О механизмах реакции галогенциклизации аллилтиоазинов

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Д. Г. Ким, Ю. О. Субботина, А. В. Белик
О механизмах реакции галогенциклизации
аллилтиоазинов
Рассмотрены механизмы галогенциклизации различных аллилтиоазинов. Показано, что иодциклизация протекает по электрофильному механизму через образование иодониевого иона, а бромциклизация− через образование бромониевого и тиираниевого ионов. При
бромциклизации 8-аллилтиохинолина реализуется электрофильный
механизм и механизм через присоединение брома с образованием
8-бис(бромметил)метилтиохинолина и последующей внутримолекулярной циклизацией. Механизмы реакций подтверждены квантовохимическими рассчетами.
В ранних работах [1,2] авторы полагали, что галогенциклизация протекает в две стадии. Вначале происходит присоединение галогена по двойной
связи, а затем − внутримолекулярная циклизация.
R Z (CH2)n
CH CH2
X2
R Z (CH2)n
CHX CH2X
+
R Z
X
(CH2)n
CH
n = 3, 4
R = Alk, Ar
Z = NH, NR
CH2X
В более поздних работах [3-5], по данным кинетических и стереохимических исследований, пришли к мнению, что галогенциклизация протекает
по синхронному механизму, сущность которого заключается в том, что происходит одновременная атака галогена (электрофила) и гетероатома (нуклеофила) на различные атомы углеродов двойной связи.
X2
N
Z
N
+
- N
X
Z
X
X
Z = O, S, NH
37
X
Z
В других работах [6,7] авторы, основываясь на электрофильном механизме присоединения галогенов к алкенам, сделали вывод, что галогенциклизация протекает через галогенониевый ион (галогенониевый механизм).
X2
N
Z
+
- N
X
Z
N
- + X
X
Z
X
Z = O, S, NH
Нами установлено, что в зависимости от природы галогена реакция галогенциклизации протекает по различным механизмам и направлениям. Так,
2-аллилтиопиридин реагирует с йодом с образованием трииодида
3-иодметил-2,3-дигидротиазоло[3,2-a]пиридиния (I), а с бромом образуется
смесь бромидов 3- и 2-бромметил-2,3-дигидротиазоло[3,2-a]пиридиния (II,
III) [8]. Такое различное направление, по-видимому, связано с тем, что иодциклизация протекает с промежуточным образованием иодониевого катиона
(IV), а бромциклизация − бромониевого иона (V), который переходит в тиираниевый (эписульфониевый) ион (VI). При внутримолекулярной циклизации
тиираниевого иона VI образуется смесь бромидов II и III (тиираниевый механизм). Можно предположить, что иодониевый ион IV более устойчив, чем
бромониевый ион V, который в свою очередь менее устойчив, чем тиираниевый VI.
X2n+1
+
N
S
X
N
S
X +
I,II
I, II, IV, V
S
- +
Br
- +
Br N
N
IV,V
S
Br
Br
VI
III
X=Br, I
Синхронный механизм мало вероятен при галогенциклизации
2-аллилтиопиридина 2- и 8-аллилтиохинолинов. Для реализации этого механизма необходимо, чтобы молекула приняла конформацию Б или В, в которых двойная связь приближена к атому азота. Как показывают расчеты (метод PM3, программа HYPERCHEM), более выгодными являются конформации А (Е= -1961,20) и Г (Е= -1963,93), а менее выгодными – конформации Б (Е= -1960,84) и В (Е= -1955,26).
38
N
S
N
А
S
N
Б
S
N
В
S
Г
Нами установлено, что иодциклизация 2-аллилтиопиридина, 2- и
8-аллилтиохинолинов протекает в присутствии иодоводородной кислоты (образование гидроиодидов) с образованием тех же продуктов, что и в ее отсутствие. Это свидетельствует о том, что происходит галогенониевый, а не синхронный механизм.
Протеканию синхронного механизма будет препятствовать также способность пиридинового атома азота вступать в комплексообразование с молекулой галогена.
При бромировании 2-аллилтиохинолина в ССl4 образуется бромид
2-бромметил-2,3-дигидротиазоло[3,2-a]хинолиния (VII), который практически сразу падает из раствора при сливании растворов исходных реагентов
(бромониевый механизм). После отделения бромида VII из раствора падает
смесь бромида VII и бромида 3-бромметил-2,3-дигидротиазоло[3,2-a]хинолиния (VIII, тиираниевый механизм).
+
N
X
S
X2n+1
VII
N
S
- +
Br
+
- N
Br
N
S
X2n+1
X +
IX
Br
S
Br
VIII
При бромировании 8-аллилтиохинолина образуются желтые кристаллы
бромида 3-бромметил-2,3-дигидро-1,4-тиазино[2,3,4-i,j]хинолиния (X), которые практически сразу падают из реакционного раствора [9]. После отделения бромида X из бесцветного раствора постепенно (в течение суток) начинают падать желтые кристаллы бромида 2-бромметил-2,3-дигидро-1,4-тиазино[2,3,4-i,j]хинолиния (XI) с примесью бромида X. Это позволяет предположить, что бромид XI образуется из 8-бис-(бромметил)-метилтиохинолина
(XII). По-видимому, бромониевый ион XIII частично циклизуется с образованием бромида XI, а частично переходит в тиираниевый ион XIV, который
реагирует с бромид ионом с образованием дибромпроизводного XII. Если бы
тиираниевый ион XIV сразу переходил в бромид XII, то мы не наблюдали
39
бесцветный реакционный раствор после отделения бромида X, а образование
бромида XI не происходило бы в течение длительного времени.
Br2
N
N
S
S
Br
Br
-+
S
X
XIII
+ Br
N
N
N
Br
+ Br
N
Br
S
S
- +
S
CH(CH2Br)2
Br
Br
XIV
XI
XII
N
N
Br
S
Br
S
+
-
-
Br
S
Br
Br
Br
XV
+
N
XVII
XVI
Промежуточные ионы XIII и XIV в принципе могут прореагировать с
бромид ионом с образованием 8-(2,3-дибромпропилтио)хинолина (XV), при
внутримолекулярной циклизации которого может образоваться бромид X.
Это подтверждено нами экспериментально. При взаимодействии
8-меркаптохинолината натрия с 1,2,3-трибромпропаном образуется дибромпроизводное XV, при циклизации которого основным продуктом является
бромид X.
Следует отметить, что внутримолекулярная циклизация дибромпроизводных XII и XV может происходить через обратные превращения в тиираниевый ион XIV.
Теоретически при внутримолекулярной циклизации соединения XV
может образоваться бромид 3-бром-3,4-дигидро-2Н-1,3-азепино[2,3,4-i,j]-
40
хинолиния (XVI). Бромид XVI может образоваться из тиетаниевого иона
XVII, который в свою очередь образуется из дибромпроизводного XV.
С целью доказательства образования дибромпроизводных XII и XV нами исследовано бромирование аллилфенилсульфида, близкого по структуре к
8-аллилтиохинолину, но не содержащего атома азота. При этом, методом
ПМР установлено, что реакция протекает с образованием смеси бис(дибромметил)метилфенилсульфида (основной продукт) и 2,3-дибромпропилфенилсульфида. Это свидетельствует о том, что при бромировании
аллилфенилсульфида образуется как бромониевый, так и тиираниевый ионы.
Ph-S-CH2-CH=CH2 + Br2 → Ph-S-CH(CH2Br)2 + Ph-S-CH2-CHBr-CH2Br
Ранее [11] было показано, что аллилметилсульфид реагирует с бромом
в CCl4 при -100С с образованием 1,3-дибром-2-метилтиопропана, который
образуется из тиираниевого иона.
Из вышесказанного следует, что при бромциклизации
2-аллилтиопиридина и 2-аллилтиохинолина также может образоваться бис(дибромметил)метилтиопроизводное, способное циклизоваться внутримолекулярно.
В отличие от аллилтиоазинов, 2-металлилтиопиридин, 2- и 8-металлилтиохинолины реагируют с бромом только по бромониевому механизму
с образованием одного циклического продукта. Продукт бромциклизации,
образующийся из тиираниевого иона, нами не обнаружен.
2-Аллтио-4-пиримидиноны теоретически могут реагировать с бромом и
иодом по схеме реакции галогенциклизации как по атому N1, так и по атому
N3. Направление галогенциклизации прежде всего будет зависеть от таутомерной формы 2-аллилтио-4-пиримидинонов. Если протон будет локализован
у атома N3, то галогенциклизация будет протекать по атому N1 и наоборот.
Нами методом PМ3 показано, что более выгодной является таутомерная
форма с протоном у атома N3 (таутомер А).
R
1
O
1
NH
2
R
N
S
R = H, C2H5
R
N
2
R
A
1
O
R
N
H
S
1
2
R
O
+
N
NH XS
X
B
2
R = H, CH3, NH2
X =Br, I
По данным ПМР и ИК-спектроскопии основным продуктом является
продукт галогенциклизации по атому азота N1 [10].
41
Таблица
Энергия связывания (Еbind) таутомерных форм
R1
R2
H
H
H
C2H5
H
CH3
NH2
CH3
Таутомер A
-1948,71
-2233,22
-2123,65
-2796,67
E
Таутомер B
-1945,53
-2230,64
-2120,45
-2793,69
Таким образом, в работе показано, что иодциклизация 2-аллилтиоазинов протекает по электрофильному механизму через промежуточный
иодониевый ион, а бромциклизация − через бромониевый и тиираниевый
ионы. При бромциклизации 8-аллилтиохинолина реализуется бромониевый
и тиираниевый механизм, а также механизм с образованием 8-бис(диброммметил)метилтиохинолина и 8-(2,3-дибромпропилтио)хинолина и последующей внутримолекулярной циклизацией.
Список литературы
Fittig R., Hjelt E. // Ann.1883. B.216. S. 61  65.
Bougault J. // Ann.chim. phus. 1908. B.14. S. 145  157.
Станинец В.И., Шилов Е.А. // Успехи химии. 1971. Т.40, №3. С.491512.
Геваза Ю.И., Станинец В.И., Зефиров Н. С. Электрофильная внутримолекулярная циклизация олефинов. Киев: Наук. думка, 1990, 156 с.
5. Родиновская Л.А.,Шаранин Ю.А., Шестопалов А.М., Литвинов В.П. //
ХГС. 1988. №6. С.805-812.
6. Undheim K. // Heterocycles. 1981. Vol.15, №2. Р.1349  1394.
7. Cardillo G., Orena M. // Tetrahedron. 1990.Vol. 46, №10.P 3221  3408.
8. Ким Д.Г. //ХГС. 1999. №3. С.334  336.
9. Ким Д.Г.// ХГС. 1997. №8. С.781  784.
10. Ким Д.Г., Шмыгарев В.И., Харлампиева Е.П., Воробьев Д.В. // Журн. орган. химии. 1997. Т.33, №.9. С.1416  1417.
11. Bland J.M., Stamer H.C. // J. Org. Chem. 1983. Vol.48. P.4393  4394.
1.
2.
3.
4.
Выражаем благодарность Р. М. Арсламбекову и Е. В. Смолиной за
консультации, оказанные при подготовке данной статьи.
42