Wasserstoff-isotopen austauschreaktionen nichtbenzoider aromaten—VII

Tnrehrdron.

Vol. 27. pp. 4171 to 4178.

Pcr~on

F-rem 1971.

P&ted

in Great Britain

WASSERSTOFF-ISOTOPENAUSTAUSCHREAKTIONEN NICHTBENZOIDER AROMATEN-VII* QUANTITATIVE REAKTIVITATSMESSUNGEN AN EINIGEN BICYCLISCHEN lo-rc-ELEKTRONENVERBINDUNGEN W. ENCEWALD, M. M~~HLSTADT und C. Sektion Chemie der Karl-Marx-Universitt

WEISS

Leipzig, DDR

(Receivedin Germuny 4 Muy 1971: Received in the UK.for pubiicution 13 Muy I97 I) Zig-Die H-~A~tau~hge~hwindigkeiten einiger iso-x-elektronischer Analoga des lndolizins sowie ihrer Methylderivate werden im System D,O,/Dioxan bei 50” gemessen. Die kinetischen Daten gehorchen streng dem Brijnstedschen Katalysegesetz und werden mit den Ergebnissen von HMOund SCF-Rechnungen verghchen. Absbnet-The hydrogen deuterinm exchange rates have been measured with D,O/Dioxane at 50” for some n-isoelectronic compounds of indolizine and their methyl derivatives. The kinetic data follow the BriSnsted catalysis law and are discussed with reference to the results of HMO and PPP calculations.

IN DER vorangegangenen Arbeit’ hatten wir festgestellt, dass die mit Hilfe des elektrophilen Deuteriumaustausches ermittelte Reaktivitatssequenz der nicht~eich~rechti~en Positionen des Indolizins I zwar quantitativ mit der Reihenfolge der SCF-n-Elektronendichten iibereinstimmt. dass aber die Atomlokalisierungsenergien zu vollkommen falschen Voraussagen tihren. Es ergab sich die Frage. ob das Versagen der Lokalisierungsenergie auf die Vemachlassigung der in der nNliherung nicht beriicksichtigten binderungen der a-Energien und nichtbindenden Wechselwirkungen zuriickzufiihren is&-die beobachtete Korrelation mit den EIektronendichten ware dann nur zufallig-oder ob der der Lokalisierungsenergie zugrunde liegende a-Komplex’ ein grunddtzlich ungeeignetes Model1 fur den ubergangszustand der Austauschreaktion darstellt. In diesem Falle ware ein “friiher” ubergangszustand im Brownschenj Sinne mit der n-Elektroncndichte als Reaktivitltsindex denkbar. Urn dieses Problem einer Liisung naher zu bringen. sind experimentelle und quantenchemische Reaktivitiitsdaten von Verbindimgen interessant. in denen die genannten Faktoren weitgehend konstant sind, d. h. deren Geometrien sowohl im Grund- als such im ubergangszustand sich miiglichst wenig von der des Indoiizins unterscheiden. Als Objekte fiir solche Studien wiiren die Indolizin-Isomeren II his V besonders geeignet. Die Pseudoazulene IV und V sind bisher jedoch nur in I&sung nachgewiesen worden bzw. sehr unbestlndig.“6 Da ausserdem das isoindol IIIa in L&sung mit dem 1-H-Tautomeren im Gleichgewicht steht.’ sind ftir Reaktivitiitsmessungen nur das Indol II und das N-Methylisoindol IIIb verftigbar. Zur Erglinzung * VI. Mitteilung: Literaturzitat

1 4171

4172

W. ENGEWALD,M. M~H~T,&DTund C. WEIRS

a:R=H

3

VI

3

VII’

wurden daher das Azulen VI. das 2-Methylpyrrolo[2.1-blthiazol VII** sowie einige Methylderivate der Verbindungen I und II in die Untersuchungen einbezogen. MESSERGEBNISSE

UND

DISKUSSION

Die Substiturionsorte der Austauschreaktion Vorversuche zeigten. dass die fir die Deuterierung der l- und 3-Stellung des Indolizins angewandten milden Reaktionsbedingungen (D,O/Dioxan bei 50”)9 such in den uns interessierenden Testmolekiilen zu messbaren Austauschgeschwindigkeiten ftihren. Dabei wurden in allen Verbindungen mit freier 1,3-Stellung maxima1 je zwei. in den iibrigen je ein Wasserstoffatom substituiert. Die Zersetzungserscheinungen blieben in allen Fgllen such bei sehr langen Reaktionszeiten geringfiigig. Nach Literaturangaben ’ O-l2 nehmen in II, VI und VII nur die der Verkniipfungsstelle der beiden Ringe benachbarten H-Atome 1 und 3 am elektrophilen Deuteriumaustausch teil. Dass dies such ftir das 2-Methylisoindol zutrifft. wurde durch die Analyse des PMR-Spektrums einer durch 304indige Umsetzung maximal deuterierten Probe bestitigt. Das PMR-Spektrum des N-Methylisoindols besteht aus einem Multiplett zwischen 6 = 6.7 und 7.4 ppm (Sechsringprotonen) und zwei Singuletts bei 6 = 6.75 ppm (Fiinfringprotonen) bzw. bei b = 3.8 ppm (Methylgruppe) mit dem IntensitPtsverheltnis 4:2: 3. Im Spektrum des deuterierten N-Methylisoindols fehlt nur das Singulett der beiden Ftinfringprotonen.

Die Austauschkinetik Erwartungsgemtiss folgt die Austauschreaktion in allen Verbindungen. die nur ein oder zwei iiquivalente reaktionsfhige H-Atome besitzen, streng dem Exponentialgesetz (1). k = -In (1 - C/C,)/t

* Abweichend von der iiblichen Bezifferung wurden im Pyrrolo[2.1-blthiazol Positionen ebenso wie in den iibrigen Verbindungen mit I und 3 bezeichnet.

(1)

die reaktionsfihigen

Was~~toff-Isoto~naus~uschr~ktionen

nichtbenzoider Aromaten-

VII

Hier bedeutet k die spezilische Austauschkonstante. C die Brutto-DKonzentration der Reaktionszeit t und C, den D-Gehalt im Gleichgewicht.‘3

4173

im Molekiil nach

Das gilt such &r das Indol und sein 2-Methylderivat. da das zunEichst sehr schnell in die N-H-Bindung eingefiihrte Deuterium wiihrend der chromatographischen Reinigung der aus der Reaktionsmischung regenerierten Proben durch Riickaustausch mit dem am AlzO, adsorbierten Wasser quantitativ wieder entfernt wurde. Fiir den zeitlichen VerIauf der Deuterierung der nichtgleichberechtigten Positionen im 2-Methylindoiizin und 2-Methylpyrrolo~2.~-~JthiazoI wurden komplexe kinetische Kurven erhalten (Abb 1). die auf die iibliche Weise durch Extrapolation des linearen Teils auf die Zeit Null und Subtraktion der resultierenden Geraden von der Gesamtkurve in die Komponenten zerlegt wurden. Die Zuordnung der aus diesen Geraden nach (1) berechneten k-Werte erfolgte beim 2-Methylindolizin tihnlich wie beim Grundkiirper I’ durch IntensitPtsvergleich des H,- und H,-Signals im PMR-S~ktrum einer deuterierten Probe. Im 2-Methylpy~olo~2.~-~~thiazol haben wir in Analogie zum Angriffsort der Protonierung” sowie der bei anderen elektrophilen Substitutionsreaktionen gefundenen Orientierung14 den schnelleren Austausch dem H-Atom 3 zugeordnet. Die Resultate der Austausch-Geschwindigkeitsmessungen sind in Tabelle 1

TABELLE 1. DIE SPEZlFTSCHEN AUSTAUWHKONSTANTEN IN J&O/DIOXAN BEI 50”

Nr.

- _--._-__.. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Verbindung

-..

Position

Indolizin Indolizin 1-Methylindolizin 2-Methylindolizin 2-Methylindolizin 3-MethylindoIi~n 1.2-Dimethylindolizin 2.3-Dimethylindolizin Indol l-Methylindol 2-Methylindol 1.2-Dimethylindol 2-Methylisoindol Azulen 2-Methylpyrrolo[f,l-blthiazol 2-Methylpyrrolo[Z,l-b]thiazol

k [se-‘]

--

___-_1 3 3 1 3

1 3 1 3 3 3 3 1.3 1.3 1 3

7.0. 1o-S 9 3.6. lO-4 ’ 1.4. lo-3 5.5. lo-* 3.2. 1O-3 2.7. lO-4 * 2.0. 1o-2 q 2.8. 1O-3 9 20.10-’ 2-5. lo-’ 2-9. 1O-6 50. 1o-6 2.4. 1O-3 3.6. lo-’ 4.3. 10 61.10-3

zusammengestellt. Obwohl die spezifischen Austauschkonstanten im allgemeinen konzentrationsabh~n~g sind. k6nnen sie in unserem Fall direkt miteinander verglichen und als Reaktivititsmass betrachtet werden. da alle Deuterierungsversuche bei konstanten Reaktionsbedingungen vorgenommen wurden. Vergleich mit den Gleichgewichts-Basizitiiten

Als schwache Basen bilden die von uns untersuchten Verbindungen mit starken Siiuren Salze. wobei die Protonierung nicht am Stickstoff, sondern an den Kohlenstoffatomen 1 oder 3 erfolgt. 10*12*15*16Die dabei entstehenden Kationen sind mit

4174

s W. ENGEWALD,

M. Mihmrkn

und C. WEISS

0

0

10

20

-

Am 1. Die Kinetik der H-D-Austauschreaktion

30

40 t fminl

im 2-MethylpyrrololZ.i-blthiazol

den a-Komplexen identisch. die im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt elektrophiler H-D-Austauschreaktionen als metastabile Zwischenprodukte entstehen2 [fur Indolizin : Reaktionsgleichung (2)J.

Im Zusammenhang mit dem eingangs geschilderten Problem der Modellwahl fiir den fiergangszustand der Austauschreaktion ergab sich die Frage, ob fur die Bildung des a-Komplexes das Evans-Polanyi-Prinzipr6 (3) gilt. d. h. ob die Freie Aktivie~ngsenthalpie AG’ der Protonierung der Freien R~ktionsenthalpie AGo proportional ist. In diesem Fall miisste die Austauschr~ktion dem Brtinstedschen Katalysegesetz (4) gehorchen.” AG” =a+bAG,

(3)

lgk=a+/?lgK,

(4)

Tatsichlich zeigt Abb 2. in der die spezifischen Austau~hkons~nten gegen die von Armarego is (Indolizine). Long und Schulze I9 (Azulen) sowie von Runnett und Olsen*O (Indole. vgl. such*‘) in wlssriger Losung bei 20 bzw. 25’: gemessenen Gleichgewichts-p&Werte aufgetragen sind. dass zwischen beiden Grossen eine ideale logarithmisch-lineare Beziehung besteht (Korrelationskoeffizient r = 0999). Der aus dem Anstieg der Ausgleichsgeraden berechnete Br~nst~-Parameter /3 = 0.53

Wasserstoff-Isotopenaustauschreaktionen

nichtbenzoider Aromaten-V

iI

4175

-4

-6

-8 -4

0

ABB 2.

8

4

-

p&

Die Beziehung zwischen Gleichgewichts- und kinetischer Basizitiit

liegt in der N&he des von Mackor und Mitarbeitern bei der siiurekatalysierten Deuterierung benzoider Aromaten gefundenen Wertes (B = 047).22*23 Mit Hilfe der Regressionsgeraden (Bild 2) lassen sich aus den Deuterierungsgeschwindigkeiten die bisher nicht bekannten Basizitatskonstanten des N-Methylisoindols (pKs = 56). des 1-Methylindolizins (pKs = 52)* und des 2-Methylpyrrolo[2*1-b]thiazols @Ks = 6-4) berechnen.

Die Giiltigkeit der Bronsted-Beziehung (4) und damit der Gleichung (3) zeigt an. dass es berechtigt ist. als Model1 ftir den %ergangszustand unserer Austauschreaktion den o-Komplex und folglich als Reaktivitiitsindex die Atomlokalisierungsenergie. d. h. die A-Energiediiferenz zwischen Substrat und a-Komplex zu verwenden. Neben den ~kalisie~ng~ner~en testeten wir in dieser Arbeit such die Tt-Elektronendichten ; beide Indizes wurden sowohl nach dem einfachen HiickelVerfahren’ als such nach dem SCF-Ansatz von Pariser et a1.26*27berechnet. Die Einzelheiten der Berechnungen sowie die Eingabeparameter fiir Kohlenstoff und Stickstoff sind der Arbeit’ zu entnehmen. Ftir den a-bivalenten Schwefel verwendeten wir in den HMO-Rechnungen das p-Model1 (k,,,, = 0.1, hs = 1-Ound * Fiir diese Verbindung wurde bereits von Miller und Brown’” in 6IYffigem Aikohol ein p&Wert von 36 gemessen. der jedoch wegen der Verschiedenartigkeit der Medien mit unscrl n Ergebnissen nicht vergleichbar ist.

W. ENGBWALD. M. MOHLSTKDT und C. WEIS

4176

k c._+ = 0.7,28 fiir die Methylgruppe das Konjugationsmodell (/+.tHJ)= 0, h,, = = 0.8 und &, = 3.0).2 In den SCF-Rechnungen 7 O.5, k,CH,, = Osl, k%H> priiften wir ftir die Methyl~uppe sowohl das Induktions-*’ als such das Heteroatom-” und Konjugationsmodell. ‘I Die besten Ergebnisse wurden mit Hilfe des Induktionsmodells (I,,,.,,, = -9.98 eV. ~~~~~~~~~~~ = 9.95 eV) erzielt. wiihrend die beiden anderen Modelle in der iiblichen Parametrisierung den reaktionsbeschleunigenden Einfluss der Methyl~uppe entweder zu stark oder vie1 zu schwach wiedergaben.* Das Pyrrolothiazol berechneten wir mit fs = - 22.88 eV.32 ;‘ss = 1l-90 eV32 und fits = - 1.64 eV.“3 Es wurden stets ideale Geometrien mit Rcc = R,, = R, = l-4 A angenommen. Die Resultate der MO-Re~hnungen sind in der Tabelie 2 zu~mmengefasst. Die Korrelationskoeffizienten zeigen an. dass die nElektronendichten sowohl in der HMO- als such der PPP-Nlherung die Reaktivithssequenz der Testmolekiile vollkommen falsch wiedergeben. Auch innerhatb eng begrenzter Untergruppen nahverwandter Verbindungen~twa der heterocy~lischen G~nd&~~r oder der Methylindolizine-versagt dieser ReaktivitPtsindex vollstgndig. Dagegen folgen die Austauschgeschwindigkeiten recht genau den Atomlokalisierungsenergien &. wobei sich die Leistungsfdhigkeit des PPP-Verfahrens nicht wesentlich von der der HMOMethode unterscheidet.? Auch die Einbeziehung der nach der Formel van Jano (5)j5 berechneten Solvatationsenergien fihrt zu keiner Verbesserung der Korrelation -

=0.5(1 - I/‘L’)(c Qf Y,, + 2xX Q,Q,Y,J Esolv.

Hier ist D die Dielektrizit&konstante des L6sungsmittels. Q, und Q, bezeichnen die Nettoladungen der Atome r und s. y,, und y,, die Elektronenwechselwirkungsintegrale des PPP-Verfahrens.

Abb 3 iilustriert die logarithmisch-lineare Beziehung zwischen den relativen Reaktivitaten der Verbindungen gleicher Ringgr6sse (also der Indolizine. Indole und des N-Methylisoindols) und deren SCF-Lokalisierungsenergien. Weit ausserhalb der Regressionsgeraden liegen dagegen vor allem die Messwerte f6r das Azulen und das 2-Methylpyrrolo[2.1-blthiazol. d. h. fiir die Verbindungen. bei denen infolge der verschiedenen Spannung der ankondensierten Fiinf- bzw. Siebenringe die wiihrend der Reaktion auftretenden a-Energietinderungen nicht mehr als konstant angesehen werden diirfen. Wir folgern hieraus sowie aus der Gfiltigkeit der Bransted-Beziehung (s. o.), dass die in’ beobachtete Nichtiibereinstimmung zwischen der experimentellen Reaktivitltssequenz der nichtgleichberechtigten Positionen des lndolizins und den Lokalisierungsenergien weniger mit einer unzul%sigen Modellwahl fiir den Ubergangszustand der Austauschreaktion als vielmehr mit der Vernachllssigung der o-Energieiinderungen zu erkllren ist. Offensichtlich kijnnen die relativen Reaktivitiiten der verschiedenen Positionen * Hinsichtlich der Leistungsfahigkeit der drei Methylgruppenmodelle im DPP-Formalismus ftihrten Studien zum spektroskopischen und Reaktionsverhalten der isomeren Methylazulene zum gleichen Befund. i’ Das letztere Ergebnis ist nicht erstaunlich. da die lntegralwerte des PPP-Verfahrens verscbiedenen Arbeiten entnommen wurden und daher zum Teil nicht aufeinander abgestimmt sind.

Wasserstoff-lsotopenaustauschreaktionen

nichtbenzoider Aromaten-

VII

4171

-6

Ase 3. Dii Abhiingigkeit der Austauschgeschwindigkeit energie

von der SCF-Lokalisierungs-

des Indolizins bzw von Molekiilen verschiedener Geometrie nur unter Beriicksichtigung der 3indungsl~genund Bindungswinkei~nderungen einheitlich interpretiert werden. Untersuchungen zu diesem Problem sind im Gange. TAIIELLE2. DIE HMO-

I 2 3 4 5 6 7 8 9 10 II 12 13 14 15 16

1.195 1.128 1.128 l-21 1 l.iSl 1.195 1,151 1.211 1.163 1,168 1.194 1.198 1092 1.173 1.218 1.161

1090 1.105 1.101 I.111 1.138 1,085 1.133 1.106 1.072 1,073 I.114 1.115 1.082 1.105 1.129 1.144

r

0.225

0551

rt

UND

1.875 1.792 1.773 1.852 l-749 1.859 1,734 1.836 2.057 2,036 1.973 1.956 1.730 1.924 1900 t-738 - &920 -0964

SCF-REAKTWITXTSIKDIZ~

22.270’ 21.822* 21.751 22.155 21.651 22.205 21.630 22.144 23.340 23,299 22906 22.872 21.631 21.703 22.544 21-799 - @742 -0963

19.528’ 19.455* 19348 19-427 19.274 19448 19,271 19,417 19.716 19,739 19.319 19.715 19.142 19,455 19438 19.158 -0762 -0801

* Die Lokalisierung~nergien der nicht~uivalenten Positionen des lndolizins wurden in Tabelle 3 der Arbeit’ wegen eines Versehens urn 060 eV zu hoch angegeben. 9 Berechnet ohne ~r~cksichtigung der Wertepaare ftir Azulen und 2-Methylpyrrolo[2,1-blthiazol

4178

W.

ENGOWALD.

M.

MOHLSTKDT

und C. WE=

EXDERIMENTELLES Die Methylheterocyclen wurden nach Literaturvorschriften 8*36-3g dargestellt. fiir Azulen und lndol wurden handelsiibliche Praparate verwandt. Alle Verbindungen wurden durch Chromatographie. UmkristaIli~tion und Vakuumsublimation bzw. -destiilation sorgfaltig gereinigt. Die Handhabung der licht- und luftempfindhchen Substanzen sowie die Teehnik der H-D-Austauschversuche und der Deuteriumanalysen sind in’ beschrieben. Die PMR-Spektren wurden in I-molarer Ccl,-Losung bei 100 MHz mit TMS ah innerem Standard auf einem Varian-HA-100-Spektrometer aufgenommen. Donksugung-Frau Dr. I. Paerisch. Sektion Physik der Karf-Marx-Universitiit Leipzig. danken wir Rir die Aufnahme und Diskussion der PMR-Spektren, Frau A. Sonntag fur sorgRhtige experimentelte Mitarbeit. LITERATUR

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