Травень В.Ф. - Органическая химия. В 3 т. Т. 3

4,4'-бис(диметиламино)бензофенон

N,N-диметил- анилин

23.4.4. Реакции аминов с азотистой кислотой

Ароматические амины

При взаимодействии первичных ароматических аминов с азотистой кислотой образуются устойчивые соли диазония, которые нашли широкое синтетическое применение (см. гл. 24). Фактическим реагентом при этом взаимодействии является смесь соляной (или серной) кислоты и нитрита натрия:

CH3

п-толуолдиазоний- хлорид

Реакцию получения ароматических солей диазония называют диазотированием. Впервые эту реакцию провел П. Грисс в 1858 г.

Вторичные амины при взаимодействии с азотистой кислотой образуют N-нитрозоамины (нитрозамины):

Согласно предложенному механизму реакции, нитрозирующим агентом выступает нитрозилхлорид:

Третичные амины ароматического ряда реагируют с азотистой кислотой, но реакция нитрозирования идет не по аминогруппе, а в ароматическое ядро как электрофильное ароматическое замещение. В качестве продукта образуется С-нитрозосоединение:

Алкиламины

При подкислении водного раствора нитрита натрия образуется ряд частиц, которые могут выполнять роль нитрозирующего агента. Среди этих частиц наиболее активным электрофилом является нитрозил-катион, в заметной концентрации образующийся в концентрированной серной кислоте:

H2SO4

H O N O –HSO4 H O N O –H2ON O + HSO4

H

Наиболее простые превращения при взаимодействии с нитрозирующим агентом претерпевают вторичные амины:

R2N + NO R2N N O R2N NO

–H

H H

N-Нитрозоамины образуются по этой реакции с выходом до 90%.

Нитрозоамины встречаются в окружающей среде. Следует отметить, что эти соединения весьма токсичны и могут являться причиной онкологических заболеваний.

Более сложно протекает нитрозирование первичных аминов. Реакция сопровождается образованием алкандиазониевого иона в качестве промежуточной частицы:

R NH2 NaNO2, H R N N R NN

Алкандиазоний-ионы неустойчивы. Поэтому первичные амины алифатического ряда реагируют с азотистой кислотой с выделением азота, образованием спиртов, а также значительного количества алкенов и продуктов изомеризации.

Реакция диазотирования первичных алифатических аминов препаративного значения не имеет. Однако механизм реакции диазотирования алкиламинов представляет несомненный интерес.

Стадия 1 — образование азотистой кислоты: NaNO2 + HCl → HNO2 + NaCl

Стадия 2 — образование нитрозилхлорида:

→

HNO2 + HCl ← NOCl + H2O

Стадия 3 — получение N-нитрозоамина и его превращение до алкилдиазонийиона:

H

Стадия 4 — распад алкандиазоний-иона: RNN R + N2

Образующийся при разложении диазоний-иона карбокатион стабилизируется далее различными путями: выбросом протона, перегруппировкой или взаимодействием с нуклеофильным агентом, например с водой:

23.5.СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

ИК-спектры. Характеристическое поглощение аминов в ИК-спектрах связано с валентными колебаниями N–H. Первичные алкил- и ариламины обнаруживают два перекрывающихся пика в области от 3000 до 3500 см–1, что соответствует симметричным и антисимметричным колебаниям N–H.

В ИК-спектре бутиламина, например, эти пики наблюдаются при 3270 и 3380 см–1. В ИК-спектрах вторичных аминов в той же области наблюдается

лишь одиночный сигнал.

ЯМР-спектры. В спектрах ПМР аминов сигналы NH-протонов наблюдаются в несколько более сильном поле (~1,5 м. д.) по сравнению с сигналами

дигидронафталина, а реакции нуклеофильного замещения и раскрытия оксиранового цикла сведены к минимуму:

O O

ДБН

1,2-эпокси- Br 1,2-дигидро-

1,2-эпокси-4-бромтетра- нафталин гидронафталин

Как видим, в этой реакции бициклический амин проявляет только основные свойства и не «работает» как нуклеофил.

Аналогичная ситуация наблюдается и во второй реакции — применение ДИЭА в качестве основания позволяет провести с метиловым эфиром 2-бромметил-3-бромпропановой кислоты только реакцию элиминирования и превратить его в метиловый эфир 2-бромметилакриловой кислоты:

Этот пример заслуживает особого внимания, поскольку образующийся продукт является бромидом аллильного типа и отличается исключительной активностью в реакциях SN2.

Вместе с тем, известны примеры пространственных затруднений и в реакциях протонирования аминов. Особенности пространственного строения некоторых аминов таковы, что создают препятствия подходу к НЭП атома азота даже для такой малой частицы, как протон. В частности, по мере увеличения размеров бициклического алифатического амина аминный фрагмент приобретает возможность перехода в эндо-пирамидальную конформацию. В такой конформации находится, например, амин А (6Н-1- азабицикло[4,4,4]тетрадекан) [1, 2]:

H N

A

Этот амин обладает очень низкой основностью. Значение рКа его сопряженной кислоты оценивается величиной +0,6. Полагают, что и в растворе,

и в газовой фазе амин А может протонироваться только с «внешней» стороны. Такое предположение подтверждается тем фактом, что энергия инверсии этого амина оценивается величиной 71,2 кДж/моль (17 ккал/моль), практически совпадающей со снижением сродства этого амина к протону по сравнению с трибутиламином.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ!

Сродство к протону АН(В) измеряется в газовой фазе как энергия гетеролитической диссоциации сопряженной кислоты

Величина сродства к протону, таким образом, не зависит от сольватационных эффектов.

Интересные особенности протонирования и нуклеофильности имеют бициклические амины — аналоги амина А, в которых n-орбиталь атома азота может перекрываться через пространство с n-орбиталью второго N- атома, π-орбиталью С=С-связи или карбонильной группы [3]. Оказалось, например, что в низкоэнергетической области фотоэлектронного спектра 1-азабицикло[4,4,4]тетрадец-5-ена (амин Б), так же как и в спектрах аналогичных бициклических диаминов, имеются две полосы ионизации, что соответствует эффективному взаимодействию через пространство НЭП атома азота и π(С=С)-орбитали.

N

Б

Показанная ниже диаграмма иллюстрирует указанное взаимодействие.

8,60, (n + π)

Методом молекулярной механики была рассчитана структура амина Б: конформация с «внешней» ориентацией НЭП атома азота оказалась почти на 41 кДж/моль менее устойчивой, чем конформация с «внутренней» ориентацией, благоприятной для перекрывания n(N)- и π(С=С)-орбиталей. Неэмпирическими квантово-химическими расчетами было показано, что указанные орбитали перекрываются, причем энергия такого взаимодействия достигает 0,64 эВ.

Важно отметить, что не только электронные уровни, но и химическое поведение амина Б определяется трансаннулярным взаимодействием НЭП азота и π(С=С)-орбитали. По существу, это соединение ведет себя как енамин. Оно легче окисляется, чем его насыщенный аналог — амин А, а при протонировании легко образует катион В (даже этанол оказывается для амина А слишком сильной кислотой). Будучи растворен в этом растворителе, Б уже через 9 мин при 25 °С полностью превращается в катион В:

Подробное изучение структурных особенностей бициклических аминов А и Б обусловлено тем, что их фрагменты находятся в составе многих алкалоидов, отличающихся высокой биологической активностью и известных как сильные лекарственные средства (атропин, кокаин, хинин, морфин, кодеин и др.). Например, совершенно аналогично амину Б, N-метилтетра- гидроберберин протонируется в этаноле с образованием соответствующего катиона: время полупревращения составляет 2 мин [4].

О

Me

О N

OMe

OMe

N-метилтетрагидроберберин

Наличие трансаннулярной связи между N-атомом и С-атомом карбонильной группы в молекуле алкалоида Г доказывается данными ИК-спек- тра: значение частоты валентных колебаний С=О-группы, равное 1675 см–1, соответствует карбонильной группе амида, а не арилкетона (1693 см–1). При

200 Для углубленного изучения

протонировании алкалоида Г полоса валентных колебаний С=О исчезает вовсе, что соответствует образованию структуры Д:

Методом рентгеноструктурного анализа установлено, что НЭП атома азота в молекулах алкалоидов группы тетрагидроберберина направлена внутрь цикла, а атомы азота и углерода сближены. Ниже указаны длины трансаннулярных связей между N и С(О) в некоторых алкалоидах по данным рентгеноструктурного анализа [4, 5].

Данные о длинах связей между N и С(О) в обсуждаемых алкалоидах оказались интересны тем, что на их основе был составлен пространственный