Воловоденко Анна Петровна. Кислотно-основные равновесия некоторых аннелированных и неаннелированных азолов и азинов

Краткое описание

Воловоденко Анна Петровна. Кислотно-основные равновесия некоторых аннелированных и неаннелированных азолов и азинов : диссертация ... кандидата химических наук : 02.00.03.- Санкт-Петербург, 2002.- 200 с.: ил. РГБ ОД, 61 03-2/356-8

Санкт-Петербургский государственный технологический институт
(технический университет)

На правах рукописи
ВОЛОВОДЕНКО Анна Петровна
КИСЛОТНО-ОСНОВНЫЕ РАВНОВЕСИЯ НЕКОТОРЫХ АННЕЛИРОВАННЫХ И НЕАННЕЛИРОВАННЫХ АЗОЛОВ И АЗИНОВ
Специальность 02.00.03 - Органическая химия
Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук
Санкт-Петербург
2002 
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР: КИСЛОТНЫЕ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА АЗОЛОВ. АЗИНОВ И АННЕЛИРОВАННЫХ АЗОЛО-АЗИНОВ 8
1.1 Кислотно-основные свойства пятичленных азотсодержащих
гетероциклов 8
1.1.1 Пиррол 9
1.1.2 Диазолы 13
1.1.3 Триазолы JiP
1.1.4 Тетразол 24
1.1.5 Пентазол 2&
1.2 Кислотно-основные свойства шестичленных азотсодержащих
гетероциклов 28
1.2.1 Пиридин 29
1.2.2 Диазины ; 33
1.2.3 Триазины 35
1.2.4 Тетразины -ДР
1.3 Кислотно-основные свойства аннелированных азоло-азинов 41
2 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 53
2.1 Основность и прототропная таутомерия 1,2,3-триазолов 54
2.1.1 Теоретическое исследование прототропной таутомерии оснований и сопряженных кислот 55
2.1.2 Основность в газовой фазе 58
2.1.3 Основность и таутомерия в растворах 61
2.1.4 Прототропные формы в твердой фазе 67
2.2 Основность бензотриазола 72
2.3 Основность 1,2,4-триазинов 78
2.3.1 Протолитические равновесия изомерных фенил-1,2,4-триазинов... 78
2.3.2 Основность 3-R-6-(bemm-l,2,4-триазин-4-оксидов 87
2.4 Основность 1.3,5-триазинов 96
2.5 Основность 1,2,4,5-тетразинов 103
2.6 Протолитические равновесия некоторых аннелированных азоло-азинов
107
2.7 Теоретическое исследование некоторых физико-химических свойств
аннелированных азолов и азинов 11$
2.1 Л Бензазины и азино-азины 118
2.7.2 Бензазолы и азоло-азины 127
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 133
3.1 Приборы и оборудование 133
3.2 Среды с фиксированной кислотностью 133
3.2.1 Водные растворы серной кислоты 133
з
3.2.2 Водные буферные и стандартные растворы с постоянной ионной
силой 134
3.3 Методика проведения и обработки спектральных измерений и
потенциометрического титрования 135
3.3.1 Измерение УФ спектров на спектрофотометрах СФ-26 и Perkin-
Elmer Lambda 40 135
3.3.2 Запись спектров ПМР в водных растворах с различной
кислотностью 137
3.3.3 Методика проведения потенциометрического титрования 137
3.4 Методы расчета ионизационных отношений 140
3.5 Расчет констант основности в растворах 141
3.6 Измерение газофазной основности 142
3.7 Рентгеноструктурные исследования 145
3.7.1 Рентгеноструктурный анализ 4(5)-фенил-1.2.3-триазола 145
3.7.2 Рентгеноструктурный анализ 4(5 Унитро-1,2,3-триазола 145
3.8 Теоретические расчеты 146
3.9 Получение модельных соединений 147
3.9.1 Растворители и реагенты при проведении синтезов модельных
соединений 147
3.9.2 Соединения ряда 1.2.3-триазола 147
3.9.3 Бензотриазол 149
3.9.4 Соединения ряда 1.2.4-триазинов 149
3.9.5 2 А6-Трифенил-1.3.5-триазин 149
3.9.6 3.6-Дифенил-1.2.4.5-тетразин 150
3.9.7 Аннелированные азоло-азины 150
ВЫВОДЫ 151
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 153
ПРИЛОЖЕНИЯ 181
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы: Ароматические аннелированные и
неаннелированные азолы и азины широко применяются в различных областях современной науки и техники, входят как структурные фрагменты в природные вещества. Представители данной группы соединений проявляют высокую биологическую и фармакологическую активность. На их основе получен ряд эффективных антивирусных, антибактериальных, противоопухолевых, кардиостимулирующих препаратов и некоторых других лекарственных средств [1,2]. Эти гетероциклы применяются также в качестве стимуляторов роста растений, гербицидов, инсектицидов, комплексообразующих агентов, ингибиторов коррозии, энергоемких веществ [2-4]. Кроме того, аннелированные и неаннелированные азолы и азины являются информативными и удобными моделями для разнообразных фундаментальных исследований [5].
Многие химические, физико-химические, а также некоторые практически полезные свойства данных гетероциклов обусловлены наличием в их структуре электронодонорных центров - “пиридиновых” атомов азота [6,7]. Количественно способность этих центров выступать в качестве доноров пары электронов может быть выражена величинами рКш+- Данные величины позволяют, пользуясь обобщающими зависимостями типа “свойство-свойство”, прогнозировать реакционную способность, комплексообразующие свойства, биологическую активность, растворимость, термодинамическую стабильность и многие другие свойства гетероциклических систем [8-11].
Несмотря на очевидную важность и актуальность количественных исследований протолитических равновесий с участием аннелированных и неаннелированных азолов и азинов, систематических исследований, выполненных в данной области гетероциклической химии недостаточно, а некоторые ряды гетероциклов в указанном контексте не рассматривались.
Цель работы: Определение количественных характеристик
протолитических равновесий аннелированных и неаннелированных азолов и азинов (1,2,3-триазолов и бензотриазола, 1,2,4- и 1,3,5-триазинов, 1,2,4-триазин- 4-оксидов, 1,2,4,5-тетразинов, триазолопиримидинов, пиразолопиримидинов и триазолотриазинов) в растворе и в газовой фазе с использованием экспериментальных и теоретических методов. Установление вероятных центров основности вышеперечисленных гетероциклических систем. Поиск обобщающих зависимостей типа “структура-свойство” и “свойство-свойство” для азолов, азинов и азолоазинов.
Научная новизна. Реализован единый методологический подход к количественному исследованию кислотно-основных равновесий аннелированных и неаннелированных азолов и азинов. В рамках этого подхода исследована основность и прототропная таутомерия свободных оснований и сопряженных кислот серии N-Н- и іУ-метил-1,2,3-триазолов в растворах и в газовой фазе. Определены доминирующие прототропные формы некоторых N- замещенных 1,2,3-триазолов в кристаллическом состоянии. Спектрофотометрически определена константа основности бензотриазола в водных растворах. Определены константы основности и установлены предпочтительные схемы протонирования серии изомерных фенил-1,2,4- триазинов и фенил-1,2,4-триазин-4-оксидов и их монопротонированных форм. Теоретически исследовано протонирование 1,3,5-триазинового цикла. Экспериментально определены константы первого и второго протонирования 2,4,6-трифенил-1,3,5-триазина в водных растворах серной кислоты. Определена константа основности 3-фенил-1,2,4,5-тетразина в водных растворах серной кислоты. Теоретически исследована электронная структура и геометрия 1,2,4,5- тетразинового цикла в форме свободного основания и сопряженной кислоты. Количественно исследованы протолитические равновесия аннелированных азоло-азинов: пиразоло[1,5-а]пиримидина, 1,2,4-триазоло[4,3-6]-1,2,4-триазина,
1,2,4- триазоло[1,5-а]пиримидина и его б-нитро-, 6-бром- и б-хлорпроизводных. Установлены наиболее термодинамически устойчивые формы моно- и дикатионов. В ходе исследований применялись современные экспериментальные (УФ спектрофотометрия, спектроскопия ЯМР *Н, ионный циклотронный резонанс, рентгеноструктурный анализ) и теоретические квантово-химические (B3LYP/6-31G*, HF/6-31G**, АМ1) методы. Проведен анализ корреляционных зависимостей типа “структура-свойство” и “свойство- свойство” для данных аннелированных гетероциклов.
Практическая значимость. Величины ріСвн+ изученных соединений, а также зависимости типа “структура-свойство”, “свойство-свойство” рекомендуются к использованию при прогнозе физических и химических свойств, биологической и фармакологической активности как уже синтезированных, так и еще недоступных гетероциклов. Полученные константы основности позволяют выбрать оптимальные значения кислотности среды для проведения синтеза, выделения и очистки исследованных гетероциклов.
Апробация работы. Результаты работы доложены на 14-ой и 15-ой международных конференциях Математика/Химия/Компьютер (Дубровник, Хорватия, 1999, 2000 гг.); XIX-ом Европейском коллоквиуме по
гетероциклической химии (Португалия, Авейро, 2000г); Молодежной научной школе (Екатеринбург, 1999, 2000, 2002 гг.); 7-ой и 8-ой международной конференции “СПИД, рак и родственные проблемы” (Санкт-Петербург, 1999, 2000 гг.); конференции “Органическая химия в XX веке” (Звенигород, Московская область, 2000 г.); Всероссийской научной конференции
“Азотсодержащие гетероциклы: синтез, свойства, применение” (Астрахань, 2000 г); Молодежной конференции “Байкальские чтения 2000” (Иркутск, 2000 г); I-ой всероссийской конференции по химии гетероциклов памяти А.П. Коста (Суздаль, 2000 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи в российских и зарубежных рецензируемых научных журналах, 6 тезисов докладов в сборниках всероссийских и международных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора (3 главы), обсуждения результатов (7 глав), экспериментальной части, выводов, списка литературы (218 ссылок) и 2 приложений. Материал изложен на 199 страницах машинописного текста, содержит 34 таблицы, 30 рисунков, 33 химических схемы и 23 математических уравнения.

Список литературы

ВЫВОДЫ
1. Количественно исследованы протолитические равновесия в водных растворах и в газовой фазе ароматических аннелированных и неаннелированных азолов и азинов: 1,2,3-триазолов, бензотриазола, 1,2,4- триазинов, 1,3,5-триазинов, 1,2,4,5-тетразинов и некоторых конденсированных азоло-азинов.
2. 1,2,3-Триазолы существуют в газовой фазе в виде 2Я-таутомеров, в водном растворе и в кристаллическом состоянии -в виде смеси 1Я- и 2Я-таутомеров; соотношение таутомеров зависит от строения гетероцикла. При протонизации NH- 1,2,3-триазолов преимущественно образуются 1,ЗЯ,Я+- монокатионы.
3. 1,2,3-Триазолы проявляют свойства слабых оснований, они менее основны, чем 1,2,4-триазолы. Введение заместителей в положение 1 практически не сказывается на основных свойствах гетероцикла, тогда как заместитель в положении 2 существенно (на несколько лог. ед.) понижает величину р/<~вн+-
4. Бензаннелирование практически не сказывается на основности 1,2,3- триазолов в растворах, в отличие от имидазолов и пиразолов. Данный факт обусловлен особенностями сольватации катиона бензотриазолия.
5. 1,2,4-Триазины [рА"вн+ от 3.45 (3-метил-6-фенил-1,2,4-триазин(14)) до -1.79 (3,5,6-трифенил-1,2,4-триазин (12))] по силе основности близки к диазинам. Протонирование монокатионов [р/^вт+ от -7.34 (3,6-дифенил-1,2,4-триазин
(15) ) до -8.66 (3-метил-6-фенил-1,2,4-триазин(14))] происходит в средах с высокой кислотностью. Ароматичность 1,2,4-триазинового цикла при моно- и дипротонировании изменяется незначительно.
6. 3-Я-6-Фенил-1,2,4-триазин-4-оксиды и их монокатионы как основания близки к 1,2,4-триазинам. Согласно полученным экспериментальным, спектральным и теоретическим данным первое протонирование 3-R-6- фенил-1,2,4-триазин-4-оксидов осуществляется по атому азота в цикле, а второе - по экзоциклическому атому кислорода.
7. 2,4,6-Трифенил-1,3,5-триазин является весьма слабым гетероциклическим основанием (р/<~вн+ -3.42, р/£вт+ -6.86). Это обусловлено высокой ароматичностью и стабильностью нейтральной формы, при моно- и дипротонировании наблюдается заметное снижение ароматичности цикла. Второе протонирование 1,3,5-триазинов проходит в той же области кислотности среды, что и 1,2,4-триазинов.
8. 1,2,4,5-Тетразины среди азинов являются самыми слабыми органическими основаниями (р/<‘вн+ 3-фенил-1,2,4,5-тетразина (24) -6.03). Как и в случае
1,3,5- триазинов, при протонировании тетразинов наблюдается значительное понижение ароматичности цикла.
9. Пиразолопиримидины, триазолотриазины и триазолопиримидины могут протонироваться по атомам азота как азольного, так и азинового фрагментов. Первое протонирование данных соединений происходит в области кислотности среды от pH 0 до Но -2, второе - Но -74-9. Электронное влияние заместителя в положении 6 триазолопиримидина на его основные свойства незначительно.
10. Показано, что основным дестабилизирующим фактором, понижающим термодинамическую стабильность аннелированных азолов и азинов, является взаимное отталкивание между “мостиковым” атомом углерода и атомом азота, а также между двумя атомами азота.
[1] Kleemann A., Engel J., Kutscher B., Reichert D. Pharmaceutical Substances. Version 1.0. - Stuttgart, N.Y.: Tliieme, 1999. - 565 p.
Список литературы СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[2] Пожарский А.Ф., Солдатенков А.Т. Молекулы - перстни. - М.: Химия,
1993. -256 с.
[3] Перспективные направления химии и химической технологии/Под ред А.С. Дудырева, В.В. Богданова. — Л.: Химия, 1990. -248 с.
[4] Ostrovskii V.A., PevznerM.S., Kofman T.P., Shcherbinin M.B., Tselinskii l.V. Energetic 1,2,4-triazoles and tetrazoles: synthesis, structure and properties// Targets in Heterocyclic Systems. Eds. O.A. Attanasi, D. Spinelli. - Societa Chimica Italiana: Rome. - 1999. - Vol. 3. - P. 467-526.
[5] Джилкрист Т. Химия гетероциклических соединений. — M. .Мир, 1996.¬464 с.
[6] Физические методы в химии гетероциклов/ Под. ред. А.Р.Катрицкого. — М., Л.: Химия, 1966 - 658 с.
[7] Albert A., Serjeant Е.Р. The Determination of Ionization Constants: a laboratory manual - London: Chapman and Hall, 1984- 280 p.
[8] Katritzky A.R., Karelson М., Harris P.A. Prototropic tautomerism of heteroaromatic compounds// Heterocycles.- 1991- Vol.32, N.2.- P.329-369.
[9] Katritzky A.R., Karelson М., Malhotra N. Heterocyclic aromaticity// Heterocycles.- 1991- Vol.32, N.I.- P. 127-161.
[10] Karelson М., Lobanov VS., Katritzky A.R. Quantum-chemical descriptors in QSAR/QSPR studies// Chem. Rev.-1996.-Vol.96, N.3.-P. 1027-1043. 
[11] Reichardt С. Solvatochromic dyes as solvent polarity indicators // Chem. Rev. - 1994.- Vol.94, N.8. - P.2319-2358.
[12] Колдобский Г.М., Островский В. А. Кислотно-основные свойства азолов// Хим. Гетероцикл. Соедин - 1988-N.5- С.579-592.
[13] Catalan J., Abboud J.L.M, Elguero J. Basicity and acidity of azoles// Adv. Heterocycl. Chem. - 1987,- Vol.41 - P.187-274.
[14] Abboud J.L.M, Cabildo P., Canada J., Catalan J., Claramunt R.M., de Paz J.L.G., Elguero J., Homan H., Notario R., Toiron C, Yranzo G.I. Basicity of C- substituted pyrazoles in the gas phase: an experimental (ICR) and theoretical study//J. Org. Chem. - 1992. - Vol. 57. - P. 3938-3946.
[15] Monge M.A., Puebla E.G., Elguero J., Toiron C., Meutermans W, Sobrados I. An X-ray and 13C CP/MAS NMR study of C,C-linked bipyrazoles and bispyrazolymethanes.// Spectrochim. Acta. - 1994. - Vol. 50A, No. 4. - P. 727-734.
[16] Abboud J.L.M, Foces-Foces C., Herreros М., Homan H., Infantes L., Notario R., Krebs A. W., Nenbauer J., Elguero J., Jagerovic N. Gas-phase (ion cyclotron resonance spectrometric) and solid state (crystallographic) studies of highly substituted pyrazoles //J. Phys. Org. Chem. - 1996. - Vol. 9. - P. 79-86.
[17] Elguero J., Cano F.H., Foces-Foces C., Llamas-Saiz A., Limbach H.-H., Aguilar-Parrilla F., Claramunt R.M., Lopez C. Proton transfer in solid heterocycles: an x-ray and CPMAS NMR study// J. Heterocycl. Chem. - 1994. - Vol.31. - P. 695-700.
[18] Catalan J., Claramunt R.M., Elguero J., Laynez J., Menendez М., Anvia F., Quian J.H., Taagepera М., Taft R.W. Basicity and acidity of azoles: The annelation effect in azoles// J.Am.Chem.Soc- 1988- Vol.110, N.13- P.4105- 4111.
[19] Garcia J., VilarassaJ. Fluoroazoles. An MNDO SCF MO study// Heterocycles. - 1988. - Vol. 27, No. 8. - P. 1803-1807.