Закономерности формирования 2,1-бензизоксазолов в условиях реакции нуклеофильного ароматического замещения водорода (стр. 2 )

1	2	3	4	5	6	7
2	Br	19	4- CH3O-C6H4	35	39.1	20/10
3	Ph	13	Ph	36	39.1	60/20
4	PhO	13	Ph	37	40.2	60/20
5		13	Ph	38	90.5	20/4
5		15	4-ClC6H4	39	88.1	20/4
5		19	4- CH3O-C6H4	40	63.4	20/10
5		20	3,4-(CH3O)2-C6H3	41	67.1	20/20
6		13	Ph	42	87.6	20/4
7	COOH	13	Ph	43	65.6	20/10
7	COOH	15	4-ClC6H4	44	57.3	20/10
8		13	Ph	45	67.6	20/10
9	CONH2	13	Ph	46	55.5	20/6
10		13	Ph	47	52.7	60/20
11		13	Ph	48	53.1	60/20
11		15	4-ClC6H4	49	44.1	60/20
12		13	Ph	50	48.1	60/20

Структура арилацетонитрилов также существенно влияет на направление протекания процесса. Наличие заместителя в орто-положении бензольного кольца в структуре арилацетонитрила также в значительной степени снижает выход целевых антранилов. Вероятнее всего, это связано со стерическими эффектами, осложняющими образование sН-комплекса и последующую циклизацию.

Таким образом, отмечен значительный набор структурных факторов, влияющих на закономерности протекания изучаемого процесса. Формирование инструментов управления этой реакцией требует четкого понимания особенностей механизма и природы ключевой стадии процесса. Изучение указанных аспектов приведено в дальнейших разделах работы.

2. Анализ экспериментальных данных по взаимодействию пара-замещенных нитроаренов с карбанионами арилацетонитрилов.

Анализ результатов исследования процесса взаимодействия пара-замещенных нитроаренов с арилацетонитрилами, имеющихся в некоторых литературных источниках, показал, что ранее на основании интерпретации полученных данных в рамках орбитальной модели взаимодействия было сделано заключение об особенностях природы лимитирующей стадии процесса - полагалось, что лимитирующей стадии процесса соответствует стадия формирования sH-комплексов. Однако, появившиеся позднее экспериментальные данные заставили более критически подойти к представленной ранее модели процесса.

Так, при анализе литературных источников, посвященных исследованию процесса взаимодействия арилацетонитрилов с нитроаренами, не имеющими заместителя в пара-положении, был получен важный экспериментальный результат - обратимость процесса образования арилцианометилен-пара-хинонмонооксимов.

Схема 2.

Это позволило сделать предположение об обратимости стадий процесса взаимодействия арилацетонитрилов с пара-замещенными нитроаренами с участием аналогичных интермедиатов (А)–(C), за исключением последней ассоциативной стадии - циклизации и образования конечных 2,1-бензизоксазолов (Схема 2).

Также, в ходе данной работы нами было проведено исследование возможных вариантов дальнейшего превращения sH-комплексов в продукты реакции с привлечением квантово-химического моделирования. В качестве модельного процесса рассматривали взаимодействие 4-нитрохлорбензола с фенилацетонитрилом, приводящее в конечном итоге к образованию 5-хлор-3-фенил-2,1-бензизоксазола. На основании предложенной схемы дальнейших превращений были рассчитаны квантово-химические характеристики (метод РМ3) гипотетических интермедиатов, конечного продукта в этой реакции и переходных состояний для всех предполагаемых стадий процесса согласно схеме 3.

Схема 3.

Данные по энергетическим параметрам интермедиатов и переходных состояний указанного направления процесса представлены на рисунке 1.

Рис. 1. Энергетическая диаграмма процесса формирования 5-хлор-3-фенил-2,1-бензизоксазола.

В результате проведенного исследования было установлено, что для последней стадии процесса наблюдается резкое увеличение энергии переходных состояний. Это может быть связано с сильной поляризацией рассмотренных структур (отщепление неорганического аниона), которая в реальных условиях в значительной степени нивелируется сольватацией. Однако в целом, сравнение приведенных энергетических характеристик интермедиатов и переходных состояний показывает, что наиболее затрудненным для представленной цепи превращений является стадия циклизации. Следовательно, это противоречит полученным ранее данным о стадии образования sH-комплексов, как о лимитирующей стадии изучаемой реакции.

3. Теоретическая модель исследуемого процесса.

Таким образом, на основании анализа и интерпретации экспериментальных данных, данных литературных источников и исследования закономерностей протекания целевой реакции, в ходе данной работы была установлена следующая теоретическая модель изучаемого процесса (Схема 4):

На первой стадии, молекула фенилацетонитрила переходит в щелочной среде в устойчивый карбанион и далее в этом виде вступает в реакцию с нитробензолом, что приводит к образованию Н-комплекса с зарядом -1.

Вторая стадия – переход атома водорода на нитрогруппу с участием растворителя.

Схема 4.

Третья стадия – переход второго атома водорода на нитрогруппу с одновременным отщеплением воды. При этом образуется ионная форма продукта реакции, которая при взаимодействии арилацетонитрилов с пара-замещенными нитроаренами с последующей циклизацией приводит к формированию 2,1-бензизоксазолов, а при взаимодействии арилацетонитрилов с нитроаренами, не имеющими заместителя в пара-положении к нитрогруппе, приводит к образованию пара-хинонмонооксимов. Тем самым реализуется четвертая стадия, завершающаяся образованием конечных продуктов реакции. Согласно предложенной теоретической модели, эта стадия может являться ключевой (лимитирующей) стадией, ведущей к образованию конечных 2,1-бензизоксазолов.