Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,653

КИСЛОТНОСТЬ ПЕРЗАМЕЩЕННЫХ ПАРА-НИТРОЗОФЕНОЛОВ, СОДЕРЖАЩИХ ПИРИДИНОВЫЙ ЗАМЕСТИТЕЛЬ

Кукушкин А.А. 2 Привалихина А.П. 2 Роот Е.В. 2, 1 Слащинин Д.Г. 2 Субоч Г.А. 2 Товбис М.С. 2
1 Красноярский государственный медицинский университет им. проф. В.Ф. Войно-Ясенецкого
2 Сибирский государственный аэрокосмический университет им. академика М.Ф. Решетнева
Существует ряд полностью замещенных нитрозофенолов со сложноэфирными группами и метильными заместителями в кольце, для которых известны константы кислотности, значения которых составляют 5,33–5,64. В настоящей работе впервые определены значения рКа для недавно синтезированных нитрозофенолов, содержащих одновременно алкоксикарбонильные группы и пиридиновый заместитель в ароматическом ядре. Исследование проводилось спектрофотометрическим методом при температуре 25 °С в цитратных буферных растворах. Зависимость изменения кислотности при увеличении алкильного заместителя сложноэфирной группы, показанная для нитрозофенолов с метильными групами в кольце, сохраняется для нитрозофенолов с пиридиновым фрагментом. Установлено, что введение пиридинового заместителя повышает кислотность примерно на порядок в сравнении с известными перзамещенными нитрозофенолами. Такое увеличение кислотности хорошо объясняется проявлением отрицательного мезомерного эффекта атома азота, которое возможно при условии копланарности пиридинового и бензольного колец.
константа кислотности
перзамещенный нитрозофенол
пиридиновый заместитель
спектрофотометрия
1. Альберт А., Сержент Е. Константы ионизации кислот и оснований. – М.: Химия, 1964. – 180 с.
2. Кукушкин А.А., Кулумаева Е.В., Кондрасенко А.А., Роот Е.В. Субоч Г.А., Товбис М.С. Получение новых перзамещенных нитрозофенолов с пиридиновым заместителем // ЖОрХ. – 2016. – Т. 52, № 8. – С. 1219–1221.
3. Кукушкин А.А., Слащинин Д.Г., Товбис М.С. / Кислотность новых перзамещенных п-нитрозофенолов // ЖОрХ. – 2011. – Т. 47, № 9. – С. 1406.
4. Показатели констант кислотности веществ [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://chemister.ru/Database/Tables/pKa.php?pageNum=4 (дата обращения: 28.04.17).
5. Швабе К. Основы техники измерения рН. – М.: Издатинлит, 1962. – 472 с.
6. Beaudoin D., Wuest J.D. Dimerization of Aromatic C-Nitroso Compounds // Chem. Rev. – 2016. – № 116(1). – Р. 258–286.
7. Eiden F. 5-Aminoacetamido-4,6-dimethyl-2-hydroxy-isophtalic acid diethyl ester: synthesis investigation of antiarrhythmic properties [Text] / H.P. Leister, D. Mayer // Arzneimittel-Forschung. – 1983. – № 33. – Р. 101–105.
8. Nanjing Chemlin Chemical Industry Co., Ltd. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.chembuyersguide.com/partners/chemlin2-115.html (дата обращения: 10.03.17).
9. Özhan S., Pirinççioğlu N. Theoretical study of the effects of polar substitution on the activation barriers for internal rotation around the C-N bond in p-substituted nitrosobenzenes: Comparison of DFT and MP2 calculations // Turk. J. Chem. – 2010. – № 34. – Р. 399−410.
10. Slaschinin D.G., Alemasov Yu.A., Tovbis M.S., KirikS.D. X-Ray diffraction and spectroscopic verification of dimerization in hexasubstituted para-nitrosophenols // Journal of Molecular Structure. – 2011. – Vol. 985. – P. 184–190.

Известны перзамещенные пара-нитрозофенолы, содержащие сложноэфирные группы в орто-положениях по отношению к гидроксилу [10]:

kuk1.wmf

Их получают методом циклоконденсации изонитрозо-β-дикарбонильных соединений с эфирами ацетондикарбоновой кислоты в щелочных средах.

С помощью метода РСА в порошке было строго доказано, что эти соединения, в отличие от всех известных нитрозофенолов, димеризованы по типу азодиоксидов [6]. Строение димера, выясненное с помощью метода РСА в порошке для перзамещенного нитрозофенола [10], приведено на рис. 1.

Такие перзамещенные нитрозофенолы позволяют с помощью гидрирования легко получать соответствующие гексазамещенные аминофенолы [7], которые являются основой для синтеза современных противоаритмических препаратов [9]. Эти препараты получаются модификацией перзамещенных пара-аминофенолов и представляют собой диалкил 5-[(N,N-диэтилглицил)амино]-2-гидрокси-4,6-диметилизофталаты.

kuk2.tif

Рис. 1. Молекула 2,6-диэтоксикарбонил-3,5-диметил-4-нитрозофенола. Пунктирной линией показаны направления внутримолекулярных водородных связей

Ранее были изучены кислотные свойства перзамещенных нитрозофенолов. В работе [4] впервые определили рКа 6,35 для незамещенного 4-нитрозофенола, а позднее были найдены значения рКа для перзамещенных нитрозофенолов, отличающихся строением алкильных групп сложноэфирных заместителей. В работе [3] для пара-нитрозофенолов с R1 = CH3 приведены R (рКа) (табл. 1).

Таблица 1

Величины рКа диметилзамещенных нитрозофенолов

рКа

R

5,33 ± 0,01

CH3-

5,35 ± 0,04

CH3CH2-

5,35 ± 0,03

(CH3)2CH-

5,38 ± 0,04

СН3СН2СН2СН2-

5,58 ± 0,03

(СН3)2 СН2СН2-

5,42 ± 0,03

СН3СН2СН2СН2СН2-

5,64 ± 0,06

(СН3) 2СН2СН2СН2-

 

Судя по приведенным экспериментальным данным, величина констант кислотности перзамещенных пара-нитрозофенолов почти не зависела от алкильных заместителей сложноэфирных групп. Количественной зависимости величины рКа от природы алкильного заместителя сложноэфирной группы авторам [3] выявить не удалось, хотя имелась тенденция к некоторому увеличению рКа с ростом алкильного заместителя сложноэфирной группы.

Недавно нами синтезированы полностью замещенные нитрозофенолы с пиридиновыми заместителями в ароматическом ядре [2], свойства которых пока малоизучены, где R1 = α-пиридил, β-пиридил либо γ-пиридил. Удалось лишь установить, что перзамещенные нитрозофенолы димеризованы в твердом состоянии, как и другие нитрозосоединения [8], в органических растворителях существует равновесие между димерной и мономерной формами. Кроме того, в мономерной форме наблюдаются 2 таутомера: нитрозофенольный и пара-бензохинонмонооксимный.

kuk3.wmf

В то же время никаких данных о константах кислотности перзамещенных нитрозофенолов с пиридиновым остатком до сих пор не имеется, хотя кислотность относится к фундаментальным свойствам органических соединений.

Цель исследования

Определение константы кислотности полностью замещенных нитрозофенолов, содержащих пиридиновый заместитель. Установление зависимости кислотных свойств от строения пиридинового остатка.

Материалы и методы исследования

Определение рКа проводили спектрофотометрическим методом [1] при температуре 25 ± 0,1 °С, в цитратных буферных растворах [5]. УФ-спектры записывали на спектрофотометре HELIOS OMEGA в 0,1 н водной соляной кислоте либо в 0,1 н водном растворе едкого калия. Взвешивание образцов производилось на весах Sartorius CP2P (Германия).

Результаты исследования и их обсуждение

Спектрофотометрический метод оказался удобным для определения рКа, нитрозофенолов, т.к. спектры этих соединений и их анионов существенно отличаются и не накладываются друг на друга (рис. 2): если недиссоциированная форма нитрозофенолов поглощает в области 315 нм, то максимум поглощения нитрозофенолят-ионов смещается в область 400 нм. В качестве аналитической длины волны для определения рКа была выбрана λmах = 400 нм.

В ходе эксперимента получали значения ионизационного отношения I, представляющие собой отношения концентрации нитрозофенолят-иона к концентрации недиссоциированной формы в зависимости от величин рН растворов. После этого рассчитывали значения логарифмов ионизационного отношения при каждом значении рН буферных растворов, не менее 7–8, так, чтобы они перекрывали область, в которой нитрозофенолы ионизированы наполовину.

На графике для двух пиридилзамещенных нитрозофенолов приведены зависимости логарифмов I от рН (рис. 3). Видно, что зависимости оказались практически линейными, с тангенсом угла наклона прямой, близким к единице. Следовательно, мы наблюдаем именно процесс ионизации молекул, т.к. этот процесс описывается уравнением

lgI = pH – pKa.

По результатам измерений рассчитали средние значения констант кислотности. Расчеты проводили следующим образом: полученные экспериментальные значения pKa потенцировали, получая значения констант кислотности, затем находили средние значения Ka, взяв отрицательный логарифм которых получали средние значения pKa. Эти значения приведены с вычисленными ошибками [1] в табл. 2.

Анализ значений рКа подтверждает вывод авторов [3] о том, что замена метильного радикала сложноэфирной группы на этильный ведет к небольшому уменьшению кислотности нитрозофенолов.

Таблица 2

Величины рКа пиридилзамещенных нитрозофенолов

рКа

R

R1

4,10 ± 0,03

CH3-

γ-пиридил

4,24 ± 0,03

CH2CH3-

γ-пиридил

4,42 ± 0,05

СН3-

β-пиридил

4,62 ± 0,04

СН2СН3-

β-пиридил

4,35 ± 0,04

СН3-

α-пиридил

4,45 ± 0,04

СН2СН3-

α-пиридил

 

Важно, что при сравнении полученных нами значений с рКа перзамещенных нитрозофенолов [3], табл. 1, обнаруживается существенное повышение констант кислотности для нитрозофенолов с пиридиновыми заместителями, даже более чем на порядок. Это, вероятно, объясняется электроноакцепторными свойствами пиридинового ядра.

kuk4.tif

Рис. 2. Спектры 2,6-ди(метоксикарбонил)-3-метил-5-пиридин-4-ил-4-нитрозофенола в 0,1н HCl (1) и 0,1н KOH (2). D – оптическая плотность растворов

kuk5.tif

Рис. 3. Зависимость lg I от pH буферного раствора для 2,6-ди(метоксикарбонил)-3-метил-5-пиридин-4-ил-4-нитрозофенола (1) и ди(этоксикарбонил)-3-метил-5-пиридин-4-ил-4-нитрозофенола (2)

Если связывать наблюдаемое увеличение кислотности исключительно с электроотрицательностью атома азота пиридинового цикла, то наибольшая кислотность должна быть у нитрозофенолов с α-пиридиновым заместителем, затем с β-пиридиновым и наименьшую кислотность должны показывать нитрозофенолы с γ-пиридиновым остатком, т.к. индуктивный эффект затухает при увеличении числа связей.

Однако, как видно из данных табл. 2, кислотность снижается в ряду: пара-нитрозофенолов с γ-пиридиновыми заместителями > пара-нитрозофенолов с α-пиридиновыми заместителями > пара-нитрозофенолов с β-пиридиновыми заместителями. Такой характер влияния пиридиновых заместителей можно объяснить копланарным расположением бензольного и пиридинового колец в изучаемых соединениях. При этом атом азота пиридинового цикла способен влиять на реакционный центр, т.е. на фенольный гидроксил, за счет отрицательного мезомерного эффекта, передающегося по сопряженным π-связям ароматических циклов, лежащих в одной плоскости.

Данное предположение косвенно подтверждается и тем, что максимум поглощения пара-нитрозофенолят-ионов с пиридиновыми заместителями в электронных спектрах сдвинут примерно на 10 нм в длинноволновую область по сравнению с анионами нитрозофенолов без пиридиновых заместителей (400 нм и 390 нм соответственно). Такой батохромный сдвиг может быть объяснен сопряжением бензольного и пиридинового циклов при условии их копланарного расположения. Следовательно, и увеличение кислотности перзамещенных нитрозофенолов в ряду β-пиридиновый, α-пиридиновый и γ-пиридиновый заместитель, и изменение в электронных спектрах нитрозофенолов согласованно подтверждает плоскостное расположение системы пиридинового и фенольного колец

.Экспериментальная часть. Определение рКа для перзамещенных пара-нитрозофенолов проводили спектрофотометрическим методом при температуре 25 ± 0,1 °С, в цитратных буферных растворах. Оптическую плотность растворов нитрозофенолов определяли на спектрофотометре HELIOS OMEGA в кварцевых кюветах 1 см в интервале длин волн от 320 до 510 нм.

Для этого изначально готовили спиртовый раствор веществ в мерной колбе объемом V = 25 мл. Брали навеску расчетной массы, помещали в колбу № 1 (V = 25 мл), доводили до метки этиловым спиртом. Затем аликвоту в объеме V = 1 мл полученного спиртового раствора переносили в колбу № 2 (V = 50 мл) и доводили до метки 0,1 н раствором NaOH. Аналогично аликвоту 1 мл спиртового раствора гексазамещенных нитрозофенолов переносили в колбу № 3 (V = 50 мл) и доводили до метки 0,1 Н раствором НС1

Измеряли оптическую плотность полученных растворов на спектрофотометре и строили график зависимости оптической плотности (D) от длины волны (λ). Определяли аналитическую длину волны для каждого нитрозофенола. Затем готовили буферные растворы с различным значением рН.

При определении рКа гексазамещенных пара-нитрозофенолов использовали цитратные буферные растворы. Для этого готовили 7 буферных растворов по 250 мл с различным значением рН. После проверки правильности показаний рН-метра определяли рН всех приготовленных буферных растворов. Затем в каждый из буферных растворов добавляется по 1 мл приготовленного спиртового раствора полностью замещенного пара-нитрозофенола.

Для этого снова брали навеску вещества и доводили до метки этиловым спиртом в 25 мл колбе. Брали аликвоту по 1 мл и переносили в 7 колб по 50 мл и доводили до метки каждую разными буферными растворами, а в 2 колбы по 50 мл переносили аликвоты, но доводили их до метки 0,1 н раствором кислоты и 0,1 н раствором щелочи. При длине волны, на которой наблюдалась максимальная оптическая плотность перзамещенного нитрозофенола в 0,1 н растворе NаОН (λ = 400 нм), определяли значение оптической плотности полученных растворов

Вывод

1. Впервые получены значения констант кислотности шести перзамещенных пара-нитрозофенолов, содержащих пиридиновые заместители в бензольном кольце

2. Установлено, что введение пиридиновых заместителей в молекулу нитрозофенола вызывает увеличение кислотности более чем на порядок

3. Наблюдаемое увеличение кислотности может быть объяснено копланарным расположением бензольного и пиридинового циклов, при котором акцепторное действие атома азота передается по сопряженной системе π-связей. Это подтверждается и батохромным сдвигом максимума поглощения нитрозофенолят-ионов с пиридиновыми заместителями.


Библиографическая ссылка

Кукушкин А.А., Привалихина А.П., Роот Е.В., Слащинин Д.Г., Субоч Г.А., Товбис М.С. КИСЛОТНОСТЬ ПЕРЗАМЕЩЕННЫХ ПАРА-НИТРОЗОФЕНОЛОВ, СОДЕРЖАЩИХ ПИРИДИНОВЫЙ ЗАМЕСТИТЕЛЬ // Успехи современного естествознания. – 2017. – № 6. – С. 18-22;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36492 (дата обращения: 19.07.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252