Synthesis of 2,3-Dihydrobenzo[B][1,4]Dioxins by the Hetero-Diels-Alder Reaction Based on 3,5-Di(tert-butyl)-6-nitro-1,2-benzoquinone

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

A sterically hindered o-quinone activated by a nitro group can act as an effective diene in the Diels-Alder reaction. The interaction of a twofold excess of 3,5-di-(tert-butyl)-6-nitro-1,2-benzoquinone in the reaction with arylamines in an isopropanol/methylethyl ketone medium (1 : 1) leads to the formation of derivatives ((2,3-dihydrobenzo[ b][1,4]dioxin-2-yl)oxy)-3-nitrophenols.

Full Text

Молекулярная структура орто-хинонов, включающая две карбонильные группы, фрагменты 1,2-ендиона и 3,5-диен-1-она, создает возможность нескольких направлений их реакций, включая: образование оснований Шиффа, присоединение типа Михаэля, а также реакции циклоприсоединения, и обеспечивает удобный доступ к получению разнообразных N,O-гетероциклических систем [1—3]. Введение в о-хиноновое кольцо мощной электроноакцепторной нитрогруппы в 6-нитро-3,5-ди-(трет-бутил)-1,2-бензохинон 1 приводит к резкому увеличению электрофильности соседнего углерода, позволяет преодолеть пространственные препятствия, создаваемые объемистыми трет-бутильными группами, и перенаправляет реакцию с аминами с пути образования основания Шиффа на путь 1,4-присоединения по Михаэлю [4, 5]. Другим примером специфической реакционной способности 1 является его реакция с ароматическими аминами и ацетоном, приводящая к образованию производных новой гетероциклической системы 1Н-циклопента[b]пиридин-4,5-диона (схема 1) [6].

 

Схема 1. Синтез 6-(трет-бутил)-2-метил-1-арил-1Н-циклопента[b]пиридин-4,5-дионов 2

 

Вероятный механизм реакции (подтвержден DFT/B3LYP/6-311++G(d,p) расчетами) включает предварительные стадии нуклеофильного присоединения амина к хинону 1 и последующие конденсацию c ацетоном, дегидратацию образовавшегося имина и циклизацию с отщеплением молекулы HNO2. Настоящая работа посвящена дальнейшему изучению этой реакции за счет расширения ассортимента используемых монокарбонильных компонентов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Однако оказалось, что при тех же относительно мягких условиях реакция с метилэтилкетоном, на первой стадии которой образуется соответствующий имин (изомеризующийся в его енаминовую таутомерную форму), развивается в направлении образования производных 2,3-дигидробензо[b][1, 4]диоксиновой системы 4 (схема 2). На своей основной стадии циклизации (4 +2) Дильса-Альдера этот механизм полностью аналогичен предложенному ранее для энантиоселективного органокаталитического арилоксилирования альдегидов о-хинонами [7]. В условиях реакции он дополняется спонтанным присоединением второй молекулы о-хинона.

 

Схема 2. Синтез дигидробензо[b][1, 4]диоксин-2-ил-окси-3-нитрофенолов 4

 

Строение соединений 4 (a–c) как производных системы [1, 4]диоксина было установлено с помощью ЯМР, ИК- и масс-спектроскопии и рентгеноструктурного анализа для соединения 4 (с) (рис. 1).

 

Рис. 1. Молекулярное строение соединений 4 (с)

 

В ЯМР 1Н спектре соединений 4 на 1.5–1.6 м.д. присутствовали синглетные трехпротонные сигналы метильных групп, встраиваемых в структуру гетероциклов из метилэтилкетона.

Конформация дигидродиоксинового кольца наиболее близка к полукреслу, как в ранее изученной структуре 2,3-дигидробензо[b][1, 4]диоксин-6-ила [8]. Атомы О1 и О2 незначительно и разнонаправленно отклоняются от плоскости фенильного фрагмента (–0.0042(18) A и 0.0287(18) A, соответственно). При этом атомы C15 и C17 располагаются на расстоянии 0.396(2) и –0.439 (2) Å по обе стороны от средней плоскости дигидробензодиоксинового кольца. Все длины связей и углы лежат в типичных диапазонах, встречающихся в органических структурах (рис. 2).

 

Рис. 2. Вид сбоку в двух проекциях диоксинового фрагмента 4 (с). Атомы водорода опущены для ясности

 

Основные длины связей и валентные углы для соединения 4 (с) приведены в табл. 1 и 2.

 

Таблица 1. Основные длины связей соединения 4 (с)

Связь

Длина, Å

Связь

Длина, Å

Cl1-C22

1.7444(15)

C5-C4

1.3874(18)

O3-C15

1.4107(14)

C5-C7

1.5385(18)

O3-C1

1.3940(14)

C26-C35

1.5428(18)

O2-C15

1.4430(13)

C26-C27

1.390(2)

O2-C30

1.3749(14)

C28-C27

1.398(2)

O1-C25

1.3734(15)

C28-C31

1.5422(19)

O1-C17

1.4608(15)

C20-C21

1.373(2)

O4-C6

1.3541(15)

C35-C37

1.508(13)

O7-N2

1.2205(16)

C35-C36

1.455(13)

N2-O8

1.2100(17)

C35-C38

1.560(13)

N2-C29

1.4726(16)

C35-C37A

1.530(5)

N1-C17

1.4256(17)

C35-C36A

1.559(5)

N1-C19

1.3911(16)

C35-C38A

1.521(5)

O5-N3

1.2187(19)

C7-C9

1.538(3)

N3-O6

1.2100(19)

C7-C8

1.532(2)

N3-C2

1.4722(17)

C7-C10

1.533(2)

C15-C17

1.5600(15)

C11-C14

1.504(4)

C15-C16

1.5081(17)

C11-C13

1.472(4)

C30-C25

1.3905(16)

C11-C12

1.534(5)

C30-C29

1.3886(17)

C11-C12A

1.469(7)

C1-C6

1.3903(16)

C11-C13A

1.560(9)

C1-C2

1.3944(16)

C11-C14A

1.426(8)

C25-C26

1.4031(18)

C21-C22

1.379(3)

C29-C28

1.3875(18)

C24-C23

1.392(2)

C6-C5

1.4040(17)

C22-C23

1.356(3)

C17-C18

1.5212(17)

C31-C33

1.524(5)

C2-C3

1.3852(18)

C31-C34

1.603(7)

C3-C4

1.3996(19)

C31-C32

1.501(5)

C3-C11

1.5479(17)

C31-C32A

1.670(13)

C19-C20

1.387(2)

C31-C33A

1.491(17)

C19-C24

1.395(2)

C31-C34A

1.354(11)

 

Таблица 2. Основные валентные углы соединения 4 (с)

Связь

Угол, град

Связь

Угол, град

C1-O3-C15

122.38(9)

O2-C15-C16

109.47(10)

C30-O2-C15

116.26(8)

C16-C15-C17

115.69(10)

C25-O1-C17

115.74(9)

O1-C17-C15

106.44(9)

O7-N2-C29

118.52(11)

O1-C17-C18

104.93(10)

O8-N2-O7

123.33(12)

N1-C17-O1

110.79(10)

O8-N2-C29

118.04(11)

N1-C17-C15

107.18(9)

C19-N1-C17

127.50(11)

N1-C17-C18

115.28(11)

O5-N3-C2

117.26(13)

C18-C17-C15

111.91(10)

O6-N3-O5

124.17(14)

O3-C15-C17

105.45(9)

O6-N3-C2

118.48(13)

O3-C15-C16

114.47(10)

O3-C15-O2

104.45(8)

O2-C15-C17

106.45(9)

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Все использованные реагенты и растворители являются коммерчески доступными (Aldrich) и использовались без дополнительной очистки. Полученные продукты были охарактеризованы 1Н и 13С ЯМР-, ИК-спектроскопией и элементным анализом. 1Н и 13С ЯМР спектры были зарегистрированы на спектрометре Bruker Avance (600 МГц) в растворе CDCl3. ИК спектры зарегистрированы на спектрометре Varian Excalibur 3100 FTIR. Рентгеноструктурные данные соединения 4 (c) получены на автоматизированном дифрактометре (Agilent SuperNova) с использованием стандартной процедуры. Структура расшифрована прямым методом и уточнена МНК в анизотропном полноматричном приближении для неводородных атомов. Координаты атомов и другие параметры структуры 4 (с) депонированы в Кембриджском банке структурных данных (CCDC 2236129; deposit@ccdc.cam.ac.uk или http:// www.ccdc.cam.ac.uk/data_request/cif).

Общая методика получения 4 (a–c). К раствору анилина (1,0 ммоль) в изопропанол/метилэтилкетоне (1 : 1, 30 мл) добавляли 3,5-ди-(трет-бутил)-6-нитро-1,2-бензохинона 1 (530 мг, 2,0 ммоль). Реакционную смесь перемешивали при температуре кипения с обратным холодильником в течение 8 часов. Неочищенную реакционную смесь перекристаллизовали из ацетона.

4,6-ди-трет-бутил-2-((5,7-ди-трет-бутил-2,3-диметил-8-нитро-3-(p-толиламино)-2,3-дигидробензо[b][1, 4]диоксин-2-ил)окси)-3-нитрофенол 4 (a)

Бесцветное твердое вещество (70%); Т.пл. 150-152°C. ИК спектр, ν, см–1: 3487, 3409, 2959, 2913, 2871, 1616, 1531, 1483, 1409, 1364, 1301, 983. Спектр ЯМР 1Н, δ, м.д.: 1.31 с (9H), 1.34 с (18H), 1.43 с (9H), 1.53 с (3H), 1.57 с (3H), 2.29 с (3H), 4.53 с (1H), 6.99 д (J 8.2 Гц, 2H), 7.06 д (J 8.1 Гц, 2H), 7.09 с (1H), 7.25 с (1H), 7.35 с (1H). Спектр ЯМР 13С, δ, м.д.: 17.49, 18.78, 20.71, 29.19, 29.25, 29.38, 29.58, 30.87, 30.89, 30.39, 35.45, 35.52, 35.66, 35.79, 89.49, 105.72, 119.38, 122.76, 124.38, 129.36, 130.66,132.00, 132.57, 132.98, 138.42, 138.80, 139.26, 139.51, 139.95, 143.47, 146.67. HRMS (ESI) m/z: [M + Na]+ Вычислено для C39H53N3O8Na 714.3725; Найдено 714.3721.

4,6-ди-трет-бутил-2-((5,7-ди-трет-бутил-2,3-диметил-8-нитро-3-(m-толиламино)-2,3-дигидробензо[b][1, 4]диоксин-2-ил)окси)-3-нитрофенол 4 (b)

Бесцветное твердое вещество (55%); Т.пл. 135-140°C. Бесцветное твердое вещество (55%); Т.пл. 135–140°C. ИК спектр, ν, см–1: 3502, 3420, 2955, 2912, 2871, 1613, 1529, 1482, 1407, 1366, 1297, 980. Спектр ЯМР 1Н, δ, м.д.: 1.32 с (9H), 1.34 с (9H), 1.36 с (9H), 1.44 с (9H), 1.55 с (3H), 1.60 с (3H), 2.29 с (3H), 4.61 с (1H), 6.82 д (J 7.5 Гц, 1H), 6.87 д (J 7.9 Гц, 1H), 6.90 с (1H), 7.09 с (1H), 7.12 т (J 7.7 Гц, 1H), 7.26 с (1H), 7.32 с (1H). Спектр ЯМР 13С, δ, м.д.: 17.21, 18.63, 21.29, 29.17, 29.22, 29.34, 29.63, 30.84, 30.87, 30.94, 35.44, 35.54, 35.63, 35.78, 89.12, 105.80, 119.46, 120.13, 122.87, 123.58, 123.89, 128.58, 130.63, 131.87, 132.10, 132.60,138.15, 138.59, 138.78, 139.54, 139.92, 141.99 143.45, 146.67. HRMS (ESI) m/z: [M + Na]+ Вычислено для C39H53N3O8Na 714.3725; Найдено 714.3718.

4,6-ди-трет-бутил-2-((5,7-ди-трет-бутил-3-((4-хлорфенил)амино)-2,3-диметил-8-нитро-2,3-дигидробензо[b][1, 4]диоксин-2-ил)окси)-3-нитрофнол 4 (c)

Бесцветное твердое вещество (46%); Т.пл. 145–148°C. ИК спектр, ν, см–1: 3482, 3402, 2960, 2911, 2871, 1598, 1528, 1493, 1407, 1364, 1298, 983. Спектр ЯМР 1Н, δ, м.д.: 1.31 с (9H), 1.33 с (18H), 1.43 с (9H), 1.55 с (3H), 1.58 с (3H), 4.67 с (1H), 7.01 д (J 8.5 Гц, 2H), 7.10 с (1H), 7.19 с (1H), 7.21 д (J 8.5 Гц, 2H), 7.26 с (1H). Спектр ЯМР 13С, δ, м.д.: 17.24, 18.79, 29.24, 29.42, 29.63, 30.84, 30.88, 30.94, 35.47, 35.55, 35.68, 35.82, 88.98, 105.63, 119.63, 122.95, 124.57, 128.31, 128.83, 130.78, 131.83, 131.96, 132.85, 138.07, 138.82, 139.72, 139.98, 140.81, 143.37, 146.52. HRMS (ESI) m/z: [M + Na]+ Вычислено для C38H50ClN3O8Na 734.3179; Найдено 734.3170.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В реакции, представленной на схеме 2, 6-нитро-3,5-ди-(трет-бутил)-о-бензохинон ведет себя как гетеродиен. Потенциально о-хиноны могут выступать в реакциях (4 + 2) Дильса-Альдера в качестве диенофилов и диенов. В то время как диенофильная активность о-хинонов была изучена достаточно полно [9–10], примеры реакций, в которых о-хиноны функционируют как карбо- [11] или гетеродиены [7, 12], редки.

ФОНДОВАЯ ПОДДЕРЖКА

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 19-13-00022, https://rscf.ru/project/19-13-00022/).

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

×

About the authors

E. P. Ivakhnenko

Southern Federal University

Author for correspondence.
Email: ivakhnenko@sfedu.ru
ORCID iD: 0000-0003-0338-6466
Russian Federation, Rostov-on-Don

V. I. Malay

North Caucasus Federal University

Email: malay@sfedu.ru
ORCID iD: 0000-0002-5302-743X
Russian Federation, Stavropol

O. P. Demidov

North Caucasus Federal University

Email: ivakhnenko@sfedu.ru
ORCID iD: 0000-0002-3586-0487
Russian Federation, Stavropol

N. I. Merezhko

Southern Federal University

Email: ivakhnenko@sfedu.ru
ORCID iD: 0009-0000-2672-4072
Russian Federation, Rostov-on-Don

S. E. Kislitsin

Southern Federal University

Email: ivakhnenko@sfedu.ru
ORCID iD: 0009-0007-0873-696X
Russian Federation, Rostov-on-Don

V. I. Minkin

Southern Federal University

Email: ivakhnenko@sfedu.ru
ORCID iD: 0000-0001-6096-503X
Russian Federation, Rostov-on-Don

References

  1. Abakumov G.A., Druzhkov N.O., Kurskii Yu.A., Abakumova L.G., Shavyrin F.S., Fukin G.A. Russ Chem Bull., 2005, 54, 2571–2577. doi: 10.1007/s11172-0157-7
  2. Vasu D., Leich J.A., Dixon D.J. Tetrahedron, 2019, 75, 50, 130726. doi: 10.1016/j.tet.2019.130726
  3. Nicolas Y., Allama F., Lepeltier M., Massin J., Castet F., Ducasse L., Hirsch I., Boubegtiten Z., Jonusauskas G., Olivier C., Toupance T.. Chem Eur J. 2014, 20, 3678–88. doi 10.1002/ chem.201303775
  4. Ivakhnenko E., Malay V., Romanenko G., Demidov O., Knyazev P., Starikov A., Minkin V. Tetrahedron 2021, 79, 131841. doi: 10.1016/j.tet.2020.131841
  5. Ивахненко Е.П., Малай В.И., Демидов О.П., Минкин В.И. ЖОрХ. 2023, 59, 8, 1032–1040. doi: 10.31857/S0514749223080049
  6. Ivakhnenko E., Malay V., Demidov O., Starikov A., Min-kin V. Tetrahedron 2022, 103, 132575. doi: 10.1016/j.tet.2021.132575
  7. Hernandez-Juan F.A., Cockfield D.M., Dixon D.J. Tetrahedron Lett. 2007, 48, 1605-1608. doi: 10.1016/j/tetlet.2006.12.140
  8. Richard A.S. , Murthy S.M., Basavaraju Y.B., Yathirajan H.S., Parkin S., Van Meervelt L. Acta Crystallographica, E. Cryst. Com. 2023, 79, 674-677. doi: 10.1107/S2056989023005613
  9. Mazza S., Danishefsky S., McCurry P. J. Org. Chem. 1976, 39, 3610–3611. doi: 10.1021/jo00938a043.
  10. Charini R., Fang C., Herrington D., Higgs K., Rodrigo R., Taylor N. Aust. J. Chem. 1997, 50, 271–278. doi. 10.1071/C96099
  11. Escorihuela J., Looijen W., Wang X., Aquino A., Lischka H., Zuilhof H. J. Org. Chem. 2020, 85, 13557–13566. doi: 10.1021/acs.joc.0c01674
  12. Bekele T., Shah M. H., Wolfer J., Abraham C. J., Weatherwax A, Lectka T. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 1810–1811. doi: 10.1021/ja058077g

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Scheme 1. Synthesis of 6-(tert-butyl)-2-methyl-1-aryl-1H-cyclopenta[b]pyridine-4,5-diones 2

Download (35KB)
Indexing metadata
3. Scheme 2. Synthesis of dihydrobenzo[b][1,4]dioxin-2-yl-oxy-3-nitrophenols 4

Download (80KB)
Indexing metadata
4. Fig. 1. Molecular structure of compounds 4 (c)

Download (110KB)
Indexing metadata
5. Fig. 2. Side view in two projections of dioxin fragment 4 (c). Hydrogen atoms are omitted for clarity

Download (103KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).