Возможные направления реакций 2-гидроксинафтазаринов разного структурного типа с триэфирамиорто-карбоновых кислот

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Возможные направления реакций 2-гидроксинафтазаринов разного структурного типа с триэфирамиорто-карбоновых кислот

В.Л. Новиков, Н.Н. Баланева, О.П. Шестак, В.П. Глазунов

Рассмотрены механизмы термических реакций 2-гидроксинафтазаринов с заместителями и без заместителей в положении 3 с триэфирамиортокарбоновых кислот. Дано объяснение, почему реакции триметил- и триэтилортоформиатов с замещенными при С-3 субстратами ведут к образованию О-алкиловых эфиров, тогда как с незамещенными -- к образованию смесей дибензо[Ь, Н]ксантентетраонов и трис-(2-гидрокси-1,4- нафтохинон-3-ил)метанов. Объяснено также, почему реакции триметилортоацетата с субстратами любого структурного типа дают лишь О-метиловые эфиры. гидроксинафтазарин алкилирование субстрат кислота

Ключевые слова: 2-гидроксинафтазарины, О-алкилирование, триметил- и триэтилортоформиаты, триме- тилортоацетат, механизмы реакций, квантово-химические расчеты.

Possible directions of the reactions of different structural type 2-hydroxynaphthazarins with triethers of orthocarboxylic acids.V.L. NOVIKOV, N.N. BALANEVA, O.P. SHESTAK, V.P. GLAZUNOV (G.B. Elyakov Pacific Institute of Bioorganic Chemistry, FEB RAS, Vladivostok).

Analysis of the possible mechanisms of thermal reactions of 2-hydroxynaphthazarins, containing or not containing the substituents at the position 3, with triethers of orthocarboxylic acids gave an explanation for the facts why the reactions of trimethyl and triethylorthoformates with substituted at C-3 substrates lead to the formation of O-alkyl ethers, whereas the reactions with unsubstituted at C-3 substrates provide the mixtures of dibenzo[b,h]xanthentetraones and tris-(2-hydroxy-l,4-naphthoquinon-3-yl)methanes. In the case of trimethylorthoacetate, an explanation why its reactions with substrates of any one structural type produce only O-methyl ether was provided.

О-Алкиловые эфиры гидроксинафтазаринов часто используются в различных физико-химических и синтетических исследованиях [1]. В ходе синтеза многих природных и родственных им (поли)гидроксинафтазаринов появляется необходимость защиты Я-ОН-групп полупродуктов синтеза в виде О-алкиловых эфиров. Для этих целей пригодны различные реагенты [1], из которых наибольшее применение нашел диазометан. Ранее нами было показано, что триэфиры ортомуравьиной кислоты могут успешно заменять CH₂N₂при О-алкилированииЯ-ОН-групп 2-гидроксинафтазаринов [3]. Этот метод, однако, дает хорошие результаты лишь с субстратами типа 1, где R= алкил или хлор (рис. 1).

Рис. 1. О-Алкилирование субстратов типа 1 триалкилортоформиатами

Если же в субстрате 1 R = H, то О-эфиры 2 и 3 становятся минорными продуктами (выходы 2-9 %), а основными - димерные соединения: 14а-этокси-1,4,9,12-тетрагидрокси- 14а#-дибензо[6,й]ксантен-5,6,8,13(5#)-тетраонытипа 4 и 14а-метокси-1,4,9,12-тетрагидрокси-14а#-дибензо[6,й]ксантен-5,6,8,13(5#)-тетраоны типа 5 с выходами 65-75 и 48-54 % соответственно (рис. 2).

Рис. 2. Структуры алкилкеталей типа 4 и 5

Помимо О-эфиров 2 и 3 среди минорных продуктов были обнаружены тримеры - трис-(2-гидрокси-1,4-нафтохинон-3-ил)метаны типа 6, образующиеся с выходами 2-4 % (рис. 3).

Поскольку указанные реакции проводились в среде ортоэфиров при температурах кипения, различие в выходах О-алкилкеталей4 и 5 объясняется значительной разницей температур кипения HC(OEt)₃(143 ^оС) и НС(ОМе)₃ (101 ^оС). При кипячении растворов субстратов типа 1 в смесях ортоэфиров с нейтральным растворителем (например, бензолом, 1,4-диоксаном или MeCN, 1 : 1 по объему) тримеры типа 6 становились основными продуктами (выходы 50-60 %), а выходы О-алкилкеталей типа 4 и 5 снижались до 15-20 %.

Удивительным фактом стало резкое изменение направления реакции при замене три-алкилортоформиатов на триметилортоацетат. Кипячение растворов субстратов типа 1, где R = H, в избытке МеС(ОМе)₃ приводило к исключительному образованию метиловых эфиров типа 3 (выходы 79-89 %) [1] (рис. 3).

Рис. 3. Структуры тримеров типа 6

Вполне вероятно, что и субстраты типа 1 с заместителем при С-3, и субстраты этого типа без заместителя при С-3 будут реагировать с триалкилортоформиатами с образованием продуктов одного и того же типа, распадающихся далее либо с образованием эфиров

типа 2 и 3, либо алкилкеталей типа 4 и 5 и тримеров типа 6.

Теоретически субстраты 1, где R = H или Ме, могут реагировать с триалкилортоформиатами в соответствии с тремя различными механизмами: ионным, радикальным и концертным (согласованным). На рис. 4 изображен ионный механизм реакции субстратов типа 1 с триметилортофор-миатом.

Гетеролиз О-Н связи С(2)-ОН-группы субстрата 1 в Ри_с. 3. С_тру_ктуры _три_мер_овкомплексе 1 с НС(ОМе)₃ (ТМОФ) приводит к образова- типа 6нию анионаАи катиона В-1 (рис. 4, уравнение 1). АнионАпредставляет собой резонансный гибрид О-аниона А-1 и С-аниона А-2, заряды на атомах О (-0,46) и С (-0,44) которого практически равны. Значит, взаимодействие их с катионом В-1 будет равновероятным. Взаимодействие А-1 с В-1 даст смешанный ортоэфирС(уравнение 2), термическая перегруппировка которого приведет к образованию Ме-эфира 3 и метилацетата7 (уравнение 3). Взаимодействие А-2 с В-1 даст интермедиатD(уравнение 4). Если в интермедиатеD R = Me, то его термический распад приведет к эфирам типа 3 (рис. 5).

Если же в интермедиатеD R = H, то вышеприведенный распад будет выражен очень слабо, а доминирующим направлением будет элиминирование молекулы МеОН с образованием интермедиатаЕ(уравнение 5) (рис. 6).

Сопряженное 1,4-присоединение субстрата 1 к эфируЕприведет к образованию димерногоинтермедиатаF (уравнение 6), представляющего собой енольную форму

1,5-дикетона (цепочка атомов С(2)'-С(3)'-С(9)-С(3)-С(4)). Как известно, 1,5-дикетоны склонны к проявлению кольчато-цепной таутомерии [2]. Цепной таутомерF, переходя в кольчатый таутомерG при повороте трикетофрагмента вокруг связи С(9)-С(3) (уравнение 7), теряет при этом молекулу МеОН (уравнение 8). Этерификация полукетально-гоинтермедиатаH под действием ТМОФ завершит процесс образования алкилкеталей типа 5 (уравнение 9).

Разбавление ортоэфира бензолом или другим нейтральным растворителем (1,4-ди-оксаном, MeCN) понижает полярность среды и способствует переходу кетоформыинтермедиатаF в енольную форму I (уравнение 10), не склонную к таутомеризации с образованием полукеталей типа G. Этому препятствуют, вероятно, связывание протонов С(2)-ОН-групп обоихнафтазариновых фрагментов структуры I внутримолекулярными водородными связями с МеО-группой, а также понижение положительного заряда на атоме углерода С(4)=О группы за счет электронодонорного эффекта С(2)-ОН-группы. Атака электрофильного центра С(9) интермедиата I со стороны молекулы субстрата 1 ведет к образованию тримеров типа 6 (уравнение 11).

На рис. 7 изображен радикальный механизм реакции субстратов типа 1 с триметилор-тоформиатом.

Гомолиз О-Н связи С(2)-ОН-группы субстрата 1 дает радикал А, являющийся резонансным гибридом О-радикала А-3 и С-радикала А-4 (рис. 7, уравнение 1). В отличие от анионов А-1 и А-2 (рис. 4), доминирующий вклад в этот гибрид вносит С-радикал А-4, поскольку спиновая плотность на атоме С-3 (+0,71) в 2,2 раза больше, чем на атоме ОА-1 (+0,32). ГомолизС-О связи ортоэфира дает радикал В-2 (уравнение 2).

Радикальное объединение А-3 и В-2 дает интермедиатС(уравнение 4), превращающийся далее в эфиры 3 и 7 (см. рис. 4), а объединение А-4 и В-2 - интермедиатD(уравнение 5), превращения которого в продукты типа 5 и 6 представлены на рис. 4.

На рис. 8 изображен концертный механизм реакции субстратов типа 1 с триметилор-тоацетатом.

Рис. 8. Схема концертного механизма реакции субстратов типа 1 с ТМОФ

Согласованный сдвиг электронных плотностей связей, показанный на приведенной схеме (рис. 8), должен приводить к образованию интермедиатаD, дальнейшие превращения которого рассмотрены в схеме ионного механизма (рис. 4).

Как видно из обсуждения возможных механизмов реакций субстратов типа 1 с триал-килортоформиатами, интермедиаты типа D, в которых скелет субстрата связан С-С связью с фрагментом ортоэфира, вполне могут быть ключевыми интермедиатами синтеза как эфиров типа 2 и 3, так и более сложных продуктов типа 4-6.

Нами проведена оценка энергий Гиббса начальных стадий реакций каждого из механизмов, ведущих к образованию ключевого интермедиатаD, где Rпри С-3 равен Н. Квантово-химические расчеты проводились с помощью программного пакета Gaussian09 [4] с использованием метода функционала плотности DFTс функционалом B3LYP. В расчетах использовались базисы B3LYP/6-311(d), PCM/MeCNи B3LYP/6-311++(d,p), PCM/MeCN, дополненные моделью поляризованного континуума (PCM).

Расчеты суммарных величин ДН_реак обсуждаемых стадий реакций, ведущих к интермедиатуD, показали, что для ионного механизма она составляет +15,9, для радикального --14,5, а для концертного - +15,4 ккал/моль. Как видно, радикальный механизм значительно выгоднее других, поскольку процесс образования интермедиатаDв этом случае является экзотермическим.

Наконец, вопрос о том, почему триметилортоацетат при взаимодействии с субстратом 1, где R = H, дает лишь метиловый эфир 3, но не продукты типа 5 и 6, разрешается, по-видимому, следующим образом. В ионном механизме этот ортоэфир должен превращаться в катион типа В-3, а в радикальном - в радикал типа В-4 (рис. 9).

Рис. 9. Структуры катиона В-3 и радикала В-4

Катионы В-1 (рис. 4) и В-3 (рис. 9) имеют плоское строение (за исключением протонов Ме-групп), как и взаимодействующие с ними анионы А-1 и А-2 (рис. 4). Поскольку взаимодействие этих реактантов происходит в параллельных плоскостях, в которых расположен каждый из них, то стерические препятствия играют решающую роль в возможности сближения этих плоскостей на расстояние, благоприятное для образования С-С связи по положению 3 субстрата А-2. В случае катиона В-1 (рис. 4) образованиетакой связи возможно, а в случае катиона В-3 - нет, поскольку сближению реактантов на требуемое расстояние мешают стерические взаимодействия протонов Ме-групп катиона В-3 с элементами структуры аниона А-2. При взаимодействии же катиона В-3 с атомом кислорода аниона А-1 этих стерических взаимодействий не наблюдается, что и определяет протекание реакций субстратов типа 1, где R = H, с триметилортоацетатом исключительно по атому кислорода С(2)-ОН-группы.

Это объяснение вполне применимо и в случае радикального механизма реакции радикала В-4 (тоже плоского, как и катион В-3) с С-радикалом А-4 (рис. 7). Эти реактанты не могут быть связаны С-С связью по положению 3 радикала А-4, и реакция радикала В-4 реализуется только с О-радикалом А-3. Концертный механизм реакций субстратов типа 1 с МеС(ОМе)₃ вообще невозможен.

Таким образом, компьютерное моделирование реакции 2-гидроксинафтазаринов разного структурного типа с триметилортоформиатом и триметилортоацетатом и квантовохимические расчеты величин АН_реак начальных стадий этих реакций, протекающих по трем возможным механизмам, позволили объяснить, почему эти реакции могут протекать по различным направлениям и приводить к образованию сильно различающихся по своему строению продуктов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Баланева Н.Н., Шестак О.П., Новиков В.Л. Триметилортоацетат - удобный реагент для селективного метилированияЯ-ОН-групп (поли)гидроксинафтазаринов // Изв. АН. Серия хим. 2019. № 1. С. 55-63.

2. Высоцкий В.И., Каминский В.А., Акимова Т.И., Слабко О.Ю., Андин А.Н., Багрина Н.П. 1,5-Дикарбо-нильные соединения в органическом синтезе. Владивосток: Дальневост. федер. ун-т, 2014. 390 с.

3. AnufrievV.Ph.,Novikov V.L., Malinovskaya G.V., Glazunov V.P. A convenient method for the selective alkylation of Я-OHgroups of 2(3)-hydroxyjuglones and hydroxynaphthazarines// Synth. Commun. 1997. Vol. 27. P 119-126.

4. Revision A. 2nd ed. Wallingford, CT: Gaussian Inc., 2009.

Размещено на Allbest.ru