Intramolekulární nukleofilní atak karbaniontu na ortho-nitroskupinu vedoucí k substituovaným benzo\matsymb{lbrack}\kur{d}\matsymb{rbrack}thiazol-3-oxidům

Ing. Jiří Černý

Doctoral thesis

Intramolecular Nucleophilic Attack of Carbanion on Ortho-nitro Group Giving Substituted Benzo\matsymb{lbrack}\kur{d}\matsymb{rbrack}thiazole-3-oxides

Abstract:

Bázicky katalyzovanou reakcí methyl-2,6-dinitrofenylsulfanylethanoátu (3) vzniká produkt cyklizace - 2-methoxykarbonyl-7-nitrobenzo[d]thiazol-3-oxid (4). Analogicky, 2,6-dinitrofenylsulfanylethannitril (7) a 2,4,6-trinitrofenylsulfanylethannitril (13) poskytují 2-kyan-7-nitrobenzo[d]thiazol-3-oxid (8) resp. 2-kyan-5,7-dinitrobenzo[d]thiazol-3-oxid (14). Struktura výchozích látek byla vedle NMR spekter a elementárních analýz potvrzena také rentgenovou strukturní analýzou. Kinetika cyklizačních reakcí látek 3, 7 a 13 byla studována pomocí UV VIS a 1H NMR spektroskopie. Cyklizace látky 3 byla spektrofotometricky studována v methanolických N-methylmorfolinových a N-methyl-piperidinových pufrech, cyklizace látky 7 v methanolických methoxyacetátových, acetátových, 2,4,6-trichlorfenolátových, N-methylmorfolinových a N-methylpiperidi-nových pufrech a cyklizace látky 13 v methanolických methoxyacetátových, acetátových a N-methylmorfolinových pufrech. Závislosti pozorovaných rychlostních konstant kpoz na koncentraci bázické složky pufru v "kyslíkatých" pufrech jsou lineární. V "dusíkatých" pufrech jsou závislosti kpoz na koncentraci báze nelineární, se zvyšujícími se koncentracemi báze dochází k poklesu hodnot směrnic závislostí kpoz na koncentraci báze. Na základě získaných kinetických dat byly pro cyklizace všech tří látek navrženy reakční mechanismy, které mají společné rysy. V prvním kroku dochází vlivem přítomné báze k rychlému, vratnému odštěpování protonu za vzniku příslušného karbaniontu. Volný elektronový pár na karbaniontu poté atakuje dusík v jedné ortho-nitroskupině za vzniku cyklického intermediátu In1 a následně dochází opět za bázické katalýzy k přeměně intermediátu In1 na dvojnásobně záporně nabitý intermediát In2. V posledních krocích se intermediát In2 protonuje a po odštěpení OH iontu z dusíku vzniká příslušný produkt cyklizace - derivát benzo[d]thiazol-3-oxidu. Rychlost limitujícím stupněm pro cyklizaci látky 3 je difúzní separace složek z tzv. "encounter komplexu" vzniklého z intermediátu In1 a báze. Kinetické chování látek 7 a 13 je rozdíl od látky 3 ovlivněno přítomností rychlé předřazené acidobázické rovnováhy výchozího substrátu, což umožňuje přímo z kinetických dat stanovit hodnotu pKa látky 7 (10.23) a odhadnout pKa látky 13 (~ 8). Při cyklizaci látky 7 je rychlost určujícím stupněm v methoxyacetátových pufrech odštěpování protonu z intermediátu In1. V acetátových, 2,4,6-trichlorfenolátových a N-methylmorfolinových pufrech dochází k postupné změně rychlost určujícího stupně - s rostoucí bazicitou pufru se významně urychluje odštěpování protonu z intermediátu In1 a rychlost určujícím krokem se stává obecně kysele katalyzovaná protonace intermediátu In2. V případě látky 13 je rychlost určujícím stupněm v methoxyacetátových a acetátových pufrech štěpení vazby C-H v intermediátu In1 a v N-methylmorfolinových pufrech je rychlost limitující katalyzovaná protonace In2.

Abstract:

Methyl 2,6-dinitrophenylsulfanylethanoate (3) undergoes base-catalyzed cycli-zation giving 2-methoxycarbonyl-7-nitrobenzo[d]thiazole-3-oxide (4). Similarly, 2,6-di-nitrophenylsulfanylethanenitrile (7) and 2,4,6-trinitrophenylsulfanylethanenitrile (13) give 2-cyano-7-nitrobenzo[d]thiazole-3-oxide (8) and 2-cyano-5,7-dinitrobenzo[d]thiazole-3-oxide (14), respectively. Structure of starting substrates was confirmed by NMR spectra, micro analysis and studied by X-ray analysis. Kinetics of cyclization reactions of compounds 3, 7 and 13 was studied by means of UV VIS and 1H NMR spectroscopy. Cyclization of compound 3 was followed spectrophotometrically in methanolic buffers of N-methylmorpholine and N-methylpiperidine, cyclization of compound 7 in methanolic methoxyacetate, acetate, 2,4,6-trichlorophenoxide, N-methylmorpholine and N-methyl-piperidine buffers and cyclization of compound 13 in methanolic methoxyacetate, acetate and N-methylmorpholine buffers. Dependences of the observed rate constants kobs on concentration of the base in buffers in "oxygenous" buffers are linear. In "nitrogen" buffers dependences of kobs on the concentration of the base are not linear, the values of slopes of dependences of kobs decrease with increasing concentration of basic buffer component. On the basis of kinetic data obtained reaction mechanisms with common features for cyclization of all three compounds were suggested. The first, fast and reversible step involves cleavage of a protone from the substrate to give corresponding carbanion. Consequently, free electron pair attacks nitrogen atom on one of the ortho-nitro groups leading to cyclic intermediate In1. Then, the intermediate In1 is transformed to intermediate In2 by the action of basic component. In the last steps the intermediate In2 is protonated and after cleavage of OH ion product of cyclization is formed-derivative of benzo[d]-thiazole-3-oxide. The rate-limiting step for cyclization of compound 3 invloves diffuse separation of components of "encounter complex" composed of intermediate In1 and base. Kinetic behavior of compounds 7 and 13 in contrast to compound 3 is affected by the presence of fast pre-equilibrium reaction of the starting substrate. This makes possible exact determination of pKa value from kinetic data for compound 7 (10.23) and to assess pKa value of compound 13 (~ 8). The rate-limiting step for cyclization of compound 7 in methoxyacetate buffers involves splitting off of a protone from intermediate In1. In acetate, 2,4,6-trichlorophenoxide and N-methylmorpholine buffers the change in rate-limiting step gradually occurs - with increasing basicity of buffer is significantly accelerated cleavage of a protone from intermediate In1 and rate-limiting step involves general acid-catalyzed protonation of intermediate In2. In the case of compound 13 the rate-limiting step in methoxyacetate and acetate buffers involves cleavage of a C-H bond in intermediate In1 whereas in N-methyl-morpholine buffers the protonation of In2 is rate-determining.

Keywords

Mechanismus cyklizační reakce, benzo[d]thiazol-3-oxidy, kinetika, methyl-2, 6-dinitrofenylsulfanylethanoát, nitrofenylsulfanylethannitrily

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 10. 2008

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Date of defence: 16. 1. 2009
• Supervisor: prof. Ing. Vladimír Macháček, DrSc.

University of Pardubice

Faculty of Chemical Technology

Doctoral programme / field:
Organic Chemistry / Organic Chemistry