению строения и реакционной способности N-ацилокси-N-алкоксимочевин и NH-N,N-диалкоксиаминов, а также N-ацилокси-N-алкоксикарбаматов и N-хлор-N-алкоксимочевин.

Показана универсальность предложенного ранее метода синтеза N-ацилокси-N-алкокси-производных мочевин, карбаматов, бензамидов и аминов, который имеет, однако, следующие ограничения: (а) получение N-ацилокси-N-алкоксимочевин с электроноакцепторным заместителем у второго (N') атома азота невозможно из-за неустойчивости исходных N-хлор-N-алкоксимочевин; (б) получение N-ацилокси-N-алкоксимочевин с арильным заместителем у второго (N') атома азота невозможно вследствие циклизации исходных N-хлор-N-алкоксимочевин.

Найдено, что в N-ацилокси-N-алкоксимочевинах, N-ацилокси-N-алкоксикарбаматах и N-хлор-N-алкоксибензамидах атом азота в группах O-N-O и O-N-Cl, соответственно, имеет пирамидальную конфигурацию (sp³-гибридизацуию), связи N-OC(O)R и N-OAlk неэквивалентны. Это объясняется доминированием аномерных эффектов n_O-^*_N-OC(O)R и n_O-^*_N-Сl, которые приводят к дестабилизации связей N-OC(O)R и N-Cl, соответственно, обуславливая, таким образом, анионную подвижность ацилоксигруппы и атома хлора в реакциях с нуклеофильными реагентами.

Установлена возможность нуклеофильного замещения ацилоксигруппы у атома азота в N-ацилокси-N-алкоксимочевинах, N-ацилокси-N-алкоксикарбаматах и N-ацилокси-N-алкокси-бензамидах при взаимодействии с натриевыми и калиевыми солями карбоновых кислот в среде абсолютного ацетонитрила. Данная реакция является новым общим способом получения различных классов N-ацилокси-N-алкоксиамидов.

Показана возможность замещения ацилоксигруппы при взаимодействии N-ацилокси-N-алкоксимочевин с триметилфосфитом и цианистым натрием. Показано, что при взаимодействии N-ацилокси-N-алкоксимочевин ацетилхлоридом и триметилхлорсиланом происходит замещение ацилоксигруппы на атом хлора. Найдено, что метанолиз N-ацилокси-N-алкоксимочевин при повышенной температуре или в присутствии сильных кислот приводит к образованию симметричных N,N-диметоксимочевин.

Предложен новый способ синтеза NH-N,N-диалкоксиаминов щелочным сольволизом N,N-диалкоксикарбаматов.

Ключевые слова: N-ацилокси-N-алкоксиамиды, N-ацилокси-N-алкоксимочевины, N-ацилокси-N-алкоксикарбаматы, NH-N,N-диалкоксиамины, анномерный эффект, анионная подвижность, нуклеофильное замещение у атома азота.

SUMMARY

Tsygankov A.V. N-Аcyloxy-N-аlkoxyureas and NH-N,N-dialkoxyamines. Reactions with nucleophilic and electrophilic reagents. - Manuscript.

The thesis for Candidate's degree by speciality 02.00.03 - organic chemistry. - Ukrainian State Chemical-Technological - University, Dnepropetrovsk, 2005.

It has been found that in N-acyloxy-N-alkoxyureas, N-acyloxy-N-alkoxycarbamates and N-chloro-N-alkoxyureas the nitrogen atom in O-N-O and O-N-Cl groups, respectively, is pyramidal, N-OC(O)R bond and N-OAlk bond are non-equivalent. The domination of a n_O-?^*_N-OC(O)R or n_O-?^*_N-Сl anomeric effect is reason of the N-OC(O)R and N-Cl bonds destabilization, respectively, thus it is cause of acyloxy group and chlorine atom anionic movity in the reactions with nucleophiles. The possibility of the nucleophilic exchange of acyloxy group in N-acyloxy-N-alkoxyamides by action K- or Na-salts of carboxylic acids has been established. The possibility of the acyloxy group nucleophilic substitution has been demonstrated by N-acyloxy-N-alkoxyureas interactions with trimethylphosphite, sodium cyanide and acetyl chloride. It has been found, N,N-dimethoxyureas are formed by the N-acyloxy-N-alkoxyureas methanolysis in boiling or strong acid conditions. The new method of NH-N,N-dialkoxyamines synthesis has been created.

Key words: N-acyloxy-N-alkoxyamides, N-acyloxy-N-alkoxyureas, N-acyloxy-N-alkoxycarbamates, NH-N,N-dialkoxyamines, anomeric effect, anionic movity, nucleophilic substitution at nitrogen.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сполуки, що містять O-N-O-групу, є “нітрозоацеталями”, ортоестерами нітрозосполук, тобто азотними аналогами ацеталей, кеталей та ортоестерів. Вони були створені наприкінці ХХ сторіччя вітчизняними хіміками. Існує два фундаментальні способи побудови O-N-O-гемінальних систем. Це реакція циклоприєднання нітронових естерів до олефінів і реакція нуклеофільного заміщення біля атома нітрогену в різних представниках гемінальних систем O-N-Cl.

Першим етапом розвитку хімії O-N-O-сполук було вивчення будови і хімічних властивостей N,N-діалкоксиамінів, тобто таких представників O-N-O-гемінальних систем, в яких зв'язки N-O відносно еквівалентні (Тартаковський В.О., Костяновський Р.Г., Членов І.Є., Рудченко В.Ф.).

Наша робота має бути часткою відповіді на запитання, що виникло закономірно, - яким чином мають відрізнятись хімічні властивості таких представників O-N-O гемінальних систем, в яких зв'язки N-O суттєво нееквівалентні. Такими гемінальними системами стали вперше отримані N-ацилокси-N-алкоксиаміни, (Костяновський Р.Г. і співроб., 1981 р.), а також синтезовані потім N-ацилокси-N-алкоксипохідні бензамідів, карбаматів та сечовин. Але хімічна поведінка N-ацилокси-N-алкоксисечовин залишалась майже не дослідженою.

З іншого боку, розвитку хімії AcO-N-OAlk-гемінальних сполук сприяло те, що N-ацилокси-N-алкоксибензаміди виявилися високоефективними хімічними мутагенами прямої дії, яка ґрунтується на реакції заміщення ацилоксигрупи нуклеофільними центрами аденіну та гуаніну. З метою вірогідного створення нових можливих різновидів мутагенів даного типу об'єктами дослідження природно стали N-ацилокси-N-алкоксисечовини та їх похідні.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконано у рамках держбюджетних тем “Катіонотропне перегрупування в ряду несиметричних ацилоїнів” (№ держреєстрації 0101U001529) і “Карбо- та гетероциклічні сполуки. Структура і реакційна здатність” (№ держреєстрації 0104U000476), затверджених Міністерством освіти і науки України.

Мета та задачі дослідження. Основна мета дослідження - синтез, дослідження будови та реакційної здатності N-ацилокси-N-алкоксисечовин, N-ацилокси-N-алкоксикарбаматів та їх похідних і NH-N,N-діалкоксиамінів.

Завдання дослідження:

вивчення можливості отримання N-ацилокси-N-алкоксисечовин з арильними та тозильними замісниками біля другого (N') атома нітрогену;

встановлення пірамідальної конфігурації атома нітрогену системи O-N-O і нееквівалентності зв'язків N-O в N-ацилокси-N-алкоксипохідних сечовин і карбаматів;

пошук доказу пірамідальності атома нітрогену системи O-N-Cl в N-хлор-N-алкокси-сечовинах;

дослідження можливості нуклеофільного заміщення (обміну) ацилоксигрупи в N-ацилокси-N-алкоксипохідних сечовин, карбаматів і бензамідів в реакціях з солями карбонових кислот;

вивчення особливостей перебігу алкоголізу N-ацилокси-N-алкоксисечовин при підвищеній температурі;

дослідження можливості заміщення ацилоксигрупи на атом хлору при взаємодії N-ацилокси-N-алкоксисечовин з ацетилхлоридом і триметилхлорсиланом;

встановлення можливості синтезу NH-N,N-діалкоксиамінів лужним сольволізом N,N-діалкоксикарбаматів.

Об'єкт дослідження - N-ацилокси-N-алкоксисечовини, N-хлор-N-алкоксисечовини, N-ацилокси-N-алкоксикарбамати, NH-N,N-діалкоксиаміни.

Предмет дослідження - синтез, встановлення будови та хімічних властивостей N-ацилокси-N-алкоксисечовин, N-хлор-N-алкоксисечовин, N-ацилокси-N-алкоксикарбаматів, NH-N,N-діалкоксиамінів.

Методи дослідження -органічний синтез, елементний аналіз, ІЧ- та ЯМР ¹Н і ¹³С спектроскопія, мас-спектрометрія та рентгеноструктурний аналіз.

Наукова новизна одержаних результатів. Проведені дослідження дозволили вперше:

встановити пірамідальність атома нітрогену гемінальної системи O-N-O в N-ацилокси-N-алкоксипохідних сечовин і карбаматів та гемінальної системи Cl-N-O в N-хлор-N-алкоксисечовинах;

встановити можливість заміщення ацилоксигрупи в N-ацилокси-N-алкоксипохідних сечовин, карбаматів і бензамідів в реакціях з K (Na)-солями карбонових кислот та запропонувати новий спосіб синтезу N-ацилокси-N-алкоксиамідів;

показати можливість заміщення ацилоксигрупи в N-ацилокси-N-алкоксисечовинах в реакціях з P- і С-нуклеофілами;

запропонувати новий спосіб отримання симетричних N,N-діалкоксисечовин алкоголізом N-ацилокси-N-алкоксиcечовин;

встановити можливість синтезу N-хлор-N-алкоксисечовин з N-ацилокси-N-алкоксисечовин;

розробити новий спосіб синтезу NH-N,N-діалкоксиамінів лужним сольволізом N,N-діалкоксикарбаматів.

Практичне значення отриманих результатів. Запропоновані нові способи отримання N-ацилокси-N-алкоксипохідних сечовин, карбаматів та бензамідів. Знайдено нові способи синтезу N-хлор-N-алкоксисечовин, симетричних ациклічних і циклічних N,N-діалкоксисечовин шляхом кислотного алкоголізу N-ацилокси-N-алкоксисечовин, 1-алкокси-2-бензімідазолінонів з N-алкокси-N'-арилсечовин.

Особистий внесок здобувача полягає у виконанні експериментальних досліджень, аналізі спектральних даних і встановленні будови синтезованих сполук. Постановка задач та обговорення наукових результатів досліджень проведені разом з науковим керівником с.н.с, к.х.н. Штамбургом В.Г. (ДНУ). В обговоренні результатів також приймав участь: д.х.н., проф. Костяновський Р.Г. (Інститут хімічної фізики ім. М.М. Семенова АН, м. Москва). Рентгеноструктурні дослідження виконані д.х.н. Шишкiним О.В. (НТК “Інститут монокристалів” НАН України, м. Харків), спектральні дослідження - с.н.с, к.х.н. Цимбалом І.Ф., с.н.с, к.х.н. Іксановою С.В. і с.н.с, к.х.н. Піроженко В.В. (ІОХ НАН України, м. Київ), с.н.с, к.х.н. Мазепою (ФХІ ім. О.В. Богатського НАН України, м. Одеса), с.н.с, к.х.н. Плєшковою О.П. (Інститут елементоорганічних сполук ім. О.М. Несміянова РАН, м. Москва).

Автор висловлює подяку студенту НТУ „Харківський політехнічний інститут” Штамбургу В.В. за сумісну роботу по дослідженню взаємодії N-алкоксисечовин з фенілгліоксалем.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи представлено на наступних конференціях: XX Українській конференції з органічної хімії (Одеса, 2004), Міжнародній конференції з хімії азотовмісних гетероциклів (Харків, 2003), Міжнародній конференції з хімії азотовмісних сполук “КОСТ-2005 ” (Москва, МГУ, 2005), XXX Конференція молодих вчених з органічної хімії і хімії елементоорганічних сполук (Київ, ІОХ, 2004), I, II і III конференціях молодих вчених з актуальних питань хімії (Київ, 2003, Дніпропетровськ, 2004, Харків, 2005).

Публікації. За темою дисертації надруковано 5 статей у наукових фахових журналах та 8 тез доповідей на міжнародних та національних конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота, загальним обсягом 167 сторінок, складається з вступу, шести розділів, висновків, списку використаної літератури, що містить 130 найменувань, двох додатків (23 сторінки) та містить 34 таблиць (27 сторінок) і 8 рисунків (8 сторінок).

основниЙ ЗМІСТ роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульована мета і задачі дослідження, наукова новизна, практичне значення отриманих результатів і особистий внесок здобувача.

У першому розділі приведений огляд літератури де узагальнено та систематизовано дані щодо методів синтезу, будови та хімічних властивостей різних класів O-N-O-гемінальних сполук.

Одержання N-ацилокси-N-алкоксипохідних сечовин, карбаматів і бензамідів. Другий розділ присвячено подальшому дослідженню запропонованого раніш метода одержання різних класів N-ацилокси-N-алкоксиамідів - похідних сечовин, карбаматів та бензамідів.

Об'єктами дослідження були обрані N-ацилокси-N-алкоксисечовини, а еталонами порівняння відносно досліджені N-ацилокси-N-алкоксипохідні карбаматів і бензамідів.

N-ацилокси-N-алкоксисечовини 19-30 було синтезовано шляхом взаємодії N-хлор-N-алкокси-сечовин 10-18 з Na (K)-солями карбонових кислот в ацетонітрилі (схема 1).

Спроба синтезу N-ацилокси-N-алкоксисечовин з тозильним замісником біля другого атома нітрогену (N'), з метою подальшого вивчення впливу цього замісника на аніонну рухливість ацилоксигрупи, не дала позитивних результатів. При синтезі N-ацетокси-N-етокси-N'-тозил-сечовини 33 одночасною обробкою N-етокси-N'-тозилсечовини 31 сумішшю t-BuOCl - AcONa було отримано трет-бутил-N-тозилкарбамат 35, утворення якого, імовірно, обумовлено нестійкістю проміжної N-хлор-N-алкоксисечовини 32, яка фрагментує в момент утворення до тозилізоціанату, що показало хлорування N-етокси-N'-тозілсечовини 31 t-BuOCl (схема 2). В даному випадку, згідно даних спектра ЯМР ¹Н реакційної суміші, утворюється суміш тозилізоціанату та трет-бутанолу, яка з часом перетворюється на карбамат 35.

Нами встановлено, що при дії на N-хлор-N-алкоксисечовини 38, 39 AcONa чи при хлоруванні t-BuOCl N-етокси-N'-арилсечовин 36, 37 у присутності AcONa утворюються не N-ацетокси-N-етокси-N'-арилсечовиини 40 і 41, а 1-алкокси-2-бензімідазолінони 42 і 43 (схема 3). В даному випадку домінує внутрішньомолекулярне заміщення біля атома нітрогену над заміщенням атома хлору зовнішнім нуклеофілом.

N-ацилокси-N-алкоксикарбамати 50-55 та N-ацилокси-N-алкоксибензамід 57 було синтезовано аналогічно N-ацилокси-N-алкоксисечовинам 19-30 з N-хлор-N-алкоксисполук шляхом взаємодії останніх з Na-карбоксилатами в ацетонітрилі (схема 4).

нуклеофільний електрофільний реагент кислота

Отримані результати показали універсальність запропонованого раніш метода синтезу різноманітних представників N-ацилокси-N-алкоксиаміносполук, які утворюються з NH-N-алкоксиаміносполук шляхом послідовного хлорування і взаємодією з карбоксилатами лужних металів, але має деякі обмеження. А саме :1) отримання N-ацилокси-N-алкоксисечовин з тозильним замісником біля другого атома нітрогену (N') неможливо внаслідок нестійкості відповідних N-хлор-N-алкоксисечовин (див. схему 2); 2) отримання N-ацилокси-N-алкоксисечовин з арильними замісниками біля другого атома нітрогену (N') за цим методом неможливо внаслідок циклізації вихідних N-хлор-N-алкоксисечовин 38, 39 (див. схему 3).

Будова N-хлор-N-алкокси- і N-ацилокси-N-алкоксисечовин та N-ацилокси-N-алкоксикарбаматів. Третій розділ присвячено розгляду особливостей будови та фізико-хімічних властивостей N-хлор-N-алкоксисечовин, N-ацилокси-N-алкоксисечовин і N-ацилокси-N-алкоксикарбаматів.

Аналіз даних ІЧ-спектрів синтезованих нами похідних N-алкоксисечовин (табл. 1) і N-алкоксикарбаматів (табл. 2) виявив, що заміна атома гідрогену біля атома нітрогену в NН-N-алкоксиамідах на електроноакцепторний замісник, наприклад, на атом хлору, ацилокси- чи алкоксигрупу або на 1-піридиновий залишок, приводить до значного підвищення частоти поглинання групи С=О. Це було інтерпретовано на користь зменшення кон'югації НЕП атома нітрогену гемінальних систем O-N-Cl, O-N-O та O-N-N⁺ з амідною групою С=О.

Таке ж саме підвищення частот поглинання С=О групи відбувається в N-ацилокси-N-алкосибензамідах внаслідок зменшення ступеня кон'югації пірамідального атома нітрогену з карбонільною групою, що було доведено за допомогою РСА (Glover S.A., e. а.,. Org. Biomol. Chem., 2003, 1, 3430).

Це дозволило нам припустити, що і в наших об'єктах досліджень - N-ацилокси-N-алкоксипохідних сечовин і карбаматів та в N-хлор-N-алкоксисечовинах атом нітрогену має пірамідальну конфігурацію.

Таблиця 1 Середні частоти поглинання карбонільних груп (cм^-1) в R¹R²NC(O)N(X)OAlk

Структура	ср С=О см-1 (ср С=О см-1) для Х
	H	Cl	Py+	O2CR	OR
R1R2NC(O)NHOAlk	1677	1741 (64)	1750 (73)	1725 (48)	1734 (57)

Таблиця 2 Середні частоти поглинання карбонільних груп (cм^-1) в ROC(O)N(X)OR¹

Структура	ср С=О см-1 (ср С=О см-1) для Х
	H	Cl	O2CR	OR
ROC(O)NНOR1	1749	1783 (34)	1780 (31)	1776 (27)

Наше припущення було підтверджено рентгеноструктурним аналізом N-ацетокси-N-етоксисечовини 20, а також сечовин 22 і 21, який встановив пірамідальну конфігурацію атома нітрогену системи O-N-O. Два зв'язки N-O виявилися нееквівалентними - зв'язок N-OC(O)R значно довший (1.426 Е, для 20), ніж зв'язок N-OAlk (1.398 Е для 20) (рис.1).

Така нееквівалентність зв'язків N-O та скорочення зв'язку N-OAlk (довжина зв'язку N-O в N-метил-N-метоксиаміні дорівнює 1.496 Е), обумовлена домінуючою аномерною орбітальною взаємодією n_O-?^*_N-OC(O)R у фрагменті ONO, яка приводить до дестабілізації зв'язку N-OC(O)R і обумовлює, імовірно, аніонну рухливість ацилоксигрупи в N-ацилокси-N-алкоксисечовинах в реакціях з нуклеофільними реагентами. Стереохімічною вимогою для можливості реалізації n_O-?^*_N-OC(O)R орбітальної взаємодії є пірамідальна конфігурація атома нітрогену (Шустов Г.В., Костяновський Р.Г., 1982 р., Glover S.A., 1996 р.).

Та ж сама пірамідальність атома нытрогену та нееквівалентність зв'язків N-O встановлена за допомогою РСА і для N-пара-хлорбензоїлокси-N-н-бутилоксисечовини 22 (рис.2). Сума валентних кутів, центрованих на атомі нітрогену, дорівнює 323.8?, тоді як у сечовинах 20 і 21 вона декілька менша, 333.6? та 329.3?, відповідно. Тобто ступінь пірамідальності для сечовини 22 близький до ступіней пірамідальності N-ацилокси-N-алкоксибензамідів, 323.5 - 324.1?(Glover S.A., 2003 р.)

Рентгеноструктурний аналіз іншого класу N-ацилокси-N-алкоксиамідів карбамату 53 (рис. 3) виявив ті ж закономірності, що й для N-ацилокси-N-алкоксипохідних сечовин і бензамідів, а саме тригонально-пірамідальну конфігурацію атома нітрогену гемінальної системи O-N-O та більшу довжину зв'язку N-OC(O)R (1.424 Е), ніж зв'язку N-OAlk (1.396 Е), сума валентних кутів центрованих на атомі нітрогену дорівнює 334.1

Таким чином, пірамідальність атома нітрогену системи O-N-O, тобто його sp³-гібрідізація, а також нееквівалентність зв'язків N-O, що притаманні як N-ацилокси-N-алкоксисечовинам, так і N-ацилокси-N-алкоксикарбаматам, а також N-ацилокси-N-алкоксибензамідам (Glover S.A., 2003 р.), можна вважати загальними властивостями N-ацилокси-N-алкоксиамідів. Дестабілізація зв'язку N-OC(O)R обумовлена орбітальною взаємодією n_O-?^*_N-OC(O)R і має сприяти нуклеофільному заміщенню ацилоксигрупи.

Аніонна рухливість атома хлору в N-хлор-N-алкоксисечовинах вельми відома (Рудченко В.Ф., Костяновський Р.Г., 1986 р.), однак докази пірамідальності (sp³-гібрідізації) атома нітрогену для цих сполук були відсутні. За допомогою РСА сполук 10 та 11 нами вперше показано, що атом нітрогену системи Cl-N-O в N-хлор-N-алкоксисечовинах має пірамідальну конфігурацію (рис. 4,5), що сприяє перебігу n_O-^*_N-Сl орбітальній взаємодії, яка дестабілізує зв'язок N-Cl і обумовлює аніонну рухливість атома хлору в реакціях з нуклеофільними агентами.

Для сечовини 10 сума валентних кутів, центрованих на атомі нітрогену, дорівнює 328.6, для сечовини 11 - 328.9. Найбільший ступінь пірамідальності атома нітрогену спостерігається для N-ацилокси-N-алкоксибензамідів, найменший - для N-ацилокси-N-алкоксикарбаматів, а N-ацилокси-N-алкоксисечовини та N-хлор-N-алкоксисечовини займають проміжні місця.

Отже пірамідальність атома нітрогену має бути невід'ємною властивістю сполук з двома потужними електроноакцепторними гетероатомними замісниками біля цього атома нітрогену.

Реакції N-ацилокси-N-алкоксиамідів з нуклеофільними та електрофільними агентами. Четвертий розділ присвячено розгляду перебігу взаємодії N-ацилокси-N-алкоксисечовин з нуклеофільними та електрофільними реагентами. У разі N-ацилокси-N-алкоксиамідів атака нуклеофіла може бути спрямована не тільки на атом нітрогену, але й по іншим електрофільним центрам N-ацилокси-N-алкоксиамідів - карбонілам амідної та ацилоксильної груп. Крім того, з нуклеофільним заміщенням ацилоксигрупи можуть конкурувати реакції елімінування і відновлення. Продукти заміщення ацилоксигрупи на групу, яка містить менш електронегативний, ніж атом кисню, гетероатом, у багатьох випадках є лабільні внаслідок аномерного ефекту і потерпають подальші перетворення.

В зв'язку з цим виникла необхідність пошуку нуклеофілів які б селективно атакували атом азоту системи O-N-O з утворенням стійких продуктів нуклеофільного заміщення. З цією метою ми дослідили реакції N-ацилокси-N-алкоксиамідів з солями карбонових кислот.

Нами знайдено, що взаємодія N-ацилокси-N-алкоксисечовини 30 з PrCO₂Na в ацетонітрилі при кімнатній температурі (18-25⁰С) приводить до селективного перебігу нуклеофільного заміщення біля атома нітрогену - обміну ацилоксигрупи, але реакція не доходить до кінця, і в результаті утворюється суміш вихідної (30) і кінцевої (57) N-ацилокси-N-алкоксисечовин у співвідношенні 67:33 (мольн. %), імовірно внаслідок зворотності цієї реакції (схема 5). Те ж саме спостерігається у разі реакції сечовини 58 с BzONa (80:20, мольн. %).



Однак двох або трьохкратне вилучання з реакційної суміші карбоксилату лужного металу, що утворюється, і який є реагентом у зворотній реакції, з одночасною обробкою суміші сечовин новими порціями вихідного реагенту; використання в якості реагентів К-солей аліфатичних кислот і в якості субстрату N-ароїлокси-N-алкоксисечовин дозволяє отримати чисті продукти нуклеофільного обміну ацилоксигрупи (схема 6).

Цей результат може бути обумовлений використанням в прямій реакції більш нуклеофільних карбоксилатів, а ніж ті, що утворюються (порівняйте, pK_a бензойної кислоти 4.20, п-хлорбензойної кислоти 3.98, pK_a оцтової кислоти 4.74, pK_a пропанової кислоти 4.87). Можливим фактором зсуву рівноваги може також бути менша розчинність К-солей бензойних кислот в ацетонітрілі, ніж розчинність К-солей аліфатичних кислот.

N-Ацилокси-N-алкоксипохідні карбаматів і бензамідів також, як і N-ацилокси-N-алкоксисечовини взаємодіють з Na- або К-солями карбонових кислот з обміном ацилоксигрупи біля атома нітрогену (схема 7). У випадку N-ацилокси-N-алкоксикарбаматів 53, 54 використання К-солей приводе до виділення чистого продукту реакції. У випадку N-ацилокси-N-алкоксибензаміду 57 достатньо ефективним виявився AcONa.

Слід відмітити, що для N-ацилокси-N-алкоксибензамідів це перший приклад одержання стійкого продукту нуклеофільного заміщення біля атому нітрогену системи O-N-O.

Наведені на схемах 5 - 6 реакції демонструють приклад нового загального способу синтезу N-ацилокси-N-алкоксиамідів.

Відомо, що взаємодія N-ацилокси-N-алкоксисечовин з первинними спиртами (MeOH, EtOH, PrOH) протікають досить гладко і селективно, а утворення N,N-діалкоксисечовин в цій реакції стало своєрідним тестом на аніонну рухливість ацилоксигрупи (Штамбург В.Г, Клоц Є.А., 2000). Тому синтезовані нові представники N-ацилокси-N-алкоксисечовин були підвергнуті метанолізу, який при кімнатній температурі приводить до утворення відповідних N,N-діалкоксисечовин 63-68 (схема 8).

Залишалось, однак, незрозумілим чи буде впливати зміна умов метанолізу на природу його продуктів. Особливо якщо його вести: (а) у водному спирті; (б) при підвищеній температурі.

Нами знайдено, що алкоголіз N-ацилокси-N-алкоксисечовини 30 водним 80%-метанолом приводить до селективного утворення N,N-діалкоксисечовини 69. Таким чином, незначна кількість води у спирті не впливає на перебіг реакції алкоголізу (схема 9).

Але алкоголіз тієї ж сечовини 30 в киплячому метанолі приводить до виділення іншого продукту реакції - симетричної N,N-діметоксисечовини 70 (схема 10).



Вірогідно, що у цьому випадку первинним продуктом метанолізу сечовини 30 є несиметрична N-метокси-N-н-пропілоксисечовина 69, що підтверджується наявністю її слідів в реакційній суміші згідно спектру ЯМР ¹Н. Далі перебігає “переестерифікація” N,N-діалкоксигрупи сечовини 69 метанолом внаслідок каталізу оцтовою кислотою, яка утворюється на першій стадії метанолізу. Це веде до утворення симетричної N,N-діметоксисечовини 70.

Проведення метанолізу при кімнатній температурі і в присутності сильніших кислот, а ніж оцтова кислота, також дозволяє отримувати симетричну N,N-діметоксисечовину 70 (схема 11).

Участь проміжної несиметричної N-метокси-N-н-пропілоксисечовини 69 підтверджується її “переестерифікацією” метанолом з утворенням N,N-діметоксисечовини 70 в тих же умовах (схема 12).



Алкоголізом при підвищеній температурі отримано в одну стадію циклічну N,N-діалкокси-сечовину 71 (схема 13).

На відміну від метанолізу N-ацетокси-N-пропілоксисечовини 30 в нейтральному або кислому середовищу, який приводить до утворення N,N-діметоксисечовини 70, у разі метанолізу сечовини 30 в присутності Et₃N перебігає її відновлення з утворенням гідразину 71 (схема 14).

Слід зауважити, що при тривалому зберіганні сечовини 30 при кімнатній температурі також утворюється гідразин 71 (схема 15).



Утворення гідразину 71, вірогідно, обумовлено або одноелектронним відновленням сечовини 30 по SET-механізму, котрий приводить після розпаду аніон-радикала (А), до алкоксиамідильного радикалу (В), стабілізованого завдяки капто-дативному ефекту (шлях i); чи гомолізом зв'язку N-OAc, що приводить до утворення радикалу (В), який димерізується у гідразин 71 (шлях ii) (схема 16).

Нами встановлено, що N-ацилокси-N-алкоксисечовини реагують з триметилфосфітом і ціаністим натрієм (представниками Р- і С-нуклеофілів, відповідно) у середовищі ацетонітрилу з заміщенням ацилоксигрупи (схема 17).



Реакції N-ацетокси-N-пропілоксисечовини 30 з такими електрофілами, як ацетилхлорид чи триметилхлорсилан, приводять до заміщення ацилоксигрупи на атом хлору з утворенням N-хлор-N-н-пропілоксисечовини 18. Сполука 18 ідентифікована як по спектру ЯМР ¹Н, так і перетворенням у стійку сіль 74 (схема 18).

Вірогідно, що на першій стадії цієї реакції відбувається атака електрофілу по атому оксигену групи O-N-O сполуки 30 з найбільшою електронною густиною внаслідок n_O-?^*_N-ОАс аномерного ефекту. Далі стає можлива нуклеофільна атака аніону ClЇ по атому нітрогену з утворенням N-хлор-N-алкоксисечовини 18 (схема 19).



NH-N,N-Діалкоксиаміни. П'ятий розділ присвячено розробці зручного способу одержання NH-N,N-діалкоксиамінів. Алкоголізом N-ацилокси-N-алкоксикарбаматів 50-52 були синтезовані N,N-діалкоксикарбамати 75-77 (схема 20).

Лужним гідролізом N,N-діалкоксикарбамату 76 у двохфазній системі вода-етер з високим виходом отримано NH-N-н-бутокси-N-метоксиамін 78 (схема 21).

У випадку більш гідрофобного N-н-октилокси-N-метоксикарбамату 79 (Штамбург В.Г., 2001 р.) для отримання NH-N-н-октилокси-N-метоксиаміну 80 з високим виходом нами було застосовано лужній метаноліз (схема 22).

В обох випадках лужний сольволіз перебігає при кімнатній температурі в короткий термін. Єдиний відомий спосіб синтезу NH-N,N-діалкоксиамінів лужним алкоголізом N,N-діалкоксисечовин (Рудченко В.Ф., Шевченко В. І., 1984 р.) потребує кілька діб і дає менші виходи.

ВИСНОВКИ

1. В N-ацилокси-N-алкоксиамідах і N-хлор-N-алкоксиамідах, загальною формулою RC(O)N(X)OAlk (де X=Cl, OC(O)R'), вперше доказано домінування n_O-^*_N-X аномерної орбітальної взаємодії, яка приводить до підвищення ступеня пірамідальності центрального атома нітрогену систем X-N-OAlk та дестабілізації зв'язку N-Х, обумовлюючи, таким чином, аніонну рухливість замісника X.

2. Методом РСА встановлено високий ступінь пірамідальності атома нітрогену та нееквівалентність зв'язків N-OС(O)R і N-OAlk в N-ацилокси-N-алкоксипохідних сечовин та карбаматів, а також високий ступінь пірамідальності атома нітрогену в N-хлор-N-алкоксисечовинах.

3. Здійснено нуклеофільне заміщення біля атома нітрогену в N-ацилокси-N-алкоксипохідних сечовин, карбаматів і бензамідів при взаємодії з Na- та K-солями карбонових кислот в ацетонітрилі; встановлено аніонну рухливість ацилоксигрупи в N-ацилокси-N-алкоксисечовинах в реакціях з триметилфосфітом і ціаністим натрієм, а також в умовах алкоголізу при підвищеній температурі, що підтверджує наявність суттєвої n_O-^*_NOС(O)R орбітальної взаємодії. Запропоновано нові способи отримання N-ацилокси-N-алкоксиамідів шляхом обміну ацилоксигрупи біля атома нітрогену та симетричних ациклічних і циклічних N,N-діалкоксисечовин кислотним алкоголізом N-ацилокси-N-алкоксисечовин.

4. Знайдено, що взаємодія N-ацилокси-N-алкоксисечовин з ацетилхлоридом і триметилхлорсиланом приводить до заміщення ацилоксигрупи на атом хлору з утворенням N-хлор-N-алкоксисечовин.

5. Запропоновано новий спосіб синтезу NH-N,N-діалкоксиамінів шляхом лужного сольволізу N,N-діалкоксикарбаматів.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Геминальные системы. Сообщение 50. Синтез и алкоголиз N-алкокси-N-ацилокси-производных мочевин, карбаматов, бензамидов / В.Г. Штамбург, Е.А. Клоц, А.П. Плешкова, В.И. Авраменко, С.П. Ивонин, А.В. Цыганков, Р.Г. Костяновский // Изв. АН. Сер.хим. - 2003. - № 10. - С. 2132 - 2140.

N-Ацилокси-N-алкоксимочевины. Нуклеофильное замещение у азота. Обмен ацилоксигрупп / В.Г. Штамбург, А.В. Цыганков, Е.А. Клоц, И.В. Ткаченко // Вісник Дніпропетровського університету. Хімія.? 2003.? Вып. 9. - С. 63 - 67.

3. Acyloxy group exchange in N-acyloxy-N-alkoxyamides / V.G. Shtamburg, A.V. Tsigankov, E.A. Klots, R.G. Kostyanovsky // Mendeleev Commun. ? 2004. - № 5. - P. 208 - 210.

4 Взаимодействие N-ацетокси-N-н-пропилокси-N',N'-диметилмочевины с нуклеофилами и электрофилами / В.Г. Штамбург, А.В. Цыганков, Е.А. Клоц // Вісник Дніпропетровського університету. Хімія. - 2004. - № 10. - С. 33 - 38.

5 Взаимодействие N-алкоксимочевин с фенилглиоксалем / В.Г. Штамбург, А.В. Цыганков, Е.А. Клоц // Вісник Дніпропетровського університету. Хімія. - 2004.? № 10. - С. 38 - 43.

6 N-Ацилокси-N-алкоксимочевины. Синтез и реакции с нуклеофилами / А.В. Цыганков, Е.А. Клоц // Тез. доп. Всеукраїнська конференція молодих вчених з актуальних питань хімії. Київ, 2003 - С. 8.

7 The synthesis of 1-alkoxy-5-aryl-hydantoines / V.G. Shtamburg, A.V. Tsigankov, E.A. Klots // International conference chemistry of nitrogen containing heterocycles. Kharkov, 2003 - P. 127.

8 Синтез и свойства N-ацилокси-N-алкоксиаминосоединений / А.В. Цыганков, Е.А. Клоц, // Тез. доп. XXХ конференції молодих вчених з органічної хімії та хімії елементорганічних сполук. Київ, 2004. - С. 13.

9 Алкоголиз хлоридов N-пиридиний-N-алкоксимочевин / А.В. Цыганков, В.В. Штамбург // Тез. доп. II Всеукраїнської конференції молодих вчених з актуальних питань хімії. Дніпропетровськ, 2004 - С. 70.

10 Необычная фрагментация N-хлор-N-этокси-N'-тозилмочевины / А.В. Цыганков, В.В. Штамбург // Тез. доп. II Всеукраїнська конференція молодих вчених з актуальних питань хімії. Дніпропетровськ, 2004 - С. 75.

11 Синтез и свойства N-ацилокси-N-алкоксиаминосоединений / В.Г. Штамбург, Е.А. Клоц, А.В. Цыганков // Тез. доп. XX Української конференції з органічної хімії. Одеса, 2004. - Ч. 1. - С. 376.

12 Кристаллическая структура и свойства “аномерных” N-ацилокси-N-алкоксиамидов / Р.И. Зубатюк, А.В. Цыганков, Е.А. Клоц // Тез. доп. III Всеукраїнської конференції молодих вчених та студентів з актуальних питань хімії. Харків, 2005 - С. 81.

13 Удобный способ получения N-алкоксигидантоинов / В.Г. Штамбург, А.В. Цыганков, А.А. Анищенко, В.В. Штамбург В.В., Д.А. Олефир, Е.А. Клоц // Тез. докл. Международной конференции по химии гетероциклических соединений, КОСТ 2005. Москва МГУ, 2005 - С. 369.

Размещено на Allbest.ru

...