Пространственное строение молекул таутомероспособных 1,2,4-триазолов и бензопирано[4,3-b]пиридинов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ
Защита диссертации состоится 14 ноября 2007 года в 14 час на заседании диссертационного совета Д 022.005 01 при Институте органической и физической химии им А Е Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук по адресу 420088, г Казань, ул Арбузова, 8, конференц-зал
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института органической и физической химии им А Е Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук
Отзывы на автореферат просим присылать по адресу 420088, г. Казань, ул Арбузова, 8, ИОФХ им А Е Арбузова Каз НЦ РАН
Автореферат разослан 10 октября 2007 года
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Поиск корреляции между структурными характеристиками и соответствующими физико-химическими свойствами как органических, так и неорганических соединений составляет одну из фундаментальных проблем современной химии В этой связи интересными объектами для исследования являются производные азолов и азинов, которые находят широкое применение в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве и медицине Данная работа посвящена изучению двух важнейших групп этих соединений 1,2,4-триазолов и тетрагидробензо[е]пирано[4,3-6]пиридинов. Интерес к этим группам гетероциклических соединений был вызван тем, что значительная часть их производных, используемых на практике, способна существовать в различных таутомерных формах К сожалению, в литературе даже за последние годы для большинства из них приписание структуры реализующегося таутомера сделано произвольно, а для растворов этих соединений иногда постулируется и наличие таутомерного равновесия Такому важному вопросу, как влияние заместителей на реализацию различных таутомерных форм этих соединений в растворах и в кристаллическом состоянии, в литературе уделялось незначительное внимание Знание структуры реализующихся таутомеров и закономерностей протонирования 1,2,4-триазолов является важным фактором для понимания их свойств, поскольку все эти соединения представляют собой биологически активные вещества и широко используются в органическом синтезе
Целью настоящей работы является установление влияния заместителей на реализацию различных таутомерных форм тетрагидробензо[е]пирано[4,3-Ь]пиридинов, R-сульфанил-замещенных производных 1,2,4-триазола и их солей в кристаллическом состоянии и в растворах по данным спектральных методов исследования (ИК, ЯМР 13С, ЯМР Н и масс-спектроскопии) и метода рентгено-структурного анализа
Научная новизна и практическая значимость работы. Установлена кристаллическая и молекулярная структура 16 новых соединений - представителей 1,2,4-триазолов и тетрагидробензо[е]пирано[4,3-6]пиридинов Изучено строение новых солей 3-(2-гидроксиэтилсульфанил)-5-11-1(H)-1,2,4-триазолов, протоноакцепторный центр которых не мог быть однозначно определен с помощью других физических методов
Впервые проведен систематический анализ структуры большой выборки известных 1,2,4-триазолов из Кембриджской базы структурных данных (70 структур) Сравнение длин связей и валентных углов в триазольном цикле замещенных 1,2,4-триазолов по литературным данным и для исследованных соединений позволило сделать важный вывод о влиянии природы заместителя на положение атома водорода в гетероцикле Выяснилось, что в молекулах кристаллических образцов 1,2,4-триазолов с одинаковыми заместителями в положениях 3 и 5 триазольного цикла даже в кристаллах реализуется таутомерное равновесие 1(#)- и 2(//)-таутомерных форм, следствием чего является попарное выравнивание длин связей (N(l)-C(5) и N(2)-C(3), C(3)-N(4) и N(4)-C(5)) и валентных углов при атомах N(1) и N(2), С(3) и С(5) триазольного цикла Для С-
монозамещенных и 3-113-5-К5-1,2,4-триазолов, у которых R3 и R5 заметно различаются по электронным свойствам, заместители с электроноакцепторными свойствами во всех изученных случаях находятся в положении 5, а с электро-нодонорными свойствами - в положении 5, т е все они являются 3-Ra-5-Rd-1,2,4-1(Л)-триазолами На основании этого вывода возможно прогнозирование предпочтительной таутомерной формы 1,2,4-триазольных соединений, а также предсказание направления алкилирования и ацилирования триазольных гетеро-циклов, что подтверждено большим числом примеров Вывод может быть распространен и на другие гетероциклические системы, такие как 3(5)-моно- и 3,5-дизамещенные пиразолы, 4,6-дизамещенные 1,2-дигидропиримидин-2-оны и ДР
Изучено строение новых производных 3-(2-гидроксиэтилсульфанил)-5-Я-1(Д)-1,2,4-триазолов и их солей спектральными методами (ИК, ЯМР |3С, ЯМР 'Н и масс-спектроскопии) и методом рентгеноструктурного анализа Установлено, что в кристаллах и в растворах нейтральных растворителей для этих соединений реализуется одна таутомерная форма Строение этой формы согласуется с выше отмеченной закономерностью В растворах трифторуксусной кислоты наблюдается равновесие протонированной и непротонированной форм
Проведена систематизация литературных данных по таутомерным формам сульфанил-1,2,4-триазолов, не содержащих заместителей при атомах азота и серы На основе рентгеноструктурного исследования 3-Н- и 3-фенилсульфанил-триазолов и их литературных аналогов сделан вывод о существовании этих соединений в кристаллах в форме 3-R-1 (//),4(//)-4,5-дигидро-1,2,4-триазол-5-тионов со значительным вкладом биполярной структуры
На основании анализа кристаллической и молекулярной структуры продуктов реакции в системе "диэтиловый эфир 2,4,6-триоксогептандикарбоновой кислоты - замещенный салициловый альдегид - ацетат аммония" впервые установлена зависимость их строения от электронных свойств заместителей В присутствии электронодонорных по мезомерному эффекту групп в орто- или пара-положении по отношению к гидроксильной группе исходного салицилового альдегида образуются продукты трициклического строения, а наличие электроноакцепторных групп в тех же положениях обуславливает образование моноциклических производных Установлено пространственное строение соединений нового класса азотсодержащих гетероциклов — тетрагидробен-зо[е]пирано[4,3-6]пиридинов, представители которого до этого не изучались методом рентгеноструктурного анализа
Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались и обсуждались на итоговой научной конференции в КГУ (Казань, 2004), IV, VI и VII научных конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов НОЦ КГУ (Казань, 2004, 2006, 2007), Международной конференции студентов и аспирантов, посвященной 75-летию со дня рождения академика А В. Богатского «Современные направления развития химии» (Одесса, 2004), XI Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем» (Яльчик, Марий-Эл, 2004, устный доклад), VII, VIII и IX Научных школах-конференциях по органической химии (Екатеринбург, 2004, Казань, 2005, Москва, 2006), XX Con-
gress of the International Union of Crystallography (Florence, Italy, 2005), Международной конференции по химии гетероциклических соединений, посвященной 90-летию со дня рождения проф А Н Коста (Москва, 2005), IV Национальной кристаллохимической конференции (Черноголовка, 2006), 2006 АСА Annual Meeting (Honolulu, Hawaii, 2006, устный доклад), Всероссийской научной конференции "Современные проблемы органической химии", посвященной 100-летию со дня рождения академика Н Р Ворожцова (Новосибирск, 2007)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 статей в центральных отечественных и зарубежных журналах (еще три статьи находятся в печати), а также тезисы 13 докладов в материалах различных конференций и симпозиумов
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 142 страницах текста компьютерной верстки и содержит 19 таблиц, 47 рисунков и 298 библиографических ссылок Работа состоит из введения, трех глав обсуждения результатов, в каждой из которых в виде отдельного раздела присутствует тематически разделенный литературный обзор (главы I-I1I), экспериментальной части (глава IV), выводов, списка цитируемой литературы и приложения Первая глава посвящена вопросам таутомерии и пространственного строения R-сульфанил-замещенных 1,2,4-триазолов, 3-(2-гидроксиэтилсульфанил)-5-Я-(1Н)-1,2,4-триазолов и их солей Во второй и третьей главах обсуждаются особенности строения и таутомерные формы замещенных 1,2,4-триазолинтионов и новых производных тетрагидробензо[е]-пирано[4,3-Ь]пиридинов В четвертой главе приводится описание методики рентгеноструктурного исследования и условий проведения экспериментов
Работа выполнена при поддержке грантов Российского Фонда Фундаментальных Исследований (№ 04-03-32156, 05-03-33008 и 06-04-42628), совместной программы CRDF и Министерства образования РФ "Фундаментальные исследования и высшее образование" (REC-007) и гранта Фонда содействия отечественной науке "Лучшие аспиранты РАН"
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1.3,5-3амещенные 1,2,4-триазолы - строение и таутомерия
Несмотря на постоянное внимание химиков к проблеме таутомерии гете-роциклов, в том числе 1,2,4-триазолов, многие аспекты ее освещены недостаточно Так, для 3(5)-моно- и 3,5-дизамещенных 1,2,4-триазолов с различными заместителями из пяти возможных таутомерных форм А-Е однозначно исключаются только неароматические структуры D и Е
Неаргументированное приписание одной из ГШ-таутомерных форм А-С конкретным 3(5)-моно- или 3,5-дизамещенным 1,2,4-триазолам независимо от природы заместителей X и У в положениях 3 и 5 в литературе встречается достаточно часто Различия между таутомерами А и В обычно не проводят Чаще всего произвольно делают выбор между формами А(В) и С, хотя предпочтительность реализации в газовой фазе и в растворах 1 (7/)-таутомерных форм А (или В) по сравнению с 4(//)-таутомером С неоднократно показана различными методами квантовой химии, спектральными методами исследования и др, а 1-N11 = 2-МН-таутомерия 3(5)-моно- и несимметричных 3,5-дизамещенных 1,2,4-триазолов и изоэлектронных аналогов обсуждается редко Сульфанил-1,2,4-триазолы (БЫ и 8Я), как и другие производные 1,2,4-триазола, способны, особенно при незамещенной группе БН, находиться в различных таутомерных формах, предсказать реализацию которых сложно из-за меняющихся электронных свойств заместителей типа БН. Даже с привлечением современных методов ЯМР "С и 'Н это не всегда удается сделать Для 1Ч-незамещенных 1,2,4-триазолов, содержащих заместители БЯ, независимо от природы другого заместителя приводятся структуры как 3-811-, так и 5-8Я-таутомера, и даже 4-ЫН-таутомера В настоящей работе предпринята попытка выяснить закономерности локализации атома водорода при одном из двух вицинальных атомов азота ге-тероцикла в сульфанильных производных 1,2,4-триазола С этой целью было проведено рентгеноструктурное исследование четырех новых представителей 1,2,4-триазольного ряда (соединения 1-1У, рис 1а-г) и сопоставительный анализ их структуры с литературными аналогами
Анализ длин связей и валентных углов в триазольном цикле изученных сульфанил-1,2,4-триазолов и их структурных аналогов (более 60 соединений из Кембриджской базы структурных данных [КБСД]) позволяет сделать ряд выводов
1) Характер распределения длин свя-IV К' = СН2РЬ, Я3 = БСНгРЬ, Я5 = Н зей и валентных углов в молекулах замещенных 1,2,4-триазолов по данным рентгеноструктурного анализа может служить диагностическим признаком для выбора между 1-ЫН, 2-ЫН и 4-1МН-таутомерами Так, в группах таутомероспособных и 4-замещенных 1,2,4-триазолов попарно равны длины связей 1\Г(2)-С(3) и 1^(1)-С(5), Щ4)-С(3) и N(4)-С(5) (табл 1) Аналогичная ситуация имеет место и для величин валентных уг-
I Я'=Н, Я3 = ЗВи,Я5 = Ме;
II Я1 = Н, Я3 = БВи, Я5 = РЬ, III Я1 = Н, Я3 = 5СН2РЬ, Я5 = РЬ,
лов (табл 2) в этих же группах попарно равны углы при атомах N(1) и N(2), С(3) и С(5) цикла Для всех изученных групп соединений наибольший эндоцик-лический угол из трех атомов азота наблюдается при атоме N(1), у которого и локализуется атом водорода
Образования 4-1ЧН-таутомера в кристаллах N-незамещенных 1,2,4-триазолов не обнаружено, тогда как примеры сложных динамических процессов (например, в структуре незамещенного 1,2,4-триазола) или таутомерного равновесия 1-NH—2-NH (например, 3,5-дихлор-1(Н)-1,2,4-триазол) в кристаллах некоторых 1,2,4-триазолов можно привести
Рис. 1 Геометрия молекул соединений I (а), II (б), III (в) и IV (г) в кристалле Для соединений II и 1П, в элементарных ячейках которых содержится по две независимые молекулы, на рис показаны только молекулы НА и ША
Таблица 1. Средние значения длин связей (А) в замещенных ] ,2,4-триазолах
Тип замещения N(l>-N(2) N(2>-C(3) C(3)-N(4) N(4)-C(5) C(5)-N(l)
Таутомероспособные" 1 361е 1 325 1 330 1 331 1 324
Moho, 3-Ra 1 361 1 313 1 350 1 327 1.321
Moho, 5-Rd 1 385 1 301 1 384 1 338 1 339
Ди, 3-Ra-5-Rd 1 361 1 321 1 349 1 332 1 338
Ди, 3-Rd = 5-Rd 1 376 1 315 1 354 1 329 1 331
Ди, 3-Ra=5-Ra 1 366 1 333 1 337 1 310 1 329
1,3,5-Тризамещенные 1 379 1 318 1 359 1 325 1 345
3,4,5-Тризамещенные 1 387 1 308 1 366 1 370 1 307
Примечание " Для веществ, у которых 03 ц. и близки или равны, и в растворах которых по спектральным данным, наблюдается таутомерное равновесие двух форм 6 в анализе использовались данные точных рентгенострукгурных экспериментов, в которых погрешность определения длин связей не превышает 0 003 А
Таблица 2. Средние значения валентных углов (град) в замещенных 1,2,4-триазолах
Тип замещения n2n'c5 n'n2cj n'cjn4 cjn4c5 i^cv
Таутомероспособные 105 0* 105 0 114 5 100 0 114 5
Moho, 3-Ra 1103 101 3 1160 101 9 1105
Moho, 5-Rd 109 4 101 0 1126 100 9 1100
Ди, 3-Ra-5-Rd 1103 101 6 115 0 100 9 1100
Ди, 3-Rd = 5-Rd 110 1 101 7 1150 103 2 109 5
Ди, 3-Ra =5-Ra 1101 102 0 114 8 103 0 109 9
1,3,5-Тризамещенные 109 4 101 7 1159 102 5 110.6
3,4,5-Тризамещенные 107 2 107 4 110 4 104 7 110 3
Примечание * В анализе использовались данные точных рентгеноструктуряых экспериментов, в которых погрешность определения углов не превышает 0 3°
Эти данные свидетельствуют о том, что нужно очень осторожно относится к объяснению причин выравнивания связей в молекулах таутомерных соединений и не забывать о возможности динамических процессов и в кристаллическом состоянии Тем более, что возможности такого равновесия в кристаллах может способствовать реализация в них цетросимметричных циклических ди-меров, тримеров (и т д, т е п-меров) типа Ы(1)-Н(1) N(2), примеры образования которых для симметрично 3,5-замещенных 1,2,4-триазолов также отмечены в литературе
2) В молекулах кристаллических образцов С-монозамещенных и 3,5-дизамещенных 1,2,4-триазолов, имеющих заместители с четко различающимися электронными свойствами, атом водорода в цикле ориентируется в положение, противолежащее более электроноакцепторной группе (Яд, например, N02, С1, Вг, 2-Ру, 4-триазолил, и др ) и соседнее с более электронодонорной группой например, ЫП2), те все эти соединения являются 3-Ка-5-11о-1,2,4-1(77)-триазолами
Выводы (1, 2) важны в плане корректного приписания 1 -N11- или 2-1ЧН-таутомерной формы различным 3(5)-моно- и 3,5-дизамещенным 1,2,4-триа-золам и прогнозирования возможного места алкилирования или ацилирования соответствующих молекул Они также могут быть применены к группам 3(5)-моно- и 3,5-дизамещенных пиразолов, для которых предпочтительным будет 3-Яд-5-Ко-( 177)-пиразольный таутомер, 4(6)-КА-6(4)-Кп-1,2-дигидрогшримидин-2-онов и других подобных гетероциклических систем
Изучение физико-химических свойств замещенных 1,2,4-триазолов показало, что индуктивный эффект заместителей преобладает над резонансным, таким образом, относительную электронодонорную или электроноакцепторную способность соответствующих заместителей в первом приближении можно оценить известными индукционными константами оч или ат, или константами Тафта а* Поскольку константы О] для очень большого числа заместителей приведены в различных обзорах и книгах, их использование для выбора предпоч-
тительного таутомера МН-1,2,4-триазолов является вполне обоснованным
2. 3-(2-Гидроксиэтилсульфанил)-5-К-1(//)-1,2,4-триазолы и их соли: структурные особенности и предпочтительность таутомерных форм в кристалле
Еще один тип потенциально таутомероспособных 1,2,4-триазолов представляют производные, у которых группировка, содержащая подвижный атом водорода (X = 7В-ХП), отделена от гетероцикла спейсером Например, Т& = алифатическая цепочка, а ХН = ОН, СООН, БН и др Для таких производных появляется возможность реализации кольчато-цепной таутомерии другого типа [формы А'(В')—К(Ь)], уже с участием спиросистемы Если связующая цепочка в таких молекулах соединена с триазольным циклом гетероатомом (Т), то появляется возможность перегруппировок типа А' М или В' N При достаточной кислотности группы ХН может образоваться и внутренняя соль типа Р