II.2. Термолиз диазокетонов 1a-c, 2a-c и 4

Большинство диазосоединений, как известно, легко разлагаются при нагревании [37]. Однако введение акцепторного заместителя в α -положение к диазогруппе резко повышает их устойчивость[37-39]. В частности, α -диазокарбонильные соединения ряда тетрагидрофурана, в том числе и исследуемые нами диазокетоны 1, 2, 4, характеризуются очень высокой стабильностью. Так кипячение диазокетона 1а в диоксане (101.3 °С) не приводит к его разложению [32]. Заметное разложение наблюдается лишь при температурах около 160 °С [40].

Стоит отметить, что при разложении α -диазокарбонильных соединений предположительно образуются α -оксокарбены, стабилизация которых возможна в нескольких направлениях [37]. Предпочтительными направлениями являются 1, 2-нуклеофильная миграция соседнего заместителя (в случае термолиза миграционная способность уменьшается в ряду H > Ar > Alk) к секстетному атому углерода, приводящая к α, β -ненасыщенному кетону I, или перегруппировка Вольфа с образованием кетена II, который в нуклеофильной среде дает соответствующие продукты взаимодействия с нуклеофильным агентом III.

Термолиз пятичленных циклических диазоетонов сильно зависит от типа гетероатома или функции находящейся в первом положении. К примеру для 3-диазо-2, 2, 5, 5-тетраметилтиолан-4-она при кипячении в изооктане (99.3 °С) перегруппировки Вольфа не наблюдается, вместо этого наблюдается промежуточное образование тиоилида, который далее превращается в продукт IV [41].

Однако если вместо серы в молекуле находятся функции SO₂ или NAc, то перегруппировка Вольфа является основным направлением превращения.

Предварительные опыты показали, что, в случае тетразамещенных 4-диазодигидрофуран-3(2Н)-онов, термолиз в расплаве (≈ 160 °С) приводит к образованию 3(2Н)-фуранонов [40], поэтому нами для проведения термолиза были выбраны два растворителя, температура кипения которых выше температуры разложения исследуемых диазокарбонильных соединений. Подходящими растворителями оказались ДМСО (биполярный апротонный растворитель) и бензиловый спирт (нуклеофильный протонный растворитель).

II.2.1. Изучение разложения диазокетонов в дмсо-d⁶

Для выяснения закономерностей термического разложения исследуемых диазокетонов было проведено изучение кинетики данного процесса. В качестве растворителя был выбран дмсо-d⁶. Изучение кинетики сводилось к следующему: 0.7 ммоль диазокетона в 7 мл дейтерированного ДМСО нагревали при 160±0.5 °C. Периодически отбирались аликвоты 0.7-0.8 мл реакционной смеси, которые анализировались с помощью ¹Н ЯМР анализа; методом внутренней нормировки определялось содержание исходного диазокарбонильного соединения и продуктов в аликвоте. По этим данным были построены кинетические кривые зависимости концентраций исходных диазокетонов и продуктов реакции от времени, была выяснена зависимость отрицательного логарифма из концентрации диазосоединения от времени, и определены времена полураспада соответствующих соединений. Анализ полученных данных показал, что реакция разложения исследуемых диазокетонов является реакцией первого порядка (была обнаружена линейная зависимость ln x(dz) от t, где x(dz) – мольная доля диазокетона в момент времени t, см. приложения).

Диазокетон 4 был выбран для сравнения, для него по нескольким точкам было определено примерное время полураспада, кинетическая кривая для него не стоилась. Через 2 часа после начала реакции по данным ¹Н ЯМР анализа исходный диазокетон прореагировал полностью, дав продукт 1, 2-нуклеофильной миграции – 2, 2, 4, 5-тетраметил-3(2Н)-фуранон 13 с выходом 82%:

Особенностью процесса разложения исследуемых диазокарбонильных соединений является индукционный период, после которого кривая выходит на прямую. Время полураспада диазокетона 4 составляет 0.2 часа.

Термолиз диазокетонов 1а-с и 2а-с протекал медленнее, чем термолиз тетраметилового аналога, также приводя к 3(2Н)-фуранонам в качестве основных продуктов. В ходе разложения наряду с соответствующими 3(2Н)-фуранонами, наблюдалось образование дикетонов 11а-с, появление которых в реакционной смеси можно объяснить окислением промежуточного α -оксокарбена молекулой дмсо:

В случае термолиза диазокетона 1а, соответствующий дикетон был выделен из реакционной смеси с помощью препаративной ТСХ, структура его была подтверждена спектральными методами (¹Н, ¹³С), состав с помощью масс спектроскопии (HRMS, ESI). При разложении региоизомерного диазокетона также получался диазокетон 11. Структура соединений 11b, c была приписана по аналогии.

Конверсия диазокетона 1а после 4х часов разложения составила 0.59, а время полураспада 2.3 часа. Основными продуктами оказались 2, 2-диметил-4, 5-дифенил-3(2Н)-фуранон 14а (46%) и дикетон 11а (12%). Региоизомерный диазокетон 2а за те же 4 часа прореагировал полностью, время полураспада составило 0.5 часа. Основными продуктами оказались 3(2Н)-фуранон 15а (81.5 %) и дикетон 11а (17.5 %). Кинетические кривые разложения приведены ниже (схема V):

Схема V. Кинетические кривые разложения диазокетонов 1а и 2а. Зависимость X(i) от t, где X(i)=n(i)/n(0) – мольная доля вещества i в определенный момент времени, n(0 ) – количество диазокетона, взятое в реакцию.

Конверсия диазокетона 1b после 5 часов 15 минут термолиза составила 0.99, а время полураспада один час. Основными продуктом оказался 3(2Н)-фуранон 14b (98%), образование дикетона 11b не наблюдалось. Региоизомерный диазокетон 2а за 4 часа нагревания прореагировал на 92%. Основными продуктами оказались 3(2Н)-фуранон 15b (80 %) и дикетон 11b (10 %). Кинетические кривые разложения приведены ниже (схема VI):

Схема VI. Кинетические кривые разложения диазокетонов 1 b и 2 b. Зависимость X(i) от t, где X(i)=n(i)/n(0) – мольная доля вещества i в определенный момент времени.

Конверсия диазокетона 1c после 6 часов термолиза составила 0.44, а время полураспада 5.8 часов. Основными продуктами оказались 3(2Н)-фуранон 14с (33%) и дикетон 11с. Региоизомерный диазокетон 2с за 3 часа нагревания прореагировал на 83%. Основными продуктами оказались 3(2Н)-фуранон 15с (67 %) и дикетон 11с (16 %). Кинетические кривые разложения приведены ниже (схема VII):

Схема VII. Кинетические кривые разложения диазокетонов 1 c и 2 c. Зависимость X(i) от t, где X(i)=n(i)/n(0) – мольная доля вещества i в определенный момент времени.

Проанализировав полученные данные можно сделать несколько выводов. Во-первых, если сравнивать пары региоизомеров, то в каждой паре диазокетон 1 стабильнее диазокетона 2. Объяснить это можно двояко, во-первых в случае региоизомера 2 в α -положении к диазо функции находятся метильные группы, характеризующиеся +I эффектом, что увеличивает отрицательный заряд на атоме углерода, связанном с диазо группой, что проявляется в уменьшении стабильности диазокетона. В случае региоизмера 1 в α -положении находятся ароматические заместители, характеризующиеся слабым –I эффектом. Разница в электронном влиянии Ме и Ar заместителей и проявляется в различии устойчивости соединений.

Во-вторых, устойчивость α -диазокарбонильных соединений напрямую связана с эффективностью сопряжения карбонильной и диазо функций. Можно предполагать, что в случае диазокетонов 2 орто-протоны арильной группы могут образовывать слабые водородные связи с атомом кислорода карбонильной группы, что приводит к уменьшению его стабильности. Для диазокетона 1 подобное взаимодействие невозможно.

Также можно рассмотреть закономерности влияния электронных заместителей внутри ряда. Для простоты понимания, для диазокетонов 1 полученые данные были сведены в таблицу I:

Таблица I. Разложение диазокетонов 1а-с

Исходя из времен полураспада можно проследить влияние заместителя на скорость разложения исследуемых диазокетонов: наиболее устойчивым оказался диазокетон с F-замещенной арильной группой, а наименее устойчивым – диазокетон с метокси-замещенной арильной группой. Изменение скоростей разложения рассматриваемых диазокетонов соответствует следующему ряду заместителей – OMe > H > F. Предположительно реакция протекает через следующее переходное состояние:

Энергия переходного состояния V определяет в значительной степени энергию активации процесса разложения, а соответственно и устойчивость изучаемых диазокетонов. Нетрудно увидеть, что заместители, обладающие +M (ОМе группа) эффектом, очевидно, понижают энергию ПС, и, следовательно, понижают устойчивость диазокетонов. Акцепторные же заместители (F), резко увеличивают энергию ПС, что четко видно по устойчивости соединения 1с, которое в два с половиной раза устойчивее диазокетона 1a, и почти в шесть раз устойчивее диазокетона 1b.

Аналогично можно рассмотреть закономерности влияния электронных заместителей внутри ряда диазокетонов 2 (таблица II), по структурным сходствам и близости времен полураспада к которому можно отнести и диазокетон 4.

Таблица II. Разложение диазокетонов 2а-с, 4

В случае диазокетонов 2а-с и 4 наблюдается несколько иная зависимость. Донорный заместитель в α -положении к карбонильной группе уменьшает стабильность диазокарбонильного соединения за счет уменьшения общего сопряжения диазо и карбонильной функций. Арильные группы сильно не влияют на это сопряжение, поскольку они лишь слабо оттягивают электронную плотность за счет –I эффекта. Разница в периоде полураспада в ряду 2а – 2b – 2с обусловлена отрицательным индуктивным эффектом заместителей в 4м положении ароматического кольца. Обобщая все сказанное можно составить ряд стабильности изучаемых диазокетонов:

4 (0.1 ч) < < 2a (0.5 ч) < 2b (0.7 ч) < 2c (0.8 ч) < 1b (1 ч) < 1a (2.3 ч) < < 1c (5.8 ч)