UNIVERZITET U BEOGRADU TEHNOLOŠKO-METALURŠKI FAKULTET Mr. Aleksandar D. Marinković, dipl. inž. tehnologije PROUČAVANJE SINTEZE, STRUKTURE I OSOBINA DERIVATA 4,6-DISUPSTITUISANIH-3- CIJANO-2-PIRIDONA doktorska disertacija Beograd, 2009. Mentor: Dr. Bratislav Jovanović, redovni profesor Tehnološko-metalurški fakultet, Beograd Članovi komisije: 1. Dr Dušan Mijin, vanredni profesor Tehnološko-metalurški fakultet, Beogard 2. Dr Mila Laušević, redovni profesor Tehnološko-metalurški fakultet, Beograd 3. Dr Janoš Čanadi, redovni profesor Prirodno-matematički fakultet, Novi Sad Datum odbrane doktorskog rada Kandidat: Aleksandar D. Marinković, dipl. inž. tehnologije Eksperimentalni deo ovog rada urađen je na Katedri za Organsku hemiju Tehnološko- metalurškog fakulteta u Beogradu, pod rukovodstvom profesora Dr Bratislava Jovanovića. Korisnim savetima u toku eksperimentalnog rada, kao i pri diskusiji rezultata, pružio mi je izuzetnu pomoć na čemu mu izražavam posebnu zahvalnost. Ovim putem, takođe se zahvaljujem profesorki Dr Mili Laušević kao i profesoru Dr Dušanu Mijinu za njihovu svesrdnu pomoć i savete, kako pri izradi disertacije tako i pri tumačenju rezultata. Profesoru Dr Janošu Čanadiju se zahvaljujem na pomoći pri tumačenju rezultata dobijenih NMR spektroskopskim metodama. Posebno se zahvaljujem Prof. Dr Ivanu Juraniću i Mr Branku Drakuliću na izuzetnoj pomoći pri izračunavanju i analizi optimalne geometrije ispitivanih jedinjenja. Na kraju se zahvaljujem svim članovima Katedre za organsku hemiju na njihovoj pomoći u toku izrade doktorske disertacije. IZVOD U cilju proučavanja strukture i svojstava derivata 4,6-disupstituisanih-3-cijano-2- piridona izvršena je sinteza dve serije jedinjenja: N-(supstituisani fenil)-3-cijano-4,6- dimetil-2-piridona i 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona. Ispitan je uticaj tempeature, vremena reakcije i molskog odnosa reaktanata na prinos i čistoću proizvoda dobijenih različitim klasičnim metodama sinteze, kao i mikrotalasnom sintezom sa ili bez rastvarača. Prenošenje elektronskih efekata supstiuenata koji se nalaze na N- i fenilnom jezgru u položaju 4 piridonskog prstena, analizirani su na osnovu 1H i 13C NMR hemijskih pomeranja ugljenikovih atoma izazvanim supstituentom (SCS). Analiza 1H i 13C NMR hemijskih pomeranja se zasnivala na principima linearnih korelacija slobodnih energija korišćenjem jednoparametarske Hammett-ove jednačine (SSP) u sledećem obliku: SCS = ρσ + h kao i dvoparametarske (proširena Hammett-ova jednačina) DSP jednačine SCS = ρIσI + ρRσR + h koja omogućava uspešno razdvajanje prenosa efekata supstituenata do pojedinih ugljenikovih atoma prstena na induktivni i rezonancioni efekat. DSP jednačina koja uključuje nelinearnu karakteristiku rezonancionog efekta supstituenta naziva se DSP-NLR (dvoparametarska jednačina sa nelinearnom karakteristikom rezonancionog efekta) jednačina: SCS = ρIσI + ρRσRo/(1- εσRo) + h Određivanjem veličine parametra ε, definisane su veličine zahteva pojedinih ugljenikovih atoma za elektronima. Poređenjem rezultata korelacija ispitivanih jedinjenja sa literaturnim podacima za jedinjenja koja imaju bočni niz, uspešno i detaljno su razdvojeni i objašnjeni doprinosi različitih efekata supstituenata na polarni (induktivni, efekat polja i π- polarizacija) i rezonancioni, a nagovešten je i uticaj sternog efekta orto-supstituenata. Reversna polarizacija je uočena za određen broj ugljenikovih atoma u slučaju negativnih vrednosti konstanti proprocionalnosti dobijenih primenom LFER jednačina. Rezultati korelacija ukazuju da se prenos elektronskih efekata supstituenta prevashodno odigrava polarizacijom π-lokalizovanih jedinica piridonskog jezgra, pri čemu doprinosi lokalizovane i proširene π-polarizacije zavise od prisutnog supstituenta. U cilju definisanja potpune geometrije ispitivanih jedinjenja izračunate su konformacije sa minimumom energije primenom semi-empirijske MO PM6 metode, kao i B3LYP (DFT) hibridne metode. Neplanarnost N- i supstituisanog fenilnog jezgra u polžaju 4 piridonskog prstena je određena veličinom torzionih uglova između 4- i 6-fenilnih jezgara i piridonskog prstena u seriji 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona, kao i N-fenilnog jezgra i piridonskog prstena u seriji N-(supstituisani fenil)-3-cijano-4,6-dimetil- 2-piridona. Načini prenosa efekata supstituenata su razmatrani u svetlu izračunatih geometrija sa minimalnom energijom. Imajući u vidu rezultate istraživanja i odgovarajuća tumačenja iznesena u ovoj disertaciji, može se zaključiti da su mehanizmi prenosa elektronskih efekat supstituenata kompleksni. Na osnovu rezultata korelacija dobijenih LFER analizom može se konstantovati da se sve, a posebno DSP-NLR jednačina kojom se adekvatno objašnjava nelinearni doprinos rezonancionog efekta ukupnom efektu supstituenta, mogu koristiti za objašnjenje prenosa efekata kroz ispitivane sisteme. Analiza MS i MS/MS spektara 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)- piridona, dobijenih elektron jonizacijom, ukazuje na veličinu doprinosa elektronskih efekata supstituenata i njihove geometrije na fragmentacione puteve i intenzitete uočenih jona. Takođe, primenom elektro-sprej masene spektrometrije uočen je i diskutovan uticaj elektronskih efekata prisutnih supstituenata i geometrije 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6- fenil-2(1H)-piridona na njihove fragmentacione puteve, kao i uticaj tautomernih oblika ispitivanih jedinjenja (2-piridon/2-hidroksipiridin). Ispitivana jedinjenja u primenjenim uslovima ESI jonizacije grade dvostruko naelektrisane klastere koji imaju značajan intenzitet u MS spektrima. Jedinjenja koja imaju jake elektron-donorske grupe pokazuju značajan afinitet prema protonu, a time usled protonovanja fragmentacije supstituenta su najintenzivniji procesi u odgovarajućim spektrima. Ostala jedinjenja pokazuju gubitak vode, HCN, benzena ili celog supstituenta u prvom koraku MS fragmentacija. Spektri negativnih jona svih jedinjenja pokazuju gubitak CO moleula u prvom koraku fragmentacija. ABSTRACT In order to study structure and properties of 4,6-disubstituted-3-cyano-2-pyridones a synthesis of two series of N-(substituted phenyl)-3-cyano-4,6-dimethyl-2-pyridones and 3- cyano-4-(substituted phenyl)-6-phenyl-2(1H)-pyridones have been done. Influences of different reaction parameters: temperature, reaction time and reactant molar ratio on the purity and product yield have been studied. The compounds was obtained by different classical methods, as well as microwave method using solvent or by solvent free synthesis. Transmission of substituent electronic effect, situated at N- and 4-phenyl rings of pyridone ring, respectively, was analyzed on the basis of 1H and 13C NMR chemical shifts. Analysis of both 1H NMR and 13C substituent induced chemical shifts (SCS) is based on the principles of linear free energy relationships (LFER) using the single substituent parameter (SSP) Hammett equation in the form: SCS = ρσ + h as well as dual substituent parameter (extended Hammett) DSP equation SCS = ρIσI + ρRσR + h which allow succesfull quantification of inductive and resonance effects contribution in overall substituent effect. DSP analysis, which include substituent non-linear resonance effect, is termed DSP- NLR equation: SCS = ρIσI + ρRσRo/(1- εσRo) + h Determination of parameter ε from DSP-NLR equation was used for the definition of the values of the electron demand of appropriate carbons. Comparison of correlation results of investigated compounds with literature data for structuraly similar compounds enable an comprehensive study on the contribution of particular substituent effects: polar (inductive, field effect and π-polarization effect), resonance effect and steric effect of ortho- substituent. Negative ρ values were found for several correlations (reverse substituent effect), localized and delocalized π-units of investigated molecules are polarized under substituent dipole influences individualy or as whole netowrk depending on substituent present. In order to calculate optimal geometries of investigated compounds, a conformation with minimum energies were determined using semi-empirical PM6 method, as well as B3LYP (DFT) hybride method. Deviation, nonplanarity of investigated compounds are determined by the values of torsional angles between phenyl rings at 4- and 6-position and pyridone ring in series 3-cyano-4-(substituted phenyl)-6-phenyl-2(1H)-pyridones, as well as N-phenyl and pyridone ring in series N-(substituted phenyl)-3-cyano-4,6-dimethyl-2- pyridones. Transmission mode of substituent effect are discussed in the light of such calculated optimal molecular geometries. Considering correlation results and explanations given in this dissertation, it could be concluded that substituent electronic effect transmission through investigated molecules are very complex. However, the analysis of statistical data obtained by the use of LFER equations provide very good opportunities, especially DSP-NLR equation, for explaining non-linear contribution of resonance effect to the overall substituent effect transmission. Analysis of MS and MS/MS spectra of 3-cyano-4-(substituted phenyl)-6-phenyl- 2(1H)-pyridones, obtained by electron ionisation, indicate significant contribution of electronic substituent effects and their geometries on the fragmentation paths and ions intensities. Application of electro-spray mass technique was used to study influences of electronic substituent effects and geometries of 3-cyano-4-(substituted phenyl)-6-phenyl- 2(1H)-pyridones on their fragmentation paths, as well as influences of their tautomeric forms (2-pyridone/2-hydroxypyridine). Investigated compounds creates double charged clusters ion which have high intensities in MS spectra. Compounds with substituent of high electron-donating power shows significant affinity to the proton, what cause intensive substituent fragmentation. Other compounds shows loss of water, HCN, benzene or whole substituent in the first fragmentation step. Spectra of negative ions of all compounds shows CO molecule loss in first fragmentation step. SADRŽAJ IZVOD ABSTRACT UVOD i 1. TEORIJSKI DEO 1 1.1 Sinteza derivata piridina iz acikličnih jedinjenja 1 1.1.1 Sinteza 3-cijano-2-piridona iz simetričnih 1,3-diketona i cijanoacetamida 2 1.1.2 Sinteza 3-cijano-2-piridona iz asimetričnih 1,3-diketona i cijanoacetamida 3 1.1.3 Mehanizam reakcije kondenzacije 1,3-diketona i cijanoacetamida u prisustvu baznog katalizatora 5 1.1.4 Sinteze 3-cijano-2-piridona iz β-diketona, β-ketoaldehida i malonaldehida 7 1.1.5 Reakcija kondenzacije iz derivata β-keto kiselina 10 1.1.6 Reakcija kondenzacije iz α,β-nezasićenih karbonilnih jedinjenja 11 1.2 Reakcija kondenzacije 2-cijano-3-(supstituisani fenil)akrilata i acetofenona 13 1.3 Reakcije kondenzacije iz nezasićenih derivata kiselina 16 1.4 Reakcije kondenzacije iz β-dimetilaminoketo jedinjenja 17 1.5 Reakcije kondenzacije iz α,β-nezasićenih nitrila 19 1.6 Sinteze 3-cijano-2-piridona iz halogenskih derivata 2-piridona 19 1.7 Sinteza organskih jedinjenja pomoću mikrotalasa 20 1.7.1 Mikrotalasno zračenje 21 1.7.2 Interakcije mikrotalasnog zračenja sa materijom 21 1.7.3 Ekološki značaj 23 1.7.4 Sinteze 3-cijano-2-piridona pomoću mikrotalasnog zračenja 23 1.8 Korelaciona analiza u NMR spektroskopiji 24 1.8.1 Doprinos lokalnog uticaja elektrona sa posmatranog atoma 29 1.8.2 Primeri korelacija NMR hemijskih pomaka protona i ugljenika-13 sa prihvaćenim parametrima linearne korelacije slobodne energije 39 1.9 Masena spektrometrija 51 1.10 Keto-enolna tautomerija derivata 2(1H)-piridona 54 1.11 Primena i komercijalno značajni derivati 3-cijano-2(1H)-piridona 57 2. EKSPERIMENTALNI DEO 58 2.1 Opšte napomene u vezi eksperimentalnih tehnika korišćenih pri karakterisanju sintetisanih jedinjenja 58 2.2 Sinteza N-alkil i N-(supstituisani fenil)-3-cijano-4,6-dimetil-2-piridona 59 2.2.1. Sinteza cijanoacetilhlorida 59 2.2.2. Sinteza N-alkil i N-(supstituisani fenil)cijanoacetamida 60 2.2.3. Sinteza N-(supstituisani fenil)cijanoacetamida iz cijanoacetilhlorida 60 2.2.4 Sinteza N-alkil i N-(supstituisani fenil)-3-cijano-4,6-dimetil-2-piridona mikrotalasnom metodom 61 2.2.5 Sinteza N-alkil i N-(supstituisani fenil)-3-cijano-4,6-dimetil-2-piridona klasičnom metodom 62 2.3 Sinteza 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona različitim klasičnim i mikrotalasnom metodom 63 2.3.1 Sinteza 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona u reakcionom sistemu DMSO/terc-BuOK i atmosferi kiseonika 63 2.3.2 Sinteza 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona iz 3-(supstituisani fenil)-1-fenil-2-propen-1-ona u prisustvu natrijum-etoksida 63 2.3.3 Sinteza 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona iz etil-2- cijano-3-(supstituisani fenil)akrilata kao intermedijera 64 2.3.4 Sinteza 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona bez sinteze etil-2-cijano-3-(supstituisani fenil)akrilata kao intermedijera 64 2.3.5 Sinteza 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona uz korišćenje međufaznih katalizatora 64 2.3.6 Sinteza 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona mikrotalasnom metodom 65 3. REZULTATI I DISKUSIJA 67 3.1 Rezultati sinteza derivata 4.6-disupstituisanih-3-cijano-2-piridona različitim metodama sinteze 67 3.2 Korelaciona analiza NMR hemijskih pomaka vodonika i ugljenika ispitivanih 3-cijano-2-piridona 74 3.3 Ispitivanja uticaja elektronskih efekata supstituenata na fragmentacione puteve pri različitim uslovima jonizacije 94 4. ZAKLJUČAK 111 5. LITERATURA 115 UVOD 2-Piridoni ulaze u sastav mnogih prirodnih jedinjenja, od kojih neka pokazuju i značajnu farmakološku i fiziološku aktivnost. U ova jedinjenja spadaju i 4,6- disupstituisani-3-cijano-2-piridoni sa izrazito antiinflamatornim, analgetičnim, kardiotoničnim i antidijabetskim svojstvima. Dosadašnja saznanja potvrdila su da aktivnost ovih jedinjenja zavise od njihove strukture i elektronskih efekata prisutnih supstituenata na prstenu 2-piridona. Navedena jedinjenja sadrže u svom molekulu grupu – NHC(=O)–, koja je slična proteinskoj amidnoj vezi i može biti podložna tautomeriji tipa piridinol-piridon, što svakako utiče na aktivnost ovih jedinjenja. Na osnovu navedenog, proučavanja metoda sinteze 4,6-disupstituisanih-3-cijano-2-piridona, ravnoteža tautomernih oblika koje postoje u rastvorima, kao i ispitivanja fiziološke aktivnosti imaju izuzetno veliki značaj. U okviru ove teze, u cilju sagledavanja strukture i svojstava navedenih jedinjenja, sintetisaće se dve serije jedinjenja: N-(4-supstituisani fenil)-3-cijano-4,6-dimetil-2- piridona i 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona. Ispitivana jedinjenja iz obe serije će se sintetisati različitim klasičnim metodama sinteze (u prisustvu različitih katalizatora), kao i mikrotalasnom sintezom sa ili bez rastvarača, kako bi se sagledao uticaj različitih parametara (temperatura, vreme reakcije, molski odnos) i metoda sinteze na prinos i čistoću proizvoda reakcije. Prenošenje elektronskih efekata supstituenata koji se nalaze na N-fenilnom i fenilnom jezgru u položaju 4 piridonskog prstena, analiziraće se na osnovu 1H i 13C NMR hemijskih pomeranja posmatranih ugljenikovih atoma. Analiza 1H i 13C NMR hemijskih pomeranja će se zasnivati na principima linerarnih korelacija slobodnih energija (LFER), korišćenjem SSP (Hammett-ova jednačina) u sledećem obliku SCS = ρσ + h kao i DSP (proširena Hammett-ova) jednačine SCS = ρIσI + ρRσR + h koja omogućava razdvajanje induktivnih i rezonancionih udela efekata u ukupnom elektronskom efektu supstituenta. Takođe će se primeniti i DSP-NLR jednačina koja uključuje nelinearnu karakteristiku rezonancionog doprinosa supstituenata, i koja služi za modelovanje prenosa efekata supstituenata kada se oni ne korelišu primenom Hammett-ovih jednačina: SCS = ρIσI + ρRσRo/(1- εσRo) + h Potreba za definisanjem σR vrednosti koja će adekvatno opisati nelinearni rezonancioni efekat supstituenata za date sisteme, ostvariće se uvođenjem parametra ε kao i ii karakteristike grupe koja se nalazi vezana za ugljenik koji se ispituje. Izračunavanjem veličine parametra ε, definisaće se veličine zahteva za elektronima ugljenikovih atoma piridonskog prstena obe serije ispitivanih jedinjenja. Primenom LFER jednačina i analizom izračunatih vrednosti konstanti proprcionalnosti (ρ, ρI, ρR i ρR+ i drugih), diskutovaće se, na osnovu veličine i znaka konstanti, načini prenosa efekata supstituenata i veličine naelektrisanja pojedinih atoma ispitivanih molekula. Izračunavanjem odnosa konstanti proporcionalnosti uz induktivnu i rezonancionu konstantu supstituenta iz DSP i DSP-NLR jednačina sagledaće se veličine doprinosa pojedinih efekata supstituenata za ispitivane ugljenikove atome: polarnog (induktivni/efekat polja) i rezonancionog efekta. Prenošenje elektronskih efekata supstituenata bitno određuje geometriju ispitivanih serija jedinjenja. Kako su ispitivani molekuli izuzetno složeni, a u cilju nedvosmislenog određivanja hemijskih pomeraja posmatranih atoma i geometrije ispitivanih jedinjenja primeniće se savremene metode 2D NMR analize, kao i semi-empirijska i kvantno- mehanička izračavanja geometrija koje imaju minimalnu energiju. Optimizovane konformacije molekula će se izračunati primenom MO PM6 semi-empirijske metode, kao i korišćenjem ab initio DFT(B3LYP) hibridne metode, LanL2DZ i STO/6-311**G++ bazis seta. Primenom 1D 13C i 1H NMR, i 2D NOESY, 1H/13C-HETCOR, HMBC i HSQC tehnika nedvosmisleno će se odrediti hemijska pomeranja posmatranih atoma, kao i geometrija ispitivanih jedinjenja. Načini prenosa efekata supstituenata će biti diskutovani u svetlu korelacionih rezultata dobijenih primenom LFER jednačina u odnosu na izračunate geometrije sa minimalnom energijom. Ispitivanja fragmentacija 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona će se vršiti sa ciljem detaljnog ispitivanja uticaja elektronskih efekata supstituenata, geometrije molekula i uslova primenjene jonizacione tehnike na fragmentacione puteve ispitivanih jedinjenja. Navedena ispitivanja će se vršiti primenom dve tehnike jonizacije: bombardovanjem elektronima i primenom elektro-sprej jonizacije. Analizom dobijenih MS/MS spektara uočiće se fragmentacioni putevi i pretpostaviti verovatna struktura nastalih jona, a na osnovu njihove zastupljenosti diskutovati uticaj navedenih efekata. Primenom elektro-sprej jonizacione tehnike će se sagledati i doprinos proton-akceptorskog afiniteta jedinjenja, kao i uticaj tautomernih oblika ispitivanih jedinjenja na stabilnost jona i uočene fragmentacione puteve. 1. TEORIJSKI DEO 1.1. Sinteza derivata piridina iz acikličnih jedinjenja Sinteza derivata piridina iz acikličnih jedinjenja obuhvata veliki broj varijanti i postupaka koji se razvrstavaju prema veličini fragmenata ugljenikovog niza koji ulaze u sastav jezgra. Kondenzacije ovog tipa mogu biti 4-1, 3-2, 1-3-1, 2-2-1, 2-1-2, što je predstavljeno na slici 1.1. Brojevi 1, 2, 3 i 4 predstavljaju broj ugljenikovih atoma acikličnog fragmenta.1 Kondenzacija tipa 4-1 znači da dva aciklična sistema od kojih jedan ima četiri, a drugi jedan ugljenikov atom grade prsten. Azot može da bude u sastavu jednog od fragmenata, ili da se uvede kao zaseban fragment. C C N C C C C C N C C C C C N C C C C C N C C C C C N C C C (4-1) (3-2) (1-3-1) (2-2-1) (2-1-2) Slika 1.1 Tipovi kondenzacije Sinteza derivata 2-piridona se najpogodnije izvodi kondenzacijom tipa 3-2, u kojoj je moguće kombinovati sledeće fragmente sa tri i dva ugljenikova atoma, prikazane na slici 1.2. Molekuli sa tri ugljenikova atoma, koji se koriste u sintezi, mogu da budu: β-ketoaldehidi, β-ketoestri, ili β-diketoni ili njihovi derivati. Molekuli sa dva ugljenikova atoma mogu da sadrže estarske, amidne ili nitrilne funkcionalne grupe. O O N O O N O O N O 1) 2) 3) Slika 1.2 Moguće kombinacije reaktanata za kondenzacije tipa 3-2 Mehanizam kondenzacije 2-piridona je složen i uključuje Knoevenagel-ovu, Michael-ovu adiciju ili Perkin-ovu reakciju, pri čemu stepen enolizacije diokso jedinjenja određuje veće učešće Michael-ove adicije.2,3 Reakcija anjona metilenske grupe i elektrofilnije 1 karbonilne grupe diokso jedinjenja, praćene reakcijom ciklizacije daje 4,6-disupstituisani-2- piridon, što je prikazano na slici 1.3. R4 O R6 O X H2N O X O R4 H R6 O H H H H baza H2N -kiseli vodonikα N X O R4 R6 H H - H2O 2 3 4 5 6 Slika 1.3 Knevenagelova reakcija pri sintezi 2-piridona Elektrofilniji ugljenikov atom diketo jedinjenja postaje ugljenikov atom piridonovog prstena označen brojem 4. Michael-ove adicija obuhvata reakciju adicije nukleofilnog agensa karbanjona tipa Z C R1 R2 na diketo jedinjenje. Karbanjon sadrži elektron-akceptorsku grupu (Z), koja može da bude: -CHO, -COR, -COOR, -CN, -CONH2, -NO2, itd., i koje doprinose stabilizaciji nastalog karbanjona. Kod ovog tipa reakcije nukleofilna čestica ima slobodan elektronski par, kojim se vezuje za jedan od elektrofilnih ugljenika dvostruke veze. Simultano tokom napada, nukleofilni agens izaziva pomeranje π-elektronske gustine dvostruke veze ka drugom karbonilnom ugljeniku, pri čemu se generiše negativno naelektrisanje lokalizovano na kiseoniku karbonilne grupe. Nakon eliminacije vode i ciklizacije, formira se 2-piridonski prsten. Reakcija cijanoacetamida sa 1,3-diketonima je primer široko korišćenog puta za sintezu 3-cijano-2-piridona. U daljem tekstu su diskutovani parametri koji utiču na proizvod primenjene metode sinteza, sa posebnim osvrtom na uticaj strukture diokso jedinjenja na selektivnost reakcije. 1.1.1 Sinteza 3-cijano-2-piridona iz simetričnih 1,3-diketona i cijanoacetamida4 Originalna Guareschi-Thorpe-ova sinteza 4,6-dimetil-3-cijano-2-piridona5,6 od samog otkrivanja je primenjena za sintezu velikog broja piridona, da bi se kasnija istaživanja proširila na ispitivanja uslova i selektivnosti6-10 primenjenog postupka sinteze. Derivati 2- piridona se dobijaju iz acikličnih jedinjenja, reakcijom kondenzacije simetričnih 1,3- dikarbonilnih jedinjenja sa cijanoacetamidima, u baznoj sredini. Hemizam reakcije prikazan je na slici 1.4, pri čemu se dobija jedinstven proizvod (R4=R6) sa mogućnošću postojanja dva tautomerna oblika, 2-piridona i 2-hidroksipiridina (laktam laktim), čiji doprinos u ravnoteži zavisi od strukture piridona i rastvarača u kome se ravnoteža posmatra. Kondenzacijom 2,4-pentandiona (acetilaceton) sa cijanoacetamidom u prisustvu kalijum-karbonata i ključalom etanolu, dobija se 3-cijano-4,6-dimetil-2-piridon sa prinosom 2 od 87 %.11 Prinos 3-cijano-4,6-dimetil-2-piridona bitno zavisi od rastvarača i vrednosti pH sredine u kojoj se reakcija izvodi.4 -H2O N R4 R6 CN OHR6 N O R4 CN H O O R6 R4 CN O H2N baza Slika 1.4 Reakcija kondenzacije 1,3-dikarbonilnih jedinjenja sa cijanoacetamidima u baznoj sredini Katalizatori za ove reakcije mogu da budu alkalni hidroksidi (natrijum- ili kalijum- hidroksid itd.), alkalni karbonati (kalijum-karbonat, natrijum-karbonat itd.), sekundarni amini (dietilamin, piperidin u alkoholnom rastvoru), katalizatori za međufaznu katalizu (tetrabutilamonijum-halogenidi ili sulfati, trietilbenzilamonijum-halogenidi ili sulfati, itd.).4 Ove reakcije se odigravaju pri veoma blagim uslovima i u vodenim rastvorima, tako da se smatra da se mogu odigravati i u prirodi. Bolji prinosi se dobijaju korišćenjem alkalnih karbonata i hidroksida u odnosu na organske amine. Takođe sinteza 3-cijano-2-piridona katalizovana enzimima daje zadovoljavajuće prinose pri blagim uslovima sinteze,12 i to veće prinose pri upotrebi lipaze iz Candida Cylindracea i lipaze iz svinjske jetre.13 1.1.2. Sinteza 3-cijano-2-piridona iz asimetričnih 1,3-diketona i cijanoacetamida4 Sintezom 3-cijano-2-piridona iz nesimetričnih 1,3-diketona (R4 ≠ R6, slika 1.4), sa cijanoacetamidom dobijaju se dva izomerna derivata 3-cijano-2-piridona, u kojima grupe R4 i R6 mogu da izmene mesta. Proučavanja ovih kondenzacija pokazuju da prvo reaguje ona karbonilna grupa koja je deficitarnija elektronima, usled elektrostatičkih i elektronskih efekata koji diriguju nukleofilni napad na elektrodeficitarniji ugljenik. Ugljenikov atom karbonilne grupe napadnute u prvom koraku nalazi se u položaju 4 piridnskog jezgra. Ovakva orijentacija supstituenata u krajnjem proizvodu objašnjava se na osnovu postojanja tautomernih oblika 1,3-diketona u rastvorima. Infracrveni (IR) spektri3 diketona ne pokazuju normalnu apsorpciju konjugovanih ketona, već nam ukazuju na intramolekulsku vodoničnu vezu, stabilizovanu rezonancijom. Konjugacija i doprinos vodonične veze u enolnom obliku pomeraju apsorpciju C=O grupe ka nižim vrednostima, što ukazuje na znatno smanjenu elektronsku gustine karbonilne grupe (slika 1.5 a) i c)). U slučajevima kada je moguće da se nagradi stabilna intramolekulska vodonična veza,3 vodonikov atom se pojavljuje kao član stabilnog šestočlanog prstena, i gradi vodonične veze sa kiseonicima iz obe karbonilne grupe (slika 1.5 e)). Na primeru acetilacetona u kome 3 se javlja najintenzivnija karbonilna traka (1613 cm-1) koja potiče od ν(C=O¨¨¨H) iz enolnog oblika (slika 1.5 a) i c)), koga ima 64% na temperaturi od 40 oC (bez rastvarača). Pored nje, na ~1725 cm-1 nalaze se i dve znatno slabije trake pripisane karbonilima iz slobodnog oblika (Slika 1.5 b, R4=R6=CH3)). Do pretpostavljene rezonancione stabilizacije može doći, samo ukoliko ostalih pet članova prstena poseduju p-orbitale, tako orijentisane da se može uspostaviti potreban nivo delokalizacije koji doprinosi stabilizaciji tog prstena. R4 R6 O O R4 R6 O O H R4 R6 O OH R4 R6 OH O R4 R6 OH O a) b) c) d) e) Slika 1.5 Intramolekulska vodonična veza Orijentacija reakcija u kojoj učestvuju nesimetrični diketoni: 2,4-heksandion,14 5-metil-2,4- heksandion14 i 5,5-dimeil-2,4-heksandion14 sa cijanoacetamidom daju isključivo proizvod kod koga se voluminoznija alkil-grupa, etil-, izopropil- i terc-butil-, nalazi u položaju 4 piridinovog jezgra, kako je prikazano na slici 1.6. NCH3 OH CH2CH3 CN NCH3 OH CN NCH3 OH CN CH3H3C H3C CH3 CH3 H Slika 1.6 Položaj voluminozne alkil-grupe na prstenu 3-cijano-2-piridona Na osnovu analize sintetisanog proizvoda, pomoću NMR i MS spektroskopije, nedvosmisleno je potvrđena navedena orijentacija.14,15 Prethodni rezultati su ukazivali da se voluminoznija grupa nalazi na ugljeniku 6 piridonskog prtstena, mada je utvrđeno da se dobija smeša proizvoda.16 Poređenjem vrednosti polarnih17 i sternih18 vrednosti konstanti alkil-grupa diketona uočava se važnost sternog efekta koji utiče na orijentaciju sinteze. Takođe, enolizacija može imati veoma veliki doprinos. Najstabilnija konformacija diketona je ona u kojoj su keto grupe prostorno najudaljenije. U slučaju da su prisutne voluminozne grupe, enolizacija ima veći doprinos u odnosu na prostorno orijentisanje keto grupa. Na osnovu NMR ispitivanja je pokazano da enolizacija ima veoma značajan efekat u slučaju razgranatih alkil supstituenata,19 što je i pokazano na osnovu odgovarajućih IR spektara. 4 Ukupan doprinos navedenih efekata određuje napad nukleofila na karbonilnu grupu koja je u većoj meri destabilizovana. Hiperkonjugacija ima veći doprinos kod metil-grupe, u odnosu na razgranate alkil-grupe, što ukazuje da je karbonilna grupa bliže metil-grupi stabilnija i otuda ona ne reaguje u prvom koraku reakcije.15 Ukoliko je alkil grupa diokso jedinjenja voluminoznija uočava se drastičan pad prinosa proizvoda reakcije.4 Prinos proizvoda bitno zavisi od korišćenog katalizatora: najveći prinos je moguće ostvariti u prisustvu kalijum- karbonata i rastvaraču heksanu, a najmanji u prisutvu organskih amina. Ispitivana je i orijentacija supstitucije u reakcijama sinteze 4,6-disupstituisanih-3-cijano-2-piridona iz 1- metil-3-(supstituisanih fenil)-1,3-propandiona sa cijanoacetamidom.20 Odnos izomera u reakcionom proizvodu je određivan na osnovu rezultata 1H NMR spektroskopije, tj. odnosu integrala koji odgovaraju H(5) vodonicima oba izomera (odnos 4:6 izomera). Zaključeno je da elektronski efekti supstituisanog fenilnog jezgra doprinose elektrofilnosti susednog karbonilnog ugljenika. Metil-grupa svojim hiperkonjugacionim efektom utiče na elektronska svojstva drugog karbonilnog ugljenika, čime je bitno određena orijentacija nukleofilnog napada. Literaturni rezultati20 ukazuju na to da jake elektron-akceptorske grupe na fenilnom prstenu favorizuju supstituciju u položaju 4 piridonskog prstena, a obratno važi za elektron- donore. Iako se uočava bitan doprinos elektronskih efekata na selektivnost reakcije,20 ne može se zanemariti doprinos drugih faktora na orijentaciju supstitucije. 1.1.3. Mehanizam reakcije kondenzacije 1,3-diketona i cijanoacetamida u prisustvu baznog katalizatora Mehanizam reakcije kondezacije acetilacetona i cijanoacetamida u prisustvu baznih katalizatora je detaljno ispitan primenom originalno razvijene UV-vis spektrofotometrijske metode.15 Razvijena metoda je pružala mogućnost praćenja promene apsorpcije reaktanata i proizvoda, ali za kinetička izračunavanja je bilo moguće koristiti samo promene koncentracija nastajanja proizvoda.15 Preliminarna istraživanja21-23 su ukazivala na složenost reakcionog mehanizma. Potpun dokaz mehanizma je zasnovan na određivanju kinetičkih i termodinamičkih parametra reakcije.15 Prvi korak reakcije predstavlja kiselo-bazna ravnoteža katalizatora i cijanoacteamida u kome nastaje nukleofilna čestica (slika 1.7). Naredni koraci reakcije obuhvataju Claisen-ovu, Michael-ovu ili Perkin-ovu kondezaciju, kao i dehidrataciju nastalih intermedijera. Mehanizam reakcije je ispitivan na primeru acetilacetona, 5- metilheksan-2,4-diona i 5,5-dimetilheksan-2,4-diona, pri različitim uslovima reakcije (koncentracije i temperature). Detaljna ispitivanja su posvećena reakciji u kojoj učestvuje acetilaceton, zbog veće brzine reakcije, nastajanja samo jednog izomera i sternog faktora koji je minimalan. Utvrđeno je da oba reakanta, kao i katalizator utiču na brzinu reakcije, čak i pri 5 malim koncentracijama. Iako je pretpostavljeni mehanizam reakcije ukazivao na reakciju trećeg reda, kinetički podaci su izvanredno korelisani jednačinom kinetičkog zakona drugog reda (korelacioni koeficijenti 0.997-0.999). Takav rezultat je u saglasnosti sa nepromenjivom koncentracijom katalizatora. Usvajanjem koncepta aproksimiranog ravnotežnog stanja, kinetička ispitivanja pri ekvimolarnom odnosu reaktanata, kao i višku reaktanata su ukazivala da je spori korak reakcije napad karbanjona cijanoacetamida na diokso jedinjenje (drugi korak reakcije). Termodinamički parametri ispitivane reakcije takođe ukazuju na činjenicu da je drugi korak reakcije najsporiji stupanj. Na osnovu navedenih rezultata zaključeno je da se reakcija 1,3-diketona sa cijanoacetamidima u prisustvu baze, kao katalizatora, odigrava prema mehanizmu prikazanom na slici 1.7. Prvi stupanj reakcije je brz, povratan i pomeren u smeru stvaranja proizvoda. To se može videti iz relativno visoke vrednosti konstante brzine reakcije pri višku cijanoacetamida. Drugi stupanj reakcije je ciklizacija koja se odigrava nukleofilnim napadom azota amidne grupe na karbonilnu grupu. Ciklizacija je olakšana proton-donorskim efektom katalizatora koji aktivira karbonilnu grupu. Navedenim istraživanjima je trebalo pokazati da li se odigrava nukleofilna adicija karbanjona na karbonilnu grupu diketo jedinjenja (Knoevenagel-ova kondenzacija), ili nukleofilna adicija karbanjona na dvostruku vezu enolnog oblika diketo jedinjenja. Na ovo pitanje još uvek nije dat definitivan odgovor. Međutim, bez obzira na moguće mehanizme, reakcija karbanjona cijanoacetamida sa karbonilnom grupom diketona, predstavlja najsporiji stupanj reakcije. Sledeći stupnjevi obuhvataju: protonovanje–dehidrataciju, ciklizaciju i dehidrataciju. Najverovatnije je da su, ova poslednja tri stupnja reakcije spontana i brza. Pretpostavka o sporom stupnju reakcije može da se potvrdi i visokom negativnom vrednošću entropije aktivacije (ΔS = -199 JK-1mol-1). Ova činjenica ukazuje na to da je drugi stupanj reakcije spor stupanj, tj. da je u prelaznom stanju potrebna uređena orijentacija molekulskih vrsta koje učestvuju u tom koraku.7 Određeni kinetički parametri, zajedno sa podacima, dobijenim IR, 1H NMR i MS spektroskopije, o strukturi i reaktivnosti proizvoda dobijenih pri kondenzaciji 3,5-heksandiona, 2-metil-3,5-heksandiona i 2,2-dimetil-3,5- heksandiona potvrđuju predloženi mehanizam o sporom stupnju reakcije. 6 NC H HO NH2 :B k1 k-1 O O R R NC H O NH2 H CNH H R OH2NO R O H CNH H R OH2NO R O BH+ CN H H O R H2N NC H O NH2 (-H2O) R HO H H R R CN N O H -H2O HO H H R R CN N O H R CN N O H R R CN N OR H O -H2O BH H H Slika 1.7 Mehanizam bazno katalizovane kondenzacije 1,3-diketona sa cijanoacetamidom Mnogobrojni primeri sinteza derivata 3-cijano-2-piridona koji polaze iz diketo jedinjenja ukazuju na bitan uticaj strukture reaktanata i uslova reakcije na prinos i strukturu nastalih proizvoda. Takav koncept otvara mogućnost neograničenog planiranja sinteza derivata 3-cijano-2-piridona, što je prikazano u daljem tekstu. 1.1.4. Sinteze 3-cijano-2-piridona iz β-diketona, β-ketoaldehida i malonaldehida 1-Hidroksimetilen-1-fenil-2-propanon može da se kondezuje sa cijanoacetamidom u prisustvu piperidina dajući 3-cijano-6-metil-5-fenil-2-piridon u malom prinosu (slika 1.8). Isti derivat reaguje sa etil-cijanoacetatom u metanolnom rastvoru i prisustvu piperidina dajući 3- karbmetoksi-6-metil-5-fenil-2-piridon.24 Etil-2-keto-3-fenillevulinat i cijanoacetamid u metanolu, uz piperidin kao katalizator daju smešu metil- i etil-3-cijano-6-metil-5-fenil-2- piridon-4-karboksilata.24 1,3-Difenil-1,2-pentandion i cijanoacetamid u vodenom rastvoru natrijum-karbonata daju 3-cijano-5-fenil-6-(2-feniletil)-2-piridon.25 7 H5C6 CHOH OR6 NCCH2CONH2 N CN O H R6 C6H5 a) R4 R 4 = H; R6 = CH3 b) R 4 = CH3; R6 = H Slika 1.8 Sinteza 3-cijano-4(6)-metil-5-fenil-2-piridona Reakcija 1-metoksi-3-fenilhidrazon-2,4-pentandiona i cijanoacetamida u prisustvu natrijum-etoksida daje dva moguća proizvoda (slika 1.9), pri čemu se dobija višak 3-cijano-4- metoksimetilen-5-fenilazo-2-piridona26 u reakcionom proizvodu. Pretpostavlja se da induktivni efekat metoksi-grupe čini da je 2-karbonil elektrofilniji, i da prvenstveno nukleofilni napad ide na taj ugljenik.24 H3COCH2 O O H3C C6H5NN H NCCH2CONH2 N CN CH3 C6H5N2 H3COH2C O H N CN CH2OCH3 C6H5N2 H3C O H OH3C C6H5NN H O CH2OCH3 CHCN CONH2 a) b) NCCH2CONH2 Slika 1.9 Sinteza 3-cijano-4-metoksimetilen-5-fenilazo-2-piridona Dikarbanjon acetoacetaldehida se alkiluje u γ-položaju dajući odgovarajuće soli 3- ketoaldehida, koje mogu da se prevedu u 3-cijano-2-piridone u reakciji sa cijanoacetamidom. Alkilovanjem, npr. butil-hloridom, dianjona α-benzilacetoacetaldehida i sukscesivnom ciklizacijom cijanoacetamidom u vodenom rastvoru, dobija se 3-karboksamido-6-pentil-2- piridon (slika 1.10).27 CH3COCH3 HCO2C2H5 CH3CONa CH3COCHNaCHO KNH2 NH3 CH2-CO-CH-CHO n-BuX BuCH2-CO-CH-CHO H2O NCCH2CONH2 N CONH2 O H BuCH2 Slika 1.10 Sinteza 3-karboksamido-6-pentil-2(1H)-piridona 8 Sinteza 3-cijano-4-trifluorometil-2-piridona je izvršena polazeći od trifluorometildiketona ili 4,4,4-trifluoroacetoacetata i cijanoacetamida.28 Elektron-privlačna trifluorometil-grupa aktivira karbonilnu grupu dirigujući nukleofilni napad na γ-ugljenik dajući na taj način 3-cijano-4-trifluormetil-6-alkil-2-piridon (slika 1.11), a ne odgovarajući izomer 3-cijano-6-trifluorometil-4-alkil-2-piridon.28 N CF3 O OR H2N O CN CN O H R CF3 Slika 1.11 Sinteza 3-cijano-4-trifluormetil-6-alkil-2-piridona Transformacija 3-cijano-6-trifluorometil-4-alkil-2-piridona u analog vitamina B6 (5- hidroksi-6-metil-4-trifluorometil-3-piridinmetanol), ilustruje primenjivost transformacija derivata 2-piridona.29 Etil-cijanoacetat i 1-amino-2-benzoiletilen mogu da kondezuju u prisustvu natrijum-etoksida dajući 3-cijano-4-fenil-2-piridon (slika 1.12).30 N C6H5 O OH H5C2O O CN CN O H C6H5 NH4Cl C6H5 O CHNH2 C2H5O Na Slika 1.12 Sinteza 3-cijano-4-fenil-2-piridona 1,1,3,3-Tetraetoksipropan (malondialdehid dietil acetal) i cijanoacetamid u vodenom rastvoru i prisustvu trietilamina daju 3-cijano-2-piridon (slika 1.13).31 N CN O H HC CH2 CH OC2H5 OC2H5 C2H5O C2H5O NCCH2CONH2 (C2H5)3N Slika 1.13 Sinteza 3-cijano-2-piridona iz 1,1,3,3-tetraetoksipropana Reakcija između β-dikarbonilih jedinjenja i cijanoacetamida daje odgovarajuće 3- cijano-2-piridone, koji mogu prevođenjem u 2-halogenske derivate, i redukcijom u prisustvu 5% Pd/C dati vrlo korisne derivate 3-cijano-4- i 6-supstituisanih piridina.32 Acetoacetamid i acetilaceton u 10% etanolnom HCl daju 3-acetil-4,6-dimetil-2-piridone.33 2-Cijano-3- 9 arilakrilamid i acetilaceton su korišćeni za sintezu 3-cijano-2(1H)piridona u kojima je acetil- grupa vezana u položaju 5 piridonskog prstena (slika 1.14).34 Ar CN CONH2 O O Me Me N HO Me O CN ArO Me H H NMe O CN ArO Me H NMe O CN ArO Me H - 2H Slika 1.14 Sinteza 5-acetil derivata 3-cijano-2-piridona Enamin 1-etoksi-2,4-pentandiona,35,36 sintetisan iz etoksiacetonitrila i acetona,37 reaguje sa malonitrilom uz gubitak amonijaka dajući dicijano derivat. Nakon reakcije sa amonijakom i ciklizacije dobija se 2-imino derivat odgovarajućeg piridona, koji hidrolizom daje 3-cijano-4-etoksimetilen-6-metil-2-piridon (slika 1.15).37 CH2OC2H5 O OH3C NH3 CH2OC2H5 NH2 OH3C CH2(CN)2 NH3 -NH3 CH2OC2H5 OHH3C CN CN CH2OC2H5 NH2H3C CN CN N CN NH H CH2OC2H5 H3C N CN O H CH2OC2H5 H3C Slika 1.15 Sinteza 3-cijano-4-etoksimetilen-6-metil-2-piridona 1.1.5. Reakcija kondenzacije iz derivata β-keto kiselina Ciklizacije β-keto estara sa cijanoacetamidom ili sa etil-cijanoacetatom i amonijakom daju 5-cijano-6-hidroksi-2-piridone.38,39 Etil-4,4,4-trifluoroacetoacetat i cijanoacetamid u prisustvu natrijum-metoksida daju 3-cijano-6-hidroksi-4-trifluormetil-2-piridon. Ovaj piridon tautomerizacijom u čvrstom stanju prelazi u 5-cijano-6-hidroksi-4-trifluorometil-2-piridon (slika 1.16).28 10 NCN O H CF3 HO N CN OH H CF3 O Slika 1.16 Tautomerizacija 5-cijano-6-hidroksi-4-trifluorometil-2-piridona u čvrstom stanju Izuzetno mali prinosi 6-aril-4-metil-2-piridona se dobijaju reakcijom etil- cijanoacetata, arilmetilketona i amonijum-acetata.40 Postupak koji su razvili Hauser i Eby,41 je korišćen za sintezu supstituisanih 4-fenil-2-piridona, jedinjenja koja su slična streptonigrinu, derivatu koji sadrži hinonsku jedinicu, a proizvodi ga Streptomyces flocculus. 1.1.6. Reakcija kondenzacije iz α,β-nezasićenih karbonilnih jedinjenja Jedinjenja tipa 2-piridinijum-acetata ili njihovi N-metil derivati u metanolnom rastvoru dimetilamina ili natrijum-hidroksida, reaguju sa benzilidenacetofenonima, benzilidenacetonima i cinamaldehidima dajući ogovarajuće 4,6-disupstituisane-2-piridone (slika 1.17).42-46 Reakcija se najverovatnije odvija prema mehanizmu iniciranom Michael- ovom adicijom i ciklizacijom prstena. R2 O R3 X O N Cl N R3 R2 O R1 Slika 1.17 Sinteza 4,6-disupstituisani-2-piridona iz α,β-nezasićenih karbonilnih jedinjenja Sinteza 4,6-di(supstituisani fenil)-2-piridona iz N-karbetoksimetil piridinium bromida i amonijum-acetata u sirćetnoj kiselini daje čistiji proizvod44 u odnosu na prethodno prikazan postupak. Sinteza 3-cijano-4,6-di(supstituisanih fenil)-2-piridona iz benzilidenacetofenona i amonijum-acetata u sirćetnoj kiselini na 140 oC daje i sporedni prozvod 2,4,6-trifenilpiridin.46 Retrokondezacija benzilidenaetofenona se odvija do benzaldehida i acetofenona, koji dalje reguje sa benzilidenacetofenonom i amonijum-acetatom gradeći trifenilpiridin prema mehanizmu Chichibabin-ove reakcije, koja uključuje dehidrogenizaciju u poslednjem koraku.47 Alkaloid duvana Nicotellin (2,4-di-(3-piridil)piridin), je sintetisan iz 1- (karbamoilmetil)piridinijum-hlorida i proizvoda Claisen-ove kondezacije između 11 nikotinaldehida i 3-acetilpiridina.42 Vinilketoni, etil-cijanoacetat i amonijum-acetat daju 3- cijano-4,6-disupstituisane-2-piridone reakcijom koja uključuje Majklovu adiciju i dehidrogenizaciju, pri čemu se intermedijarni 3,4-dihidro-2-piridonski derivat nije detektovan. Ako se koristi benzilidenacetofenon u benzenu, reakcija teče prema mehanizmu koji uključuje Knoevenagel-ovu kondezaciju, i tada je moguće izolovati 3-cijano-5,6-dihidro- 4,6-difenil-2-piridon, koji se može da dehidrogenizuje u ključalom acetonu do 2-piridona (Slika 1.18, a)).48 Kondezacija benzilidenacetofenona i cijanoacetamida u etanolu i prisustvu natrijum-etoksida daje 3-cijano-2-piridon u toku 3 sata, a kondezacija u prisustvu piperidina daje 3,4-dihidro-3-cijano-2-piridon koji može da se dehidrogenuje sa 10% natrijum- hidroksidom ili selenom (Slika 1.18, b)).49 R4 OR6 CN OO NH4OAc N H CN R4 R6 O C4H5 OR6 CN OO N CN C6H5 R6 O H N CN R4 R6 O H AcOH, Δ O CONH2 CN R4 R6 AcOH, Δ - 2H NH4OAc NH4OAc AcOH, Δ - 2H Se acetonΔ a) b) H5C2 H5C2 Slika 1.18 Reakcija kondenzacije 3-cijano-4,6-disupstituisanih-2-piridona iz benzalacetofenona Kondenzacija veratralaldehida (3,4-dimetoksibenzaldehid) ili 2–supstituisanih derivata sa etilmetilketonom daje supstituisane vinilketone koji mogu da reaguju sa etil- cijanoacetatom u prisustvu amonijum-acetata dajući 4-aril-3-cijano-5,6-dimetil-2-piridone (slika 1.19).50 H3C O OCH3 OCH3 R CHO H3CCOCH3 R OCH3 OCH3 CH3CO2 NH4 NCCH2COOC2H5 N R OCH3 OCH3 O CN H H3C H3C Slika 1.19 Sinteza 4-aril-3-cijano-5,6-dimetil-2-piridona 12 Reakcijom α,β-nezasićenih cikličnih ketona sa cijanoacetamidom ili odgovarajućim estrom mogu da se grade kondezovani prstenovi, cikloaromatični ili heterociklični, a izborom α,β-nezasićenih heterocikličnih sistema mogu se uvoditi novi heterociklični prstenovi koji mogu imati interesantna fiziološka svojstva. 3-Cijano-3,4-dihidroizohromano[3,4-b]piridin- 2(1H)-on ili njegov dehidrogenovan analog se mogu dobiti iz izohroman-4-ona i cijanoacetamida u ključalom etanolu i prisustvu piperidina (slika 1.20).51 O Ar O NCCH2CONH2 N O Ar CN O H N O Ar CN O H Se Δ Slika 1.20 Sinteza 3-cijano-3,4-dihidroizohromano[3,4-b]piridin-2(1H)-on 1.2. Reakcija kondenzacije 2-cijano-3-(supstituisani fenil)akrilata i acetofenona Sinteza 3-cijano-4,6-disupstituisanih-2-piridona iz 2-cijano-3-(supstituisani fenil) akrilata i acetofenona se pokazala kao veoma jednostavna metoda koja daje relativno male prinose proizvoda.52 Sinteza intermedijarnih 2-cijano-3-(supstituisani fenil)akrilata, tip Knoevenagel-ove kondezacije, je postupak koji daje visoke prinose proizvoda, pri čemu se, kao akceptori protona, mogu koristiti neorganske baze i amini (slika 1.21).53-55 OH δ+ δ− CN O OEt CN O OEt NH2 + H CN O OEt Slika 1.21 Sinteza intermedijarnih 2-cijano-3-(supstituisani fenil)akrilata Kondenzacija 2-cijano-3-(supstituisani fenil)akrilata i acetofenona se izvodi u prisustvu amonijum-acetata, kao izvora amonijaka. U prvom koraku reakcije se, najverovatnije, gradi imin acetofenona (slika 1.22), koji vrši adiciju na β-ugljenikov atom molekula 2-cijano-3-(supstituisani fenil)akrilata. Rezonancione strukture (2) i (3) (slika 1.22) opisuju delokalizaciju negativnog naelektrisanja (ugljenik nukleofilni centar). 13 CH3 NH CH2 NH2 CH2 NH2 (1) (2) (3) Slika 1.22 Tautomerna ravnoteža imin-enamin i rezonancione strukture imina acetofenona Nukleofilni napad molekula imina acetofenona, je znatno olakšan izraženim pozitivnim naelektrisanjem na β-ugljenikovom atomu molekula 2-cijano-3-(supstituisanih fenil)akrilata, usled prisustva elektron-akceptorskih grupa: -cijano i -estarske (slika 1.23). H CN O O Et H CN O O Et H C O O Et N H C O O Et N Slika 1.23 Rezonancione strukture molekula 2-cijano-3-fenilakrilata Sinteza 2-cijano-3-(supstituisani fenil)akrilata se može izvoditi bez rastvarača, čime se olakšava uklanjanje katalizatora i prečišćavanje reakcionog proizvoda. Reakcije se izvode u čvrstom stanju ili pri uslovima kada je temperatura reakcione smeše iznad temperature topljenja reaktanata. Knoevenagel-ova reakcija između cijanoacetamida i odgovarajućih aldehida se odigrava u kvantitativnom prinosu u uslovima reakcije u čvrstom stanju, kao i reakcije u rastopu. Da bi se uspešno izvela reakcija u čvrstom stanju neophodno je dovoditi triemetilamin (katalizator) kao gas, koji se lako može ukloniti zajedno sa stehimetrijskom količinom vode koja se izdvaja u reakciji. Katalizator se može izbeći ako se reaktanti stope na 150-170 oC, pri čemu proizvod direkto kristališe nakon hlađenja.56 Najverovatniji mehanizam reakcije je prikazan na slici 1.24, kada se u poslednjem stupnuj kondezacije vrši dehidrogenovanje 3,4-dihidro-2-piridinskog derivata do 2-piridona. Mehanizam reakcije nije dokazan, ali je najverovatniji spori stupanj reakcije Michael-ova adicija imino derivata acetofenona na β-ugljenikov atom 2-cijano-3-(supstituisanih 14 fenil)akrilata (slika 1.24). Detaljno je ispitan mehanizam oksidacije57 derivata 1,4- dihidropiridina (proizvodi Hantzsch-ove sinteze) polazeći iz etil-2-cijano-3-(supstituisani fenil)akrilata, koji mogu na istovetan način da izvrše oksidaciju dihidro derivata 3,4-dihidro- 3-cijano-2-piridona do krajnjeg proizvoda. CH2 NH2 H CN O O Et NH4CH3COO δ δ δ O NH4CH3COO NH CN OO Et NH2 N H H O O Et CN - EtOH N O CN H δδ H CN O O Et N O CN H CN O O Et H H H Slika 1.24 Mehanizam reakcije dobijanja 3-cijano-4,6-difenil-2(1H)-piridona Prema pretpostavljenom mehanizmu reakcije (slika 1.24), prvi korak reakcije predstavlja napad enamino derivata na β-ugljenikov atom, što je potvrđeno reakcijom etil-2- cijano-3-arilakrilata i 2-amino-1-metilindola pri čemu nastaje derivat pirido[2,3-b]indola,58-9 prikazanoj na slici 1.25. 15 Ar CO2MeNC N Me NH2 N Me N H Ar CN O Slika 1.25 Reakcija etil-2-cijano-3-arilakrilata i 2-amino-1-metilindola Saito i saradnici,60-1 su korišćenjem cikličnih ketona proširili sintetske mogućnosti navedene reakcije. Upotrebom navedenih ketona pri sintezi derivata akrilata, sintetisani su derivati 3-cijano-2-piridona, kondezovani cikloaromatični sistemi ili proizvodi koji sadrže cikloalkil supstituent. 1.3. Reakcije kondezacije iz nezasićenih derivata kiselina Dietilglutakonat i dva mola N-benzilidenmetilamina (R=CH3) ili benzilidenanilina (R = C6H5) u ksilenu daju 1-supstituisani-3-benziliden-5-karbetoksi-2-okso-6-fenil-Δ4- piperidin (na osnovu NMR analize). Zagrevanjem tog jedinjenja u metanolnom kalijum- hidroksidu dobija se 1-supstituisani-3-benzil-5-karboksi-6-fenil-2-piridon, koji dekarboksilacijom daje 1-supstituisani-3-benzil-6-fenil-2-piridon (slika 1.26).62 C2H5O O CO2C2H5 H C6H5 N R 2 N C6H5 H R O H5C2OOC CHC6H5 CH3OH KOH N C6H5 H R O HOOC CH2C6H5 dekarboksilacija N C6H5 H R O CH2C6H5 Slika 1.26 Sinteza 1-supstituisanog-3-benzil-6-fenil-2-piridona α-Cijano-β-metil-β-fenilakrilmid i etil-fumarat u prisustvu natrijum-hidrida daju 3- cijano-4-fenil-2-piridon (slika 1.27).63 16 H3C C6H5 CN OH2N HCO2C2H5 NaH N C6H5 CN O H Slika 1.27 Sinteza 3-cijano-4-fenil-2(1H)-piridona 1.4. Reakcije kondezacije iz β-dimetilaminoketo jedinjenja Sinteze biološki aktivnih supstanci koje polaze od karbonilnih jedinjenja ili njihovih β-enamino ili alkoksi derivata dobijaju sve veći značaj. Velika reaktivnost navedenih derivata64 omogućava planiranje sinteza željenih jedinjenja, kao i postizanje većih prinosa proizvoda reakcije. β-Dimetilaminoakrolein i cijanoacetamid u prisustvu metalnih alkoksida u alkoholu daju 3-cijano-5-supstituisane-2(1H)piridone.65-70 Nukleofilna supstitucija dialkilamino grupe karbanjonom cijanoacetamida daje intermedijer koji ciklokondezacijom između amidne i aldehidne grupe daje krajnji proizvod (slika 1.28). NMe2 OHC R CN O H2N CN OH2NOH R OH2NMe2N R CN N H CNR O a) b) Slika 1.28 Mogući putevi sinteze 3-cijano-2-piridona iz β-enamino derivata Analogno, 2-okso-(piridazin-4-il)-1,2-dihidripiridin-3-karbonitril se dobija reakcijom 4- piridazindialdehida sa cijanoacetamidom u etanolu u prisustu natrijum-etoksida (slika 1.29).71 N O CN N N H N N CH(CHO)2 CN O H2N Slika 1.29 Sinteza 2-okso-(piridazin-4-il)-1,2-dihidripiridin-3-karbonitrila Treba naglasiti da je sinteza derivata 3-cijano-2-piridona ima svoja ograničenja korišćenjem α-supstituisanih β-enamino ili alkoksi ketona. Uspešne sinteze su ostvarene kada 17 β-enamino keto jedinjenje ima heterociklične grupe na α-položaju supstituisanog etilena, i to ako se sinteza vrši u alkoholu ili DMF-u, u prisustvu natrijum-metoksida ili hidroksida (slika 1.30).72-8 R1 R R2 O R3 CN O H2N N CN H R1 R2 R3 O R = OEt, NMe2, morfolino R1 = H, alkil R2 = aril, heteroaril R3 = alkil Slika 1.30 Primer sinteza 3-cijano-2-piridona iz β-enamino ili alkoksi derivata Sinteza 3-cijano-2-piridona koji u položaju 5 imaju supstituisanu karbonilnu grupu se može izvesti reakcijom β-enamino(etoksi)ketona, dobijenih iz simetričnih i asimetričnih diketona, i cijanoacetamida.78-82 Na primer, 2-dimetilaminometilen-1,3-pentandion reaguje sa cijanoacetamidom uz zagrevanje, u struji argona i prisustvu natrijum-hidrida u anhidrovanom tetrahidrofuranu81 ili DMF-u,82 dajući 5-acetil-3-cijano-6-metil-2(1H)-piridon (slika 1.31). NMe2 OR2 CN O H2N N CN H R2 O CN O H2N OEt O R2 R1 O O R1 O R1 Slika 1.31 Sinteza 5-alkilketo derivata 3-cijano-2-piridona iz β-enamino ili alkoksi derivata Supstituisani enamini 1,3-cikloheksandiona se uspešno koriste za sintezu piridona koji imaju enonsku strukturu u bočnom prstenu podložnu daljim transformacijama ili hidrogenizaciji do hinolinskih derivata. Dobijaju se reakcijom enamina 1,3-cikloheksandiona sa malonitrilom (Slika 1.32, a)) ili cijanoacetamidom (Slika 1.32, b)), u prisustvu natrijum- etoksida i ključalom etanolu.83-4 O O NMe2 R1 R2 NCCH2CN N R1 R2 O O CN HNCCH2CONH2 R1 = R2 = H, CH3 a) b) Slika 1.32 Sinteza 5,6-kondezovanih derivata 3-cijano-2-piridona 18 1.5. Reakcije kondezacije iz α,β-nezasićenih nitrila Interesantna jedinjenja ispitivana u cilju sinteze derivata 3-cijano-2-piridona su α,β- nezasićeni nitrili, jedinjenja koja imaju lako odlazeću grupu u β-položaju, i koja pri kondezaciji sa cijanoacetamidima daju derivate 3-cijano-2-piridona. Tako na primer, N- furfurilakrilamid reaguje sa cijanoacetfenilhidrazidom dajući 6-amino-3-cijano-N-fenilamino- 4-metiltio-5-((N-(2-tetrahidrofuril)metilen)aminokarbonil)-2-piridon (slika 1.33).85 MeS MeS CN CONHCH2 O NCCH2CONHNH2Ph N CN O NHPh SMe H2N H2CHNOCO Slika 1.33 Sinteza 6-amino-3-cijano-N-fenilamino-4-metiltio-5-((N-(2- tetrahidrofuril)metilen)aminokarbonil)-2-piridona Ako se u reakciji sa 2-cijanoakrilnim estrom koriste heterosupstituisane ketoni dobijaju se derivati 4H-hinolizinona.86-90 Postoje patentni podaci o sintezi 3-cijano-5-(4- piridil)-6-metil-2(1H)-piridona (Milrinon, slika 1.34), inhibitora fofsfodiesteraze, koji se dobija ciklizacijom tricijano-1,4-dienkarboksamida u prisustvu natrijum-hidroksida, natrijum- karbonata ili natrijum-alkoksida, uz eliminaciju malonitrila, u odgovarajućem alkoholu (slika 1.34).91 NC CN Me N NC CONH2 baza - NCCH2CN N O CN Me H N Slika 1.34 Sinteza Milrinona iz tricijano-1,4-dienkarboksamida 1.6. Sinteze 3-cijano-2-piridona iz halogenskih derivata 2-piridona Nukleofilne supstitucije u seriji halogen supstituisanih 2-piridona mogu se primeniti za sintezu derivata 3-cijano-2(1H)-piridona. Nukleofilni reagens može biti derivat alkohola,92-3 fenola,94-5 naftola,96-7 hidrohinolina98-9 i hidroksiindola100-1 u prisustvu alkalnih metalnih hidrida ili hidroksida. Milrinon se može dobiti polazeći od 3-brom-6-metil-5- 19 (piridin-4-il)-2(1H)piridona sa kalijum-cijanidom u acetonitrilu u prisustvu 1,4,7,10,13,16- heksaoksaciklooktadekana (18-crown-6 etar) (slika 1.35).102 N O CN Me H N N O Br Me H N KCN, MeCN 18-crown-6 Slika 1.35 Sinteza Milrinona supstitucijom halogenskog derivata Zamena halogen u položaju 2 2-halogeno-3-cijanohinolina metoksi grupom daje 2- metoksi derivat koji podvrgnut kiseloj hidrolizi daje derivat hinolinona, jedinjenja koja imaju potencijalnu biološku aktivnost.103-4 1.7. Sinteza organskih jedinjenja pomoću mikrotalasa Uobičajeni načini dovođenja toplote, pri izvodjenju hemijskih reakcija, su do sedamdesetih godina bili različiti izvori toplotne energije. Krajem sedamdesetih godina 20. veka, mikrotalasna tehnika je prvo primenjena u neorganskoj hemiji, a od sredine osamdesetih i u organskoj hemiji za izvođenje organskih sinteza. Inače se u nekim drugim oblastima, kao što je prehrambena tehnologija, sama mikrotalasna tehnika primenjuje već skoro pola veka.105-6 Primena mikrotalasne tehnike u organskoj hemiji i organskoj hemijskoj tehnologiji se odvijala sporo zbog niske reproduktivnosti rezultata, otežane kontrole, niske bezbednosti kao i zbog nerazumevanja same tehnike. Od sredine devedesetih godina 20. veka, broj publikacija iz ove oblasti se značajno povećao, zbog pojave pristupačne komercijalne mikrotalasne opreme kao i povećanja bezbednosti izvođenjem reakcija u odsustvu rastvarača, a posebno zbog kraćih reakcionih vremena pri izvođenju ovih reakcija.105 Kraća reakciona vremena kao i sve veći broj reakcija koje se odvijaju uz pomoć mikrotalasne tehnike pogoduju primeni ove tehnike u industriji. Na primer, savremena farmaceutska industrija zahteva stvaranje sve većeg broja novih molekula, što primorava hemičare da koriste veći broj eksperimenata u što kraćem vremenskom periodu.105 Takođe, mikrotalasna tehnika se koristi i u prehrambenoj industriji kao i u pirolizi otpadnog materijala106, pripremi uzoraka za analizu107, ekstrakciji prirodnih jedinjenja108 i hidrolizi proteina i peptida.109 20 1.7.1. Mikrotalasno zračenje 105,106,110 Zagrevanje pomoću mikrotalasa (MT) zasniva se na sposobnosti nekih tečnosti i čvrstih supstanci da prevode elektromagnetno zračenje u toplotu pri čemu dolazi do hemijskih reakcija. U elektromagnetnom spektru, oblast mikrotalasnog zračenja se nalazi između infracrvenog zračenja i radio talasa. Mikrotalasi imaju frekvenciju između 0,3 GHz i 300 GHz, što odgovara talasnim dužinama između 1 cm i 1 m. Većinu frekvencija pokrivaju telekomunikacioni i radarski uređaji. 1.7.2. Interakcije mikrotalasnog zračenja sa materijom 105,106,110 Da bi došlo do interakcije neke supstance ili reakcione smeše sa mikrotalasima, tako da dođe do zagrevanja, potrebno je da budu ispunjeni određeni uslovi. Prvo, potrebno je da reakciona smeša sadrži dipolarne molekule ili jone. Samo zagrevanje je posledica dva mehanizma: dipolarne polarizacije i kondukcije. Dipoli su osetljivi na dejstvo spoljašnjeg električnog polja i pokušavaju da se usklade sa oscilovanjem polja. Polje obezbeđuje energiju, a kretanjem dipoli gube energiju usled trenja, čime dolazi do zagrevanja. Stepen zagrevanja zavisi od prirode dipola i frekvencije primenjene radijacije. Ukoliko je frekvencija previsoka, dipol ne može da prati promene polja, i pošto ne dolazi do kretanja, nema ni zagrevanja. Zagrevanja nema ni ako dipol prati promene polja idealno, što se dešava pri niskim frekvencijama. Pri mikrotalasnom zračenju, dipoli mogu da prate polje i ukoliko su promene dovoljne brze, dipoli ga ne prate idealno, pa to dovodi do zagrevanja (slika 1.36). Slika 1.36 Efekti električnog polja na orijentaciju dipola: a) dipoli bez dejstva polja b) dipoli pod dejstvom kontinualnog električnog poolja c) dipoli pod dejstvom naizmeničnog električnog polja visoke frekvencije111 Drugi mehanizam zagrevanja kondukcijom zasnovan je na kretanju jona usled dejstva mikrotalasnog zračenja i tada je zagrevanje mnogo jače nego što je pri zagrevanju usled dipolarne polarizacije. Zato se supstance i reakcione smeše značajno brže zagrevaju pri 21 dejstvu mikrotalasnog zračenja. Ovo svojstvo jona se može iskoristiti za poboljšanje zagrevanja nepolarnih rastvarača pri mikrotalasnom zračenju. Pri poređenju sposobnosti rastvarača za interakciju sa mikrotalasnim zračenjem važna je: - sposobnost rastvarača da apsorbuju mikrotalasnu energiju, - njegova sposobnost da apsorbovanu energiju prevede u toplotnu energiju. Interakcija rastvarača sa mikrotalasnim zračenjem je veoma složena. Ona zavisi od permitivnosti rastvarača, koja zavisi od temperature rastvarača i frekvencije primenjenog polja, kao i od viskoznosti rastvarača, koja je opet funkcija temperature. Ovaj fenomen ima takođe veliki značaj i pri zagrevanju čvrstih materijala kao što su metali i njihovi oksidi.111-2 Komercijalne i laboratorijske mikrotalasne pećnice za domaćinstvo Veći broj objavljenih radova baziran je na reakcijama u komercijalnim mikrotalasnim pećnicama za zagrevanje hrane u domaćinstvu (slika 2.1). Glavni razlog za upotrebu ovih pećnica je u njihovoj dostupnosti i niskoj ceni. Upotreba ovih pećnica je veoma rizična za korisnike u organskoj sintezi, jer može dovesti do eksplozija i drugih incidenata, usled slabe kontrole reakcije. Jedan od načina da se ovakvi problemi prevazdju je primena reakcija u kojima se neće koristiti rastvarač i izvodjenje reakcija na čvrstim nosačima kao što su: razne gline, aluminijum(III)-oksid i silicijum(IV)-oksid. Reakcije u odsustvu rastvarača se mogu smatrati bezbednim i za čovekovu okolinu, jer se izbegava upotreba organskih rastvarača i obezbedjuje se lakše prečišćavanje proizvoda reakcije. Savremene labortorijske mikrotalasne pećnice imaju širok spektar mogućnosti koje se ogledaju u mogućnosti vođenja i kontrolisanja zadatih reakcionih uslova (slika 1.37). Konstrukcijski si izrađene od različitih materijala, u zavisnosti od namene, i mogu da izdrže sve agresivne uslove u kojima se rekacije izvode. Reakcije se mogu izvoditi prema tačno definisanom metodu (temperatura, vreme, pritisak, redosled i kontrola dodavanje reaktanata), uz mogućnost intenzivnog mešanja kako bi se uspostavio ravnomeran temperaturni gradijent. Slika 1.37 Laboratorijska mikrotalasna pećnica 22 Refluksni sistemi U cilju korišćenja rastvarača u mikrotalasnoj pećnici, bez opasnosti od eksplozija, razvijen je veći broj refluksnih sistema. Neki sistemi predstavljaju modifikovane komercijalne mikrotalasne pećnice za domaćinstvo, dok su druge mikrotalasne pećnice posebno projektovane. Kod refluksnih sistema je mala opasnost od eksplozije jer je to otvoren sistem na atmosferskom pritisku, pa se zapaljive pare rastvarača ne mogu osloboditi unutar mikrotalasne pećnice. Temperatura se ipak ne može povisiti više od 13-26 oC iznad normalne temperature ključanja rastvarača i ostvaruje se samo u kratkom vremenskom periodu (Tabela 1.1). Tabela 1.1. Temperature ključanja nekih tipičnih polarnih rastvarača (°C )112 Rastvarač Pod normalnim uslovima Pod dejstvom mikrotalasa Razlika Voda 100 105 5 Metanol 65 84 19 1-Butanol 117 138 21 1-Pentanol 136 157 21 Etil acetat 77 102 25 2-Butanol 98 127 29 1-Heptanol 176 208 32 Aceton 56 89 33 Tetrahidrofuran 67 103 36 Acetonitril 82 120 38 1.7.3. Ekološki značaj113 Mikrotalasno zračenje omogućava rad u “suvom medijumu” tj. u odsustvu rastvarača, što je dobro, jer su rastvarači često skupi, otrovni i teško se izdvajaju ako imaju visoku temperaturu ključanja. Odsustvo rastvarača smanjuje rizik od eksplozije u mikrotalasnim aparatima a ujedno se sprečava i zagadjenje okoline. Mikrotalasna tehnologija omogućava takodje i izvodjenje reakcija bez metalnih katalizatora, čime se smanjuje velika količina toksičnog otpada. Samo mikrotalasno zračenje nije jonizujuće i ne spada u štetna zračenja. Mikrotalasne sinteze se ubrajaju medju metode koje poštuju principe takozvane ”zelene hemije” što predstavlja veliki doprinos i razlog više za orjentisanje ka ovakvom načinu izvodjenja sinteza. 1.7.4 Sinteze 3-cijano-2-piridona pomoću mikrotalasnog zračenja114 Glavna primena mikrotalasnog zračenja u organskoj hemiji, ogleda se u izvodjenju reakcija u cilju postizanja ili većeg prinosa ili kraćeg reakcionog vremena.115-6 Arilazo piridonske boje se koriste u tekstilnoj industriji i njihova sinteza se može odvijati na dva načina, pri čemu se bolji prinosi dobijaju primenom prvo diazotovanja (slika 1.37): 23 RR' O O N2 X N N O O R R' NC O NH2 N O CN R R' NN X H X MT, 5 min R = Me, Ph R' = Me, OEt R'' = Me. OH Slika 1.38 Sinteza azo boje primenom mikrotalasnog zračenja Značajno skraćenje vremena sinteze, postiže se upotrebom mikrotalasne sinteze u drugom stupnju, kada je reakcija gotova za 5 min uz bolji prinos u odnosu na klasičnu reakciju sa istim katalizatorom (slika 1.38).117-8 Različiti autori vršili su sinteze piridona uz primenu mikrotalasa. Dr Horst Schmid je patentno zaštitio sintezu 6-hidroksi-4-metil-3-cijano-2-piridona.26 Polazna jedinjenja za ovu sintezu su acetsirćetni etilestar i cijanoacetamid. Kao katalizator korišćen je piperidin. Mikrotalasnim zračenjem jačine 300 W zagrevana je reakciona smeša, u trajanju od pet minuta. Prinos proizvoda, dobijenog pri ovakvim uslovima reakcij, iznosio je 96 %.119 Grupa francuskih i kubanskih autora sintetisala je 5-alkoksikarbonil-6-metil-3,4- dihidropiridon iz Meldrumove kiseline, metilacetoacetata i odgovarajućeg benzaldehida, u prisustvu amonijum-acetata i bez rastvarača. Dobijeni su visoki prinosi, od 81 % do 91 %.120 U Indiji su vršene sinteze 4,6-disupstituisanih-3-cijano-2-piridona, polazeći iz 1,3- diarilpropen-1-ona i cijanoacetamida i katalizator kalijum-hidroksid.121 1.8. Korelaciona analiza u NMR spektroskopiji122 Korelaciona analiza u NMR spektroskopiji ima za cilj pronalaženje potencijalnih međuzavisnosti NMR podataka kao i zavisnosti NMR podataka sa: (a) molekulskim parametrima (elektronegativnost, jonizacioni potencijal, elektronska gustina, parametari koji karakterišu veze među molekulima); (b) parametrima rastvarača; (c) uobičajenim efektima magnetnog i električnog polja; (d) parametrima strukture i reaktivnosti, koji se nazivaju 24 konstante supstituenata, odnosno, parametri linearne korelacije slobodne energije (engl. LFER: Linear Free Energy Relationship). Posebnu pažnju zaslužuju korelacije NMR podataka, naročito hemijskih pomaka (δ), prinmenom principa linearnih korelacija slobodnih energija (LFER), i Hammett-ovih σ konstanti123-4 ili analognih parametara koje su odredili drugi autori.123-44 Činjenica da su mnogo bolji rezultati postignuti korelacijom NMR hemijskih pomaka (δ) nego konstati sprezanja (J), je posledica zavisnosti konstante sprezanja (J) od s-elektronske gustine na jezgru, odnosno, od prirode orbitalne interakcije na putu na kome se dešava sprezanje. Oba ova faktora smanjuju verovatnoću korelacije sa konstantama supsttuenta (σ) koji su, u osnovi, mera lokalne ukupne elektronske gustine. Korelacije hemijskih pomaka (δ) Hammett-ovskog tipa su dale veoma dobre rezultate naročito u oblasti efekata supstituenata u aromatičnim jedinjenjima. Hammett-ove σ konstante i analogni parametri su od značaja za NMR spektroskopiju zahvaljujući svom empirijskom karakteru. Do nedavno je empirijski pristup bio jedini način pronalaženja makar i polu-kvantitativnog racionalnog tumačenja NMR podataka, a uspešna primena Hammett-ove jednačine na drugim poljima, ukazala je na njenu potencijalnu primenu pri tumačenju fenomena zaklonjenosti jezgra (engl. nuclear shielding), a takođe i na spin-sprezanje jezgara (engl. nuclear spin coupling). Uprkos velikom potencijalu NMR podataka za potpunu karakterizaciju elektronskog uređenja unutar molekula, razvoj prave teorijske osnove daleko zaostaje za dostupnim empirijskim podacima. Osim što su na polju empirijske racionalizacije NMR podataka ostvareni značajni reazultati, razumevanje teorijskih osnova je, takođe, veoma uznapredovalo. Međutim, većina objavljenih rezultata u oblasti korelacije NMR podataka primenom LFER analize ima dva nedostatka. Prvi se odnosi na znatne poteškoće pri procenjivanju realnih ograničenja ovakvog načina tumačenja NMR podataka, dok se drugi, mnogo značajniji, odnosi na probleme pri tumačenju stvarnog značaja konkretne statističke karakterizacije pretpostavljene korelacije. Očekivanja da (eventualno) prisutna linearna korelacija hemijskih pomaka i parametara strukture i reaktivnosti ima neki stvaran smisao, se zasnivaju na činjenici da i hemijski pomaci i parametri strukture i reaktivnosti zavise od elektronske raspodele u osnovnom (nepobuđenom) stanju molekula, odnosno, od načina na koji prisutni supstituenti utiču na raspodelu elektronske gustine unutar molekula. Mada su Hammett-ove σ konstante određene na osnovu praćenja termodinamičkih ili kinetičkih ponašanja konkretnih izučavanih sistema, one u svakom slučaju karakterišu bilo krajnje bilo prelazno stanje, u odnosu na 25 pobuđeno/osnovno stanje unutar molekula. Zahvaljujući tome, postoje izvesne teorijske potvrde pretpostavki da su ove, eksperimentalno određene konstante, mera elektronskih promena unutar osnovnog stanja molekula, nastalih kao posledica prisutnog uvedenog supstituenta. Teorijska podloga ovakve pretpostavke je zasnovana na klasičnim elektronskim argumentima i na kvantno-mehaničkoj analizi. Nuklearna-magnetna rezonancija (NMR) i NMR-spektroskopija145 Do nuklearne-magnetne rezonancije (NMR) dolazi kada se atomska jezgra nekih elemenata, poput jezgara atoma vodonika (1H), ugljenika-13 (13C), azota-14 (14N), fluora-19 (19F), fosfora-31 (31P), kobalta-59 (59Co), izlože dejstvu jakog i homogenog spoljašnjeg magnetnog polja ( )0Br i istovremeno ozrače elektromagnetnim talasima iz radio-frekventnog (RF) dela spektra (λ > 1 m). Tom prilikom dolazi do izmene energije između jezgara i radio- frekventnog (RF) zračenja, prilikom koje jedan broj jezgara apsorbuje, a preostali broj emituje zračenje iste frekvencije (ν). Da bi neko jezgo bilo spin-aktivno, odnosno, da bi pod pomenutim uslovima moglo stupiti u rezonanciju sa radio-frekventnim (RF) zračenjem, dotično jezgro mora imati ugaoni momenat (spin; I r ) različit od nule. S' obzirom da se spin- aktivna jezgra kreću, ona, kao i sve naelektrisane čestice, imaju i magnetni momenat ( )μr . Unutrašnje osobine nekog jezgra su okarakterisane ugaonim ( )Ir i magnetnim ( )μv momentom. Naelektrisane mikročestice, poput spin-aktivnih atomskih jezgara i nesparenih elektrona, pod uticajem spoljašnjeg homogenog magnetnog polja ( )0Br , osim što se obrću oko svoje ose, istovremeno se kreću i konusnom putanjom oko pravca spoljašnjeg magnetnog polja ( )0Br . Ovakvo kretanje, nastalo kao kombinacija dejstva ugaonog momenta ( )Ir naelektrisane mikročestice i dejstva spoljašnjeg homogenog magnetnog polja ( )0Br , naziva se precesija (analogija sa žiroskopom). Primenom kvantno-mehaničkog modela na fenomen nuklearne magnetne rezonancije, odnosno, uzimajući u obzir dozvoljene orjentacije spinova atomskih jezgara u magnetnom polju i njihove interakcije sa radio-frekventnim (RF) zračenjem, izvedena je poznata jednačina (1.1) za precesionu frekvenciju ogoljenog spin-aktivnog atomskog jezgra (ν): 02 Bπ γν = (1.1) gde je: ν - precesiona frekvencija ogoljenog spin-aktivnog atomskog jezgra (Hz); γ - žiromagnetni odnos (rad T–1 s–1); B0 - primenjeno stalno magnetno polje (T). Žiromagnetni 26 odnos (γ), s' obzirom da predstavlja količnik magnetnog (μ) i ugaonog momenta (Ι) posmatranog jezgra ( I )μγ = , fizička je veličina koja karakteriše dotično jezgro. (Izraz ogoljeno se odnosi na neko izolovano, hipotetičko spin-aktivno atomsko jezgro bez elektronskog omotača i svega onoga što se smatra njegovim okruženjem). Hemijski pomaci145 Mogućnost primene NMR spektroskopije za strukturna određivanja se zasniva na vezi između precesione (rezonancione) frekvencije posmatranog jezgra (ν) i jačine efektivnog magnetnog polja (Bef) koje ono oseća u molekulu. Svako jezgro u molekulu se nalazi u nekom okruženju. Jezgro neposredno okružuje njegov elektronski oblak, dok se u njegovoj blizini nalaze i ostali elektroni, kako iz istog, tako i iz drugih molekula. Svi elektroni iz elektronskog okruženja nekog jezgra, kada se nađu u primenjenom spoljašnjem polju (B0), indukuju svoja lokalna magnetna polja (Bi) koja su reda veličine ppm-a. Ta indukovana lokalna magnetna polja (Bi) su direktno proporcionalna spoljašnjem polju (B0): 0BBi ×= σ (1.2) gde je: - indukovano lokalno magnetno polje (T); - primenjeno spoljašnje homogeno magnetno polje (T); iB 0B σ - konstanta proporcionalnosti koja se naziva konstanta zaštite (engl. shielding constant), odnosno, konstanta zaklanjanja (engl. screening constant). Efektivno magnetno polje (Bef) koje oseća posmatrano jezgro, može se predstaviti jednačinom (1.3): 000 BBBBB ief ×−=−= σ (1.3) gde je: - efektivno magnetno polje (T). efB Bi B0 Bef Bi B0 Bef dijamagnetni uticaj paramagnetni uticaj Slika 1.39 Promena intenziteta efektivnog magnetnog polja (Bef) oko posmatranog jezgra pod uticajem okoline145 U zavisnosti od predznaka konstante zaštite (σ), efektivno magnetno polje oko jezgra (Bef) se smanjuje ili povećava (slika 1.40). Kada konstanta zaštite (σ) ima pozitivan predznak (σ > 0), efektivno magnetno polje (Bef) se smanjuje i naziva dijamagnetni uticaj, i suprotno kada se efektivno magnetno polje povećava naziva se paramagnetni uticaj. 27 Uzevši u obzir gore pomenuto, stvarna precesiona frekvencija nekog spin-aktivnog atomskog jezgra (ν) se dobija kada se u jednačini (1.4), B0 zameni sa Bef, odnosno: ( σπ ) γν −= 1 2 0 B (1.4) gde je: ν - stvarna precesiona frekvencija ogoljenog spin-aktivnog atomskog jezgra (Hz); γ - žiromagnetni odnos (rad T–1 s–1); B0 - primenjeno stalno magnetno polje (T); σ - konstanta zaštite jezgra. Hemijskim pomakom, odnosno, hemijskim pomeranjem se naziva položaj signala u NMR spektru. Izražava se jedinicama bez dimenzija, tzv. δ-jedinicama (ppm), koje su uvedene iz razloga što njihova vrednost ne zavisi od jačine primenjenog magnetnog polja (B0), odnosno, radne frekvencije instrumenta (ν0). Bezdimenzione jedinice hemijskog pomaka (δ) se izvode prema jednačini (1.5): (ppms 6 0 10×−= ν ) ννδ (1.5) gde je: ( )sνν − - razlika frekvencije posmatranog signala i standarda (Hz); ν0 - radna frekvencija instrumenta (Hz). Kod opisivanja relativnog položaja nekog signala u NMR spektru, još uvek se koriste izrazi (sada već zastareli) poput: pomeren ka višem magnetnom polju (engl. upfield ili dijamagnetna pomeranja) što označava nižu frekvenciju (manja δ-vrednost) i pomeren ka nižem magnetnom polju (engl. Downfield shift ili paramagnetna pomeranja) – što označava višu frekvenciju (veća δ-vrednost). Uslovljenost hemijskog pomaka spin-aktivnog atomskog jezgra njegovom strukturnom i stereohemijskom okolinom122,145 Kako je hemijski pomak (δ) nekog spin-aktivnog jezgra (N), u direktnoj vezi sa ukupnom zaštitnom konstantom dotičnog jezgra (σΝ), a da bi se izbegle moguće zabune usled sličnosti sa simbolima usvojenim u oblasti zavisnosti strukture i reaktivnosti, analiziranju uticaja kombinovanog dejstva više različitih magnetnih uticaja okoline na ukupnu zaštitnu konstantu spin-aktivnog jezgra (N) je moguće pristupiti i sa aspekta hemijskog pomaka. Shodno pomenutom, hemijski pomak nekog jezgra (δΝ) se može predstaviti kao zbir četiri različita doprinosa ukupnoj zaštiti jezgra, što je prikazano jednačinom (1.6): N m NN lr NN p NN d N δδδδδ +++= ' (1.6) gde je: - doprinos lokalnog uticaja elektrona sa posmatranog atoma; - doprinos elektrona sa ostalih atoma u molekulu; - doprinos medijuma (rastvarača). [Potpisani znaci NNδ 'NNlrδ N mδ 28 d, p i lr, označavaju (respektivno): dijamagnetni (engl. diamagnetic), paramagnetni (engl. paramagnetic) i doprinos na daljinu (engl. long-range)]. 1.8.1. Doprinos lokalnog uticaja elektrona sa posmatranog atoma Lokalni dijamagnetni doprinos Dijamagnetno kruženje lokalnih elektrona unutar sferno simetričnih orbitala, izazvano primenjenim spoljašnjim magnetnim poljem, za posledicu ima indukovano magnetno polje koje se suprotstavlja spoljašnjem polju i tako umanjuje njegovo dejstvo na posmatrano jezgro (N). Drugim rečima, jezgro je pod uticajem elektrona koji kruže oko njega delimično zaštićeno (zaklonjeno) od dejstva spoljašnjeg polja.145 Ovaj dijamagnetni doprinos lokalnog uticaja elektrona sa posmatranog atoma ( )NNdδ čini veliki, a često i najveći deo ukupne zaštite jezgra okruženog orbitalama koje imaju sfernu simertiju. On može biti predstavljen jednačinom (1.7), poznatom kao Lamb-ova zavisnost: ∑ −−= i i NN d rmc e 1 2 2 3 δ (1.7) gde je: 1−ir - recipročna vrednost udaljenosti elektrona i od jezgra; e - naelektrisanje elektrona; m - masa elektrona; c - brzina svetlosti u vakuumu. Iz jednačine (1.7) je očigledno da veličina u velikoj meri zavisi od elektronske gustine oko jezgra i naročito je velika za ona spin-aktivna jezgra oko kojih postoji sferna raspodela naelektrisanja.145 Tako je, na primer, lokalna dijamagnetna zaštita protona (N = 1H) daleko veća nego lokalna dijamagnetna zaštita ugljenika-13 (N = 13C) koji spada u spin- aktivna jezgra okružena orbitalama aksijalne simetrije. NN dδ Ukoliko su ostali faktori koji utiču na veličinu zanemarljivi, za očekivati je da postoji dobra linearna korelacija hemijskog pomaka (δ) sa elektronegativnosti supstituenta/ induktivnom konstantom σI. Ovakve zavisnosti su veoma eksploatisane kod jednostavnih alifatičnih sistema, pogotovo kada su u pitanju hemijski pomaci protona (N = 1H).146 NN dδ Lokalni paramagnetni doprinos Paramagnetni doprinos ( )NNpδ ima pozitivnu vrednost i on remeti lokalnu dijamagnetnu zaštitu jezgra. Posledica je mešanja (preklapanja) ugaonog elektronsko- orbitalnog momenta sa spinskim momentom jezgra122 ili drugačije rečeno, posledica je mešanja osnovnih elektronskih energetskih stanja sa pobuđenim,145 do koga dolazi pod dejstvom primenjenog spoljašnjeg magnetnog polja. Iako je tačno vrednovanje paramagnetnog doprinosa veoma teško, s' obzirom da zahteva precizne podatke o talasnim 29 funkcijama pobuđenog stanja,147 jednačina (1.8) Karplus-a i Pople-a147 u dovoljnoj meri ilustruje zavisnost paramagnetnog doprinosa ( )NNpδ i elektronske gustine. ∑−Δ= ' '2322 22 2 N NNp NN p QrEcm e hδ (1.8) gde je: p r 2 3− - odnosi se na dimenzije atomskih p-orbitala; ∑ 'NNQ - u opisu osnovnog stanja molekula molekulsko-orbitalnom teorijom sadrži elemente matričnog reda: gustina naelektrisanja-veza i odražava asimetričnu raspodelu orbitalnog naelektrisanja; EΔ - srednja vrednost energije pobuđivanja; π2h=h ; h - Planck-ova konstanta. Ostali simboli imaju značenje identično onome u jednačini (1.7). Iz jednačine (1.8) je očigledno da, ukoliko su svi faktori koji utiču na veličinu dijamagnetnog doprinosa ( )NNpδ Δ podjednako važni, ona ne predstavlja linearnu zavisnost. Međutim, uz izvesne aproksimacije je pomenutu zavisnost moguće dodatno uprostiti. Srednja vrednost energije pobuđivanja predstavlja empirijski parametar i obično se, u okviru posmatrane serije jedinjenja (npr. supstituisani derivati benzena), smatra konstantnom veličinom. Dokazano je da parametar ( E) r 3− p2 zavisi od elektronske gustine.147 Povećanjem elektronske gustine smanjuje se efektivno naelektrisanje jezgra, što je praćeno širenjem 2p- orbitala [npr. u slučaju ugljenika-13 (N = 13C) ili fluora-19 (N = 19F)], odnosno, linearnim smanjenjem paramagnetnog doprinosa ( )NNpδ . Promene unutar parametra su manje-više zanemarljive, pogotovo u seriji jedinjenja u kojoj se ista razlikuju samo po prirodi supstituenta. Sveopšti prihvaćeni stav je da se zavisnost paramagnetnog doprinosa 'NNQ ( )NNpδ od elektronske gustine najvećim delom ogleda kroz parametar p r 2 3− . Svojevrsna potvrda ispravnosti ovakvog stanovišta je postojanje mnogih prihvatljivih linearnih korelacija hemijskih pomaka ugljenika-13 (N = 13C) ili fluora-19 (N = 19F), sa elektronskom gustinom. Ipak, prisutne poteškoće pri interpretaciji pomenutih korelacija, ukazuju da moguće varijacije unutar parametara: EΔ i nisu potpuno bez značaja. 'NNQ Za protone (N = 1H) je paramagnetni doprinos ( )NNpδ veoma mali, s' obzirom da distorzija 1s-orbitale nije velika i da najbliža odgovarajuća eksitovana orbitala (2p) ima veoma veliki sadržaj energije. Za sva ostala spin-aktivna jezgra je paramagnetni doprinos ( )NNpδ znatno veći iz razloga što su kod njih dostupne nisko-ležeće (engl. low-lying) p- i d- orbitale. Tako je za ugljenik-13 (N = 13C) ili fluor-19 (N = 19F), numerička vrednost dijamagnetnog doprinosa ( )NNdδ veća od vrednosti paramagnetnog doprinosa ( )NNpδ i 30 suprotnog je znaka ali je zato paramagnetni doprinos ( )NNpδ znatno podložniji elektronskim efektima i odgovoran je za promene u hemijskom pomaku. Neka istraživanja ukazuju da, u slučaju ugljenika-13 (N = 13C), promene unutar dijamagnetnog doprinosa ( )NNdδ mogu imati veću važnost od očekivane.147 Doprinos elektrona sa ostalih atoma u molekulu Treći član u jednačini 1.6, odnosno, doprinos elektrona sa ostalih atoma u molekulu ( )'NNlrδ ( )0B , obuhvata magnetni poremećaj unutar spin-aktivnog jezgra (N) koji nastaje pod uticajem elektrona sa ostalih atoma u molekulu kao i indukovanu cirkulaciju elektrona oko drugih jezgara u molekulu (N'), pod uticajem primenjenog spoljašnjeg homogenog polja . S' obzirom da doprinos elektrona sa ostalih atoma u molekulu ( )'NNlrδ može poticati od lokalizovanih (najčešće individualnih veza) i/ili delokalizovanih grupa elektrona, ovaj doprinos se može predstaviti jednačinom 1.9: ''' NN deloc NN loc NN lr δδδ += (1.9) gde je: - anizotropija unutar dijamagnetne osetljivosti pojedinačnih veza (engl. anisotropy in the diamagnetic susceptibility of the individual bonds); - anizotropija unutar dijamagnetne osetljivosti elektrona u delokalizovanim orbitalama (engl. anisotropy in the diamagnetic susceptibility of the electrons in delocalized orbitals). 'NN locδ 'NN deloc 'NN locδ δ Anizotropija unutar dijamagnetne osetljivosti pojedinačne veze može biti predstavljena poznatom McConnell-ovom jednačinom (1.10): ( ) 32' 31cos3 rNNloc ∑ −Δ= θχδ (1.10) gde je: χΔ - anizotropija magnetne osetljivosti konkretne veze; r - udaljenost jezgra N od centra veze; θ - ugao između r i veze. Elektroni iz σ- i π-orbitala koje nisu sferno simetrične indukuju magnetna polja, koja u najvećem broju slučajeva imaju veoma veliki uticaj na efektivno magnetno polje (Bef) koje oseća neko spin-aktivno jezgro (N), što je naročito izraženo kod protona (N = 1H). Efektivno magnetno polje (Bef) koje oseća neko spin-aktivno jezgro (N) je naročito podložno uticaju indukovanih magnetnih polja pokretljivih π-elektrona u nezasićenim jedinjenjima. Pokretljivi π-elektroni pod uticajem spoljašnjeg magnetnog polja (B0) indukuju magnetna polja čije se dejstvo, na posmatrano spin-aktivno jezgro (N), prenosi direktno kroz prostor. Veličina ovog indukovanog magnetnog polja nije ista u svim pravcima i veoma brzo opada sa povećanjem rastojanja (∝ r–3). Ovaj efekat spada u grupu anizotropnih efekata, s' obzirom da njegova veličina zavisi i od pravca i od rastojanja. Drugim rečima, anizotropne magnetne efekte 31 pokazuju grupe koje nemaju sfernu raspodelu naelektrisanja. Osim pomenutih, postoje i izotropni magnetni efekti, čiji intenzitet zavisi samo od rastojanja i koji se prostiru u svim pravcima podjednako.145 Teorijski gledano, prilikom sumiranja doprinosa lokalizovanih grupa elektrona ( )'NNlocδ trebalo bi uzeti u obzir anizotropije svih pojedinačnih veza u molekulu. Međutim, praktično to nije slučaj s' obzirom da je anizotropija nekih veza gotovo zanemarljiva. Tako, na primer, kada se posmatraju efekti supstituenata, u obzir se uzimaju samo novoformirane veze. Magnetni poremećaj unutar spin-aktivnog jezgra (N) zavisi od njegove udaljenosti od anizotropije pojedinačnih veza ili grupa. Kada je reč o aromatičnim jedinjenjima, pod značajnijim uticajem supstituenta se nalaze samo ona atomska jezgra koja se nalaze u orto položaju prema supstituisanoj grupi. X = C, O, N (a) (b) (c) Znakom '+' je prikazana oblast sa povećanom zaštitom (oblast dijamagnetnog dejstva). Znakom '–' je prikazana oblast sa smanjenom zaštitom (oblast paramagnetnog dejstva). Slika 1.40 Magnetna anizotropija: (a) trostruke veze; (b) dvostruke veze; (c) u delokalizovanim orbitalama (aromati). Za razliku od anizotropije unutar dijamagnetne osetljivosti pojedinačnih veza ( )'NNlocδ , anizotropija unutar dijamagnetne osetljivosti elektrona u delokalizovanim orbitalama ( )'NNdelocδ nije prosta suma klasičnih lokalnih doprinosa veze, već je znatno složeniji pojam. Kod aromatskih prstenova, ona potiče od delokalizovanih π-orbitala i zove se efekat toka prstena (engl. ring-current effect). Magnetna anizotropija elektrona u delokalizovanim orbitalama aromatičnih sistema, to jest magnetni anizotropni efekat koji utiče na pomeranje aromatskih protona, tesno je povezan sa stepenom aromatičnosti pojedinih jedinjenja. Zahvaljujući tome, NMR spektroskopija se koristi kao eksperimentalna metoda za određivanje aromatičnosti. S' obzirom da prihvaćeni parametri linearne korelacije slobodne energije (LFER) sami po sebi ne odražavaju čist magnetni efekat, od velike je važnosti saznanje u kom je stepenu konkretan supstituent na jezgru benzena ili heterocikla, u stanju da svojim efektom magnetne 32 anizotropije putem ( )'NNdelocδ , modifikuje delokalizovane π-orbitale i tako utiče na promene u hemijskim pomacima protona (N = 1H) ili ugljenika-13 (N = 13C). Članovi u jednačini 1.9 ne zavise od prirode spin-aktivnog jezgra (N), što znači da će efekat magnetne anizotropije, odnosno doprinos ( )'NNlrδ , imati isti značaj za sva jezgra iste orjentacije prema nekom udaljenom jezgru (N'). Ovo dalje znači da efekat magnetne anizotropije unutar veze ili delokalizovanih orbitala, ima relativno veći značaj za hemijske pomake protona (N = 1H), koji se ispoljavaju samo u veoma malom opsegu, kao posledica promena u lokalnoj dijamagnetnoj zaštiti ( )NNdδ . Suprotno tome, u poređenju sa ostalim efektima, doprinos magnetne anizotropije u ukupnoj zaštitnoj konstanti ugljenika-13 (N = 13C) je znatno manji. Relativna hemijska pomeranja različito hibridizovanih ugljenika su u najvećoj meri rezultat delovanja lokalnog paramagnetnog efekta ( )NNpδ . Doprinos medijuma Četvrti član u jednačini 1.6, odnosno, doprinos medijuma (rastvarača) ( )Nmδ , posledica je prisustva medijuma, a tiče se intermolekulskih interakcija tipa: rastvorak-rastvarač (engl. solute-solvent) i rastvorak-rastvorak (engl. solute-solute). Pomenute interakcije je moguće podeliti u nekoliko doprinosa, ali ovde su od interesa samo one koje se odnose na sveukupni poremećaj elektronske raspodele u rastvorku, usled dipolarnih ili disperzionih efekata. Fizičke osobine rastvarača (dielektrična konstanta, sposobnost obrazovanja vodoničnih veza, polarizabilnost) su najvećim delom odgovorne za promene unutar doprinosa lokalnog uticaja elektrona sa posmatranog atoma ( )NNδ . Činjenica da se za određivanje hemijskih pomaka (δ) i σ konstanti u praksi koriste različiti rastvarači (respektivno: hloroform-d1 i ugljentetrahlorid; metanol ili vodeni rastvori) ukazuje da su efekti rastvarača od velike važnosti za korelacije između ovih parametara. Pri određivanju hemijskih pomaka (δ) i σ konstanti je nemoguće ukloniti pomenuti apsolutni efekat korišćenih rastvarača (po prirodi različitih), te on gubi na značaju. Za uspešna poređenja preko Hammett-ovskih zavisnosti, mnogo je bitnija doslednost korišćenja izabranog rastvarača unutar serije merenja hemijskih pomaka atomskih jezgara iz istog sistema (molekula). Interakcije tipa rastvorak-rastvorak često su veoma značajne, posebno za 1H-NMR. Jedan od glavnih nedostataka korelacione analize u NMR spektroskopiji, sa njenih početaka, je što o pomenutim interakcijama nije vođeno računa. Međutim, dotične korelacije je moguće revidirati korišćenjem podataka dobijenih u uslovima beskonačnog razblaženja. Kako su sva spin-aktivna jezgra osetljiva na efekte rastvorka i rastvarača, u budućnosti će jedan od 33 prioriteta svakako biti pokušaj da se parametar koji se odnosi na doprinos medijuma ( )Nmδ , u svim Hammett-ovim korelacijama hemijskih pomaka svede na konstantnu veličinu, tako što će se težiti postizanju uslova beskonačnog razblaženja u uobičajenim rastvaračima. Uticaj različitih faktora na hemijski pomak protona i ugljenika-13145 Jezgra ugljenika-13 (N = 13C) mnogo jače osećaju uticaje supstituenata, nego protoni (N = 1H) čija je magnetna okolina mnogo manje osetljiva na efekte supstituenata, s' obzirom da se isti prenose preko ugljenika. Iz tog razloga je spektralna oblast hemijskih pomaka ugljenika-13 (~250 ppm) znatno šira od spektralne oblasti protona (~12 ppm). Faktori od kojih zavisi elektronska gustina oko protona, direktno su odgovorni za veličinu lokalne dijamagnetne zaštite protona, odnosno, za njegov hemijski pomak (tabela 3). Među one posebno važne se ubrajaju: (a) elektronski efekti supstituenata (induktivni i rezonancioni); (b) tip hibridizacije ugljenika na kome se nalazi proton; (c) mogućnost obrazovanja vodonične veze (posebno važno za protone koji se nalaze na heteroatomima); (d) sterne interakcije Van der Waals-ovog tipa; (e) efekti električnih polja.145 Kada se s- elektronska gustina oko protona smanjuje (kiselost se povećava), smanjuje se i doprinos lokalne dijamagnetne zaštite ukupnoj zaštiti, što ima za posledicu povećanje efektivnog magnetnog polja (Bef) oko protona. Povećanjem efektivnog magnetnog polja (Bef) oko protona, povećava se njegova precesiona frekvencija (ν), odnosno, njegov hemijski pomak. Povećanje s-elektronske gustine će za posledicu imati smanjenje hemijskog pomaka protona. Uticaj različitih faktora na hemijski pomak protona Uticaj elektronskih efekata supstituenata (–I) Elektronegativne grupe: induktivno privlače elektrone, smanjuju lokalnu dijamagnetnu zaštitu protona i tako utiču na povećanje njegovog hemijskog pomaka. Ovaj efekat najjače osećaju α-protoni. (+I) Elektropozitivne grupe: induktivno odaju elektrone, povećavaju lokalnu dijamagnetnu zaštitu protona i tako utiču na smanjnje njegovog hemijskog pomaka. Ovaj efekat najjače osećaju α-protoni. (+R, –I) Sadrže heteroatom direktno vezan za nezasićeni sistem (X = OR, NR2, Halogen itd.), odaju elektrone putem rezonancije, dok ih privlače induktivno. Delokalizacijom slobodnog elektronskog para sa heteroatoma se povećava elektronska gustina na β-ugljeniku što ima za posledicu povećanje lokalne dijamagnetne zaštite β-protona, odnosno, smanjenje njegovog hemijskog pomaka. Posebno smanjuju elektronsku gustinu na α-ugljeniku i tako povećavaju hemijski pomak α-protona. 34 (–R, –I) Privlače elektrone i induktivno i rezonanciono. Smanjuju efektivnu elektronsku gustinu na α- i na β-ugljeniku. Smanjuju lokalnu dijamagnetnu zaštitu protona na pomenutim ugljenicima i tako utiču na povećanje njihovih hemijskih pomaka. Uticaj Van der Waals-ovih interakcija U molekulima krute konformacije sterna interakcija između prostorno bliskih funkcionalnih grupa izaziva deformacije elektronskih oblaka oko njih. To za posledicu ima smanjenje lokalne dijamagnetne zaštite protona koji učestvuju u ovakvim interakcijama (hemijski pomak protona se povećava). Uticaj vodonične veze (značajno za protone vezane za heteroatom) Naročito dolazi do izražaja u koncentrovanim rastvorima i čistim tečnim uzorcima. Obrazovana vodonična veza delimično sprečava dijamagnetnu cirkulaciju elektrona oko protona. Za posledicu ima povećanje hemijskog pomaka vodonično vezanih protona, koji osećaju uticaj dva heteroatoma. Kada u NMR rastvorima postoji ravnoteža između slobodnog oblika molekula i onog sa vodonično vezanim vodonikom, a s' obzirom na veliku brzinu pomenutih procesa, postojaće samo jedan signal karakterističnog protona čiji će hemijski pomak biti između hemijskog pomaka za vodonično vezani i slobodan oblik. Što je razblaženje veće, pomenuti signal je bliži signalu slobodnog oblika. Van der Waals-ova interakcija sa bliskim kiseonicima, takođe, doprinosi smanjenju ukupne zaštite vodonično vezanih protona. Uticaj hibridizacije ugljenika na kome se nalazi proton Lokalna dijamagnetna zaštita protona se smanjuje sa povećanjem udela s-orbitale u hibridnoj orbitali (sp, sp2, sp3), s' obzirom da se u istom smeru povećava elektronegativnost ugljenika na kome se on nalazi. Međutim, suprotno očekivanju, hemijski pomaci vinilnih i aromatičnih protona su znatno veći nego hemijski pomaci acetilenskih protona [1H-NMR: δ(=CRH) > δ(≡CH) > δ(–CR2H)]. Ovo je posledica lokalnog magnetnog anizotropnog uticaja π-elektrona nezasićenih veza i uticaja delokalizovanih π-elektrona u aromatima. Magnetni anizotropni uticaj σ-elektrona jednostruke veze je gotovo zanemarljiv (od značaja je u krutim cikličnim strukturama), u poređenju sa pomenutim uticajem π-elektrona. Na ukupnu zaštitnu konstantu ugljenika-13 utiče čitav niz raznih faktora, od kojih treba posebno istaći: (a) hibridizaciju posmatranog ugljenika; (b) elektronske efekte supstituenata (induktivni i rezonancioni); (c) sterne interakcije (Gauche efekat); (d) efekti električnih polja; (e) hiperkonjugacija; (f) mezomerne interakcije π-elektronskih sistema; (g) 35 dijamagnetna zaštita pod uticajem teškog supstituenta; (h) anizotropni efekti susednih grupa; (i) vodonične-veze; (j) izotopni efekat.145 Uticaj različitih faktora na hemijski pomake ugljenika-13 Uticaj hibridizacije posmatranog ugljenika Apsolutna vrednost lokalne paramagnetne zaštite ugljenika-13 se smanjuje sa povećanjem radijusa (dimenzija) 2p-orbitale. Relativni hemijski pomaci različito hibridizovanih ugljenika-13 su u najvećoj meri rezultat delovanja lokalnog paramagnetnog efekta. Postoji slučajna koincidencija sa relativnim hemijskim pomacima u 1H NMR spektrima, odnosno, 13C NMR: δ(karbonil) > δ(=CRH, aromati) > δ(≡CH) > δ(–CR2H). Uticaj induktivnog efekta supstituenata Elektronegativne grupe (–I): induktivno privlače elektrone, smanjuju dimenzije 2p-orbitala α-ugljenika što je uzrok povećanja apsolutne vrednosti njegove lokalne paramagnetne zaštite, odnosno, smanjenja njegove ukupne zaštite (povećanja hemijskog pomaka). Shodno načinu prenošenja –I efekta duž ugljeničnog lanca (po teoriji), odnosno, specifičnoj raspodeli naelektrisanja u ugljeničnom nizu, pod uslovom da deluje isključivo –I efekat, očekivalo bi se povećanje ukupne zaštite β-ugljenika (smanjenje hemijskog pomaka) i smanjenje ukupne zaštite γ-ugljenika (povećanje hemijskog pomaka). U n-alkanima su stvarni efekti upravo suprotni. Pomenuto ukazuje da se induktivni efekat supstituenta na hemijske pomake β- i γ- ugljenika (pa čak ni α-ugljenika) ne može posmatrati sasvim izolovano. Uticaj sternih interakcija Među najznačajnije svakako spada prostorni sterni uticaj supstituenta ( X = alkil, heteroatom) na γ-ugljenik u sinklinalnom (gauche) položaju, poznat kao γ-Gauche efekat. Usled sterne kompresije dolazi do polarizacije C,H-veza posmatranog γ-ugljenika, povećava se elektronska gustina na γ-ugljeniku te dolazi do širenja njegovih 2p-orbitala. Pomenuto za posledicu ima smanjenje apsolutne vrednosti lokalne paramagnetne zaštite posmatranog γ- ugljenika (dijamagnetni efekat), odnosno, smanjenje njegovog hemijskog pomaka. Činjenice da se γ-Gauche efekat ne javlja kod kvaternernog γ-ugljenika i da dolazi do smanjenja lokalne dijamagnetne zaštite protona sa γ-ugljenika (tabela 3, uticaj 2), potvrđuju ovu teoriju. Osim u krutim konformacionim sistemima, u manjoj meri se sreće i kod mobilnih sistema. Heteroatomi kada se nalaze u antiperiplanarnom položaju prema γ-ugljeniku, usled hiperkonjugacije, pokazuju γ-anti efekat. 36 Uticaj hiperkonjugacije Kada se nalaze u antiperiplanarnom položaju prema γ-ugljeniku, heteroatomi usled hiperkonjugacije, pokazuju γ-anti efekat. Ovaj dijamagnetni efekat zapravo predstavlja hiperkonjugacionu interakciju slobodnih elektronskih parova heteroatoma (supstituent na α- ugljeniku) sa orbitalom veze između α- i β-ugljenika, što dovodi do povećanja elektronske gustine na γ-ugljeniku (smanjuje mu se hemijski pomak). Zbog izuzetno pogodnih uslova za hiperkonjugaciju (dužine veza heteroatom-ugljenik i dimenzije njihovih orbitala) γ-anti efekat je naročito izražen kod heteroatoma iz prve kratke periode (X = N, O, F). U slučaju grupa poput: X = C(CH3)3, Si(CH3)3, Ge(CH3)3, Sn(CH3)3, Pb(CH3)3 γ-anti efekti su paramagnetni. Kada je bilo koji od α-, β- ili γ-ugljenika kvaternerni, pomenuti γ-anti efekat se ne pojavljuje Uticaj električnih polja Kod molekula koji sadrže heteroatome, pod uticajem električnog polja dipola veze ugljenik- heteroatom dolazi do polarizacije drugih veza u molekulu (kroz prostor). Što je veza polarizabilnija to je podložnija ovakvoj vrsti uticaja. U vezama koje se nađu pod uticajem električnog polja dipola veze ugljenik-heteroatom, obično je polarizacija takva da se na ugljeniku povećava elektronska gustina (povećava se njegova zaštita), dok se na onom drugom atomu iz dotične veze elektronska gustina smanjuje. Uticaj rezonancionog efekta supstituenata Supstituenti koji svojim efektima utiču na raspodelu π-elektronske gustine na nezasićenim ugljenicima, menjaju njihovu lokalnu paramagnetnu zaštitu. Povećanje elektronske gustine oko posmatranog ugljenika ima za posledicu smanjenje apsolutne vrednosti njegove paramagnetne zaštite (manji hemijski pomak) i obrnuto. Posmatraju li se ugljenici iz aromatičnog prstena benzena, efekti supstituenata će se najviše osećati u orto i para položajima. Pri tome će najveće hemijsko pomeranje imati ugljenici za koje su vezani supstituenti, usled jakih efekata privlačenja elektrona od strane supstituenta (–I). Na ugljenik u orto položaju će supstituent još dodatno delovati svojim sternim i anizotropnim efektima. Uticaj teškog atoma Atomi halogena manifestuju dva suprotna efekta: (a) povlače elektrone induktivno (–I) i tako povećavaju lokalnu paramagnetnu zaštitu α-ugljenika što rezultira smanjenjem njegove ukupne zaštite; (b) usled postojanja dijamagnetnih struja elektrona oko halogena dolazi do povećanja lokalne dijamagnetne zaštite α-ugljenika i do povećanja njegove ukupne zaštite. Što atom halogena ima više elektrona, njihova dijamagnetna strujanja su od većeg značaja, pa 37 preovlađuje drugi efekat (kod broma i joda). Kod manjih atoma, fluora i hlora, je jače izražen induktivni efekat Uticaj vodonične veze Ovoj vrsti uticaja je posebno podložan ugljenik koji je vezan za bazan heteroatom koji gradi vodoničnu vezu. Na pomenutom ugljeniku dolazi do smanjenja elektronske gustine, pa on ima nešto veći hemijski pomak u odnosu na isti u slobodnom molekulu. Uticaj težeg izotopa Zameni li se neki atom u molekulu njegovim težim izotopom (deuterijumom, ugljenikom-13, kiseonikom-18), doći će do povećanja lokalne magnetne zaštite α- i β-ugljenika, odnosno, do smanjenja njihovih hemijskih pomaka, kao posledica skraćenja veze ugljenik–teži izotop. Skalarno sprezanje (kuplovanje) spinova145 Pojava interakcije spinova susednih spin-aktivnih jezgara se naziva spin-spinsko sprezanje (engl. spin-spin coupling), skalarno sprezanje (engl. scalar coupling) ili spin- spinsko cepanje (engl. spin-spin splitting). Sprezanje spinova zapravo znači da magnetni momenat jednog spin-aktivnog jezgra modifikuje magnetnu okolinu susednog spin-aktivnog jezgra. Za homo-/heteronuklearno spin-spinsko skalarno sprezanje su odgovorni vezivni elektroni koji se nalaze između spin-aktivnih jezgara koja u njemu učestvuju. Bilo da su sprezanja homonuklearna (npr. A = X = 1H) ili heteronuklearna (npr. A = 1H, X = 13C), uvek je uticaj jednog jezgra na precesionu frekvenciju onog drugog sa kojim se skalarno spreže, jednak uticaju drugog jezgra na precesionu frekvenciju prvog. Oblik NMR signala (multiplicitet) je uslovljen prirodom spin-spinskog sprezanja. Kada je signal sastavljen od dve ili više linija, naziva se multipletom. Da bi NMR signal imao oblik multipleta, neophodno je da spin-aktivna jezgra koja se sprežu imaju različite hemijske pomake (anizohrona jezgra) i da budu u određenom međusobnom strukturnom i stereohemijskom odnosu. Konstantom sprezanja (nJ, Hz; n je ceo broj koji označava broj hemijskih veza preko kojih se vrši sprezanje), odnosno konstantom kuplovanja (engl. coupling constant), se naziva rastojanje između dve susedne linije multipleta. Ona ne zavisi od primenjenog spoljašnjeg homogenog polja (B0). Konstanta sprezanja (J) karakteriše jačinu spin-spinskog sprezanja, koje zavisi od: (a) vrste jezgara koja se sprežu; (b) broja i tipova hemijskih veza preko kojih se sprezanje prenosi; (c) od međusobnog prostornog odnosa jezgara. U zavisnosti od broja hemijskih veza preko kojih se obavlja homo-/hetero-nuklearno spin-spinsko sprezanje dva spin-aktivna jezgra, postoji: direktno (preko jedne hemijske veze), 38 geminalno (preko dve hemijske veze), vicinalno (preko tri hemijske veze) i daljinsko (preko više od tri hemijske veze) sprezanje. Velika relativna prirodna zastupljenost protona (99,98%) znači da svi molekuli nekog jedinjenja isključivo sadrže vodonikov izotop 1H, pa je stoga homonuklearno sprezanje tipa proton-proton, osnovna karakteristika 1H NMR spektara. Poznato je da veličine sprezanja opadaju sa rastojanjem, odnosno, smanjuju se sa povećanjem broja hemijskih veza preko kojih se obavljaju. Tako na primer, veličina geminalnih (2JHH) i vicinalnih (3JHH) proton- protonskih sprezanja ne prelazi 20 Hz. Od daljiskih sprezanja protona su od značaja samo ona koja se vrše preko manje od šest veza, odnosno, sprezanja preko četiri (4JHH ) ili pet veza (5JHH ), a reda su veličine nekoliko Hz (0-3 Hz). Sa druge strane, u 13C NMR spektrima nema homonuklearnog sprezanja ugljenik- ugljenik, što je posledica male relativne prirodne zastupljenosti izotopa 13C (1,11%). Mala je verovatnoća da se u jedan molekul nekog organskog jedinjenja ugrade dva atoma ugljenika- 13 i to na dovoljno bliskom rastojanju da bi se mogla skalarno sprezati. Grupa od nekolicine molekula (nekog organskog jedinjenja) koji sadrže jedan izotop 13C, čini smešu molekulskih oblika koji se međusobno razlikuju samo po položaju na kome se nalazi ugrađeni izotop 13C (izotopomeri). Upravo se signali tih izotopomera nekog organskog jedinjenja detektuju u 13C- NMR spektru. Uzevši u obzir malu relativnu prirodnu zastupljenost ugljenika-13 (N = 13C), odnosno, da su protoni (N = 1H), čija je relativna prirodna zastupljenost neuporedivo veća, pretežno okruženi spin-neaktivnim jezgrima ugljenika-12 (N = 12C; I = 0), shvatljivo je zašto heteronuklearna sprezanja ugljenika-13 i protona gotovo da ne utiču na izgled 1H NMR spektara. S' druge strane, jezgra ugljenika-13 se u izotopomerima nalaze okružena protonima, pa je heteronuklearno sprezanje tipa ugljenik-proton veoma zastupljeno u 13C NMR spektrima. Od značaja su: direktna (1JCH), geminalna (2JCH) i vicinalna (3JCH) ugljenik- protonska sprezanja. Kako su rezultati teorijskih izračunavanja u oblasti konstanti sprezanja (J) uglavnom na nivou kvalitativnih predviđanja, većina korelacija sa konstantama sprezanja je empirijske prirode. Pokušaji korelacije konstanti sprezanja sa parametrima poput σ konstanti su dali značajnije rezultate samo u slučaju nekih proton-proton konstanti kuplovanja.146 1.8.2. Primeri korelacija NMR hemijskih pomaka protona i ugljenika-13 sa prihvaćenim parametrima linearne korelacije slobodne energije122 Sveukupna zavisnost hemijskog pomaka (δ) od elektronske gustine je veoma složena ukoliko se u obzir uzimaju svi članovi iz jednačine 1.6. Opšti osnovni minimum zahteva za 39 postojanje linearne korelacije hemijskih pomaka (δ) sa elektronskom gustinom je da su doprinosi na daljinu ( )'NNlrδ i doprinosi medijuma ( )Nmδ zanemarljivi ili konstantni. U slučaju pomenutih korelacija hemisjkih pomaka ugljenika-13 (N = 13C) ili fluora-19 (N = 19F) je neophodno dodatno uprošćenje. Ono podrazumeva da se u izrazu za lokalni paramagnetni uticaj elektrona sa posmatranog atoma ( )NNpδ , odnosno jednačini 10, važnost pridaje isključivo članu koji se odnosi na dimenzije atomskih p-orbitala p r 2 3− . Pokušaj razdvajanja hemijskog pomaka (δ) na σ i π doprinos je veoma složen, s' obzirom na razlike koje postoje između zavisnosti dijamagnetnih i paramagnetnih doprinosa zaštite spin-aktivnog jezgra, od σ- i π-elektronske gustine (osetljivosti za ova dva tipa orbitala se razlikuju). Ovaj problem je u izvesnoj meri uprošćen za korelacije hemijskih pomaka (δ) sa Hammett-ovim parametrima, s' obzirom da Hemmett-ove σ konstante zapravo predstavljaju kombinaciju σ i π efekata. Međutim, pitanje je da li hemijski pomaci (δ) i σ konstante na isti način odgovaraju pojmovnom razdvajanju elektronskih doprinosa. Primenom dvo-parametarske analize (engl. DSP: Dual Substituent Parameter Analysis), korišćenjem ostalih parametara linearne korelacije slobodne energije (LFER) kod kojih su efekti supstituenata na aromatskom jezgru podeljeni na polarne i rezonancione efekte, stvaraju se dodatne mogućnosti, ali i svojevrsne komplikacije pri interpretaciji korelacija ovoga tipa. Aromatska jedinjenja U 1H i 13C NMR spektroskopiji se prilikom korelacije efekata supstituenata u slučaju aromatskih i heteroaromatskih sistema, koriste jedno-, dvo- i tro-parametarske jednačine koje su prilagođene korelaciji hemijskih pomaka. Jednostavna Hammett-ova jednačina123-4 (1.11) spada u jedno-parametrske jednačine (eng. single substituent parameter equation – SSP): ( ) hN XX += σρδ (1.11) gde je: ( )Nδ - korelisani hemijski pomak; ρ - mera osetljivosti hemijskog pomaka na efekte supstituenata; σ - konstanta supstituenta; h - odsečak. U jednačini (11) i svim narednim jednačinama umesto hemijskih pomaka može da se pojavljuje vrednost SCS (eng. substituent chemical shift). SCS predstvalja hemijsko pomeranje posmatranog ugljenika izazvano prisutnim supstituentom, i to je ustvari relativna vrednost hemijskog pomeranja datog ugljenika u odnosu na nesupstituisano jedinjenje. Osnovne konstante supstituenata mσ i pσ su određene na osnovu reakcije disocijacije m- i p- supstituisanih benzoevih kiselina u vodi na 25 °C, pri ρ = 1 (ρ - reakciona konstanta). 40 One izražavaju ukupan elektronski efekat supstituenata, koji se manifestuje kroz rezonancioni i polarni efekat. Osnovnu Hammett-ovu jednačinu (1.11) je moguće prilagoditi nekom konkretnom sistemu, korišćenjem analognih parametara: (a) Taft-ovih125 konstanti za sisteme u kojima ne postoji direktna konjugacija između supstituenta i reakcionog centra; (b) nukleofilnih konstanti supstituenata 0σ ( )−σ 126-7 za sisteme u kojima postoji direktna konjugacija elektron-akceptorskih (–R) para-supstituenata sa elektron-bogatim reakcionim centrom; (c) elektrofilnih konstanti supstituenata ( )+σ 128 za sisteme u kojima postoji direktna konjugacija elektron-donorskih (+R) para-supstituenata sa elektron-deficitarnim reakcionim centrom. Među modifikovane Hammett-ove jednačine spadaju: jednačina (1.12) koju su predložili Yukawa i Tsuno129-30 i jednačina (1.13), Yoshioka i saradnika.131 ( ) ( )[ ] hrN XXXX +−+= + σσσρδ (1.12) ( ) ( )[ ] hrN XXXX +−+= − σσσρδ (1.13) gde je: ( )Nδ - korelisani hemijski pomak; ρ - mera osetljivosti hemijskog pomaka na efekte supstituenata; σ - konstanta supstituenta; - elektrofilna konstanta supstituenta; - nukleofilna konstanta supstituenta; +σ −σ r - konstanta koja predstavlja korekciju rezonancione interakcije supstituenta i reakcionog centra; - odsečak. Taft i Lewis132-3 su predložili izraze (1.14) i (1.15) koji omogućavaju kvantitativno razdvajanje ukupnog efekta supstituenata na induktivni i rezonancioni doprinos, kroz konstante h mσ i pσ : RIm σασσ += (1.14) RIp σσσ += (1.15) Za osnovne Hammett-ove konstante predložena vrednost za prenosni koeficijent α = 0,33; za konstante α = 0,50; za i α = 0,20. Znači, na osnovu poznatih konstanti σ, , , i 0σ +σ −σ 0σ +σ −σ Iσ se mogu izračunati vrednosti Rσ , , , . 0Rσ +Rσ −Rσ Exner134-5 je prilikom razdvajanja efekata supstituenata pretpostavio da postoji razlika u intenzitetu induktivnog efekta u meta- i para-položaju (jednačine 1.16 i 1.17). Prenosni koeficijent λ = 1,14. RIm σσσ 33,0+= (1.16) RIp σσλσ += (1.17) Model sistemi (npr. 4-supstituisane biciklo [2.2.2.] oktankarbonske kiseline) u kojima je sprečena svaka rezonanciona interakcija između supstituenta i reakcionog centra su poslužili za određivanje Iσ konstanti.136-40 41 Od dvo-parametarskih jednačina (engl. dual substituent parameter equation - DSP) treba spomenuti tzv. proširenu Hammett-ovu jednačinu (1.18) koju su predložili Taft i Lewis,132 kao i jednačinu (1.19) Swain-Lupton.141-2 ( ) hN RXRIXIX ++= σρσρδ (1.18) gde je: ( )Nδ - korelisani hemijski pomak; Iσ - induktivna konstanta, Rσ - rezonanciona konstanta; Iρ , Rρ - relativni udeli induktivnog, odnosno, rezonancionog efekta; - odsečak. h ( ) hrfN XXX +ℜ+ℑ=δ (1.19) gde je: ( )Nδ - korelisani hemijski pomak; ℑ - konstanta polja; ℜ - rezonanciona konstanta; f, r - relativni udeli efekta polja, odnosno, rezonancionog efekta; - odsečak. h Konstante ℑ i ℜ su izračunate na osnovu Hammett-ovih konstanti mσ i pσ uz pretpostavku da se konstante supstituenata mogu izraziti preko zavisnosti (1.20): ℜ+ℑ= rfσ (1.20) Ovakav pristup bazira se na dve osnovne pretpostavke: (a) r = 0 za konstante σ′ koje su određene za reakciju jonizacije 4-supstituisanih biciklo [2.2.2] oktankarbonskih kiselina. S obzirom da je svaka konjugacija isključena u ovom sistemu, sledi da je: pm ba σσσ +=' (1.21) odnosno: pm ba σσ +=ℑ (1.22) (b): Da bi vrednost ℜ predstavljala zadovoljavajuću meru rezonancionog efekta supstituenata, bilo je neophodno ukloniti udeo efekta polja iz vrednosti pσ , odnosno odrediti koeficijent α u jednačini: ℜ+ℑ= ασ p (1.23) Za koeficijent α je uzeta vrednost od 0,45 pod pretpostavkom da je rezonancioni efekat trimetilamonijumovog-jona kao supstituenta [(CH3)3N+] jednak nuli, tj. . 0=ℜ Sada su iz jednačine (1.23) na osnovu odgovarajućih pσ , α i prethodno izračunatih , određene rezonancione konstante supstituenata. I u ovoj interpretaciji elektronskih efekata supstituenata (kao i kod ostalih ovde pomenutih), za vodonik kao supstituent i ℑ 0=ℑ 0=ℜ . Uvođenjem semiempirijskog parametra Q, dvo-parametrarske jednačine (1.18) i (1.19) postaju tro-parametarske (1.24) i (1.25).143 ( ) hQN XRXIXX +++= γσβσαδ (1.24) ( ) hQqrfN XXXX ++ℜ+ℑ=δ (1.25) 42 Aromatska jedinjenja pogodna za proučavanje efekata supstituenata na hemijske pomake je moguće predstaviti opštom formulom NS −−Χ .122 Tri osnovne komponente su: X - supstituent (promenjiv po tipu i orjentaciji prema N), N - ispitivano jezgro (vezano za S) i S - molekulska osnova koja prenosi efekte. Ukoliko je jezgro benzena molekulska osnova koja prenosi efekte, onda je φ=S . Sve važne modifikacije unutar opšte formule se mogu obuhvatiti formulama: N−−Ζ−Χ φ i N−Ζ−−Χ φ .122 Komponenta Z predstavlja grupu koja premošćava, a može biti heteroatom, mala grupa (metilenska- ili vinil-) ili drugo benzenovo jezgro. Dvo-parametarska jednačina sa nelinearnom karakteristikom rezonancionog efekta (engl. dual substituent non-linear resonance equation - DSP-NLR)144 je uspešan metod za modelovanje efekata na 13C NMR hemijska pomeranja na velikom rastojanju (u supstituisanim aromatskim sistemima), koji pokazuju odstupanje od Hammett-ove korelacije (jednačina (1.11)). Primenom navedenog metoda doprinos rezonanionog efekta ugljenikovog atoma za elektronima se definiše kao njegov zahtev za elektrona tj. kao veličina rezonancione interakcije sa supstituentom.144 Kvantifikovanje zahteva za elektronima se postiže uvođenjem parametra ε, i koji je karakteristika grupe koja je vezana za taj ugljenik (jednačina (1.26)): δX (N) = ασIX + βσRXo/(1- εσRXo) + h (1.26) Jedinjenja tipa ( )Cφ−Χ Prve ozbiljnije korelacije hemijskih pomaka ugljenika-13 [δ(C)] sa Hammett-ovim σ konstantama su se ticale monosupstituisanih benzena.149-52 U ovim sistemima je pronađena dobra veza između efekata supstituenata na para ugljenikovom atomu [δ(Cp)] i za njega vezanom protonu [δ(Hp)]. Iako korelacije nisu bile posebno dobre niti sa pσ konstantama niti sa Taft-ovim rezonancionim parametrima Rσ , ipak su navele na zaključak da je induktivne i anizotropne doprinose u para položaju moguće zanemariti. Promene u π-elektronskoj gustini su pripisane isključivo rezonancionom efektu supstituenata. Proširenjem serije uvođenjem novih supstituenata153 je potvrđeno da između hemijskog pomaka para ugljenika [δ(Cp)] i konstanti Rσ ili , nedvosmisleno postoji linearna zavisnost. Korelacije sa veličinom [δ(Cp) – δ(Cm)] su dale nešto bolje rezultate, što je protumačeno u smislu razdvajanja induktivnog i rezonancionog doprinosa hemijskom pomaku para ugljenika [δ(Cp)]. Dodatno malo poboljšanje je postignuto primenom metoda dvo-parametarske analize (DSP), primenom 0 Rσ Iσ i Rσ konstanti.154-5 Gore pomenuto treba uzeti sa izvesnom rezervom, s' obzirom da su 13C-NMR spektri u vreme iz koga datiraju prve značajnije korelacije hemijskih pomaka ugljenika-13 sa 43 konstantama supstituenata, snimani uz kontinualno ozračivanje uzorka velike koncentracije. Početkom sedamdesetih godina dvadesetog veka, pojavom nove generacije NMR spektrometara je znatno povećana osetljivost detekcije ugljenika-13 i ostalih spin-aktivnih jezgara koja imaju slabe magnetne momente i čija je relativna prirodna zastupljenost mala, a samim tim su i podaci sadržani u spektrima postali znatno verodostojniji. Od novijih značajnijih serija podataka vezanih za monosupstituisane benzene svakako treba istaći dobru korelaciju hemijskih pomaka para ugljenika [δ(Cp)] (13C NMR, CDCl3)156 sa konstantama Swain-a i Lupton-a141-2 (n = 13, r = 0,98). Na osnovu ove korelacije su izračunate nove za supstituente poput: N=C=O, COCl i C≡CH. + pσ + pσ Pokušaj da se pronađu analogne zavisnosti hemijskih pomaka meta ugljenika [δ(Cm)] sa konstantama supstituenata dale su slabije rezultate. Tako na primer, ne postoji korelacija hemijskih pomaka meta ugljenika [δ(Cm)] sa elektronegativnosti supstituenata,149 niti sa konstantama: Iσ ,152 mσ 148 i .157 Međutim, ukoliko se supstituenti sa slobodnim elektronskim parovima (pokazuju +R i –I efekte) posmatraju izdvojeno, hemijski pomaci meta ugljenika [δ(Cm)] se veoma dobro korelišu sa (n = 6, r = 0,978),157 dok je u slučaju ostalih supstituenata (pokazuju –R i –I efekte) korelacija sa konstantama (n = 5, r = 0,902) loša.157 Mada ovakvo ponašanje nije sasvim jasno, ono najverovatnije ukazuje da su rezonancioni efekti supstituenata u meta položaju značajniji nego što se smatra. Efekat supstituenta na direktno vezane (Cipso) i orto (Co) ugljenike na jezgru monosupstituisanih benzena je po prirodi veoma složen, pa nije verovatna pretpostavka da postoji korelacija hemijskih pomaka pomenutih ugljenika sa Hammett-ovim parametrima. Međutim, hemijski pomaci direktno vezanih [δ(Cipso)] i orto ugljenika [δ(Co)] se dobro korelišu sa semiempirijskim parametrom Q,157 koji može biti predstavljen jednačinom (1.27):158 + mσ + mσ + mσ 3IrPQ = (1.27) gde je: P - polarizabilnost; r - dužina C,X-veze (X - atom preko koga je supstituent direktno vezan za benzenovo jezgro); I - prvi jonizacioni potencijal atoma X. Za poliatomske supstituente je parametar Q određen na čisto empirijskoj osnovi. Pretpostavlja se da Q donekle predstavlja meru lokalnih magnetnih efekata. (Parametar Q nema prosto fizičko značenje, već ukazuje na postojanje interakcije između supstituenta i reakcionog centra). Koristeći kombinaciju parametara: ℜℑ, (respektivno: konstanta polja i rezonanciona konstanta141-2) i Q, odnosno, primenom tro-parametarske analize (engl. TPA: Triple- Parameter Analysis) je moguće hemijske pomake svih ugljenika u prstenu orto-supstituisanih fluorbenzena uz izvesna podešavanja postaviti na pravu liniju.158 Međutim, primena ove vrste 44 analize nema podjednakog smisla za hemijske pomake svih ugljenika u prstenu. Nije realno očekivati da će semiempirijski parametar Q biti statistički značajan za korelacije hemijskih pomaka para [δ(Cp)] i meta [δ(Cm)] ugljenika. Sa druge strane, korelacija predstavljena jednačinom trostrukog supstituentskog parametra (1.28) (n = 11, r = 0,909) pokazuje da u slučaju direktno vezanog ugljenika (Cipso) parametar Q ima stvarni značaj. ( ) 40,4473,1940,3738,0 +−ℜ+ℑ= QCipsoδ (1.28) Korelacija hemijskih pomaka orto ugljenika koja je predstavljena jednačinom (1.29) (n = 11, r = 0,968) ukazuje da statistički značaj parametra Q i u ovom slučaju postoji. ( ) 870,10491,6043,3518,5 −+ℜ+ℑ−= QCoδ (1.29) Nije pronađena čvršća veza između parametra Q i paramagnetnog doprinosa u slučaju hemijskih pomaka orto vodonika [δ(Ho)] u benzenu, niti orto fluora [δ (Fo)] u supstituisanim fluorbenzenima.158-60 Činjenica da zavisnost hemijskog pomaka (δ) od semiempirijskog parametra (Q) i konstante polja ( )ℑ nije istog znaka u svim slučajevima, verovatno ukazuje da semiempirijski parametar predstavlja neku vrstu alternativnog induktivnog efekta, koji je samo delom sadržan u konstanti polja ( )ℑ . Supstituisani bifenili su se pokazali kao veoma interesantan sistem. Hemijski pomaci para [δ(Cp)] i meta [δ(Cm)] ugljenika (u acetonu) su korelisani sa elektrofilnim konstantama, respektivno: i .157 Korelacija δ(Cp) sa konstantama je dala odlične rezultate (n = 12, r = 0,993). U slučaju δ(Cm) je korelacija sa konstantama bila veoma loša (n = 12, r = 0,406), osim kada su supstituenti sa slobodnim elektronskim parovima (kao kod monosupstituisanih benzena) posmatrani odvojeno. Set podataka je smanjen sa 12 na 5 ili 6, što nije učinilo da korelacija sa + pσ +mσ +pσ + mσ mσ konstantama bude ni približno dobra kao sa elektrofilnim konstantama . U seriji 4,4'-dihalogenbifenila, korelacije hemijskih pomaka para [δ(Cp)] i meta [δ(Cm)] ugljenika sa elektronegativnosti supstituenta,161 su bile promenljivog kvaliteta. + mσ Primena metode dvo-parametarske analize, uz parametre Swain-a i Lupton-a ( )ℜℑ, na hemijske pomake protona [δ(H)] i ugljenika [δ(C)] je dala dobre rezultate u sistemima poput para-supstituisanih stirena i α-stirena.162-3 Korelacija para ugljenika [δ(Cp)] u para- supstituisanim stirenima je predstavljena jednačinom (1.30) (n = 22, r = 0,985): ( ) ℜ+ℑ= 78,1598,2pCδ (1.30) Uvođenje supstituenta u bočni lanac para-supstituisanih stirena (serija α-stirena), čini da se pri korelaciji [δ(Cp)] sa parametrima Swain i Lupton ( )ℜℑ, (jednačina 1.29), koeficijent uz konstantu polja ( )ℑ neznatno menja, dok se koeficijent uz rezonancionu 45 konstantu povećava sa povećanjem glomaznosti supstituenta (npr. α-Me i α-tBu, respektivno, 18,03 i 18,79). Pomenuto je za očekivanje u slučaju povećanja ograničenja rezonancione interakcije između benzenovog jezgra i supstituenta, kao posledica nepotpune koplanarnosti π-sistema. Za razliku od korelacija meta ugljenika [δ(Cm)] monosupstituisanih benzena i bifenila sa konstantama ,157 korelacija [δ(Cm)] sa parametrima Swain-a i Lupton-a (n = 22, r = 0,898) (analogija sa jednačinom 29) se pokazala kao veoma dobra u seriji α-stirena, obuhvatajući set podataka raznorodnih supstituenata. ( )ℜ ( ℜℑ, + mσ p ) U strukturi monosupstituisanih bifenila se supstituisani prsten može posmatrati kao most između supstituenta i drugog prstena. Korelacija hemijskih pomaka para ugljenika [δ(Cp)] na drugom prstenu sa ili +pσ σ konstantama je dala odlične rezultate (za set od n = 12 podataka respektivno, r = 0,991 i r = 0,997),156 dok su korelacije meta ugljenika [δ(Cm)] bile znatno slabije. Hemijski pomaci orto ugljenika [δ(Co)] na drugom prstenu su se dobro korelisali sa konstantama (n = 12, r = 0,95), a što je još interesantnije, dobijeni su dobri rezultati pri korelaciji hemijskih pomaka direktno vezanog ugljenika [δ(Cipso)] na drugom prstenu sa + pσ mσ konstantama (n = 12, r = 0,947). Poslednja pomenuta korelacija je delimično nejasna iz razloga što je nagib pravolinijske zavisnosti negativnog znaka. Poznato je da su rezonancioni efekti supstituenata dominantni u slučaju para ugljenikovog atoma. Poređenje rezultata korelacija hemijskih pomaka para ugljenika [δ(Cp)] sa različitim parametrima strukture i reaktivnosti,122 poput Hammett-ovih ( )pσ ,123-4 Swain- Lupton-ovih ( ) ( )R141-2 ili Exner-ovih +pσ σ 134-5 konstanti, ukazuje da su elektrofilne konstante adekvatnija mera kombinovanog (polarnog i rezonancionog) efekta supstituenta. + pσ Korelacije sa konstantama su opravdane za sisteme u kojima postoji direktna konjugacija supstituenta sa elektron-deficitarnim reakcionim centrom u bočnom lancu (od posebne važnosti za reakcije u kojima dolazi do razvijanja pozitivnog naelektrisanja u prelaznom stanju). Osnovna razlika između i σ konstanti se ogleda u tome što elektrofilne konstante sadrže doprinos koji je u velikoj meri nezavisan od karakteristika molekula u osnovnom stanju, pa bi trebalo očekivati da se one lošije korelišu sa hemijskim pomacima para ugljenika [δ(Cp)]. + pσ +σ +σ 46 X YR2 X YR2 +.. + 126-Y Slika 1.41 Sistemi u kojima postoji direktna rezonanciona interakcija supstituenta sa elektron- deficitarnim reakcionim centrom u bočnom lancu. Pored toga, trebalo bi očekivati da je konjugacija hinonskog tipa u osnovnom stanju, od značaja za elektronsku gustinu na para ugljeniku (Cp), a tako i za njegov hemijski pomak. Kako su u pomenutom sistemu smanjene uobičajene rezonancione interakcije, efekat konjugacije u osnovnom stanju je prisutan samo ukoliko supstituent Y (slika 42) privlači elektrone putem rezonancije (–R efekat). Treba dodati, da se razlike između korelacija hemijskih pomaka para ugljenika [δ(Cp)] sa i +pσ pσ , menjaju u skladu sa prirodom supstituenta Y (slika 42).122 Ne treba pridavati veliki značaj činjenici da su bolje korelacije hemijskih pomaka para ugljenika [δ(Cp)] sa nego sa +pσ pσ konstantama. Može se smatrati da elektrofilne konstante sasvim slučajno bolje odražavaju elektronske efekte supstituenata, što se prenosi i na hemijske pomake. Iz ovoga proizilazi da su hemijski pomaci para ugljenika [δ(Cp)] mera elektronskih efekata supstituenata na drugačiji način nego + pσ pσ konstante. Zajednička osnova σ konstanti i hemijskih pomaka (δ) je bazirana na činjenici da će usled prisustva supstituenta doći do elektronskih promena u osnovnom ili ranom prelaznom stanju. Upravo je iz ovog razloga važno uspostavljanje zavisnosti σ konstanti ili hemijskih pomaka (δ) sa izračunatim elektronskim gustinama (q), a koj zavise od vrste korišćenog orbitalno-molekulskog metoda. Njihova parametrizacija (qπ i qσ) ima za cilj da otkrije postojeću smisaonu kvantitativnu korelaciju sa hemijskim pomakom (δ). Za hemijske pomake ugljenika u jednostavnim sistemima supstituisanih benzena, važi jednačina (1.31):122 ( ) ( ) bqqaC ++= σπδ (1.31) Jedinjenja tipa N−−Χ φ Za monosupstituisane benzene pri velikom razblaženju (u ugljentetrahloridu) je pronađena odlična korelacija hemijskih pomaka para protona [δ(Hp)] sa (n = 11, r = 0,997)164 i nešto lošija sa + pσ pσ konstantama (n = 13, r = 0,951).146 Dvo-parametarska analiza,165-6 je primenom Iσ i Rσ konstanti, dala bolji uvid u elektronski efekat supstituenata 47 na hemijske pomake para [δ(Hp)] [jednačina (1.32, rms (engl. root-mean-square) error = 0,04 ppm] i meta [δ(Hm)] protona (jednačina (1.33). ( ) 08,014,145,0 −+= RIpH σσδ (1.32) ( ) 03,041,028,0 −+= RImH σσδ (1.33) Pokušaj uspostavljanja korelacije hemijskih pomaka meta protona [δ(Hm)] sa mσ konstantama je dao rezultat tek pošto su u obzir uzete korekcije za anizotropiju supstituenata i efekat toka prstena (n = 8, r = 0,971).167 Značaj korekcije nije sasvim jasan, jer i bez nje dvo- parametarska analiza (jednačina 1.34) je dala dobre rezultate (sličnu zavisnost su dobili Taft i saradnici168). Rezultati dvo-parametarske analize (set od n = 5 jedinjenja)168 uz primenu Swain-Lupton-ovih parametara, ukazuju na veoma malu razliku u osetljivosti hemijskog pomaka para [δ(Hp)] (36%) i meta [δ(Hm)] (32%) protona na rezonancione efekte supstituenata. S' obzirom na moguće doprinose sternih efekata i lokalnih magnetnih efekata, nije verovatno da primena zavisnosti Hammett-ovskog tipa na hemijske pomake orto protona [δ(Ho)] u supstituisanim benzenima, može dati zadovoljavajući rezultat. Međutim, pri velikom razblaženju je za hemijske pomake orto protona [δ(Ho)] uspostavljena dobra korelacija165-6 sa Iσ i Rσ konstantama [proširena Hametova jednačina (1.34), (n = 10, rms = 0,07)]. Supstituenti poput NMe2, CMe3, CN i I su isključeni iz korelacije. ( ) 06,096,185,0 −+= RIoH σσδ (1.34) Kao rezultat mnogo opsežnije analize169 je dobijena proširena Hammett-ova jednačina (1.35) (n = 24, R = 0,936) oblika: ( ) 186,027,164,0 −+= RIoH σσδ (1.35) Nikakvo poboljšanje iste nije postignuto uključivanjem sternog parametra. U seriji 4- supstituisanih o-dinitrobenzena170 bi trebalo očekivati da razlika hemijskih pomaka protona u položaju 3 i 4 ( ) ( )[ 43 HH ]δδδ −=Δ ostaje nepromenjena ukoliko se konformacija nitro grupe u položaju 2 (2-NO2) ne menja. Međutim, korelacija δΔ sa konstantama predstavlja široku linearnu zavisnost,170 kao posledica elektronskog potpornog efekta nitro grupe u položaju 1 (1-NO2) što je praćeno rotacijom nitro grupe u položaju 2 (2-NO2). + pσ Smith i njegovi saradnici160,172 su ukazali na veliki značaj semiempirijskog parametra Q159 za korelacije hemijskih pomaka orto protona [δ(Ho)] u sistemima poput monosupstituisanih benzena, o-disupstituisanih benzena, p-disupstituisanih benzena i 1- supstituisanih naftalena. Pokazalo se da je u slučaju supstituenata bez aksijalne simetrije parametar Q zavisan od konformacije. ( ) 70,6253,0110,0101,03 ++ℜ+ℑ= QHδ (1.36) 48 Korelacija hemijskih pomaka vodonika u položaju 3 sa Swain-Lupton-ovim parametrima i parametrom Q, u seriji 1-hlor-2-supstituisanih benzena je dala odlične rezultate [jednačina 1.35, (n = 12, R = 0,997)].160 Korelacije hemijskih pomaka α-ugljenika [δ(Cα)] su uglavnom ograničene na sisteme poput stirena, α-stirena i sličnih jedinjenja sa nezasićenim bočnim lancem (fenilbutadieni, fenilacetileni itd.).173-5 Promene unutar hemijskog pomaka α-ugljenika [δ(Cα)] su uvek male. Za stirene i α-stirene se pokazalo da na [δ(Cα)] deluju isključivo efekti polja ( ) ( )[ 95,030,1 >ℑ−= rCα ]δ .162-3 Suprotno tome, kod hemijskih pomaka stirenskih β- ugljenika [δ(Cβ)] se pokazalo da su veoma osetljivi na rezonancione efekte [jednačina 36, (n = 22, R = 0,99)], a da pokazuju umerenu (pozitivnu) osetljivost na efekte polja. Slično je utvrđeno i kod supstituisanih fenilacetilena.173 ( ) ℜ+ℑ= 14,782,2βδ C (1.37) Za supstituisane fenilbutadiene su Hammett-ove korelacije δ(Cα) imale negativnu ρ vrednost (ρ = –5,8), dok su korelacije δ(Cβ) imale pozitivnu vrednost reakcione konstante (ρ = 5,07). U ovim sistemima dalje duž nezasićenog bočnog lanca vrednost ρ takođe varira (za Cγ je negativna, a za Cδ je pozitivna). Smatra se da je u slučaju α- i γ-ugljenika (respektivno, Cα i Cγ) za negativnu zavisnost od efekta polja odgovorna π-polarizacija.173-6 Jedinjenja tipa N−Ζ−−Χ φ Najčešće proučavana aromatska jedinjenja iz ove grupe su ona u kojima je ispitivano jezgro proton (N = 1H), vezan za bočni lanac (Z). Važno je napomenuti da su upravo saznanja o korelacijama hemijskih pomaka protona [δ(H)] iz ove grupe jedinjenja, imala ključnu ulogu prilikom formiranja opšteg stava o zavisnosti hemijskih pomaka (δ) i parametara linearne korelacije slobodne energije (LFER). Kako je priroda bočnog lanca (Z) veoma odgovorna za osetljivost ispitivanog protona ka rezonancionim efektima supstituenta, ako parametri strukture i reaktivnosti nisu dovoljno fleksibilni prema promenama unutar odnosa polarnog i rezonancionog efekta supstituenta, korelacije hemijskih pomaka protona [δ(H)] će biti veoma različitog kvaliteta. Proton koji je direktno vezan za benzenovo jezgro (u jedinjenju Η−−Χ φ ) se ne nalazi u istom geometrijskom odnosu prema supstituentu kao onaj koji je vezan za bočni lanac (u jedinjenju Η−Ζ−−Χ φ ). Prilikom korelacije hemijskih pomaka (δ) je neophodno uzeti u obzir činjenicu da udaljenost supstituenta od reakcionog centra ( )[ ]rf i njegova prostorna orjentacija prema istom ( )[ ]θf , direktno uslovljava u kojoj meri će se elektronski uticaj supstituenta, putem efekta polja, preneti do reakcionog centra. 49 Odsusvo zavisnosti između rezonancionih parametara i parametara polja, je zapravo osnova da isti mogu poslužiti kao mera polarnih i rezonancionih efekata supstituenata na konkretne (pojedinačne) hemijske pomake protona [δ(H)] u bočnom lancu. Prihvatljive korelacije hemijskih pomaka para protona [δ(Hp)], para ugljenika-13 [δ(Cp)] i para fluora-19 [δ(Fp)] u supstituisanim benzenima i para-supstituisanim fluorobenzenima sa pσ i konstanatama, usled sličnosti ovih sistema sa sistemima supstituisanih benzoevih kiselina. + pσ Nedostatak korelacija Hammett-ovskog tipa je svakako i činjenica da one u regresionu analizu istovremeno uključuju meta- i para-supstituente. S' obzirom da se polarni efekat supstituenta na reakcioni centar (N = 1H) razlikuje u jedinjenjima tipa Η−−Χ φ , odnoso, tipa N−Ζ−−Χ φ , nedostaci jedno-paramerarske analize su još dodatno pojačani koanalizom. Svakako da treba očekivati da je primena dvo-parametraske analize bolji i efikasniji način da se okarakterišu elektronske promene na bilo kom jezgru (reakcionom centru) u bilo kom sistemu. Međutim, i u ovoj vrsti analize je preporučljivo grupe meta- i para-supstituenata posmatrati odvojeno (posebno kod upotrebe jednačine (12)). Korelacija hemijskih pomaka stirenskih β-protona Hcis i Htrans [respektivno, δ(Hcis) i δ(Htrans)] sa Swain-Lupton-ovim parametrima je dala veoma dobre rezultate (jednačine (1.38) i (1.39), za set od n = 13 podataka, respektivno, R = 0,996 i R = 0,997).162-3 ( ) ℜ+ℑ= 414,0100,0cisHδ (1.38) ( ) ℜ+ℑ= 420,0166,0transHδ (1.39) Rezultati ove dvo-parametarske analize ukazuju da je za promene hemijskih pomaka stirenskih β-protona gotovo u potpunosti odgovoran efekat polja, dok se uticaj rezonancionog efekta supstituenata može zanemariti. Dvo-parametarska analiza uz primenu Swain-Lupton-ovih parametara je dala dobre rezultate i u slučaju korelacije hemijskih pomaka protona [δ(H)] iz bočnog lanca nekih drugih derivata benzena i to: para-supstituisanih acetofenona (n = 10, R = 0,978),177 para- supstituisanih fenola (n = 14, R = 0,994),169 meta-supstituisanih N-trimetilanilinijumovih- katjona (n = 7, R = 0,999),169 para-supstituisanih fenilacetilena (n = 12, R = 0,988)173 itd. Korelacije hemijskih pomaka protona iz bočnog lanca, sa mσ konstanatama u meta- supstituisanim sistemima (npr. anizolima, β-fenilstirenima, acetofenonima i fenilacetilenima)167 nisu dale zadovoljavajuće rezultate. Izvesno poboljšanje je postignuto primenom Yukawa-Tsuno jednačine. U slučaju orto-supstituisanih toluena, anilina i anizola korelacije hemijskih pomaka protona iz bočnog lanca sa Iσ i Rσ konstantama su 50 promenljivog kvaliteta.170 Među korelacionim koeficijentima nije uočena gotovo nikakva pravilnost, pa čak ni kada je uziman u obzir sterni efekat supstituenata. Svi objavljeni rezultati iz oblasti korelacija hemijskih pomaka (δ) sa σ konstatama su nesumnjivo podložni kritici,178 i to sa različitih aspekata poput: osetljivost različitih grupa; efikasnost (realnost) π- nasuprot σ-prenošenju elektronskih efekata; uloga električnih polja, efekata anizotropije, induktivnih i rezonancionih efekata; povezanost sa povećanjem elektronske gustine. To je posledica raskoraka koji postoji između strogo definisanih pojmova sa jedne, i preciznosti eksperimentalnih podataka sa druge strane. 1.9 Masena spektrometrija Masena spektrometrija (MS) je analitička metoda kojom se razdvajaju naelektrisane čestice prema odnosu mase i naelektrisanja (m/z).179 Svaki maseni spektometar sastoji se iz jonskog izvora (deo instrumenta u kome se obrazuju joni), analizatora (deo koji služi za razdvajanje jona na osnovu odnosa njihove mase i nelektrisanja (m/z vrednosti) i detektora. Klasični magnetni instrumenti se zamenjuju kvadrupolnim filtrima, spektrometrima koji mere vreme preleta jona, Furije-transform masenim spektrometrima i jonskim trapovima.180 Veliki broj tehnika se koristi za jonizaciju molekula koji se analiziraju. Jonizacija molekula bombardovanjem elektronima izaziva izbijanje elektrona pri čemu nastaju radikal katjoni. Druge jonizacine tehnike, kao hemijska jonizacija i elektro sprej jonizacija, uključuju reakcije jona i molekula koji se analizira pri čemu se dobijaju adukt joni tipa (MH+). Najvažniji faktori koji utiču na veličinu fragmentacija su fizičko stanje molekula koji se analizira i primenjena jonizaciona tehnika. Jonizacija izazvana bobardovanjem elektronima (Electron Ionization (EI))181 je uobičajena jonizaciona tehnika korišćena u masenoj spektrometriji. EI tehnika je primenjiva za molekule u gasnoj fazi, pa ima svoja ograničenja. Iako su maseni spektri reproduktivni i široko korišćeni za karakterizaciju i ispitivanja različitih serija jedinjenja, EI tehnika izaziva preterano fragmentisanje tako da je često nemoguće uočiti molekulski jon ispitivanog jedinjenja. Fragmentacije koje se dobijaju na osnovu MS spektara su veoma korisne jer obezbeđuju strukturne informacije kojima se interpretiraju spektri nepoznatnih jedinjenja. Na slici 1.42 je dat šematski prikaz masenog spektrometra sa EI jonskim izvorom. 51 Unošenje uzorka vakum interfejs maseni analizator detektor visoki vakum filament e- e- e-e- molekul M kolektor ubrzan jon M+ Slika 1.42 Šematski prikaz interfejsa i masenog detektora Elektroni za pobuđivanje se emituju sa katode i ubrzavaju se ka kolektoru. Kinetička energija se povećava delovanjem električnog polja između katode i anode čime se proizvodi zrak elektrona visoke energije. Kada molekul koji se analizira prolazi kroz zrak elektrona, sudarom elektrona sa molekulom i izbijanjem valentnog elektrona dobija se odgovarajući radikal katjon koji je bitno određen strukturom jona roditeja koji se analizira. Elektron koji je ubrzan prolazi dovoljno blizu valentnih elektrona elektronskog oblaka molekula, pri čemu se deo kinetičke energije elektrona prenosi na elektronski oblak. Ako je preneto dovoljno energije molekul će da izbaci valentni elektron i formiraće radikal katjon. Uobičajeno je da se elektroni ubrazvaju do 70 eV, što je dovoljno kinetičke energije da izazove značajno fragmentisanje. Prenos kinetičke energije je bitno određen brzinom elektrona i blizinom prolaska u odnosu na molekul. Kako se zna da približno 30 eV je neophodno da se izazove jonizacija većine organskih jedinjenja, pri čemu energija veze u molekulu iznosi približno 3 eV, uočava se da bez obzira na raspodelu predate energije od strane elektrona ta energija je dovoljna da izazove fragmentaciju molekula. Jonizacija molekula sudarom sa elektronima se koristi opsežno u analitičke svrhe jer sama distribucija jona proizvoda koji nastaju fragmentacijom jona roditelja se koristi za definisanje fragmentacionih puteva i strukture ispitivanih molekula. Elektron-sprej jonizaciona tehnika (ESI)182-6 je tehnika koja se izvodi na atmosferskom pritisku i pogodna je za analize polarnih molekula mase manje od 100 Da do više od 1,000,000 Da molekulskih masa. ESI je jedna od najčešće korišćenih tehnika jonizacije u HPLC-MS analizi, a šematski prikaz ESI spektrometra sa jonskim trapom kao analizatorom je prikazan na slici 1.44. Uzorak se rastvori u polarnom, isparljivom rastvaraču u struji azota, a zatim se raspršuje kroz čeličnu kapilaru čiji je vrh pod visokim naponom. Pod dejstvom električnog polja uzorak napušta kapilaru u vidu aerosola sastavljenog od visoko naelektrisanih kapljica (slika 1.44). Isparavanjem rastvarača kapljice se smanjuju i u određenom trenutku, kada površinski napon ne može da izdrži nagomilano naelektrisanje, dolazi do eksplozije kapljica (slika 1.45). Ovaj proces se ponavlja i kao rezultat toga dobijamo jone analita, oslobodjene od rastvarača, koji kroz jonsku kapilaru stižu do jonskog 52 trapa. Joni selektovani u jonskom trapu, na osnovu njihovog m/z odnosa šalju se dalje na detektor i na taj način dobija se maseni spektar. Tipično se u MS spektru dobijenom ESI tehnikom dobijaju protonovani ili deprotonovani molekulski joni ([M+H]+, odnosno [M-H]-), u zavisnosti od primenjenog napona. Česta je i pojava višestruko naelektrisanih jona, tipa [M+nH]n+, kao i adukata jona sa rastvaračem ([M+R+H]+, odnosno [M+R-H]-). Slika 1.43 Šematski prikaz ESI spektrometra Slika 1.44 Elektro-sprej jonski izvor Slika 1.45 Šematski prikaz nastajanja jona primenom elektrosprej jonizacije 53 Jonski trap se sastoji od tri elektrode: jedne u obliku prstena i dve tanjiraste elektrode koje zatvaraju prsten sa obe strane (slika 1.46). Postoje trapovi sa eksternom i internom jonizacijom. U prvom slučaju joni formirani u jonskom izvoru se ubacuju u trap, a u drugom molekuli uzorka se ubacuju u unutrašnju šupljinu prstena gde se jonizuju. Nastali joni se pod uticajem radiofrekfentnog polja na prstenastoj elektrodi kreću po stabilnim putanjama i mogu da se čuvaju u trapu. Maseni spektar se dobija kada se menja električno polje prstenaste elektrode. Pri tom se joni izbacuju iz unutrašnjosti trapa po redosledu koji odgovara odnosu njihove mase i naelektrisanja. Slika 1.46 Presek jonskog trapa Jedna od bitnih prednosti jonskog trapa u odnosu na druge masene detektore je mogućnost tandem masene spektrometrije (MS/MS) – jon od interesa može da se izoluje u trapu i da se fragmentira (razloži na manje, fragmentne jone, koji se zatim analiziraju). Na taj način posmatrani joni mogu da se identifikuju ne samo na osnovu mase već i na osnovu karakterističnih fragmenata. 1.10 Keto-enolna tautomerija derivata 2(1H)-piridona187 Klasično ispitivanje tautomerne ravnoteže jeste laktam/laktim (2-piridon/2- hidroksipiridin) ravnoteža tautomernih oblika 3-cijano-2(1H)piridona, prikazane na slici 1.47 sa doprinosom dipolarne rezonancione strukture tautomernog oblika 2-piridona: N OH N O H N H O Slika 1.47 Tauomerna ravnoteža 2-piridon/2-hidroksipiridin 54 U Tabeli 1.4 su date vrednosti konstanti ravnoteže KT = 2-piridon/2-hidroksipiridin tautomernih oblika 2(1H)piridona na različitim temperaturama. Tabela 1.2 Tautomerne ravnotežne konstante KT = [2-piridon/2-hidroksipiridin] u gasnoj fazi i rastvorima na 25...30 oC Rastvarač 2-Hidroksipiridin 4-Hidroksipiridin Gasna fazaa 0.4 ± 0.25 (ULj metod)c 0.5 ± 0.3 (IC metod)d < 0.1d Cikloheksanb 1.7 - Trihlormetanb 6.0 1.3 Acetonitrilb 148 406 Vodaa 910 1900 a referenca 187; b referenca 187; c na 130 oC; d na 250 oC IR i UV, masena spektrometrija, fotoelektronska, mikrotalasna, kao i IR merenja nisko temperaturnih izolovanja iz matrice su pokazala da 2- i 4-hidroksipiridini postoje u gasnoj fazi i u inertnoj atmosferi (N2 i Ar), u uslovima ravnoteže, uglavnom u laktim (hidroksi) obliku u odnosu na situaciju koja postoji u rastvoru. U nepolarnim rastvaračima, kao što je cikloheksan i hloroform, postoje ravnotežne količine tautomernih oblika u ratvoru, za razliku od polarnih rastvarača, kao što je voda, kada je tautomerna ravnoteža potpuno pomerena u korist laktam oblika (okso oblik), što važi i za 2-piridone u kristalnom stanju. Superkritični fluid 1,1-difluoretan može da se koristi za pomeranje i podešavanje konstante tautomerne ravnoteže KT = [2-piridon/2-hidroksipiridin], kontinulano izotermalno od gasne faze do vrednosti koja su određene u polarnim rastvaračima, jednostavno povećavajući pritisak. Vrednosti ravnotežnih konstanti u gasnoj fazi se razlikuju od onih u vodenoj fazi za približno faktor 104. Velika razlika u stabilnosti tautomernih oblika u gasnoj fazi i rastvoru ukazuje na dominantan uticaj sovatacije na relativnu stabilnost molekula. Razmatrajući ravnoteže tautomernih oblika u rastvaračima promenljive polarnosti, uočeno je da se sa povećanjem polarnosti rastvarača ravnoteža pomera ka piridonskom tautomernom obliku. Keto oblik je dipolarniji nego hidroksi oblik, zbog doprinosa rezonancione strukture u kojoj se javlja razdvajanje naelektrisanja. Kada rastvarač ima mali uticaj na elektronsku strukturu osnovnog stanja molekula laktim oblika (hidroksi oblik), značajan uticaj na geometriju molekula, distribuciju naelektrisanja, i vibracione frekfencije laktam oblika (keto oblik), što se lako može razumeti u smislu većeg doprinosa dipolarne razonancione strukture u polarnim rastvaračima. Takođe građenje vodoničnih veza igra značajnu ulogu usled bolje stabilizacije okso oblika proton-donorskim rastvaračima, a proton- 55 akceptorski rastvarači bolje stabilizuju hidroksi oblik. Na primer, okso oblik 6-hlor-4-metil-2- hidroksipiridina je dominantan u vodi, dok u većem broju organskih rastvarača dominantan je hidroksi oblik: 67 cmol/mol u metanolu, 56 cmol/nol u hloroformu, 96 cmol/mol u dimetilsulfoksidu, i 95 cmol/mol. Precizno određivanje prototropne tautomerne ravnotežne konstante KT za 2(4)- hidroksipiridin 2(4)-piridone je izuzetno teško usled asosovanja molekula, čak i u vrlo razblaženim rastvorima tautomera u nepolarnom rastvaraču kakav je cikloheksan. Asocijacija tutomera utiče na vrednost KT konstante koja je značajno različita u odnosu na vrednost i određene za slobodne molekule. Različiti modeli su razvijeni kako bi se na adekvatan način opisalo realno stanje u rastvorima, različite solvatacije oblika hidroksipiridin/piridon tautomernog para u odnosu na reakciono polje i mogućnošću građenja vodonične veze, korišćenjem više-parametarske regresione analize. Ab initio i druge metode proračuna korektno predviđaju veću stabilnost 2- hidroksipiridina, u poređenju sa 2-piridonskim oblikom, u gasnoj fazi. Izračunate razlike slobodnih energija za laktim/laktam par u gasnoj fazi na 25 oC je ΔG = 2.9 KJ/mol u korist laktim oblika, što je u dobroj saglasnosti sa eksperimentalnim vrednostima. 56 57 1.11 Primena i komercijalno značajni derivati 3-cijano-2(1H)-piridona188 Iako postoji izuzetno veliki broj sintetisanih jedinjenja koja pripadaju derivatima 2- piridona relativno mali broj jedinjenja je našao praktičnu primenu u različitim oblastima ljudskih aktivnosti. Derivati 3-cijano-2(1H)-piridona su značajni bilo kao krajnji proizvodi, bilo kao intermedijeri koji se koriste za sinteze složenijih jedinjenja koja imaju različitu primenu. U poslednjoj dekadi prošlog veka ponovo se javio veliki interes za sintezu i ispitivanja derivata 3-cijano-2(1H)-piridona. Jedinstvena svojstva koja poseduju različiti derivati 3-cijano-2(1H)-piridona daje im mogućnost da se koriste ne samo u proizvodnji boja, pigmenata, goriva i aditiva za goriva, već i za sinteze različitih derivata koji imaju širok spektar biološke aktivnosti. Derivati 3-cijano-2(1H)-piridona i tiona su našli primenu u proizvodnji boja, pigmenata, aditiva za gorivo i lubrikante, stabilizatore za polimere i premaze, kiselo-bazne indikatore itd. Međutim, u poslednje vreme posebna pažnja na ispitivanju 3-cijano-2(1H)-piridona je usmerena ka sintezi i ispitivanju njihove biološke aktivnosti. Derivatima koji imaju kardiotničnu aktivnost pripada veoma veliki broj jedinjenja. Takođe, jedinjenja sa kardivaskularnim, koronarnim, i vazodilatatornom aktivnošću, pri čemu se posebno podrazumeva čitava serija jedinjenja iz koje su proistekli komercijalni lekovi Milrinone i Amrinone, i jedinjenja koja utiču na bolju cirkulaciju krvi. Između ostalih jedinjenja sa različitom biloškom aktivnošću mogu se pomenuti antidijabetici, diuretici i sodiodiuretici, antioksidanti, anitivirusni lekovi, anitinflamatorni lekovi, i anitbakterijski lekovi. U vezi sa prethodno navedenim činjenicama treba posebno istaći otkriće inhibitora reversne trakskriptaze HIV-1 među derivatima 2-piridona. Takođe, derivati 2-piridona mogu služiti kao oksido-redukcioni modeli koenzima NAD i NADF i sintona za proizvodnju folne kiseline, vitamina B6, i drugih biloški aktivnih jedinjenja. Biološki degradabilni proizvodi, regulatori rasta biljaka, pesticidi, i herbicidi su sintetisani na bazi 3-cijanopiridin-2(1H)- čalkogenona. 2. EKSPERIMENTALNI DEO 2.1 Opšte napomene u vezi eksperimentalnih tehnika korišćenih pri karakterisanju sintetisanih jedinjenja 1D 13C i 1H NMR spektri su snimani na aparatu Bruker AC 250 (250 MHz) na temperaturi 25 ºC. Hemijska pomeranja su izražena u ppm vrednostima u odnosu na TMS (δH=0 ppm) u 1H NMR spektrima, i u odnosu na signal rastvarača DMSO-d6 (δC=39.5 ppm) u 13C NMR spektrima. Karakterizacija hemijskih pomeranja: s = singlet, d = dublet, t = triplet, m = multiplet, dd = dupli dublet. 2D NOESY, 1H/13C-HETCOR, HMBC i HSQC spektri su snimani na Bruker DRX 500 spektrometru (500.13 MHz za 1H, 125.77 MHz za 13C) opremljenog trostruko rezonantnom inverznom mernom glavom (TXI). Za snimanje 2D spektara korišćeni su mikroprogrami iz Brukerovog standardnog softwerskog paketa. 2D NOESY spektri su snimani sa spektralnim prozorom od 5 kHz u F2 i F1 domenu; 1K × 512 tačaka podataka su prikupljeni na svakih 32 skena po inkrementu i relaksacionom zadrškom od 2.0 s između svakih ponavljanja pulsnih sekvencija. Vreme mešanja tokom NOESY eksperimenata je bilo 1s. Obrada rezultata je izvršena na osnovu 1K x 1K matričnih podataka. Inverzno detektovani 2D heteronuklearno korelisani spektri su mereni sa 512 složenih tačaka podataka u F2 i 256 u F1 projekciji, prikupljajući 128 (HSQC) ili 256 (HMBC) skenova po inkrementu sa relaksacionim vremenom 1.0 s. Spektralna širina je bila 5 i 27 kHz u F2 i F1 dimenzijama. HSQC eksperimenti su optimizovani za direktna C–H kuplovanja u prosečnoj vrednosti od 145 Hz; HMBC eksperimenti su optimizovani za long-range C–H kuplovanja vrednosti 8 Hz. Fourier-ova transformacija je urađena na 512 × 512 podataka matrici. Kod svih 2D transformacija obe dimenzije (F1 i F2) sinusne korekcione funkcije su bile sa faktorom π/2. Za snimanje masenih spektara ispitivanih jedinjenja korišćene su dve različite jonizacione tehnike: bombardovanje molekula uzorka elektronima (EI - electron impact) jonizacija ili elektro-sprej jonizacija (ESI - elecrospray ionization). EI maseni spektri su snimani na Thermo Finnigan Polaris Q jon trap masenom spektrometru, koji uključuje TraceGC 2000 (Thermo Finnigan Corp., Austin, TX, USA), integrisani GC-MS/MS sistem. Uzorak je u jonski izvor ubacivan direktno pomoću DIP metoda (direct insertion probe), a snimani su EI/MS i EI/MS/MS spektri. Jonizacioni uslovi: temperature jonskog izvora 200oC, maksimalna energija elektrona 70 eV, struja 150 μA. Za snimanje MS/MS spektara korišćen je helijum kao sudarni gas (collision gas) pri pritisku od 1 mT, u toku 8 ms izolacije i 15 ms pobudjivanja, pri qz vrednosti od 0.30. Napon detektora je bio 1400 V. Odabrani joni su 58 rezonantno pobuđeni podešavanjem napona u opsegu 1-2 V, u zavisnosti od ispitivanog jedinjenja. Dobijeni rezultati su obrađivani korišćenjem softvera XcaliburTM 1.3. ESI Maseni spektri su dobijeni na LCQ Advantage (Thermo, San Jose, CA, USA) masenom spektrometru sa kvadrupolnim jonskim trapom. Elektrosprej jonizaciona tehnika je korišćenja u pozitivnom i negativnom modu. Rastvor ispitivanog piridona (0,1 mg/ml u CH3OH) je direktno ubrizgan u ESI izvor pomoću pumpe, pri protoku 5 µlmin-1 i analiziran pod sledećim uslovima: temperatura kapilare 250 °C; protok azota 38 au; napon izvora 4,5 kV, napon kapilare 35 V i -26 V u pozitivnom negativnom jonizacionom modu. Da bi se dobili MS2 spektri odabrani jon je izolovan i fragmentisan sudarom sa helijumom, pri energiji sudara u opsegu 30-50 %. Rezultati su obrađivani korišćenjem softvera XcaliburTM 1.2. Optimizovane konformacije molekula su dobijene semi-empirijskom metodom MO PM6,189 uključujući solvataciju rastvarača DMSO (COSMO) (Ključne reči: EF, GNORM=0.01, EPS=48, NSPA=92 i LETDDMIN=0.0) korišćenjem MOPAC2007TM programskog paketa. VEGA ZZ 2.2.0 je korišćenja kao grafički interfejs (GUI).190 Optimizacija geometrije nekih jedinjenja 4-supstitutuisanih (4-NO2, 4-OCH3 i 4-Cl) i orto- supstitutuisanih jedinjenja (2-NO2, 2-OCH3 i 2-Cl), je određena primenom ab initio DFT(B3LYP) metoda, LanL2DZ i STO/6-311**G++ bazis seta. 2.2 Sinteza N-alkil i N-(4-supstituisani fenil)-3-cijano-4,6-dimetil-2-piridona Sinteza N-alkil i N-(4-supstituisani fenil)cijanoacetamida Sinteza N-(4-supstituisani fenil)cijanoacetamida je izvršena prema sledećim metodama: 1. reakcijom između odgovarajućeg amina i etil-cijanoacetata 2. reakcija između amina i cijanoacetilhlorida. Sinteza N-(4-supstituisani fenil)cijanoacetamida prema dugom postupku je ostvarena prethodnom sintezom cijanoacetilhlorida, jedinjenja koje je izuzetno nestabilno i mora se odmah nakon sinteze koristiti. 2.2.1 Sinteza cijanoacetilhlorida191 U trogrli balon opremljen povratnim hladnjakom, termometrom i levkom za ukapavanje, doda se 0,1 mol cijanosirćetne kiseline u suvom ugljentetrahloridu. Reakciona smeša se ohladi na 10-20 ºC i počne sa dodavanjem suspenzije fosfor(V)hlorida u ugljentetrahloridu, održavajući temperaturu konstantnom. Nakon završenog dodavanja, nastavi se sa mešanjem 1 h na sobnoj temperaturi. Pod vakumom vodene pumpe ukloni se rastvarač i nastali fosforoksihlorid, pri čemu temperatura destilata ne sme preći 28 ºC. 59 Ostatak se frakciono destiliše i hvata se čist proizvod na 30 ºC/0.5 mbar. Dobijeni cijanoacetilhlorid je izuzetno nestabilan i odmah se koristi za dalje sinteze. 2.2.2 Sinteza N-alkil i N-(4-supstituisani fenil)cijanoacetamida192 U balon opremljen povratnim hladnjakom doda se etil-cijanoacetat (0,078 mol), alkilamin ili 4-supstituisani anilin (0,078 mol) i 20 ml metanola. Smeša se zagreva uz refluks 4 h na vodenom kupatilu. Nakon završene reakcije reakciona smeša se upari do polovine zapremine. Hlađenjem reakcione smeše, u slučaju N-(4-supstituisani fenil)cijanoacetamida, izdvajaju se kristali koji se filtriraju, a zatim prekristališu iz etanola. Kada se kao reakcioni proizvod dobijaju N-alkilcijanoacetamidi, vrši se vakum frakciona destilacija, a hlađenjem destilata iskristališe proizvod koji se prekristališe iz smeše metanol/voda. Prinosi i temperature topljenja sintetisanih cijanoacetamida su dati u Tabeli 2.1. Tabela 2.1 Pregled sintetisanih N-alkil i N-(4-supstituisani fenil)cijanoacetamida prema metodi 2.2.2 supstituent t.t. (ºC) lit.t.t (ºC) prinos (g) teorijski prinos (g) prinos (%) metil 84-86 80192 4,8 7,6 63,1 etil 70-72 74192 3,4 7,2 47,2 propil 44-46 45-46192 4,5 8,2 54,9 butil 59-63 53-54192 8,6 19,6 43,9 fenil 198-200 198193 10,6 22,4 47,3 4-metilfenil 180-183 186-187194 4,0 5,7 70,2 4-metoksifenil 127-8 134-135194 3,7 6,2 59,6 4-jodfenil 202-205 207-209194 4,0 9,0 45,0 4-bromfenil 193-195 198-200194 4,3 7,1 60,6 4-hlorfenil 190-196 198-199194 3,1 5,4 57,4 2.2.3 Sinteza N-(4-supstituisani fenil)cijanoacetamida iz cijanoacetilhlorida U balon opremljen povratnim hladnjakom, levkom za ukapavanje i termometrom doda se odgovarajući supstuisani anilin (0,078 mol), trietilamin (0,078 mol) i 20 ml odgovarajućeg suvog rastvarača (Tabela 2.2). Naredna 2 h ukapava se rastvor cijanoacetilhlorida u istom rastvaraču, i nastavi sa mešanjem na sobnoj temperaturi 1 h. Iskristalisani poizvod se procedi i ispere destilovanom vodom, a zatim prekristališe iz etanola. Prinosi i temperature topljenja sinstetisanih N-(4-supstituisani fenil)cijanoacetamida su dati u Tabeli 2.2. 60 Tabela 2.2 Pregled sintetisanih N-(4-supstituisani fenil)cijanoacetamida prema metodi 2.2.4 rastvarač t.t. (ºC) lit.t.t (ºC) prinos (g) Teorijski prinos (g) (%) 4-nitro dietiletar 213-216 198-202194 1,5 3,3 45,4 4-hidroksia etilemtilketon 217-220 - 1,6 3,3 48,5 4-karboksia vodab 165-170 - 1,3 2,0 65,0 4-sulfonila vodab 190-193 - 0,6 1,3 46,2 4-acetila dietiletar 190-193 - 0,8 1,5 53,3 a nova jedinjenja195; b koristi se dvostruko veća količina trietilamina Nova jedinjenja su okarakterisana sledećim podacima iz FTIR, 1H i 13C NMR spektara: N-(4-hidroksifenil)cijanoacetamid: IR νmax (cm-1) (KBr): 3395.64, 3314.06, 2948.23, 2915.09, 2269.49, 1671.17, 1608.89, 1562.45, 1441.51, 1223.25, 836.70; 1H NMR (δ/ppm) (DMSO) 3.829 (s, 3H); 6.696-7.376 (dd, 4H), 9.307 (s, 1H), 10.049 (s, 1H); 13C NMR (δ/ppm) (DMSO): (26.681, 115.554, 116.410, 121.435, 130.226, 154.173, 160.546). N-(4-karboksifenil)cijanoacetamid (4-(2-cijanoacetamido)benzoeva kiselina)): IR νmax (cm-1) (KBr): 3381.96, 3285.84, 3206.29, 2987.4, 2884.24, 2269.49, 1691.89, 1601.89, 1562.45, 1309.11, 1255.43, 794.92; 1H NMR (δ/ppm) (DMSO): 3.983 (s, 2H); 7.560-7.977 (dd, 4H); 10.630 (s, 1H), 12.744 (bs, 1H); 13C NMR (δ/ppm) (DMSO): (27.264, 116.064, 118.886, 126.058, 126.151, 130.867, 142.811, 165.498, 167.192). N-(4-sulfoksifenil)cijanoacetamid (4-(2-cijanoacetamido)benzensulfonska kiselina): IR νmax (cm-1) (KBr): 3270.96, 3208.66, 2955.47, 2260.57, 1669.18, 1600.41, 1560.17, 1300.39, 763.05; 1H NMR (δ/ppm) (DMSO): 3.728 (s, 2H); 3.864 (s, 1H); 6.872-7.509 (dd, 4H); 10.180 (s, 1H); 13C NMR (δ/ppm) (DMSO): (26.736, 55.377, 114.261, 116.319, 121.126, 131.741, 155.921, 160.764). N-(4-acetilfenil)cijanoacetamid: IR νmax (cm-1) (KBr): 3322.27, 3290.97, 3109.67, 2968.02, 2259.53, 1697.73, 1655.45, 1600.13, 1542.3, 1410.87, 1341.53, 1177.42, 829.72, 1H NMR (δ/ppm) (DMSO): 2.547 (s, 3H); 3.994 (s, 2H); 7.680-7.988 (dd, 4H); 10.662 (s, 1H); 13C NMR (δ/ppm) (DMSO): (26.663, 27.282, 116.009, 118.795, 129.866, 132.506, 142.921, 162.021, 196.852). 2.2.4 Sinteza N-alkil i N-(4-supstituisani fenil)-3-cijano-4,6-dimetil-2-piridona mikrotalasnom metodom U erlenmajer od 25 ml se stavi smeša ekvimolarnih količina acetilacetona (5 mmol) i N-(4-supstituisani fenil)cijanoacetamid (5 mmol), kao i 0,5 ml piperidina i smeša se ozrači na 200 W u toku 7 min u kućnoj mikrotalasnoj pećnici (Slika 2.1). Dobijeni proizvod se 61 suspenduje u destilovanoj vodi, filtrira, ispere etrom a zatim prekristališe iz smeše etanol/piridin. Prinosi i temperature topljenja dobijenih proizvoda su dati u Tabeli 3.1. Slika 2.1. Mikrotalasna pećnica:1-rerna, 2-generator mikrotalasnog zračenja, 3-magnetno zrno, 4-aluminijumska ploča, 5-magnetna mešalica, 6-povratni hladnjak 2.2.5 Sinteza N-alkil i N-(4-supstituisani fenil)-3-cijano-4,6-dimetil-2-piridona klasičnom metodom U balon od 50 ml stavi se smeša ekvimolarne količine acetilacetona (5 mmol) i N- alkil ili N-(4-supstituisanog fenil)cijanoacetamida (5 mmol) u 20 cm3 smeše voda/etanol (50/50), a zatim doda nekoliko kapi piperidina kao katalizatora. Reakcioan smeša se greje 4 h na uljanom kupatilu uz refluks. Nakon završene reakcije u reakcionu smešu se doda 30 cm3 destilovane vode, nastali talog se filtrira i ispere etrom, a zatim prekristališe iz smeše etanol/piridin. Prinosi i temperature topljenja dobijenih proizvoda su dati u Tabeli 3.1. Nova jedinjenja, sintetisana na osnovu klasične i mikrotalasne metode, su okarakterisana FTIR, 1H i 13C NMR spektrima: N-(4-etilfenil)-3-cijano-4,6-dimetil-2-piridon: IR νmax (cm-1) (KBr): 3065, 3043, 2967, 2932, 2875, 2218, 1659, 1585, 1538, 1512, 1459, 1441, 1407, 1360, 1208, 1H NMR (δ/ppm) (DMSO) 1.231 (t, 3H); 1.961 (s, 3H); 2.382 (s, 3H); 2.680 (q, 2H); 6.448 (s, 1H); 7.181- 7.406 (dd, 4H); 13C NMR (δ/ppm) (DMSO): (15.520, 20.782, 21.729, 27.956, 100.096, 109.054, 116.155, 127.863, 129.155, 135.219, 144.923, 152.680, 159.763, 160.837). 62 N-(4-N,N-dimetilfenil)-3-cijano-4,6-dimetil-2-piridon: IR νmax (cm-1) (KBr): 3068, 2888, 2808, 2215, 1658, 1610, 1586, 1524, 1445, 1368, 1188, 1079, 807, 1H NMR (δ/ppm) (DMSO): 1.983 (s, 3H); 2.366 (s, 3H); 2.957 (s, 6H); 6.408 (s, 1H); 6.759-7.065 (dd, 4H); 13C NMR (δ/ppm) (DMSO): (20.764, 21.856, 43.680, 108.890, 112.623, 128.263, 150.531, 159.435, 160.970). N-(4-karboksifenil)-3-cijano-4,6-dimetil-2-piridon: IR νmax (cm-1) (KBr): 3144, 3067, 2222, 1730, 1718, 1643, 1608, 1572, 1539, 1465, 1412, 1375, 1236, 1212, 1113, 1099, 1022, 850, 775, 758, 1H NMR (δ/ppm) (DMSO): 1.976 (s, 3H); 2.401 (s, 3H); 6.481 (s, 1H); 7.461- 8.124 (dd, 4H); 13.238 (s, 1H); 13C NMR (δ/ppm) (DMSO): (20.856, 21.585, 100.255, 109.322, 115.985, 128.675, 130.860, 131.752, 141.383, 151.979, 160.172, 160.591, 166.818). N-(4-hidroksifenil)-3-cijano-4,6-dimetil-2-piridon: IR νmax (cm-1) (KBr): 3206, 3065, 2930, 2223, 1647, 1613, 1578, 1540, 1515, 1455, 1436, 1409, 1285, 1208, 1166, 1097, 840, 1H NMR (δ/ppm) (DMSO): 1.972 (s, 3H); 2.366 (s, 3H); 6.409 (s, 1H); 6.854-7.089 (dd, 4H); 9.843 (s, 1H); 13C NMR (δ/ppm) (DMSO): (20.747, 21.730, 100.00, 108.921, 116.222, 128.602, 128.985, 153.181, 157.951, 159.535, 161.010). 2.3. Sinteza 3-cijano-4-(supstituisanih fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona klasičnim i mikrotalasnom metodom 2.3.1 Sinteza 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona u reakcionom sistemu DMSO/terc-BuOK i atmosferi kiseonika196 Kalijum terc-butoksid (terc-BuOK) (0,4 mol) se doda u jednoj porciji u rastvor 3- (supstituisani fenil)-1-fenil-2-propen-1-ona (0,01 mol) i cijanoacetamida (0,011 mol) u 20 ml dimetilsulfoksida (DMSO). Temperatura reakcione smeše od sobne temperature, usled egzotermne reakcije, poraste. Nakon 30 minuta, bez hlađenja, reakciona smeša se razblaži sa 80 ml vode, a zatim sa 100 ml (4 mol/dm3) HCl dodatih lagano uz snažno mešanje. Istaloženi sirovi proizvod se filtrira, ispira vodom i suši na vazduhu. Prekristalizacijom sirovog proizvoda iz smeše etanol/piridin dobija se čisto jedinjenje u prinosu od 78-93 % (Tabela 3.2). 2.3.2 Sinteza 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona iz 3-(supstituisani fenil)-1-fenil-2-propen-1-ona u prisustvu natrijum-etoksida197 Sinteza 2-piridona se odigrava reakcijom između 3-(supstituisani fenil)-1-fenil-2-propen-1- ona (0,01 mol) i cijanoacetamida (0,011 mmol) u prisustvu natrijum-etoksida (0,019 mmol), 24 h uz refluks u apsolutnom etanolu. Topao rastvor se pažljivo zakiseli do neutralne sredine 63 sa 5 % HCl, talog se filtrira i ispere sa vodom do neutralne sredine. Prekristalizacija sirovog proizvoda iz smeše piridin/etanol daje čist proizvod, prinosa datih u Tabeli 3.2. Sinteza istih piridona uz korišćenje drugih baza: dietilamin, piperidin, natrijum- i kalijum-hidroksid, daje manje prinose u odnosu na eksperimente kada se koristi natrijum-etoksid.15 2.3.3 Sinteza 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona iz etil-2-cijano-3- (supstituisani fenil)akrilata kao intermedijera52 Opšti postupak sinteze etil-2-cijano-3-(supstituisani fenil)akrilata: U balon od 100 ml stavi se (0,1 mol) etil-cijanoacetata, (0,1 mol) supstituisanog benzaldehida u 50 ml etanola. Doda se 3-4 kapi piperidina i smeša zagreva uz refluks 1 h. Uparavanjem dela rastvarača i hlađenjem izdvajaju se kristali 2-cijano-3-(supstituisanog fenil)akrilata koji se filtriraju, a zatim prekristališu iz etanola. Prinosi i temperature topljenja sintetisanih jedinjenja su dati u Tabeli 3.3. U balon od 100 ml stavi se 0,1 mol odgovarajućeg etil 2-cijano-3-(supstituisanog fenil)akrilata, 0,1 mol acetofenona i 0,15 mol amonijum-acetata u 50 ml etanola. Smeša se zagreva uz refluks 30-60 min pri čemu se izdvaja talog proizvoda. Nakon hlađenja talog se odvoji filtriranjem, ispere vodom i etrom, a zatim prekristališe iz odgovarajućeg rastvarača (smeša piridin/etanol ili DMF/etanol). Prinosi i temperature topljenja sintetisanih jedinjenja su dati u Tabeli 3.3. Na osnovu ove metode sintetisana je serija 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona koja su korišćena u daljim ispitivanjima (Tabela 2.3). 2.3.4 Sinteza 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona bez sinteze etil-2- cijano-3-(supstituisani fenil)akrilata kao intermedijera 198 Smeša acetofenona (0,01 mol), etil cijanoacetata (0,01 mol), supstituisanog benzaldehida (0.01 mol) i amonijum-acetata (0,08 mol) u 30 ml etanola se zagreva uz refluks 6 sati. Tokom reakcije iskristališe proizvod, koji se filtrira nakon hlađenja, ispere vodom a zatim prekristališe iz smeše etanol/piridin ili DMF/etanol. Prinosi i temperature topljenja sintetisanih jedinjenja su dati u Tabeli 3.3. 2.3.5 Sinteza 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona uz korišćenje međufaznih katalizatora199 Smeša 3-(supstituisani fenil)-1-fenil-2-propen-1-ona (0,01 mol), cijanoacetamida (0,01 mol), benziltrietilamonijum-hlorid (phase-transfer catalyst-PCT) (TEBA, 0,005 mol) u 64 10 ml toluena se meša sa vodenim rastvorom natrijum-hidroksida (2 ml, 50%) u toku 4 h. Reakcija je blago egzotermna, a početni bistar rastvor vremenom očvrsne. U tom momentu se doda mala količina vode kako bi se reakciona smeša lakše mešala. Reakciona smeša se zatim zakiseli sa 5 ml 5% HCl, nastali talog se filtrira i ispere vodom do neutralne reakcije. Prekristalizacijom sirovog proizvoda iz smeše piridin/etanol ili DMF/etanol dobija se čist proizvod. 2.3.6 Sinteza 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona mikrotalasnom metodom U erlenmajer od 25 ml stavi se 0,1 mol odgovarajući etil-2-cijano-3-(supstituisani fenil)akrilat, 0,1-0,2 mol acetofenona i 0,1-0,2 mol amonijum-acetata, i ozrači snagom od 200 ili 100 W, u toku 90, 120 ili 150 s, u kućnoj mikrotalasnoj pećnici (slika 2.1). U slučaju sinteza 3-cijano-4-(fenil supstituisani)-6-fenil-2(1H)-piridona u prisustvu rastvarača se izvodi na analogan način kao pri sintezi bez rastvarača. Dobijeni proizvod se suspenduje u destilovanoj vodi, filtrira a zatim ispere etrom. Sirov proizvod se prekristališe iz smeše etanol/piridin (ili DMF/etanol). Prinosi i temperature topljenja dobijenih proizvoda su dati u Tabeli 3.4. 65 Tabela 2.3 Prinosi i temperature topljenja 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)- piridona dobijenih prema metodu 2.3.3 a Nova jedinjenja213 etil-2-cijano-3-(supstituisani fenil)akrilat 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil- 2(1H)-piridon supstituent literaturna temperatura topljenja (oC) eksperimentalna temperatura topljenja (oC) prinos (%) literaturna temperatura topljenja (oC) eksperimentalna temperatura topljenja (oC) prinos (%) H 49.553 44-6 97 312-352 312-3 35 4-CH3 9253 90-2 86 302-452 300-2 40 4-OCH3 8353 80-1 91 305-652 305-6 36 3,4-di-OCH3 156-854 150-2 97 274-652 281-3 8 4-Cl 9253 90-2 90 308-1052 308-10 32 2,4-di-Cl 72207 78-9 85 297-8209 296-7 36 4-N-(CH3)2a 12853 124-5 69 - 313-5 65 4-Py 103-4201 98-100 66 >300210 315-7 58 4-NO2 170-153 168-170 85 >330213 >330 83 3-NO2a 13553 132 91 - >330 41 3-Cla 102-3203 99-101 91 - 253-5 26 3-Py 75-7204 75-6 35 >300211 319-21 45 4-Br 97.553 92-4 56 327-8213 327-8 14 2-OCH3 75202 74-6 91 264-6213 264-6 20 2-Cl 54-5205 50-2 91 268-70209 268-70 31 2-Cl, 5-NO2d 83-4206 82-4 95 287-9213 287-9 36 2-NO2 101-255 97-9 89 275-7213 275-7 11 2,6-di-Cle - 75 64 182-5213 182-5 33 3-OCH3 53-4200 50-1 65 239-41213 239-41 32 3-Opha - - 96 - 244-46 34 3-CH3 - 82-3 89 335 (subl.)212 241-3 12 4-CNa 156-7208 154-5 78 - 323-5 25 b 4-piridil grupa u položaju 4 piridonskog prstena c 3-piridil grupa u položaju 4 piridonskog prstena d 2-hlor-5-nitro supstituent e 2,6-dihlor supstituent 66 3. REZULTATI I DISKUSIJA Derivati 4,6-disupstituisanih-3-cijano-2-piridona ispitivani u ovom radu su sintetisani različitim metodama u cilju ispitivanja uspešnosti različitih postupaka sinteze na prinos željenih jedinjenja. U daljem radu, sintetisana jedinjenja su korišćena za proučavanje - prenošenja elektronskih efekata supstitenata prisutnih na N- i 4-fenilnom jezgru ispitivanih piridona na osnovu 1H i 13C NMR hemijska pomeranja posmatranih ugljenikovih atoma - uticaja elektronskih efekata supstituenata na fragmentacione puteve ispitivanih jedinjenja pri različitim metodama jonizacije. 3.1. Rezultati sinteza derivata 4,6-disupstituisanih-3-cijano-2-piridona različitim metodama sinteze Sinteze derivata 4,6-disupstituisanih-3-cijano-2-piridona ispitivanih u radu su izvedene različitim klasičnim metodama (eksperimentalni deo: metode 2.2.5 i 2.3.1-2.3.5) i MT metode (eksperimentalni deo: metod 2.2.4 i 2.3.6), sa ili bez rastvarača. Sinteza N-alkil- i N-(4-supstituisani fenil)-3-cijano-4,6-dimetil-2-piridona klasičnim i mikrotalasnom metodom Serije N-alkil- i N-(4-supstituisanih fenil)-3-cijano-4,6-dimetil-2-piridona su sintetisani polazeći iz acetilacetona (2,4-pentandion) i odgovarajući N-supstituisani cijanoacetamid korišćenjem mikrotalasnog zračenja i klasične sinteze. Polazni N-supstituisani cijanoacetamidi su dobijeni poznatom metodom.192,195 Piperdin je korišćen kao katalizator u oba postupka sinteze. Klasična sinteza je izvođena u smeši vode i etanola na temperaturi ključanja smeše. Mikrotalasna sinteza je izvođena u komercijalnoj mikrotalasnoj pećnici za domaćinstvo (slika 2.1). Rezultati sinteza su dati u Tabeli 3.1. 67 Tabela 3.1 Prinosi i temperature topljenja N-alkil i N-(supstituisani fenil)-3-cijano-4,6- dimetil-2-piridona dobijenih prema metodama 2.2.4 i 2.2.5 mikrotalasna sinteza klasična sinteza No. supstituent prinos (%) Eks. t.t. (oC)b prinos (%) Eks. t.t. (oC)b 1 H 85 285-7 80 285-6 2 Me 81 198-200 60 197-199 3 Et 71 168-170 55 170-171 4 Pr 72 101-103 46 104-6 5 Bu 66 94-96 30 99-100 6 Ph 96 250-2 75 252-3 7 4-MeOC6H4 95 240-2 72 247-9 8 4-ClC6H4 95 307-8 73 314-6 9 4-MeC6H4 97 268-70 75 274-6 10 4-FC6H4 99 266-8 72 266-8 11 4-EtC6H4a 84 226-8 73 222-4 12 4-NMe2C6H4a 90 303-6 73 300-303 13 4-BrC6H4 86 306-8 76 307-9 14 4-IC6H4 86 300-2 73 300-2 15 4-AcC6H4 91 259-61 80 259-261 16 4-NO2C6H4 84 280-2 64 278-81 17 4-COOHC6H4a 78 325(dec.) 13 323(dec.) 18 4-OHC6H4a 34 246-7 91 245-7 anova jedinjenja i literaturne temperature topljenja N-(supstituisanih fenil)-3-cijano-4,6-dimetil-2- piridona;115-6 bEksperimentalna temperatura topljenja Izuzev 3-cijano-4,6-dimetil-2-piridona koji je sintetisan pri 100 W i 30 sec (konencionalna sinteza 30 min, refluks), svi ostali N-(supstitutuisani fenil)-3-cijano-4,6- dimetil-2-piridoni su dobijeni pri 200 W i posle 7 min ozračivanja. Poređenjem rezultata MT i klasične sinteze, uočava se da su prinosi dobijeni MT sintezom viši i ostvareni su pri kraćim reakcionim vremenima (klasična sinteza 4 h, refluks). Sinteza 3-cijano-4-(suptituisani fenil)-6-fenil-2-(1H)-piridona različitim klasičnim metodama Rezultati sinteza 3-cijano-4-(supstituisanih fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona različitim metodama (metode 2.3.1-2.3.5; eksperimetalni deo), su dati u Tabelama 3.2 i 3.3. 68 Tabela 3.2 Rezultati sinteze 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona prema metodama 2.3.1 i 2.3.2 Metod 2.3.1 Metod 2.3.2 supstituent Literaturna t. t. (oC) Eksperimentalna t.t. (oC) prinos (%) Eksperimentalna t.t. (oC) prinos (%) 4-OCH3 305-652 305-6 78 305-6 74 4-CH3 302-452 300-2 80 300-2 81 3-OCH3 239-4152 239-41 89 239-41 86 H 312-352 312-3 88 312-3 86 4-Cl 308-1052 308-10 85 308-10 83 4-Br 327-8213 327-8 84 327-8 82 3N >300211 319-21 92 319-21 88 4N >300210 315-7 93 315-7 86 4-NO2 >330213 >330 87 >330 83 Sinteza 2-piridona prema Metodu 2.3.1 pruža mogućnost dobijanja proizvoda u kratkom vremenskom periodu, pri čemu se dobijaju visoki prinosi proizvoda. Na osnovu rezultata iz Tabele 3.2 može se zaključiti da se nešto viši prinosi dobijaju u slučaju sinteze 3- cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona, prema metodu 2.3.1, koji imaju elektron-akceptorske supstituente na fenilnom jezgru, što je u saglasnosti sa predloženim mehanizmom reakcije.196 Značajniji doprinos stabilizaciji dianjonskog intermedijera se ostvaruje prisustvom elektron-akceptorskih supstituenata. Na osnovu rezultata sinteza primenom metoda 2.3.1 i 2.3.2 može se uočiti iz Tabele 3.2 da visoki prinosi sintetisanih jedinjenja mogu biti postignuti u prisustvu jakih baza, kao što su kalijum terc-butoksid i natrijum etoksid, a sinteze izvedene u prisustvu slabijih baza (natrijum- i kalijum-hidroksid, piperidin i dietilamin) daju niži prinos željenih 3-cijano-4- (supstituisanih fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona, i to u opsegu 55-77%.15 U Tabeli 3.3 su dati rezultati sinteza 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)- piridona prema sledećim postupcima: polazeći od etil-2-cijano-3-(supstituisanih fenil)akrilata (metod 2.3.3), ili bez prethodne pripreme intermedijera (metod 2.3.4). 69 Tabela 3.3 Rezultati sinteze 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona prema metodama 2.3.3 i 2.3.4 *sinteza nije uspešna primenom metoda 2.3.3 i 2.3.4 Etil-2-cijano-3- (supstituisani fenil)akrilat Metod 2.3.3 Metod 2.3.4 X Eksperimentalna t. t. (oC) Prinos (%) Eksperimentalna t. t. (oC) Prinos (%) Eksperimentalna t. t. (oC) Prinos (%) 4-OCH3 80-1 91 304-6 36 305-6 32 4-CH3 90-2 86 300-2 40 301-2 35 3-OCH3 50-1 65 239-40 32 238-40 33 H 44-6 97 310-2 35 311-3 34 4-Cl 90-2 90 308-9 32 307-9 30 4-Br 92-4 56 325-6 14.3 325-7 16 3N 75-6 35 319-21 44.5 320-22 40 4N 98-100 66 314-6 58.3 317-9 49 4-NO2* 168-170 85 - - - - Na osnovu rezultata datih u Tabeli 3.4 ne može se uočiti značajan doprinos prethodne sinteze intermedijera (na osnovu metode 2.3.3), ili in situ sintezom intermedijera primenom metoda 2.3.4. Treba naglasiti da se primenom metode 2.3.4 koristi značajno veći višak amonijum-acetata u odnosu na metod 2.3.3, kao i da su reakciona vremena znatno duža. Sinteza 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona u prisustvu PTC katalizatora je izvršena u cilju ispitivanja uticaja svojstava različitih katalizatora na prinos proizvoda. Sinteze 2-piridona su vršene u prisustvu TBAHS (tetrabutilamonijum- hidrogensulfat) i TEBA (benziltrietilamonijum-hlorid) PTC katalizatora, organofilnog i hidrofilnog katalizatora, i u prisustvu baza natrijum-hidroksid (NaOH), kalijum-karbonata (K2CO3) i kalijum hidroksida (KOH). U svim eksperimentima, u uslovima dvofaznog sistema, uočava se značajan doprinos PTC katalizatora na prinos 2-piridona. Nešto veći prinosi 2-piridona se dobijaju korišćenjem kalijum-karbonata kao baze (5-10%). Uticaj strukture katalizatora na veličinu katalitičkog efekta je ispitivan korišćenjem sledećih katalizatora: TBAHS, TEBA, TMB (benziltrimetilamonijum-hlorid), TBA (tetrabutilamonijum-hlorid) i 1,4,7,10,13,16-heksaoksaciklooktadekana (18-crown-6-ether). Prinosi 2-piridona dobijeni u prisustvu odabranih PTC katalizatora ukazuju na njihov značajan katalitički efekat (bez katalizatora prinos je 8%), pri čemu se uočava najveći doprinos za TBAHS i TBA katalizatore. Takav rezultat ukazuje da značajniji katalitički efekat pokazuju organofilni katalizatori, što ukazuje da se reakcija odvija ekstrakcionim mehanizmom.199 Rezultati sinteza pri korišćenju TBA katalizatora se kreću u opsegu 46% (4-OCH3 supstituisano jedinjenje) do 64% (4-NO2 supstituisano jedinjenje), a prinosi 2- piridona u prisustvu TBHAS katalizatora su za 2-6% viši. 70 Sinteza 3-cijano-4-(suptituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona primenom mikrotalasa Ispitivanja sinteze 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona pomoću mikrotalasnog zračenja (eksperimentalni deo; metod 2.3.6) je izvršena u odnosu na sledeće reakcione parametre: molarni odnos reaktanata, sinteza proizvoda bez rastvarača, sinteza proizvoda u prisustvu rastvarača pri čemu su varirane vrste i količine rastvarača, reakciono vreme, kao i jačina mikrotalasnog zračenja. Ispitivan je uticaj navedenih parametara reakcije na prinos i čistoću sintetisanih jedinjenja. Izbor rastvarača za sinteze 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona se zasnivao na sledećim kriterijumima: vrsti rastvarača tj. njegovim svojstvima kao dielektrika i optimalnoj količini rastvarača za sintezu. Takođe se vodilo računa da rastvarač ne bude zapaljiv i da se može lako ukloniti pri prečišćavanju proizvoda. Na osnovu navedenih kriterijuma izršen je izbor sledećih rastvarača: metanol, etanol, etilenglikol i dimetilformamid. Pri izboru parametara procesa, kao što su odnos reaktanata, količina rastvarača pošlo se od već poznatih literaturnih uslova sinteze.52 Svi eksperimenti sinteze priemnom MT metode su vršeni na primeru osnovnog jedinjenja 3-cijano-4,6-difenil-2(1H)- piridona. Rezultati sinteze pomoću mikrotalasnog zračenja su poređeni sa rezultatima dobijenih primenom klasične metode (Tabela 3.4). Ispitivanje MT sinteze 3-cijano-4,6-difenil-2(1H)-piridona u odsustvu rastvarača i pri različitim molarnim odnosima reaktanata Sinteze 3-cijano-4,6-difenil-2(1H)-piridona, primenom MT metode i bez prisustva rastvarača, su izvođene u različitim količinama acetofenona, koji je služio kao medijum za izvođenje reakcija. U ovom delu eksperimentalnog rada, izvršena su četiri seta eksperimenata. Molski odnos etil-2-cijano-3-fenil akrilat:acetofenon:amonijum-acetat se kretao u opsegu 1:1:1,5 do 1:2:1,5. Ispitan je uticaj snage MT zračenja od 100 i 200 W na prinos 2-piridona, pri čemu su na slici 3.1 dati rezultati sinteza pri snazi od 200W. Vreme ozračivanja iznosilo je 90 i 120 s. 71 90 s 120 s 17 19 21 23 25 27 29 31 1 1.5 acetofenon, mol pr in os , % 2 Slika 3.1. Prinos 3-cijano-4,6-difenil-2(1H)-piridona pri različitim količinama acetofenona, vremenu reakcije i pri MT zračenju od 200 W Na osnovu dobijenih rezultata, utvrđeno je da je prinos najviši (30,5%) pri zračenju snage 200 W, vremenu reakcije 120 s i stehiometrijskom odnosu reaktanata 1:1:1,5. Pri zračenju snage 100 W prinosi su nešto niži za oba seta eksperimenata (za reakciono vreme od 120 s, prinos je 29,4 %). Kako je iz prethodnih eksperimenata utvrđen najpovoljniji molarni odnos acetofenona u odnosu na etil-2-cijano-3-fenil akrilat, u narednim eksperimentima ispitivan je optimalni molarni odnos amonijum-acetata, koji se kretao se u opsegu 1:1:1 do 1:1:2, prema ostalim reaktantima. Takođe, i u ovom slučaju vreme ozračivanja reakcione smeše iznosilo je 90 i 120 s. Na osnovu dobijenih rezultata, utvrđeno je da pri reakcionom vremenu od 120 s i stehiometrijskom odnosu reaktanata 1:1:1,5 ostvaruje se najviši prinos od 30,5% (slika 3.2). Uočava se, takođe, da su prinosi, pri ekvimolarnom stehiometrijskom odnosu reaktanata 1:1:1 i pri odnosu 1:1:2 slični i značajno niži od prinosa pri optimalnim uslovima. Dobijeni rezultati ukazuju da verovatno usled pregrevanja reakcione smeše, pri molarnom odnosu 1:1:1, nemoguće ostvariti maksimalnu konverziju usled gubitaka slobodnog amonijaka iz reakcionog sistema, a pri odnosu 1:1:2, najverovatnije da višak oslobođenog amonijaka utiče na favorizovanje sporednih reakcija. 19 21 23 25 27 29 31 33 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 amonijum-acetat, mol pr in os , % vreme reakcije 120 s vreme reakcije 90 s Slika 3.2. Zavisnost prinosa 3-cijano-4,6-difenil-2(1H)-piridona pri 200 W snage MT zračenja, promenljivoj količini amonijum-acetata i različitim vremenima reakcije 72 Ispitivanje uticaja svojstava rastvarača, snage MT zračenja i vremena reakcije na sintezu 3-cijano-4,6-difenil-2(1H)-piridona U daljem radu ispitana je mogućnost sinteze 3-cijano-4,6-difenil-2(1H)-piridona u odabranim rastvaračima. Prva grupa eksperimenata je vršena u promenljivoj zapremini etanola i pri molarnom odnosu raktanata 1:1:1,5, pri snazi MT zračenja 100 i 200W i za vremena 90, 120 i 150 s. Kako je utvrđeno da je optimalna zapremina etanola 2 ml, u narednim eksperimentima je ispitivan uticaj snage i vremena ozračivanja na prinos proizvoda, a što je prikazano na slici 3.3. P = 200 W P = 100 W 19 19.5 20 20.5 21 21.5 90 100 110 120 130 140 150 t, s pr in os , % Slika 3.3. Zavisnost prinosa 3-cijano-4,6-difenil-2(1H)-piridona pri MT sintezi u etanolu (2 ml), različitim vremenima reakcije i snazi MT zračenja od 100 i 200 W Rezultati sinteze 3-cijano-4,6-difenil-2(1H)-piridona u uslovima primene rastvarača su pokazali da se postižu viši prinosi pri 200 W MT zračenja i reakcionom vremenu od 120 s (21,3%). Međutim, ostvareni su znatno niži prinosi piridona u odnosu na eksperimente koji se izvode bez prisustva rastvarača. Na analogan način, eksperimenti sinteze su vršeni u metanolu, i pri tome konstantovano da je etanol bolji rastvarač za navedene sinteze. Generalno se može zaključiti da monohidroksilni alkoholi nisu dobri medijumi za ispitivanu reakciju pri MT uslovima sinteze. Najverovatniji razlog malih prinosa, pri korišćenju alkohola, su niske temperature ključanja koje uslovljavaju povećanu isparljivost usled pregrevanja reakcione smeše. Da bi se isključio uticaj isparljivosti rastvarača, alkoholi su zamenjeni etilenglikolom, rastvaračem visoke temperature ključanja. Najveći prinos (18%) je ostvaren pri reakcionom vremenu 120 s, zapremini rastvarača 3 ml i molarnom odnosu reaktanata (1:1:1,5). Evidentno je da protični rastvarači ne doprinose povećanju prinosa sintetisanog piridona. Najverovatnije da hidroksilni rastvarači u ovakvom reakcionom sistemu koji dobija energiju od MT zraka nepovoljno utiče na stabilizaciju aktiviranog kompleksa stupnja koji određuje brzinu reakcije. 73 Sinteze 3-cijano-4,6-difenil-2(1H)-piridona u dimetilformamidu (DMF), aprotičnom rastvaraču, pri molarnom odnosu reaktanta 1:1:1,5 su pokazala da se najviši prinos ostvaruje korišćenjem 2 ml DMF-a. Variranjem snage MT zračenja na 100 i 200 W, vremena 90, 120 i 150 s, utvrđeno je da je prinos najveći (29,4%) pri reakcionom vremenu od 120 s i snazi MT zračenja 200 W. Očigledno je, na osnovu prethodnih rezultata, da se bolji rezultati dobijaju sintezom piridona bez rastvarača. Najbolji prinos se dobija korišćenjem jakog aprotičnog rastvarača dimetilformamida, koji najverovatnije složenim mehanizmom interakcija utiče na povećanje prinosa proizvoda. Rezultati sinteze 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona na osnovu klasične i MT sinteze su prikazani u Tabeli 3.4. Tabela 3.4 Prinosi i temperature topljenja sintetisanih 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil- 2(1H)-piridona primenom MT metode supstituent literaturna temperatura topljenja (oC) prinos, klasična sinteza (%) eksperimentalna temperatura topljenja (oC) prinos, mikrotalasna sinteza (%) eksperimentalna temperatura topljenja (oC) 3-NO2 >330 35 312-3 40 314-5 4-CH3 302-4 40 300-2 32 301-3 4-OCH3 305-6 30 305-6 34 305-6 4-Cl 308-10 32 308-10 33 308-10 4-Py >300 58 315-7 52 316-8 4-NO2 >330 83* >330 23 >330 3-Cl - 26 253-5 29 254-5 4-Br 327-8 14.3 327-8 20 327-8 2-NO2 275-7 12 282-4 16 281-3 *reakcija nije dala rezultat polazeći od etil-(4-nitrofenil)-2-cijanoakrilata, pa se navedeno jedinjenje dobija polazeći od 3-(4-nitrofenil)-1-fenil-2-propen-1-ona 3.2. Korelaciona analiza NMR hemijskih pomeraja vodonika i ugljenika ispitivanih 3- cijano-2-piridona Ispitivanja prenošenja efekata supstituenata kroz 3-cijano-4-(supstituisane fenil)-6- fenil-2(1H)-piridone Prenošenje elektronskih efekata, polarnog i rezonancionog, kroz 3-cijano-4- (supstituisane fenil)-6-fenil-2(1H)-piridone (Slika. 3.4 a)), od supstituenta (X) na fenilnom jezgru u položaju 4 do ugljenika u piridonskom prstenu, kao i do H(5) i N-H vodonika, su ispitivani korišćenjem jednačina (1.11), (1.18) i (1.26). Rezultati izračunavanja geometrije, primenom semi-empirijske MO-PM6 metode, ukazuju na neplanarne konformacije ispitivanih jedinjenja. Doprinos elektronskih efekata supstitutenata i drugih faktora koji utiču 74 na hemijska pomeranja ispitivanih ugljenika diskutovana su u odnosu na tako izračunate geometrije molekula. Radi lakše diskusije, ovih inače vrlo složenih efekata supstituenata, ispitivani molekuli piridona su definisani kao tri π-rezonancione jedinice (Slika 3.4 1a). Konformacija sa najmanjim sadržajem energije, na primeru 3-cijano-4-(2-metoksifenil)-6- fenil-2(1H)-piridona, je data na slici. 3.4 b). N O CNH H θ1 θ2 X π3-jedinica π2-jedinicaπn, -sistem π1-jedinicaπ,π− sistem a) 2 3 4 5 6 1' Slika 3.4. Struktura 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona sa prikazanim π- rezonancionim jedinica (a), i optimizovana konformacija 3-cijano-4-(2-metoksifenil)-6-fenil- 2(1H)-piridona (b) Relativna hemijska pomeranja (SCS) ugljenikovih atoma piridonskog prstena, H(5) i N-H vodonika, su data u Tabeli 3.5, u odnosu na nesupstituisano jedinjenje. 75 Tabela 3.5 SCS vrednosti H(5), N-H i ugljenikovih atoma 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6- fenil-2(1H)-piridona u DMSO-d6a X H(5) N-H C(2) C(3) C(4) C(5) C(6) 1 Hb 6,837 12,837 162,312 106,468 160,054 116,8 151,697 2 4-OMe -0,034 -0,12 0,146 -0,255 -0,528 0,32 -0,474 3 4-Me -0,056 -0,061 0,091 -0,164 -0,109 0,138 -0,237 4 4-Cl 0,015 0,032 -0,091 -0,109 -1,293 -0,281 0,20 5 4-Br 0,011 0,034 -0,091 -0,164 -1,22 -0,19 0,346 6 4-CN 0,067 0,111 -0,182 -0,072 -1,802 -0,445 0,637 7 4Nc 0,105 0,168 -0,292 -0,028 -0,494 -0,372 1,313 8 4-NO2 0,128 0,142 -0,430 -0,166 -2,300 -0,704 0,602 9 3-Me -0,021 -0,005 0,018 -0,036 0,109 -0,044 -0,091 10 3-OCH3 0,021 0,014 -0,01 0,013 -0,501 -0,433 0,009 11 3-OPh 0,021 -0,026 0,0 -0,072 -0,874 -0,172 0,203 12 3-Cl -0,021 -0,008 -0,109 0,0 -1,675 -0,281 0,328 13 3Nd 0,133 0,091 -0,182 0,019 -3,022 -0,281 0,51 14 3-NO2 0,169 0,137 -0,182 0,164 -2,391 -0,408 0,71 15 2-OCH3 -0,091 -0,055 -0,337 1,16 -3,978 -0,36 0,446 16 2-Cl -0,001 0,156 -0,556 0,705 -1,702 -1,033 0,41 17 2-NO2 0,104 0,155 -0,738 -0,387 -1,393 -1,124 0,483 18 2-Cl, 5-NO2e 0,128 0,269 -0,683 0,614 -3,942 -1,215 1,138 19 2,4-di-Clf 0,025 0,183 -0,673 0,583 -2,767 -1,118 0,673 a 13C Hemijska pomeranja (u ppm.) izražena u odnosu na nesupstituisano jedinjenje. b Hemijska pomeranja nesupstuisanog jedinjenja u odnosu na TMS (1H) i signal rastvarača na 39.5 ppm (13C). c,d 3- i 4-piridil grupe na 4-položaju piridonskog prstena; e 2-hlor-5-nitro supstituent; f 2,4-dihlor supstituent. Vrednosti SCS iz Tabele 3.5 ukazuju da supstituenti na fenilnom jezgru imaju relativno mali uticaj na elektronsku gustinu na svim ugljenikovim atomima i vodonicima. Inverzni efekat supstituenata se uočava na C(2) i C(5) ugljeniku za sve supstituente, zatim na C(4) za elektron-akceptore i orto-supstituente, i na C(3) za orto-supstituente. Jedan od faktora koji utiče na prenos elektronskih efekata supstituenata je geometrija ispitivanih piridona određena veličinom ugla rotacije θ1 i θ2 između ravni fenilnih prstenova u položaju 4 i 6 piridona (Slika 3.4 b)). Ispitivanja aromatičnosti 2-piridona NMR tehnikom su pokazala da 2- piridoni pokazuju približno 35% aromatičnosti benzena, što je ustanovljeno na osnovu merenja veličine indukovane struje prstena.214 Ova činjenica takođe ukazuje na mogućnost neplanarnosti ispitivanih 2-piridonskih struktura. Da bi objasnili prenošenje elektronskih efekata supstituenata, primenjena je LFER analiza korišćenjem SSP jednačine (1.11), i σo/m/p literaturnih vrednosti,215-6 pri čemu su izračunate aditivne vrednosti konstanti supstituenata za jedinjenja (18) i (19). Dobijeni rezultati su prikazani u Tabeli 3.6. 76 Tabela 3.6 Rezultati korelacija ispitivanih jedinjenja dobijenih primenom SSP jednačine atom ρ h ra s.d.b Fc nd ea i ed 0,151 (±0,012) -0,009 (±0,005) 0,965 0,016 160 14 H(5) o 0,154 (±0,013) -0,10 (±0,012) 0,991 0,013 164 5 N-H ea, ed i o 0,220 (±0,016) -0,031 (±0,010) 0,958 0,030 188 19 ea i ed -0,335 (±0,021) 0,024 (±0,011) 0,976 0,033 245 14 C(2) o -0,271 (±0,047) -0,357 (±0,048) 0,965 0,053 33 5 ed 0,990 (±0,090) 0,012 (±0,014) 0,992 0,018 124 4 C(3)e o -0,770 (±0,110) 1,270 (±0,17) 0,977 0,130 60 5 edf 3,185 (±0,580) 0,365 (±0,109) 0,984 0,082 30 3 C(4) ea i og -2,985 (±0,313) -0,221 (±0,191) 0,944 0,370 90 13 edh -1,909 (±0,327) -0,174 (±0,047) 0,946 0,110 34 6 ea -0,502 (±0,10) -0,053 (±0,055) 0,872 0,090 25 10 C(5) o -0,414 (±0,044) -0,744 (±0,041) 0,989 0,014 88 4 ea i ed 1,120 (±0,064) -0,064 (±0,022) 0,985 0,064 302 11 C(6) o 1,144 (±0,115) -0,403 (±0,102) 0,971 0,115 97 8 i a korelacioni koeficijent. b standardna devijacija korelacija. c F-test značajnosti regresione analize. d broj tačaka uključenih u korelaciju. e korelacija male statističke vrednosti za elektron-akceptore; f bez H; g bez 2-OCH3, 2- NO2, 4-NO2 i 4N; h uključujući 2-OCH3 i 3-OCH3; i uključujući 4-NO2, 3N and 4N. ea označava elektron-akceptore, ed elektron-donore i o orto–supstituente. Korelacije dobijene na osnovu jednačine (1.11) za SCS C(3) i C(5) (elektron- akceptori) ugljenike su male statističke vrednosti, a za ostale su ili dobre ili izvrsne, kao što su za SCSH(5) (orto-supstitutenti) i SCSC(3) (elektron-donori), respektivno (Tabela 3.6). Izračunate ρ vrednosti za oba protona ukazuju na različitu osetljivost hemijskih pomeranja prema efektima supstituenata, pri čemu je N-H vodonik ima veću osetljivost. Na osnovu izračunatih ρ vrednosti za sve ugljenikove atome, jasno je da hemijska pomeranja C(4) atoma pokazuju povećanu osetljivost na efekte supstituenata (veća za elektron-donore), u odnosu na ostale ugljenikove atome. Statistički neprihvatljiva korelacija za C(5) ugljenik, je značajno poboljšana ako se σm/p+ vrednosti217 koriste za 3N, 4N, 3-NO2 i 4-NO2 supstituente. Dobijaju se sledeći korelacioni parametri za elektron-akceptorske supstituente: ρ = – 0.620; r = 0.985; s.d. = 0.09; F = 25 i n = 10. 77 Uopšteno je prihvaćeno da se efekti supstituenata u orto-položaju mogu klasifikovati kao elektronski, sterni i anizotropni,218-9 prva dva efekta su značajnija, jer anizotropni efekat ima mali doprinos na 13C NMR hemijska pomeranja ugljenika. Anizotropni efekat zavisi od konformacije molekula, ali je nezavisan od jezgra koje se proučava.220 Sterni efekat uključuje sve one faktore koji se iskazuju kroz uticaj konformacije na posmatrani atom, kao što su dužine veza i uglovi, kao i efekat usled veličine orto-supstituenta. Dijamagnetni anizotropni efekti orto-supstituisane fenil grupe mogu na određeni način da utiču na SCSH(5), ali ne na SCSN-H. Hemijska pomeranja N-H vodonika su osetljivija na efekte supstituenta, verovatno zbog para-položaja N-H vodonika prema supstituisanoj fenil grupi u 4 položaju piridonskog prstena. Mada SSP analiza uključuje aditivne vrednosti induktivnog i rezonancionog efekta supstituenata ipak predstavlja prihvatljiv metod kvantitativnog i kvalitativnog opisivanja prenosa elektronskih efekata supstituenata kroz ispitivane sisteme. Da bi se razdvojili efekti supstituenata na polarni (induktivni/efekat polja) i rezonancioni efekat supstituenta (X), regresiona analiza se proširuje primenom jednačine (1.18), tj. DSP analize, korišćenjem σRo, σR, σR+ vrednostima supstituenta.215-7 Rezultati analize su dati u Tabeli 3.7. 78 Tabela 3.7 Rezultati korelacija ispitivanih jedinjenja primenom DSP jednačine atom Skalaa ρI ρR h r s.d. F n λb f c ed i ea 0,155 (±0,017) 0,157 (±0,026) -0,011 (±0,008) 0,975 0,015 94 14 1,01 0,208H(5) σR o 0,192 (±0,042) 0,271 (±0,081) -0,154 (±0,034) 0,972 0,029 17 5 1,41 0,341 N-H σR ed, ea i o 0,180 (±0,027) 0,296 (±0,043) -0,012 (±0,015) 0,961 0,030 97 19 1,64 0,159 ed i ea -0,297 (±0,044) -0,391 (±0,048) 0,011 (±0,020) 0,974 0,037 99 14 1,32 0,253 C(2) σR o -0,348 (±0,050) -0,266 (±0,047) -0,32 (±0,038) 0,988 0,035 41 5 0,76 0,056 ed 0,703 (±0,164) 1,058 (±0,148) 0,007 (±0,012) 0,996 0,018 58 4 1,50 0,117C(3)d σR o -0,490 (±0,096) -0,863 (±0,054) 1,093 (±0,075) 0,994 0,068 139 5 1,76 0,092 ed 2,262 (±0,780) 1,332 (±0,133) 0,183 (±0,102) 0,991 0,169 55 4 0,59 0,177C(4) σR ea i o -3,441 (±0,320) -1,528 (±0,650) -0,026 (±0,200) 0,965 0,308 69 13 e 0,44 0,149 ed -2,284 (±0,530) -2,248 (±0,532) -0,156 (±0,080) 0,935 0,131 11 6 f 0,98 0,346 ea -0,605 (±0,161) -0,360 (±0,218) -0,001 (±0,085) 0,887 0,880 13 10 0,59 0,980C(5) σR o -0,392 (±0,056) -0,345 (±0,107) -0,770 (±0,056) 0,992 0,016 34 4 0,88 0,105 ed i ea 1,034 (±0,104) 1,447 (±0,172) 0,013 (±0,046) 0,979 0,080 95 11 1,39 0,130C(6) σR o 1,350 (±0,200) 0,579 (±0,194) -0,541 (±0,144) 0,965 0,137 34 8 g 0,43 0,201 a σI i σR literaturne vrednosti ref. 13 i 14; b λ = ρR/ρI; c Taft-ove f vrednosti, f = s.d./r.m.s. (r.m.s. – root mean square); d korelacija za elektron-akceptore je usled loših statističkih parametara neprihvatljiva; e bez 2-OCH3, 2- NO2, 4-NO2 i 4N; f uključujući 2-OCH3; g uključujući 4-NO2, 3N i 4N. Rezultati korelacija na osnovu primene DSP jednačine su statistički slični ili nešto bolji u odnosu na rezultate dobijene primenom SSP jednačine. Izračunate ρI i ρR vrednosti za H(5) i N-H protone ukazuju na nešto značajniji doprinos rezonancionog efekta za amidni vodonik. Uzimajući u obzir raspored ugljenika u piridonskom prstenu (Slika 3.4 a)), može se konstantovati da shodno njihovom položaju pokazuju različite osetljivosti prema polarnom i rezonancionom efektu supstituenata.221 Uopšteno, polarni efekt je značajniji efekat, izuzev za SCSC(2) i SCSC(6) (elektron-donori i -akceptori), i SCSC(3) za sve supstituente (Tabela 3.7). Može se konstantovati, na osnovu korelacionih rezultata, da je efekat polja direktno zavisi od dužine veza i uglova između njih, induktivni σ efekat od dužine veza i pravca kojim se taj efekat prenosi. Kako se doprinos polarnog efekta manifestuje u vidu promena vrednosti ρI koeficijenta (Tabela 3.7), može se konstantovati različit doprinos na SCS vrednosti različitih ugljenika. Veličina uočene promene sadrži i doprinos kojim se opisuje efekat supstituenata koji se prenose mehanizmom polarizacije veza. Takav efekat je posebno izražen kada je ρI 79 vrednost negativna i značajno veća od odgovarajuće ρR vrednosti. Prenos rezonancionog efekta supstituenata značajno zavisi od geometrije ispitivanih molekula. Kako rezonancioni efekat ima značajan i različit doprinos za različite ugljenike u ispitivanim molekulu, veličina tog efekta se ne može adekvatno opisati korišćenom σR skalom. Rezonancioni efekat se može adekvatno kvantifikovati upotrebom DSP-NLR jednačine, na osnovu koje se izračunavanjem parametra ε definišu elektronski zahtevi ispitivanih ugljenika. Rezultati DSP-NLR analize su dati u Tabeli 3.8: Tabela 3.8 Rezultati korelacija ispitivanih jdinjenja dobijenih primenom DSP-NLR jednačine atom ρI ρR h ε r s.d. F n λ f H(5) ea i ed 0,150 (±0,012 0,147 (±0,014) -0,014 (±0,005) -0,16 0,989 0,010 244 13 a 0,98 0,157 N-H ea i ed 0,198 (±0,014) 0,267 (±0,009) 0,008 (±0,007) -0,65 0,997 0,014 918 13 b 1,35 0,076 C(2) ea i ed -0,289 (±0,038) -0,375 (±0,020) 0,002 (±0,017) -0,64 0,992 0,033 297 12 c 1,30 0,147 C(4) ea i o -3,459 (±0,190) -3,270 (±0,453) -0,084 (±0,117) -1,75 0,990 0,184 198 10 d 0,94 0,086 C(5) ea -0,612 (±0,051) -0,486 (±0,043) -0,013 (±0,025) - 0,992 0,028 210 9 e 0,79 0,078 C(6) ea i ed 0,967 (±0,118) 1,337 (±0,106) -0,035 (±0,051) - 0,988 0,096 245 13 f 1,38 0,156 a bez 3N; b bez 3N; c bez 4N i 3-OPh; d bez 2-OCH3, 2-NO2, 4-CN i 4N; e DSP korelacije: σm/p+ za 3N, 4N, 3-NO2 i bez 4-NO2; f DSP korelacija: σp- za 3N i 4N, bez 4-NO2. Rezultati korelacija iz Tabele 3.8 dobijenih na osnovu DSP-NLR jednačine pokazuju slične ili bolje statističke parametre u odnosu na rezultate dobijene DSP jednačinom. Uopšteno govoreći, na osnovu napred predstavljenih rezultata, može se zaključiti da su dva suprotna efekta, doprinos elektronskih efekata supstituenata na fenilnom jezgru i elektronskih interakcija u piridonskom jezgru su uravnoteženi i daju ukupan doprinos SCS vrednostima posmatranih ugljenika. Izračunate vrednosti koeficijenata ρI i ρR (Tabela 3.8), ukazuju da je polarni efekat (induktivni/efkat polja) značajan na C(5) ugljeniku. Može se uočiti da su ρI i ρR koeficijenti negativni za C(2), C(4) i C(5) atome, dok su za ostale atome pozitivni. Negativan znak ρI koeficijenta ukazuje na inverzni SCS efekat supstituenata, tj. elektron-akceptorske grupe izazivaju pomeranja ka višem magnetnom polju, što se može objasniti efektom π- polarizacije.222 Sličan efekat je uočen i u drugim sistemima, kod N-1-p-supstituisanih fenil-5- metil-4-karboksiuracila,223 3-aril-2-cijanoakrilamida,224 N-benzilidenanilina,225 2- supstituisanih-5-N’,N’-dimetilaminofenil-N,N-dimetil karbamata,226 i u drugim sistemima koji sadrže bočni niz. U literaturi je navedeno da se π-polarizacija udaljenih π-sistema indukovana dipolom ne prenosi samo polarizacijom celog π-sistema,222 što je i dokazano teoretskim 80 izračunavanjima. Indukovani dipol na supstituentu može da izazove polarizaciju individualnih π-jedinica, efekat koji se definiše kao “lokalizovana polarizacija” (direktna π- polarizacija). Osim toga terminalni atomi pokazuju dodatnu polarizaciju konjugovanog π−sistema u celini, efekat koji je nazvan “proširena π-polarizacija”.227 Prenos elektronskih efekata supstituenata kroz posmatrane sisteme može se predstaviti rezonancinim strukturama elektron-akceptor supstituisanih jedinjenja sa doprinosom π-polarizacije (slika. 3.5): N O CN H Ph H X N O CN H Ph H Xδ δ δ δ δ δ δ N O CN H Ph H X (2) (3) (4) N O CN H Ph H X (1) δ δ δδ δδ Slika 3.5 Rezonancione structure elektron-akceptor supstituisanih jedinjenja sa doprinosom π-polarizacije Ako je supstituent X elektron-akceptor, indukuje se dipol na X (ili na C-X vezi) (struktura (3)), čiji se efekat prenosi kroz strukturu molekula i izaziva polarizaciju individualnih π jedinica (lokalizovana polarizacija). Mehanizam polarizacije malih lokalizovanih π-jedinica, prestavljen strukturama (3) i (4), je veoma značajan, dok polarizacija celog konjugovanog sistema ispitivanih jedinjenja doprinosi u manjem obimu (proširena polarizacija). Rezonanciona interakcija u proširenom konjugovanom sistemu piridonskog jezgra (struktura (2)) ima suprotan efekat u odnosu na polarizaciju izazvanu elektron-akceptorskim supstituentom (struktura (4)). Ukupan doprinos elektronskih efekata supstituenata se ogleda u povećanju elektronske gustine na C(2), C(4) i C(5) ugljenikovim atomima, a time i u povećanju njihove zaštite. Rezonanciona interakcija u navedenim jedinjenima umnogome zavisi i od prostorne konformacije molekula (Tabela 3.9, θ1 ugao), i može biti efikasno ostvarena do C(1’) ugljnika. Interakcija π1- i π3-jedinice se može analizirati na osnovu novog definisanog π- sistema koji sadrži π3-jedinicu i C(3)-C(4) dvostruku vezu. SCS vrednosti i rezultati korelacija u sličnim sistemima (Slika 3.6. a)) koji sadrže bočni niz, kao kod supstituisanih stirena,228 meta i para-supstituisanih trans-cinamonitrila229 i para-supstituisanih cis- cinamonitrila230 potvrđuju veći značaj rezonancionog efekta na Cβ atomu, dok se inverzna 81 polarizacija uočava na Cα atomu. Uočen je sličan trend uticaja efekata supstituenata na SCS posmatranih atoma na istom položaju u strukturi ispitivanih piridona. Prevashodan uticaj rezonancionog efekta na C(3) ugljeniku uočava se za elektron-donore i orto-supstituente, dok je inverzna polarizacija izazvana elektron-akceptorima i orto-supstituentima uočena na C(4) ugljeniku. Povećan doprinos polarnog efekta na C(4) atomu ukazuje da prisutne grupe na C(3) ugljeniku doprinose povećanju ρI vrednosti, i to značajnije za elektron-akceptore. Ovakav zaključak je u skladu sa razmatranjem da povećanje proširene polarizacije u π1- jedinici izazvane dipolom supstituenta, indukuje prenos elektronske gustine od terminalnog atoma bočnog niza ka C(4) ugljeniku. Povećan doprinos ρI vrednosti za atom u položaju sličnom (4) kod piridona, je takođe uočen u konjugovanom sistemu arilidenbarbiturnih kiselina ,231 koje sadrže cis-π-enonske jedinice, i pokazuju dodatnu polarizaciju konjugovanog π-sistema (Slika 3.6 b)). Ovaj doprinos je opisan sledećom korelacijom : SCSCα = -4.4σI - 1.7σR- ; f = 0.24. Cα Cβ NH H N O O O X δ δ δ δ Z Y H X a) b) Slika 3.6. SCS u bočnom nizu derivata stirena a), i doprinos proširene π-polarizacije kod arilidenbarbiturnih kiselina b) Prenos efekata supstituenata se može bolje sagledati razmatranjem rezultata optimizacije geometrije ispitivanih jedinjenja. Rezultati optimizacije ukazuju na značajnu izvijenost 4-fenil supstituisanog jezgra u odnosu na piridonsko jezgro (Tabela 3.9). Indukovani dipol, ili na X ili na celom supstituisanom fenilnom jezgru verovatno elektrostatički intereaguje kroz prostor sa ugljenicima u molekulu, što ukazuje da je doprinos efekta polja kroz prostor značajan. Manifestacija svih navedenih efekata se ogleda u visokim ρI vrednostima za C(4), C(5) i C(6) atome. Optimizacija geometrije nekih 4-supstitutuisanih (4-NO2, 4-OCH3 i 4-Cl) i orto-supstitutuisanih jedinjenja (2-NO2, 2-OCH3 i 2-Cl), korišćenjem ab initio DFT(B3LYP) metoda, LanL2DZ i STO/6-311••G++ bazis seta, ukazuje na pozitivna atomska naelektrisanja na oba ugljenika, značajnije veća na C(4). orto- Supstituenti mogu prilagođavanjem orijentacije negativnog kraja dipola, da kroz prostor elektrostatičnim silama stabilizuju pozitivna naelektrisanja koja su im u okruženju. Takođe, u 82 slučaju 2-metoksi supstitutuisanog jedinjenja, orijentisane nevezujuće π-orbitale kiseonika mogu da značajno stabilizuju pozitivno naelektrisanje na oba ugljenika. Uočava se značajan doprinos efekta polja kroz prostor na promene π−elektronske gustine piridonskog prstena bez direktne interakcije dva π-sistema. Sličan trend efekata supstituenata se uočava za sve ugljenike ispitivanih jedinjenja, izuzev za C(4) ugljenik. Suprotan trend na C(4) ugljeniku (V oblik korelacije) ukazuje da se na ovom ugljeniku osećaju različiti načini prenosa elektronskih efekata supstituenata. Prenos elektronskih efekata elektron-donorskih supstituenata se može predstaviti rezonancionim strukturama ispitivanih piridona sa doprinosom π-polarizacije (Slika. 3.7): N O CN H Ph H X N O CN H Ph H X (1) (2) N O CN H Ph H X (3) δ δδ Slika 3.7 Rezonancione strukture elektron-donor supstituisanih jedinjenja sa doprinosom π- polarizacije Na osnovu MO izračunavanja (HOMO orbitale), elektron-donori jako polarizuju suptituisano fenilno jezgro u položaju 4 piridonskog prstena, povećavajući elektronsku gustinu na tom jezgru koje deluje kao π-donor. Elektron-donorski supstituenti ostvaruju kompleksan uticaj na elektronsku gustinu piridonskog prstena, delujući u istom smeru kao i rezonanciona interakcija u enonskoj π1-jedinici i suprotno od doprinosa n,π-konjugacije u π2- jedinici. Drugim rečima, smanjenje elektronske gustine na C(5) ugljeniku je ustvari tip “push- efekta” izazvanog supstituisanim fenilnim jezgrom bogatog elektronima, što se reflektuje povećanjem elektronske gustine na C(6) ugljeniku. Bolje razumevanje elektronske strukture ispitivanih jedinjenja se može sagledati na osnovu optimizovanih geometrija ispitivanih jedinjenja. Rezultati optimizacije, primenom semi-empirijske MO-PM6 metode, su dati u Tabeli 3.9. 83 Tabela 3.9 Elementi optimizovane geometrije 3-cijano-4-(supstitutuisani fenil)-6-fenil-2(1H)- piridona dobijenih primenom PM6 semi-empirijske metode torzioni uglovi Međuatomska rastojanja θ1 θ2 N(1)-C(2) C(2)-C(3) C(3)-C(4) C(4)-C(5) C(5)-C(6) C(6)-N(1) C(4)-C(1’) 1 119,7 126,7 1,4359 1,4472 1,3988 1,4113 1,3876 1,3850 1,4800 2 125,2 126,4 1,4345 1,4466 1,4009 1,4137 1,3861 1,3856 1,4730 3 123,2 126,4 1,4355 1,4468 1,4001 1,4128 1,3866 1,3855 1,4730 4 117,8 126,9 1,4365 1,4476 1,3982 1,4100 1,3866 1,3843 1,4808 5 116,3 126,9 1,4366 1,4477 1,3978 1,4094 1,3889 1,3841 1,4818 6 113,3 127,1 1,4370 1,4481 1,3971 1,4083 1,3898 1,3836 1,4839 7 109,8 127,2 1,4374 1,4484 1,3963 1,4071 1,3906 1,3831 1,4854 8 104,2 127,2 1,4378 1,4487 1,3959 1,4061 1,3914 1,3826 1,4867 9 118,5 126,8 1,4359 1,4474 1,3982 1,4110 1,3877 1,3850 1,4822 10 113,9 126,9 1,4364 1,4479 1,3969 1,4091 1,3890 1,3843 1,4859 11 115,4 126,7 1,4367 1,4479 1,3971 1,4087 1,3894 1,3839 1,4850 12 116,7 127,0 1,4366 1,4479 1,3975 1,4092 1,3891 1,3840 1,4828 13 119,9 126,9 1,4369 1,4476 1,3987 1,4099 1,3889 1,3838 1,4761 14 115 127,3 1,4375 1,4482 1,3973 1,4079 1,3902 1,3832 1,4822 15 89,5 127,3 1,4379 1,4463 1,3998 1,4101 1,3886 1,3841 1,4755 16 118,4 131,6 1,4360 1,4476 1,3974 1,4102 1,3895 1,3845 1,4790 17 87,8 127,2 1,4371 1,4483 1,3959 1,4074 1,3903 1,3836 1,4886 18 99,63 127,5 1,4382 1,4483 1,3964 1,4058 1,3915 1,3825 1,4832 19 118,9 132,3 1,4369 1,4478 1,3973 1,4097 1,3902 1,3843 1,4794 Optimizovane konformacije ispitivanih molekula su u dobroj saglasnosti sa konformacijama dobijenim na osnovu 2D NOESY spektara. Uspostavljene korelacije između H(5) vodonika i orto-vodonika na fenilnom jezgru u 4 i 6 položaju jezgra piridona za 3- i 4- supstitutuisana jedinjenja nedvosmisleno potvrđuju zaokrenutu orijentaciju oba fenilna jezgra. Prostorno rastojanje dva para orto-vodonika u odnosu na H(5) vodonik, dobijenih na osnovu NOESY spektara, su u saglasnosti sa međuatomskim rastojanjima koja su dobijena iz optimizovanih geometrija molekula. Vredne informacije se takođe dobijaju iz 2D NOESY spektara 2-metoksi supstitutuisanog jedinjenja koje pokazuje najveći korelacioni pik vodonika iz OCH3 grupe sa meta vodonikom fenilnog jezgra. Navedeni dokaz je nedvosmislena potvrda izračunate optimalne geometrije tog jedinjenja date na Slici 3.4 b). Torzioni uglovi između fenilnog jezgra u položaju 6 piridona i ostatka molekula su približno isti i ne zavisi od prirode supstituenta na fenilnom jezgru, što ukazuje da je uticaj fenilnog jezgra u položaju 6 piridonskog prstena mali. Vrednosti torzionog ugla θ1 zavise od prisutnog supstituenta, u slučaju jakih elektron-akceptora i orto-supstituenata teže vrednosti 90o, što 84 bitno utiče na smanjenje prenosa efekata supstituenata. Uzimajući u razmatranje i vrednosti dužina veza C(4)-C(1’), C(3)-C(4), C(5)-C(6) i N(1)-C(2) (Tabela 3.9), kao i molekularno- orbitalnih izračunavanja dobija se poptuna slika o distribuciji elektronske gustine. Na osnovu navedenih rezultata može se konstantovati da elektron-akceptori privlače elektronsku gustinu sa piridonskog prstena, doprinose smanjenju rezonanacione interakcije u π1-lokalizovanoj jedinici, i povećavajući doprinos n,π-konjugacije u π2-lokalizovanoj jedinici. Suprotno važi za elektron-donor supstituisana jedinjenja. Analiza načina prenosa elektronskih efekata supstituenata je takođe bila usmerena ka razmatranju doprinosa prenosa efekata π-polarizacionim mehanizmom kroz različito orijentisane π-jedinice ispitivanih molekula. Dielektrična svojstva molekula mogu da modifikuju prenos elektronskih efekata efekta polja. Efekat polarizacije ne mora da se prenosi u direktnom pravcu od supstituenta do posmatranog ugljenika, i može da se manifestuje u složenim interakcijama π-lokalizovanih jedinica, ili unutar njih samih, a efekat polarizacije zavisi takođe i od geometrije jedinjenja koje se analizira. Usled navedenog supstituenti utiču na različite osetljivosti ispitivanih ugljenika koje se kvantitativno izražavaju kao vrednosti λ i zahteva posmatranog ugljenika za elektronima ε. Najveći zahtev za elektronima (ε = −1.75) je izračunat za C(4) ugljenik za elektron- akceptore i orto-substituente. Veću osetljivost na efekte supstituenta, u odnosu na C(4), pokazuje C(1’) ugljenik, što se može videti na osnovu rezultata SSP analize: ρ = 9.803; r = 0.978; s.d. = 1.039; F = 270 i n = 14, i DSP analize: ρI =10.321 i ρR = 12.427; r = 0.979; s.d. = 1.069; F = 128 i n = 14. Elektron-donor supstitutuisana jedinjenja pokazuju pozitivne vrednosti ρI i ρR za C(4) ugljenik, dok su te vrednosti negativne za elektron-akceptor supstituisana jedinjenja. Normalan efekat supstituenata je uočen za C(1’) ugljenik, što ukazuje da supstituenti na različit način utiču na π-elektronsku gustinu ova dva susedna ugljenika. Za C(4) ugljenik važi odnos ρI > ρR, i za elektron-donore i za elektron-akceptore (Tabela 3.8), suprono važi za C(1’), ρR > ρI. Značajno smanjen prenos rezonancionog efekta do C(4) ugljenika nedvosmisleno potvrđuje neplanarnost supstituisanog fenilnog i piridonskog prstena. Smanjen doprinos prenosa polarnog efekta nije samo određeno rastojanjem između π1 i π3-jedinice, već i uticajem neplanarnosti sistema čime je doprinos prenosa efekata supstituenata efektom polja kroz prostor značajno smanjen. Nešto manji zahtev za elektronima (ε = – 0.64) se uočava za C(2) atom piridonskog jezgra. Polarizabilnost π-elektrona karbonilne grupe je uslovljena blizinom elektron- privlačnog kiseonika, pri čemu je doprinos π-polarizacionog mehanizma značajan. Rezonanciona sposobnost karbonilne grupe utiče na veću polarizabilnost π1-enonske jedinice, 85 što doprinosi smanjenju zahteva za elektronima tog ugljenika. Slična literaturna vrednost144 ε za CHO grupu (-0.60), ukazuje da je elektronska gustina piridonskog prstena pomerena u određenom meri ka karbonilnoj grupi, u zavisnosti od prisutnog supstituenta. Rezultati DSP korelacija za C(5) i C(6) ugljenike su bolje u odnosu na DSP-NLR, ukazujući da literaturne σR vrednosti na dobar način opisuju rezonancione efekte supstituenata za te ugljenike. Rezultati korelacija iz Tabele 3.8. ukazuju da je π-polarizacioni mehanizam operativan na C(5) ugljeniku, dok rezonancioni efekat ima značajan doprinos na C(6) ugljeniku. orto-Supstituenti povećvaju zaštićenost na oba ugljenika u π2-jedinici, kao i N-H i H(5) vodonicima. Na osnovu prethodnog se može zaključiti da se π2-jedinica ponaša kao izolovan fragment u određenom obimu, što je u skladu sa izračunatim dužinama veza C(4)- C(5), C(5)-C(6) i C(6)-N(1). Ispitivanja prenošenja efekata supstituenata kroz N-(supstituisane fenil)-3-cijano-4,6- dimetil-2-piridone Ispitivanja prenošenja efekata supstituenata kroz N-(supstituisane fenil)-3-cijano-4,6- dimetil-2-piridone (Slika 3.8 a)), su vršena kako bi se sagledali načini prenosa efekata supstituenata do posmatranih atoma, kao i da bi se dobijeni rezultati poredili sa prethodnim rezultatima dobijenim za 3-cijano-4-(supstitutuisane fenil)-6-fenil-2(1H)-pyridone. Na taj način će se sagledati uticaj položaja supstituisanog fenilnog jezgra (N- ili položaju 4 piridonskog prstena) na vrednosti SCS posmatranih ugljenika. Prenos elektronskih efekta supstituenata do posmatranih ugljenika, kao i H(5) vodonika, su takođe analizirani primenom jednačina (1.11), (1.18) i (1.26). Utvrđeno je da su optimalne konformacije ispitivanih jedinjenja neplanarne, i određene su primenom semi- empirijske MO PM6 metode. Neplanarna konformacija je data na primeru N-fenil-3-cijano- 4,6-dimetil-2-piridona (Slika. 3.8 b)). 86 N O CN CH3 H H3C θ π3 -jedinica π2 -jedinicaπn, -sistem π1 -jedinicaπ,π− sistem a) 2 3 4 5 6 1' X Slika 3.8 Struktura N-fenil-3-cijano-4,6-dimetil-2-piridona sa prikazanim π-rezonancionim jedinicama a), i optimizovana konformacija N-fenil-3-cijano-4,6-dimetil- 2-piridona Relativna hemijska pomeranja (SCS) ugljenikovih atoma piridonskog prstena, C(1’) ugljenika, kao i H(5) vodonika, su dati u Tabeli 3.10, u odnosu na nesupstituisano jedinjenje. Tabela 3.10 SCS vrednosti za H(5-Pyr), C(1’) i ugljenike piridonskog prstena N-(4- supstituisani fenil)-3-cijano-2(1H)-piridona u DMSO-d6a X H(5) C(2) C(3) C(5) C(6) C(1’) Hb 6,459 159,845 109,085 100,164 152,434 137,614 NMe2 -0,051 -0,41 -0,195 -0,214 1,852 -9,351 OH -0,05 -0,31 -0,164 -0,164 0,747 -9,012 OMe -0,018 -0,137 -0,068 -0,105 0,628 -7,494 Me -0,011 -0,082 -0,031 -0,164 0,246 -2,577 Et -0,011 -0,082 -0,031 -0,068 0,246 -2,395 F 0,003 0,155 0,115 -0,032 0,191 -3,834 Cl 0,008 0,182 0,109 -0,022 -0,217 -1,183 Br 0,006 0,182 0,109 -0,020 -0,218 -0,728 I 0,002 0,191 0,133 -0,014 -0,227 -0,247 NO2 0,058 0,646 0,424 0,150 -0,701 5,616 COCH3 0,042 0,355 0,224 0,106 -0,428 3,959 COOH 0,022 0,327 0,237 0,091 -0,455 3,769 a 13C hemijska pomeranja (u p.p.m.) izražena u odnosu na nesupstituisano jedinjenje. b Hemijska pomeranja nesupstituisanog jedinjenja u odnosu na TMS (1H) i signal rastvarača na 39.5 ppm (13C). Vrednosti SCS iz Tabele 3.10 ukazuju da supstituenti na fenilnom jezgru imaju relativno mali uticaj na elektronske gustine na svim ugljenikovim atomima piridonskog prstena, izuzev C(1’) ugljenika N-fenilnog jezgra. Elektron-donorski supstituineti utiču na smanjenje elektronske gustine na C(6) ugljeniku (pomeranje ka nižem magnetnom polju) (uključujući F supstituent), što govori da je reversni efekat supstituenata operativan na tom 87 ugljeniku. Obrnuto važi za elektron-donore. Analiza hemijskih pomeranja C(4) ugljenika primenom LFER jednačina nema statističku vrednost. Na osnovu poređenja SCS vrednosti za sve ostale ugljenike piridonskog prstena može se zaključiti da su C(5) i C(3) atomi bolje zaštićeni, što najverovatnije može biti pripisano njihovom položaju u konjugovanom sistemu piridonskog jezgra. Na osnovu podataka iz Tabele 3.10, može se, kao i za prethodnu seriju, zaključiti da geometrija ispitivanih piridona bitno utiče na distribuciju elektronske gustine (vrednost ugla θ (Slika 3.8 a)). Osim toga može se konstantovati da je geometrija molekula bitno određena načinom na koji se prenose elektronski efekti supstituenata (n,π- ili π,π-konjugacija).232-3 Da bi se navedena zapažanja objasnila, primenjena je LFER analiza korišćenjem SSP jednačine i σp vrednosti supstituenata.215 Dobijeni rezultati su dati u Tabeli 3.11. Tabela 3.11 Korelacije SCS vrednosti ispitivanih jedinjenja korišćenjem SSP jednačine atom ρ h ra s.db Fc nd H(5) 0,070 (±0,006) -0,004 (±0,002) 0,959 0,009 127 13 C(2) 0,671 (±0,040) 0,045 (±0,016) 0,981 0,059 278 13 C(3) 0,395 (±0,032) 0,047 (±0,013) 0,966 0,046 155 13 C(5) 0,247 (±0,024) -0,047 (±0,010) 0,950 0,036 102 13 C(6) -1,53 (±0,132) 0,203 (±0,054) 0,961 0,193 133 13 C(1’) 10,57 (±1,243) -2,33 (±0,506) 0,932 1,810 72 13 a Korelacioni koeficijent. b Standardna greška merenja. c F-test regresione vrednosti. d broj podataka. Na osnovu znaka konstante proporcionalnosti ρ (Tabela 3.11) može se uočiti reversni efekat supstituenata na C(6) ugljeniku. Bolja korelacija za H(5) atom se dobija uvršćavanjem σp+ vrednosti za hidroksi grupu: ρ =0,62 (r = 0,978; s.d. = 0,006; F = 243; n = 6). Statistički bolje korelacije se dobijaju razdvajanjem korelacije za C(3) ugljenik, i to: ρ = 0,239 (r = 0,997; s.d. = 0,006; F = 713; n = 5) za elektron-donore (OH grupa isključena) i ρ = 0,517 (r = 0,984; s.d. = 0,026; F = 155; n = 7) za elektron-akceptore (F supstitent isključen). Korelacija za C(6) ugljenik je takođe značajno poboljšana ako se σp+ vrednosti koriste za N(Me)2; OH, OCH3 i F supstituente: ρ = -0,981; r = 0,990; s.d. = 0,101; F = 509; n = 13), što ukazuje da elektron-donorski supstituenti ostvaruju bolju rezonancionu interakciju sa tim elektrofilnim ugljenikom. Najveći uticaj supstituenti imaju na C(1’) ugljenik, a statistički vredna korelacija se dobija za sledeće dve grupe supstituenata: ρ = 10,130; r = 0,997; s.d. = 0,434; F = 646; n = 6) za N(Me)2, Me, Et, H, 88 COOH i COCH3 supstituente, i ρ = 12,860; r = 0,990; s.d. = 0,745; F = 256; n = 7 za OH, OCH3, F, Cl, Br i NO2 supstituente. Analiza rezultata dobijenih na osnovu SSP jednačine pruža zadovoljavajući kvantitativni i kvalitativni opis prenosa efekata supstituenata kroz ispitivane sisteme. Da bi se kvantitativno odredili doprinosi induktivnog i rezonancionog efekta suptituenta (X), izvršena je regresiona analiza korišćenjem DSP jednačine, i σRo, σR, σR+ konstanti supstituenata.215-7 Rezultati korelacija su prikazani u Tabeli 3.12. Tabela 3.12 Korelacije SCS vrednosti ispitivanih jedinjeja korišćenjem DSP jednačine. atom skalaa ρI ρR h r s.d. F n f b σRo 0,066 (±0,016) 0,093 (±0,014) -0,004 (±0,006) 0,931 0,012 33 13 - σR 0,061 (±0,013) 0,076 (±0,009) -0,004 (±0,005) 0,957 0,009 55 13 - H(5) σR+ 0,055 (±0,017) 0,042 (±0,006) 0,002 (±0,006) 0,926 0,012 31 13 - σRo 0,803 (±0,030) 0,827 (±0,032) 0,057 (±0,012) 0,997 0,022 780 11 c 0,078 σR 0,770 (±0,049) 0,594 (±0,038) 0,011 (±0,020) 0,993 0,036 292 11 c 0,128 C(2) σR+ 0,712 (±0,110) 0,352 (±0,043) 0,027 (±0,044) 0,966 0,081 70 13 0,282 σRo 0,482 (±0,026) 0,478 (±0,028) 0,017 (±0,011) 0,994 0,020 352 11 c 0,113 σR 0,464 (±0,048) 0,335 (±0,037) 0,018 (±0,020) 0,981 0,036 103 11 c 0,208 C(3) σR+ 0,439 (±0,073) 0,174 (±0,031) 0,022 (±0,030) 0,957 0,053 44 11 c 0,312 σRo 0,225 (±0,044) 0,332 (±0,031) -0,046 (±0,018) 0,979 0,025 92 11 e 0,231 σR 0,164 (±0,047) 0,276 (±0,027) -0,010 (±0,020) 0,978 0,026 87 11 e 0,236 C(5) σR+ 0,131 (±0,073) 0,155 (±0,024) 0,020 (±0,033) 0,950 0,040 37 11 e 0,354 σRo -1,300 (±0,416) -2,000 (±0,365) 0,193 (±0,157) 0,904 0,311 23 13 0,475 σR -1,171 (±0,254) -1,740 (±0,175) 0,058 (±0,100) 0,966 0,189 70 13 0,289 C(6) σR+ -1,016 (±0,122) -1,052 (±0,048) -0,022 (±0,046) 0,995 0,083 361 11 d 0,122 σRo 5,890 (±0,692) 17,932 (±0,750) -0,362 (±0,283) 0,994 0,518 349 11 c 0,116 σR 5,142 (±0,957) 12,927 (±0,748) -0,228 (±0,393) 0,989 0,717 183 11 c 0,159 C(1’) σR+ 4,125 (±2,179) 6,788 (±0,934) -0,049 (±0,910) 0,944 1,559 33 11 c 0,357 a σI, σRo, σR i σR+ - Ref. 13,14; b Taft-ova f vrednost, f = s.d./r.m.s.; c COOH i OH isključeni; d OCH3 i F isključeni; e CH3 i H isključeni. 89 Korelacioni resultati (Tabela 3.12) ukazuju da SCS vrednosti C(6) ugljenika daju bolju korelaciju sa σR+ konstantama, a SCSH(5) sa σR konstantama, dok za ostale ugljenike sa σRo vrednostima. Najbolja korelacija SCS vrednosti za C(6) sa σR+ konstantama ukazuje na značajnu rezonancionu interakciju elektron-donora sa tim ugljenikom, kao i njegov značajan zahtev za elektronima tog ugljenika. Bolje korelacije SCS vrednosti, za ostale ugljenike, su ostvarene sa σRo konstantama supstituenata što ukazuje na značajan efekat prigušenja prenosa efekata supstituenata. Različite ρI vrednosti (Tabela 3.12) za različite ugljenikove atome ukazuju na značajan uticaj geometrije molekula ispitivanih jedinjenja na prenos induktivnog efekta supstituenata. Takođe, izračunate ρR vrednosti zavise od geometrije molekula za različite σR skale, što nam govori da je zahtev pojedinih ugljenika za elektronima značajno različit. Kako bi se adekvatno sagledao prenos rezonancionih efekata supstituenata izvršena je korelaciona analiza na osnovu literaturne metode,144 čime su određeni zahtevi za elektronima ispitivanih ugljenika (DSP-NLR analiza), a rezultati su dati u Tabeli 3.13: Tabela 3.13 Rezultati korelacije ispitivanih jedinjenja dobijenih primenom DSP-NLR jednačine atom ρI ρR h ε r s.d. F n f C(2) 0,805 (±0,027) 0,775 (±0,028) 0,007 (±0,01) -0,18 0,998 0,020 935 11a 0,071 C(3) 0,480 (±0,025) 0,510 (±0,029) 0,016 (±0,010) 0,20 0,995 0,018 384 11a 0,108 C(5) 0,215 (±0,040) 0,312 (±0,027) -0,038 (±0,017) -0,24 0,982 0,023 110 11c 0,213 C(6) -1,134 (±0,080) -0,802 (±0,024) 0,065 (±0,030) -1,50 0,998 0,056 819 11b 0,081 C(1’) 5,942 (±0,573) 16,133 (±0,558) -0,313 (±0,235) -0,28 0,996 0,430 510 11a 0,095 a OH i COOH isključeni; b OCH3 i F isključeni; c CH3 i H isključeni. Rezultati iz Tabele 3.13 pokazuju da se iste i/ili značajno bolje korelacije ispitivanih ugljenika dobijene korišćenjem DSP-NLR jednačine u odnosu na rezultate dobijene DSP jednačinom. Takođe i u ovoj seriji piridona, na osnovu napred navedenih rezultata, može se zaključiti dva suprotna efekta, elektronski efekti supstituenta na fenilnom jezgru i elektronske interakcije u piridonskom prstenu molekula su balansirani dajući ukupni efekat na hemijska pomeranja svih ugljenikovih atoma ispitivanih molekula. Dva π-polarizabilna sistema, supstituisano fenilno jezgro i piridonsko jezgro, su definisana na osnovu MO PM6 izračunavanja. Optimizovane strukture nedvosmisleno pokazuju normalnu orijentaciju ta dva prstena za sva ispitivana jedinjenja (Slika 3.8 b)), izuzev za 90 nitro supstituisano jedinjenje koje ima torzioni ugao 72o. Prenos elektronskih efekat supstituenata je na taj način značajno umanjen za sva ispitivana jedinjenja. Izračunate ρI i ρR vrednosti (Tabela 3.13) ukazuju na značajan doprinos polarnog efekta (induktivni/efekat polja) na C(2) i C(6) ugljenikovim atomima. Negativne ρI i ρR vrednosti ukazuju na reversan efekat supstituenata na C(6) atomu, a za ostale atome su ponašaju u skladu sa saznanjima o uticaju supstituenata na hemijska pomeranja posmatranih atoma. Negativan znak ρI vrednosti je indikacija reversnog SCS efekta, odnosno zapažanja da i elektron-akceptorski supstituenti povećavaju elektronsku gustinu na ugljenikovim atomima piridonskog prstena, što se može objasniti π-polarizacijom. Na identičan način kao u prethodnoj seriji piridona, prenos efekata supstituenata se može predstaviti doprinosom mezomernih struktura ispitivanih molekula, kao i doprinosa π- polarizacije (Slika 3.9). N O CN CH3 H3C X (1) (2) δ− δ+ X elektron-akceptor X elektron-donor (4) N O CN CH3 H3C X δδ+ δ+ δ− δ− (3) δ+ N O CN CH3 H3C X N O CN CH3 H3C X 2 3 4 5 6 1' N O CN CH3 H3C X (5) δ+ δδ− δ− δδ+ δ+ δ− Slika 3.9 Rezonancione strukture za elektron-donor i elektron-akceptor supstituisana jedinjenja sa doprinosom π-polarizacije Ako je supstituent X na strukturi (1) elektron-akceptor, indukuje se dipol na X ili na supstituisanom fenilnom jezgru (struktura (4)), i interakcija ovog dipola kroz prostor 91 izaziva polarizaciju individualnih π-jedinica (lokalizovana polarizacija). U slučaju elektron-donor supstituisanih jedinjenja, usled rezonancione interakcije na supstituisanom fenilnom jezgru (π3-jedinica) indukuje se dipol suprotnog smera (struktura (5)). Mehanizam polarizacije malih lokalizovanih π-jedinica, predstavljen strukturama (3 i 4) i (5) je veoma važan, kao i doprinos proširene polarizacije kroz konjugovane sisteme ispitivanih jedinjenja. Rezonanciona interakcija u delokalizovanom π-sistemu piridonskog prstena (struktura (2)) ima suprotan efekat polarizaciji uzrokovanoj elektron-akceptorskim efektom supstituenata (struktura (4)). Ukupan rezultat je da elektron-akceptoski supstituent povećavaju elektronsku gustinu na C(6) ugljeniku, na taj način povećavajući njegovu zaštićenost. Elektron-donorski supstituenti povećavaju doprinos n,π-konjugacije, a time i doprinos π,π-konjugacije u π1-jedinici. Korelacioni rezultati SCS vrednosti za C(1’) ugljenik i konstanti supstituenata korišćenjem DSP-NLR metod (r = 0.996 i f = 0.095) pokazuju da je zahtev za elektronima ovog atoma ε = - 0.28. Znak i vrednost parametra ε ukazuje da prsten piridona, poredeći literaturni podatak za COOEt grupu -0.48,144 pokazuje umeren elektron-akceptorski karakter. Ova činjenica se može objasniti malim doprinosom rezonancione strukture (2), kojom se objašnjava elektron-akceptorski karakter piridonskog jezgra. Nešto manji zahtev za elektronima (ε = -0.18) se uočava za C(2) atom piridonskog prstena. Manja polarizabilnost π-karbonilnih elektrona je uzrokovano elektron- akceptorskim karakterom kiseonika koji doprinosi njihovoj manjoj osetljivosti. Najveći zahtev za elektronima (ε = -1.50) se uočava za C(6) ugljenik. Elektron- akceptorski supstituenti izazivaju pomeranje ka višem magnetnom polju (doprinos struktura (3) i (4)), delujući suprotno konjugaciji u piridonskom prstenu. Suprotan efekat pokazuju elektron-donori (doprinos strukture (5)). Zahtev za elektronima C(3) ugljenika iznosi 0.20, i najverovatnije je umanjen zbog doprinosa susedne cijano grupe koja privlači elektronsku gustinu ka tom ugljeniku. Slična literaturna vrednost ε = 0.25144 za NMe2 grupu potvrđuje da je elektronska gustina piridonskog prstena pomerena ka karbonilnoj grupi, što je i potvrđeno i na osnovu molekularno-orbitalnih izračunavanja elektronske gustine. Zahtev za elektronima C(5) ugljenika je -0.24, što ukazuje takođe na značajno povećanu elektronsku gustinu u odnosu na C(6) ugljenik. Doprinos individualnih efekata supstituenata na fenilnom jezgru na ugljenike piridonskog prstena može biti analizirano na osnovu odnosa λ = ρR/ρΙ, vrednost koja odslikava doprinos individualnih efekata supstituenata na posmatranom ugljeniku..Uzimajući vrednosti ρR i ρΙ iz Tabele 3.13, izračunate su vrednosti λ za C(2), 92 C(3), C(5), C(6) i C(1’) atome: 0,96, 1,06, 1,45, 0,71 i 2,72. Vrednost λ za C(6) ugljenik ukazuje na dominantan doprinos polarnog efekta supstituenata, koji je najverovatnije posledica blizine pozitivnog naelektrisanja indukovanog na amidnom azotu (strukture (3) i (4)). Izračunate vrednosti λ na osnovu DSP analize (za isti set ugljenikovih atoma) iznose 1,03, 1,04, 0,99, 1,46 i 3,04. Poređenjem vrednosti λ na osnovu DSP (jed. 1.18) sa λ iz DSP-NLR (jed. 1.26) ukazuje na značajno smanjenje vrednosti samo za C(6) ugljenik, tj. ugljenik koji ima najveći zahtev za elektronima (ε = -1.50), a što ukazuje da je lokalizovana π−polarizacija dominantna u π1-jedinici. Doprinos rezonancione i induktivne komponente efekta supstituenta na C(2) i C(3) je sličan, dok je na C(5) ugljeniku doprinos rezonancione komponente dominantan. Na osnovu položaja u konjugovanom sistemu piridonskog prstena i uticaja elektronskih efekata supstituenata C(5) ugljenik je značajnije podložan promenama π-elektronske gustine koja je izazvana rezonancionim efektom supstituenata. Elektronski efekti supstituenata se prenose kroz fenilno jezgro polarnim (induktivni/efekat polja) i rezonancionim efektom ka C(1’) ugljeniku indukujući različita naelektrisanja na ugljenicima fenilnog jezgra. Elektronska gustina, na osnovu MO PM6 izračunavanja, je lokalizovana na C(2’)-C(3’) i C(5’)-C(6’) molekulskim HOMO orbitalama. Značajno prigušenje prenosa elektronskih efekata supstituenata do amidnog azota je uzrokovano ortogonalnim položajem fenilnog i piridonskog prstena, izuzev nitro supstituisanog jedinjenja kada usled jakog negativni induktivnog i rezonancionog efekta supstituenta vrednost torzionog ugla θ iznosi 72o, čime se povećava doprinos n,π−konjugacije. Elektron-donorski supstituenti povećavaju negativno naelektrisanje na C(1’) ugljeniku (struktura (5)), a suprotno važi za elektron-akceptore (struktura (4)). Ukupan elektronski efekat supstituenata koji se prenosi do π-elektrona piridonskog prstena se ostvaruje prevashodno doprinosom polarnog efekta (induktivni/efekat polja). Elektrostatičko odbijanje π-elektrona karbonilne grupe i π-elektrona supstituisanog N- fenilnog jezgra, izaziva takođe elektrostatičko odbijanje (efekat polja kroz prostor) π- elektronske gustine fenilnog jezgra i π-elektrona C(6)-C(5) dvostruke veze. Efekat odbijanja („push effect”) dva elektronska oblaka značajno utiče na smanjenje elektronkse gustine na C(6) ugljeniku. Suprotan efekat izazivaju elektron-akceptori. Na osnovu MO izračunavanja, elektronska gustina π-piridonskog sistema je lokalizovana na C(6)-C(5) i C(3)-C(2) vezama (HOMO orbitale), za sva ispitivana jedinjenja. Na osnovu prethodnih rezultata se uočava da elektronski efekti supstituenta prevashodno utiču na polarizaciju malih π-polarizabilnih jedinica piridonskog jezgra, pri čemu doprinosi lokalizovane i proširene delokalizacije zavise od supstituenata prisutnog na N-fenilnom jezgru. 93 3.3. Ispitivanja uticaja elektronskih efekata supstituenata na fragmentacione puteve pri različitim uslovima jonizacije Ispitivanja fragmentacije 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona bombardovanjem molekula uzorka elektronima U okviru navedenih ispitivanja obuhvaćena su jedinjenja koja imaju sledeće supstituente (X) (Slika 3.4 a)): 2-Cl (1); 2-Cl,6-Cl (2); 2-NO2 (3); 4-NO2 (4); 2-Cl,5-NO2 (5); 4- Br (6); 2-OCH3 (7) i 3-OCH3 (8). Odgovarajući podaci iz masenih spektara su dati u Tabeli 3.14. Tabela 3.14 Maseni podaci 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona Jedinjenje m/z (%)a 1 309(6), 308(32), 307(19), 306(M ,100), 305(50), 280(5), 278(15), 242(27), 215(5), 214(10), 140(9), 104(6), 77(8), 51(2) 2 344(10), 343(11), 342(61), 341(20), 340(M ,100), 339(58), 308(2), 307(11), 306(6), 305(37), 279(8), 277(25), 183(93), 157(85), 129(16), 104(40), 103(49), 77(33), 51(9) 3 318(21), 317(M ,100), 316(43), 263(19), 242(20), 215(29), 170(19), 104(96), 77(44), 51(13) 4 318(21), 317(M ,100), 271(13), 242(9), 215(8), 104(8), 77(11), 51(11) 5 353(4), 352(3), 351(M ,12), 307(7), 305(24), 279(3), 277(11), 242(13), 215(11), 140(5), 104(4), 77(10), 67(5), 41(100) 6 352(30), 350(M ,32), 326(12), 324(13), 271(8), 242(100), 215(48), 140(17), 94(53) 7 303(20), 302(M ,100), 301(41), 274(53), 246(11), 104(37), 77(11) 8 303(21), 302(M ,100), 301(37), 274(21), 244(11), 104(9), 77(25) a) Zastupljenost jona je izražena u % u odnosu na najintenzivniji jon Za sva jedinjenja, izuzev 5 i 6, može se uočiti iz Tabele 3.14, da je molekulski jon najintenzivniji jon u masenom spektru. Fragmentacioni putevi nastajanja jona, detektovanih u masenim spektrima, su detaljno ispitani na osnovu njihovih MS/MS spektara. Rezultati MS/MS analize su dati u Tabeli 3.15. Joni koji imaju zastupljenost manju od 3% nisu nisu prikazani u Tabeli 3.15. 94 Tabela 3.15 MS/MS podaci 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona jedinjenje jon roditelj, m/z MS/MS, m/z (%)b 1 306 278 242 215 104 77 305 (7), 280 (3), 278 (10), 104(5) 242 (9) 215 (6) 140 (7) 77 (11) 51 (5) 2 340 305 183 157 129 339 (6), 307 (4), 305 (11), 183 (10), 104 (7) 279 (4), 277 (12) 157 (11) 129 (10) 103 (12) 3 317 242 316 (5), 263 (27), 242 (11), 170 (9),104 (6) 215 (5) 4 317 242 271 (25), 242 (10), 104 (8) 215 (9) 5 351 305 277 242 215 140 67 307 (4), 305 (12) 279 (3), 277 (11) 242 (9) 215 (7) 140(8) 67(5) 41(89) 6 350 324 242 215 326 (9), 324 (10), 271 (9), 242 (10) 94 (12) 215 (6) 140 (5) 7 302 301 (5), 274 (13), 246 (12), 104 (10) 8 302 274 301 (4), 274 (15), 104 (8) 244 (12) b) Zastupljenost jona je izražena u % u odnosu na jon roditelj Fragmentacije jedinjenja 1 su date na slici 3.10. 95 NCN m/z 278 N O CN H m/z 306 - CO Cl Cl - HCl m/z 242 m/z 104 - HCN -C2H2 m/z 51 H N H C4H3 m/z 77 m/z 140 (27) (26) - C6H3 (75) (28) (36) (27) -HCN (202) C11H5NOCl m/z 215N N N CN H -H [M-H]+ Slika 3.10 Fragmentacioni putevi 3-cijano-4-(2-hlorfenil)-6-fenil-2(1H)-piridona Nakon gubitka molekula CO, tipična fragmentacija za piridone, sledi gubitak HCl molekula pri čemu se dobija jon m/z 242. Eliminacijom HCN molekula iz m/z 242 jona dobija se jon m/z 215, a konsekutivna eliminacija C6H3 radikala daje m/z 140 jon. Direktna fragmentacija molekulskog jona daje jon m/z 104, koji eliminacijom HCN daje fenil katjon (m/z 77). Cepanjem fenilnog katjona, uz gubitak acetilena, dobija se jon m/z 51. Dva fragmentaciona puta su tipična za jedinjenje 2. Nakon gubitka jednog atoma hlora, sukcesivne fragmentacije teku analogno fragmentacijama uočenim za jedinjenje 1 (Slika 3.10). Fragmentacijama jedinjenja 2 dobijaju se joni m/z 183 i 157 (2H-pirol-2-on tip), m/z 129 (azet tip) i m/z 103 (Slika 3.11). 96 N O CN H m/z 340 Cl Cl N H O CN m/z 183 N O - CO N m/z 129 m/z 157 (157) - C2H2 CN m/z 103 - CN ( 26) (26) (28) C7H3Cl2 Slika 3.11 Fragmentacioni putevi 3-cijano-4-(2,6-dihlorfenil)-6-fenil-2(1H)-piridona Raskidanje C(3)-C(4) i C(4)-C(5) veza piridonskog prstena, uz transfer protona, daje jon m/z 183 značajnog inteziteta. Različiti fragmentacioni putevi se uočavaju za nitro supstituisana jedinjenja 3 i 4. Gubitak CO i CN iz molekulskog jona jedinjenja 3 dobija se m/z 263 jon. Gubitkom CO i HNO2 molekula dobija se jon m/z 242, koji se dalje fragmentira analogno jedinjenju 1 (Slika 3.10). Jon m/z 170, nastaje kao rezultat eliminacije CN i C6H3NO2 radikala iz molekulskog jona jedinjenja 3 (Slika 3.12). N O CN NO2 H m/z 317 N O m/z 170 - CN- C6H3NO2 (147) Slika 3.12 Nastajanje jona m/z 170 Gubitkom NO2 radikala iz molekulskog jona jedinjenja 4, dobija se m/z 271 jon, strukture tipične za nitro jedinjenja.234 Fragmentacije molekulskog jona jedinjenja 4 daju jone m/z 242, 215, 104, 77 i 51, analogno jedinjenjima 1 i 3. Razlike u fragmentacijama jedinjenja 3 i 4 su posledica položaja i jačine elektron-akceptorskog karaktera nitro grupe. Nitro grupa u položaju 2 (jedinjenje 3) sternim interakcijama izaziva rotaciju fenilnog jezgra za neki ugao θ (Slika 3.4 a). Time se značajno smanjuje elektron-akceptorski karakter nitro grupe u položaju 2, što nije slučaj za nitro grupu u položaju 4. Jon m/z 305 97 je rezultat eliminacije NO2 radikala iz molekulskog jona jedinjenja 5, koji se dalje fragmentira analogno jedinjenju 1. Najintenzivniji jon u spektru jedinjenja 5 je m/z 41, a nastaje kao rezultat eliminacije acetilena iz jona m/z 67 (pirol tip), što je ustvari tipična fragmentacija za 2-piridone.235 U masenom spektru jedinjenja 6 uočava se najintenzivniji jon m/z 242, koji nastaje kao rezultat eliminacije CO i HBr molekula iz molekulskog jona. Naredne fragmentacije ovog jona su analogne fragmentacijama jedinjenja 1 (Slika 3.10). Gubitak CN radikala iz molekulskog jona daje jon m/z 324, a sukcesivni gubitak radikala broma daje jon m/z 271. Nastajanje jona m/z 94, pretpostavljene deprotonovane 2-piridonske strukture, je prikazano na Slici 3.13. N O Br m/z 324 m/z 94 N O- C6H3Br- C6H4 (230) Slika 3.13 Nastajanje jona m/z 94 Fragmentacioni putevi jedinjenja 7 i 8 su dati na Slici 3.14. N O CN - CO N CN H m/z 274 m/z 302 H (28) m/z 246 N O - CN(56) - HCHO - HCHO(30) N m/z 244 CN H O H3C O H3C Slika 3.14 Predloženi fragmentacioni putevi 3-cijano-4-(2- i 3-metoksifenil)-6-fenil- 2(1H)-piridona 98 Nastajanje jona m/z 246 iz molekulskog jona je uočeno za jedinjenje 7, ali ne i za jedinjenje 8. Prisustvo metoksi grupe u položaju 2 (jedinjenje 7), orto-supstituenta sa umeren elektronskim-donorskim svojstvima, izaziva rotaciju fenilnog jezgra u položaju 4 piridona. Slab elektron-akceptorski karakter metoksi grupe u položaju 3 fenilnog jezgra (jedinjenje 8), različito utiče na elektronsku strukturu i geometriju tog jedinjenja. Jon m/z 274, koji nastaje iz molekulskog jona jedinjenja 7 i 8, dalje gubi CH2O molekul dajući jon m/z 244, što je uočeno samo za jedinjenje 8. Prisustvo [M-H]+ jona je fragmentacija uočena za jedinjenja 1, 2, 3, 7 i 8. Jedinjenja 1, 2, 3, 7 imaju orto supstituente koji svojim sternim efektima izazivaju rotaciju 4-supstituisane fenil grupe u odnosu na piridonsko jezgro. Time je bitno određen prenos elektronskih efekata supstituenata do N-H vodonika, kao i geometrija molekula. Navedeni efekti utiču na polarizabilnost N-H veze koja je podložnija homolitičkom cepanju. Ispitivanja fragmentacija 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona u uslovima ESI jonizacije Elektro-sprej jonizacija je tehnika korišćena za ispitivanja uticaja elektronskih efekata supstituenata, geometrije i tautomerije 2-piridona na nastajanje pozitivnih ili negativnih jona ispitivanih piridona.236 Primer masenog spektra pozitivnih jona 3-cijano-4- (3-hlorfenil)-6-fenil-2(1H)-piridona je dat na Slici 3.15. Protonovani molekulski joni [M+H]+ svih jedinjenja su prisutni u pozitivnim ESI- MS spektrima. Pored [M+H]+ jona u spektru se nalaze i adukti [M+Na]+, kao i klasteri tipa [2M+Na]+, [2M-H+2Na]+, [2M-2H+3Na]+. Značajan intezitet u spektrima imaju dve grupe pikova označene kao ‘P’ i ‘Q’. Dvostruko naelektrisanje tih jona je potvrđeno primenom „zoom scan“ opcije, što je dato na primeru pika ‘P’ na Slici 3.16. Nominalna masa pika ‘P’, za sva jedinjenja, odgovara vrednosti [3M+H+K]2+. Kada se jon ‘P’ izbaci iz jonskog trapa, jon ‘Q’ nestaje iz odgovarajućeg spektra. Na osnovu toga se može zaključiti da je dvostruko naelektrisani jon ‘P’ jon, jon roditelj dvostruko naelektrisanog jona ‘Q’. 99 Slika 3.15 ESI-MS spektar pozitivnih jona 3-cijano-4-(3-hlorfenil)-6-fenil-2(1H)-piridona 6+ #131 RT: 2,22 AV: 1 NL: 1,65E5 F: + ESI Z ms [ 475,00-485,00] 478 479 480 481 482 483 wavelength (nm) 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000 110000 120000 130000 140000 150000 480,16 481,08 480,63 479,30 479,74 481,57 482,08 479,09 160000 In te ns ity 482,54 483,07478,99 483,54478,28 Slika 3.16 “Zoom scan” grupe pikova “P” sa Slike 3.15 Maseni spektri negativnih jona ispitivanih piridona sadrže značajno manje jona nego odgovarajući spektri pozitivnih jona. Osim detektovanog deprotonovanog jona [M-H]-, mogu se uočiti i klasteri [2M-2H+Na]- i [3M-3H+2Na]-. Poredeći MS spektre negativnih sa spektrima pozitivnih jona, uočava se da je ukupna jonska struja najmanje deset puta manja u spektrima negativnih jona, što se može objasniti visokim protonskim afinitetom ispitivanih jedinjenja. 100 Fragmentacione reakcije [M+H]+ jona: MS2 i pseudo MS3 spektri Da bi se razumeo uticaj različitih supstituenata prisutnih na fenilnom jezgru na stabilnost jona u gasnoj fazi, primenjena je metoda disocijacije izazvane sudarom (collision-induced dissociation-CID) protonovanog molekulskog jona. Protonovani molekulski joni, prisutni u spektrima piridona, su izolovani u jonskom trapu i podvrgnuti sudaru sa helijumom kako bi se dobili MS2 spektri ispitivanih jedinjenja. Takođe, ispitana je jonizacija u izvoru (in source collision-induced dissociation-ISD) protonovanog molekulskog jona i poređena sa CID rezultatima. Kako se ISD u poređenju sa CID spektrima protonovanog molekulskog jona neznatno razlikuju u intezitetu pikova, bilo je moguće dobiti pseudo MS3 spektar jona nastalih u jonskom izvoru. Podaci iz masenih spektara ispitivanih piridona pozitivnih jona su dati u Tabeli 3.16. CID spektar protonovanog molekulskog jona 3-cijano-4-(3-hlorlfenil)-6-fenil-2(1H)-piridona je dat na Slici 3.17 a). kao primer MS2 spektra. Slika 3.17 MS2 spektri a) [M+H]+ i b) [M-H]- jona 3-cijano-4-(3-hlorfenil)-6-fenil-2(1H)-piridona Fragmentacioni putevi odgovarajućih [M+H]+ jona ispitivanih jedinjenja u MS2 i kvazi MS3 su dati na Slikama 3.18-3.20, a mase fragmentnih jona i njihovi intenziteti u Tabeli 3.14. LCQ Advantage spektrometar nema mogućnost merenja tačnih masa jona, tako da se tačna struktura detektovanih jona i gubitak fragmenata ne može precizno odrediti. Pretpostavljene strukture na Slikama 3.18-3.20 su zasnovane na podacima iz literature i hemijskoj logici. 101 Tabela 3.16 Maseni spektri pozitivnih jona 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona jedinjenje/X [M+H]+ Protonovani molekulski jon MS2 spektri Jon roditelj za pseudo MS3 spektar Fragmenti i inteziteti pozitivnih jona u pseudo MS3 spektrima 1. H 273 255 a1*(100) 195c1(20) 228a2(30); 201a3(3); 167c2(53); 140c3(10) 2. 4-CH3 287 269a1(100) 260b1(13) 242a2(14) 209c1(23) 242a2(26); 215a3(5) 242a2(30); 234b4(3); 215a3(3) 227a5(61); 215a3(67) 181c2(14); 154c3(15) 3. 3-CH3 287 269a1(77) 260b1(26) 244d2(7) 242a2(12) 209c1(5) 254a4(12); 242a2(100); 215a3(12); 191a6(8) 242a2(20); 232b2(3) - 227a5(25); 215a3(54) 181c2(100); 154c3(37) 4. 3-Cl 307 289a1(100) 272d1(29) 254a4(7) 229c1(14) 262a2(19); 254a4(31); 227a5(9) 255d4(15); 244d2(100) 227a5(19) 201c2(30); 174c3(18) 5. 4-Cl 307 289a1(100) 272d1(26) 254a4(4) 229c1(25) 262a2(16); 254a4(40); 227a5(15) 255d4(15); 244d2(100) 227a5(88) 202c5(6); 201c2(38); 174c3(65) 6. 2,4-di-Cl 341 323a1(100) 306d1(59) 288a4(19) 263c1(60) 288a4(100); 261a5(15) 289d4(6); 278d2(29); 271d6(9) 261a5(12); 253a7(100); 236c5(6); 228c4(63); 208c3(16) 7. 4-CN 298 280a1(100) 253a2(4) 220c1(12) 253a2(12) 226a3(10) - 8. 3-OPh 365 348(100) 337 (18) 320(10) 287 (13) 272d1(25) 262c6(18) 254a4(13) 320(18) - 292(23) - 255d4(10); 244d2(36) - - 9. 4-OCH3 303 288(100) 260(10) 260(100); 216(3) 242(3); 232(17); 182(5) 10. 3,4-di-OCH3 333 318(100) 289(28) 272(13) 289(13); 271(3); 261(15); 241(2); 211(9) 271(3); 261(15); 211(7) 244(28); 141(4) 11. 3-NO2 318 288(6) 272d1(100) 260(9) 260(100); 232(3) 254d4■(11); 244d2(100); 217d3(6); 169d5(4) 242(14); 232(38); 217(9); 156(6) 12. 4-N(CH3)2 316 300(100) 273(5) 282(36); 273(51); 256(11); 222(46) 258(18); 256(11); 246(9); 195(9) *Superskript m/z vrednosti definiše odgovarajuću strukturu na Slikama 3.18-3.21. ■Jedinjenje 11 sledi put d1-d4 uz gubitak vode, umesto hidroksi radikala. Na osnovu CID i ISD/CID masenih spektara iz Tabele 3.16, uočena su dva fragmentaciona puta ispitivanih piridona. 102 Prvi fragmentacioni put obuhvata gubitak molekula vode, HCN ili benzena (PhH) u prvom koraku MS2 fragmentacija. Ovi gubici su uočeni za jedinjenja 1-7 (Tabela 3.16) i predstavljeni su na Slikama 3.18 i 3.19. Piridonski prsten ovih jedinjenja je destabilizovan protonovanjem azota ili kiseonika, čime je favorizovana fragmentacija piridonske strukture. Potpuno različiti fragmentacioni putevi se uočavaju za jedinjenja 8-12 (Tabela 3.16). Elektron-donorski supstituenti se lako protonuju, što dovodi do destabilizacije fenilnog jezgra u položaju 4 piridonskog prstena (jedinjenja 8-10 i 12). Usled toga fragmentacioni procesi se detektuju kao gubitak fragmenata supstituenta ili supstituisanog fenilnog jezgra. Gubitak hidroksi radikala iz [M+H]+ jona jedinjenja 8, detektovanog u MS2 spektru (m/z 348), a ne molekula vode, potvrđuje konstantaciju da je protonovanje i fragmentacija supstituenta glavni proces. Uočeni izuzetak je najverovatnije posledica prisustva fenoksi grupe koja sternim odbijanjem izaziva neplanarnu konformaciju molekula, a time i polarizabilnost C(2)-OH koja je podložna homolitičkom cepanju. Rastvarač methanol ima proton-akceptorska i proton-donorska svojstava, i može značajno da utiče na tautomernu ravnotežu ispitivanih piridona (67 mmol/mol za 2HYP/2PYR).13 Hidroksi grupa se lako protonuje u uslovima ESI+ jonizacije, eliminacija vode je najintenzivnija fragmentacija u prvom koraku za jedinjenja 1-7 (Slika 3.18). Nakon gubitka vode, fragmentcioni putevi u narednim koracima su bitno određeni elektronskim svojstvima prisutnih supstituenata. Jedinjenja u kojima su prisutni elektron- donori pokazuju a1-a2-a3 fragmentacione puteve, dok jedinjenja sa elektron-akceptorima daju intenzivne jone a4 i a5. Disupstituisano jedinjenje 6 sledi put a1(m/z 323) - a4 (m/z 288) gubeći jedan hlorni radikal. Gubitak HCN u prvom koraku fragmentacija je uočen u spektrima jedinjenja 2 i 3 (fragmentacioni “put b”, Slika 3.18). Prisustvo slabih elektron-donorskih metil grupa na fenilnom jezgru ne doprinosi značajnije stabilizaciji tog prstena, što uslovljava da se fragmentacije primarno dešavaju na piridonskom jezgru. Naredne fragmentacije, gubitak CO ili CN radikala, utiču na formiranje petočlanih heterocikličnih prstenova (b2 i b4 joni, Slika 3.18). 103 N OH CN Ph X [M+H]+ - H2O NPh X [M+H-HCN]+ - HCN b1 a2 O [M+H-HCN-H2O]+ - HCN [M+H-2HCN-H2O]+ H a3 -CO [M+H-HCN-CO]+b2 -CN [M+H-HCN-CN]+b4 N X PhOPh X - H2O N CN Ph X [M+H-H2O]+a1 - HCN NPh X - X N CN Ph [M+H-H2O-X]+a4 - HCN NPh [M+H-H2O-X-HCN]a5 - X - PhH a6 [M+H-H2O-PhH]+ - X [M+H-H2O-2X]+a7 Slika 3.18 Predloženi fragmenacioni putevi [M+H]+ jona pri gubitku H2O ili HCN molekula u prvom koraku fragmentacija Gubitak PhH molekula je fragmentacija uočena za jedinjenja 1-7, i dešaava se primarno kao deo c1-c2-c3 sekvence (Slika 3.19.). Nakon gubitka PhH molekula, naredne fragmentcije su određene elektronskim svojstvima prisutnih supstituenata. Piridoni koji imaju slabe elektron-donore ili hlorni supstituent (jedinjenja 1-5), u narednim koracima fragmentacija gube CO ili HCN iz piridonskog jezgra dajući c3 jon. Izuzetak je jedinjenje 6, koje usled prisustva dva atoma hlora (jak elektron-akcepotrski i sterni efekat), utiču da jedinjenje 6 pokazuje ili put do c3 jona bez prisustva c2 jona, ili eliminaciju Cl radikala ili HCN iz c1 jona dajući c4 i c5 jone, respektivno. Značajna zastupljenost c4 jona u pseudo MS3 spektru jedinjenja 6 ukazuje na povećanu stabilizaciju tog jona pozitivnim rezonancionim efektom atoma hlora. Strukutre c4 i c5 nastale od disupstituisanog jedinjenja 6 sadrže jedan i dva atoma hlora, respektivno. Jedinjenje 7, usled prisustva cijano grupe (jak elektron-akceptor) se fragmentiše samo do c1 jona, što ukazuje na značajnu stabilnost protonovanog molekulskog jona. 104 N OH CN Ph X [M+H]+ N CN O -CO N CN - HCN -X N CN [M+H-PhH-X]+c4 O X XH [M+H-PhH]+ [M+H-PhH-CO]+ [M+H-PhH-CO-HCN]+c1 c2 c3 N X [M+H-Ph-CN]+ [M+H-PhH-HCN]+c5 c6 - PhH -CN N O - Ph - HCN Slika 3.19 Predloženi fragmentacioni putevi [M+H]+ jona pri gubitku PhH molekula u prvom koraku fragmentacija Gubitak celog supstituenta iz [M+H]+ jona u prvom koraku fragmentacija, kao i fragmentacioni putevi pozitivnih jona nakon gubitka supstituenta su dati na slici 3.20. Jedinjenja 4 i 5 pokazuju intenzivnu fragmentaciju do jona d2 u pseudo MS3 spektrima. Takva konstatacija nam ukazuje da transformacija piridonskog prstena do pirolnog, doprinosi stabilnosti d2 jona. Može se, takođe, uočiti da je uticaj elektronskih efekata atoma hlora na fragmentacione puteve (jedinjenja 4 i 5) relativno mali. Suprotno, fragmentacioni putevi jedinjenja 6 se znatno razlikuju. Prisustvo atoma hlora u orto- položaju izaziva rotaciju 4-supstituisang fenilnog jezgra, a time i dfinisanu geometriju jedinjena 6 koja bitno utiče na fragmentacione puteve. Jedinjenje 6, nakon gubitka jednog atoma hlora iz [M+H]+ jona, se dalje fragmentiše na d1, d2 i d d4 jone. Joni d1, d2 i d4 imaju jedan vezan atom hlora na odgovarajućim strukturama na slici 3.20. 105 N OH CN Ph X [M+H]+ N H CN Ph [M+H-X]+d1 - OH -X O -CO N H CN Ph [M+H-X-CO]+ - HCN NH Ph [M+H-X-CO-HCN]+d2 d3 N CN Ph H -CN [M+H-X-CN-Ph] + [M+H-X-OH]+ -Ph d4 d5 [M+H-X-X1]+ N H CN Ph O d6 N H O - X Slika 3.20 Predloženi fragmentacioni putevi [M+H]+ jona pri gubitku supstituenta u prvom koraku fragmentacija Ako supstituent na ispitivanom molekulu ima značajan proton-akceptorski afinitet, fragmentacioni putevi tih jedinjenja su kompleksni i zavise od veličine tog efekta. Jedinjenje 9, (sa jednom metoksi grupom) i jedinjenje 10 (sa dve metoksi grupe) pokazuju određene sličnosti i takođe razlike u fragmentacionim putevima [M+H]+ jona. Metoksi grupa nakon gubitka metil radikala generiše hidroksi grupu koja je podložna ili eliminaciji ugljen-monoksida (m/z 232), ili molekula vode (m/z 242). Suprotno, kod jedinjenja 10 nakon gubitka metil grupe, sledi gubitak formil radikala sa druge metoksi grupe dajući m/z 289 jon. Naredne fragmentacije, gubitak CO, PhH i H2O molekula, su uobičajene fragmentacije uočene za sva ispitivana jedinjenja. Fragmentacije jedinjenja 12 su bitno određene jakim proton-akceptorskim afinitetom dimetilamino grupe. Jedinjenje 12 lako oslobađa metan iz protonovane dimetilamino grupe dajući pik m/z 300 u MS2 spektru. Jon m/z 300 gubitkom HCN molekula daje m/z 273 jon sa metilimino grupom koja ima značajnu stabilnost. Dalje fragmentacije jona m/z 273 se odigravaju eliminacijom PhH molekula ili OH radikala dajući m/z 195 i m/z 256 jone, respektivno. Nitro grupa prisutna kod jedinjenja 11 nema proton-akceptorski afinitet, ali nakon gubitka NO radikala, nastaje hidroksi grupa koja je dobar proton-akceptor (m/z 288). 106 Gubitak CO molekula je tipična fragmentacija 2-piridona kada su bombardovani elektronima.213,235 Eliminacija CO u prvom koraku fragmentacije za pozitivne jone, uočava se samo za jedinjenje 8, koje daje m/z 337 jon malog inteziteta. Međutim, eliminacije CO iz b1, c1, d1 (m/z 288, m/z 260 i m/z 289, respektivno) jona su takođe uočene u kvazi MS3 spektrima. Na osnovu toga može se konstantovati da postoji određeni uticaj tautomernih oblika molekula iz uzorka koji se ispituje na njihove fragmentacione puteve. Fragmentacione reakcije [M-H]- jona Različite fragmentacije u prvom koraku se uočavaju u spektrima pozitivnih i negativnih jona i to eliminacija vode za pozitivne, a eliminacija CO molekula za negativne jone. Primer MS2 spektra [M-H]- jona za 3-cijano-4-(3-hlorfenil)-6-fenil-2(1H)-piridon je dat na slici 3.17 b). Maseni i MS2 podaci negativnih jona ispitivanih jedinjenja su dati u Tabeli 3.17. Tabela 3.17 Maseni podaci negativnih jona 3-cijano-4-(supstituisanih fenil)-6-fenil-2(1H)- piridona jedinjenje/X [M-H] - Jon roditelj MS 2 spektar 1. H 271(100) 243e1(100) 2. 4-CH3 285(100) 257e1(100) 3. 3-CH3 285(100) 257e1(12) 4. 3-Cl 305(100) 269e10(58); 250e2(7); 242e6(5); 202e3(16) 5. 4-Cl 305(100) 269e10(7); 250e2(16) 6. 2,4-di-Cl 339(100) 303e10(42); 236e3(12) 7. 4-CN 296(100) 268e1(17); 241e2(30); 193e3(30) 8. 3-OPh 363(100) 286e8(100); 270e4(6); 258e9(12) 9. 4-OCH3 301(100) 286e4(26) 10. 3,4-di-OCH3 331(100) 316e4(100); 315e5(63); 287e7(15) 11. 3-NO2 316(100) 286e4(100); 270e4(78); 258e6(4) 12. 4-N(CH3)2 314(100) 299e4(35); 298e5(8) Superskript m/z vrednosti definiše odgovarajuće strukture na slici 3.21. Fragmentacije jedinjenja 9, 10 i 12, koja imaju jake elektron-donorske supstituente, pokazuju gubitak metil radikala. Ove fragmentacije su slične odgovarajućim procesima koji se dešavaju u spektrima pozitivnih jona. Gubitak fenil radikala daje najintenzivniji pik u spektru jedinjenja 8. Nitro grupa prisutna na jedinjenju 11, se fragmentiše uz gubitak NO radikala. Jedinjenja koja imaju hlor kao supstituent pokazuju gubitak HCl molekula, koji nastaje vezivanjem potona od strane susednog negativnog hlora. Tipične fragmentacije negativnih jona ispitivanih jedinjenja su date na slici 3.21. 107 N O CN Ph X - CO N CN Ph X [M-H-CO] - HCN N X [M-H-CO-HCN] - X1 N O CN Ph - CO NPh CN - CN - Ph - Ph - CO N CN X2 e4 e5 X2 e6 [M-2H-X1-CO]e7 Ph e1 X N O e2 e3 N O CN Ph e8e9 - HCl N O CN Ph [M-H-HCl]e10 OH OH Ph [M-H-X1] [M-2H-X1] [M-H-Ph] - - -- - - - -- - - [M-H][M-H-CN-Ph] [M-H-Ph-CO] - CO - HCN [M-H-X1-CO] e4 i e6 joni: X1=CH3 za jedinjenje 9 (m/z 286; X2=OH) i 10 (m/z 316; X2=3-OH i 4-OCH3), X1=CH3 za jedinjenje 12 (m/z 299; X2=NHCH3); X1=NO (m/z 286; X2=OH) ili NO2 (m/z 270; X2=H) za jedinjenje 11; X1=OPh za jedinjenje 8 (m/z 270; X2=H). e5 i e7 joni: X1=CH4 za jedinjenje 10 (m/z 315; X2=3-OH i 4-OCH3); X1=CH4 za jedinjenje 12 (m/z 298; X2=NHCH2) e10 jon za jedinjenje 6 sadrži jedan hlor Slika 3.21 Predloženi fragmentacioni putevi [M-H]- jona u MS2 spektrima Fragmentacije i reakcije razdvajanja naelektrisanja dvostruko naelektrisanih klastera u MS2 spektrima Uočene grupe pikova označene sa ‘P’ i ‘Q’ na Slici 3.15. su dvostruko naelektrisani joni koji se uočavaju u spektrima pozitivnih jona svih ispitivanih piridona. Predložena struktura jona [3M+H+K]2+ je data na Slici 3.22. Nije potpuno jasno zašto ovaj klaster lakše ugradi jon kalijuma u odnosu na jon natrijuma, kao što je slučaj za jednostruko naelektrisane jone. Razlog najverovatnije leži u činjenici da veličina jonskog radijusa katjona kalijuma odgovara geometriji klastera, a time i jačim interakcijama sa elektronskim gustinama vodoničnih mostova. Time se ostvaruje stabilnija struktura trimera. MS2 fragmentacije [3M+H+K]2+ jona roditelja (Tabela 3.16), daje jednostruko naelektrisane klastere (u reakciji razdvajanja naelektrisanja), kao i dvostruko naelektrisane klastere (fragmentacione reakcije). 108 N O H Ph CN N O H Ph NC N O H Ph CN K 2+ Slika 3.22 Predložena struktura dvostruko nelektrisanog protonovanog trimera piridona i katjona kalijuma Postojanje dimera piridona u rastvoru je potvrđeno na osnovu NMR ispitivanja,237 semiempirijskim i DFT metodama proračuna stabilnosti dimera,238 kao i snimanjima spektara u daleko infracrvenoj oblasti i nisko-frekfentnoj oblasti Ramanskih spektara.238 Rastvarač značajno utiče na ravnotežu i dimerizaciju 2-piridona, i to svojom polarnošću i proton-donorskim karakterisitkama. Dokazano je da molekuli vode i 2-piridona mogu da grade vodonične veze čime je znatno povećana mobilnost N-H protona. Takav proces znatno snižava energetsku barijeru procesa tautomerizacije.239-241 NMR ispitivanja u toluenu, aprotičnom rastvaraču, pokazuju da 2-piridoni postoje dominantno kao dimeri.242 Interesantno je uočiti da su protonovani klasteri ‘Q1’, uočeni u MS2 spektrima svih jedinjenja, relativno stabilni u gasnoj fazi. Njihova zastupljenost u MS2 spektrima iznosi preko 20% (Tabela 3.18). Suprotno tome, intezitet jona ‘Q2’ je mali, ili je on potpuno odsutan iz MS2 spektara. Jedino u MS2 spektru jedinjenja 6, ‘Q2’ jon ima relativno visoku zastupljenost (39%). Značajan intezitet (100%) u MS2 spektrima svih jedinjenja, izuzev jedinjenja 6, imaju [2M+K+H2O]2+ joni. Verovatnije je da ovi joni imaju [2M+K+H+OH]2+ strukturu. Hidroksi grupa potiče iz trećeg molekula piridona jona roditelja. Ovakvo tumačenje može biti potvrđeno reakcijma razdvajanja naelektrisanja usled pojave intezivnih [2M+K+OH]+ jona (Tabela 3.18). 109 Table 3.18 Fragmentacije i reakcije razdvajanja nelektrisanja klastera [3M+H+K]2+ Fragmentacione rekacije jona roditelja u MS2 spektru (P2+→Qn2+ + F) Rekacije razdvajanja naelektrisanja u MS2 spektru (P2+→Qn+ + F+) jedinjenje/X Jon roditelj P2+ [3M+H+K]2+ m/z [2M+2H]2+ Q1 (%) 2M+K+H]2+ Q2 (%) [2M+K+H2O]2+ Q (%) [2M+K+32]2+ Q3 (%) [2M+K]+ Q4 (%) [2M+K+OH]+ Q5 (%) [2M+K+31]+ Q6 (%) 1 H 428 273 (20) 292 (5) 300.5 (100) 307.5 (7) 583 (3) 600 (19) 614(1) 2 4-CH3 449 287 (21) 306 (4) 314.5 (100) 321.5 (6) 611 (2) 628 (13) 642(1) 3 3-CH3 449 287 (21) 306 (8) 314.5 (100) 321.5 (2) 611(2) 628 (17) 642(1) 4 3-Cl 479 307 (36) 326 (2) 334.5 (100) 341.5 (3) 651(1) 668(15) 682(2) 5 4-Cl 479 307 (29) 326 (4) 334.5 (100) 341.5 (11) 651(1) 668(16) 682(2) 6 2,4-di-Cl 530 341 (31) 360 (39) 368.5 (100) 375.5 (14) 719(1) 736(9) 750(3) 7 4-CN 465.5 298 (36) - 325.5 (100) - - 650 (3) - 8 3-OPh 566 365 (21) 384 (3) 392.5 (100) 399.5 (11) 767 (3) 784 (29) 798 (3) 9 4-OCH3 473 303 (21) 322 (5) 330.5 (100) 337.5 (7) 643 (2) 660 (6) - 10 3,4-di-OCH3 518 333 (21) 352 (6) 360.5 (100) 367.5 (9) 703 (1) 720 (10) 734(1) 11 3-NO2 495.5 318 (100) - 345.5 (22) 353.5 (40)* 673 (3) 690 (63) 704 (6) 12 4-N(CH3)2 492.5 316 (21) 335 (3) 343.5 (100) 350.5 (12) 669(2) 686 (7) 700(2) Fragmentacioni proizvod odgovara [2M+K+33]2+ 110 4. ZAKLJUČAK U cilju proučavanja strukture i svojstava derivata 4,6-disupstituisanih-3-cijano-2- piridona izvršena je sinteza dve serije jedinjenja: N-(supstituisani fenil)-3-cijano-4,6-dimetil- 2-piridona i 3-cijano-4(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona. Četiri jedinjenja iz prve serije piridona sa 4-OH, 4-COOH, 4-Et i 4-N(CH3)2 supstituentima i pet jedinjenja iz druge serije piridona sa 4-N(CH3)2, 3-NO2, 3-Cl, 3-OPh i 4-CN supstituentima nisu do sada registrovana u literaturi. Čistoća sintetisanih jedinjenja je potvrđena temperaturom topljenja, 13C NMR i MS spektroskopskim podacima. Ispitivana jedinjenja iz obe serije su sintetizovana različitim klasičnim metodama sinteze, kao i mikrotalasnom sintezom sa ili bez rastvarača. Vreme reakcije pri sintezi N-(supstituisani fenil)-3-cijano-4,6-dimetil-2-piridona, korišćenjem mikrotalasne tehnike, je znatno kraće, pri čemu se dobijaju značajno veći prinosi čistog jedinjenja. Visoki prinosi 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona su ostvareni primenom klasičnih metoda sinteze u prisustvu jakih baza kao što su kalijum-terc-butoksid i natrijum-etoksid. Sinteze 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil-2(1H)-piridona, uz prethodnu sintezu intermedijera etil-2-cijano-3-(supstituisanih fenil)akrilata ili direktnom sintezom, daju proizvode malog prinosa. Upotrebom PCT katalizatora postiže se značajan katalitički efekat, posebno u prisustvu organofilnih katalizatora TBAHS i TBA, pri čemu dobijaju se visoki prinosi proizvoda reakcije. Sinteza 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil- 2(1H)-piridona mikrotalasnom metodom, uz prethodnu sintezu intermedijera etil-2-cijano-3- (supstituisani fenil)akrilata, nije dovela do značajnijih rezultata u smislu povećanja prinosa, ali je vreme reakcije značajno skraćeno. Prenošenje elektronskih efekata supstiuenata, koji se nalaze na N- i fenilnom jezgru u položaju 4 piridona, analizirani su na osnovu 1H i 13C NMR hemijskih pomeranja posmatranih ugljenikovih i vodonikovih atoma primenom principa linearnih korelacija slobodnih energija. Analizom 1H NMR spektara serije 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6-fenil- 2(1H)-piridona, i uspostavljenih korelacija 1H NMR hemijskih pomeranja za atome vodonika na azotu (N-H) i C(5) ugljenikovom atomu piridonskog prstena u zavisnosti od različitih konstanti supstituenta, kao i na osnovu znaka i vrednosti konstante proporcionalnosti ρ, zaključeno je da su efekti supstituenata na fenilnom jezgru u položaju 4 piridonskog prstena ponašaju u skladu sa saznanjima o uticaju supstituenata na hemijska pomeranja posmatranih atoma: elektron-donorski supstituenti povećavaju, dok elektron-akceptorski supstituenti smanjuju elektronsku gustinu. 111 Isti zaključak se može izvesti i iz analize 13C NMR hemijskih pomeranja ugljenikovog atoma C(3) piridonskog prstena na kome se nalazi cijano grupa. Uočava se suprotan trend elektronskih efekata supstituenata na C(4) ugljeniku. Za sve ostale ugljenikove atome piridonskog prstena, analiza 13C NMR hemijskih pomeranja je izuzetno kompleksna i ukazuje na tzv. reversni efekat supstituenata, odnosno zapažanja da i elektron-akceptorski supstituenti povećavaju elektronsku gustinu na ugljenikovim atomima piridonskog prstena i to: C(2) i C(5). Da bi se ovakav problem objasnio ispitivani molekuli su posmatrani kao tri π- lokalizovane jedinice, na osnovu čega je bilo moguće izvršiti detaljnu analizu doprinosa efekta π-polarizacije u ukupnom efektu supstituenata. Izračunate najstabilnije konformacije ispitivanih jedinjenja ukazuju na neplanarnost supstituisanog fenilnog jezgra u položaju 4 i 6 i piridonskog prstena. Torzioni uglovi između fenilnog jezgra u položaju 6 piridona i ostatka molekula su približno isti i ne zavisi od prirode supstituenta na fenilnom jezgru u položaju 4, što ukazuje na mali doprinos prenosu efekata fenilnog jezgra u položaju 6 piridona. Primenom SSP i DSP analize, a obzirom na neplanarnu konformaciju i DSP-NLR analizu, uspešno su razdvojeni načini prenosa efekata supstituenata do pojedinih ugljenikovih atoma prstena na polarni (induktivni, efekat polja i π-polarizacija) i rezonancioni efekat, a nagovešten je i uticaj sternog efekta orto-supstituenata. Najveći zahtev za elektronima ima C(4) ugljenik (ε = -1,75), što ukazuje na povećan doprinos proširene π- polarizacije u π1-lokalizovanoj jedinici izazvane dipolom supstituenta. Drugi deo rezultata 13C NMR ispitivanja odnosi se na N-(4-supstituisane fenil)-3- cijano-4,6-dimetil-2-piridone, koji imaju supstituente na fenilnom jezgru na atomu azota piridonskog jezgra. Za potpunu analizu efekata supstituenata sa fenilnog jezgra na hemijska pomeranja ugljenika prstena piridona bilo je potrebno primeniti SSP i DSP jednačine, kao i DSP-NLR analizu, čime je omogućeno detaljno upoznavanje sa raspodelom elektronske gustine na pojedinim ugljenikovim atomima prstena piridona. Optimizovane geometrije ispitivanih jedinjenja, dobijene primenom semi-empirijske MO PM6 metode, ukazuje na ortogonalnu orijentaciju fenilnog i piridonskog prstena (izuzev nitro supstituisanog jedinjenja), čime je značajno sprečeno prenošenje efekata supstituenata sa N-fenilnog do piridonskog jezgra. Rezultati DSP-NLR analize ukazuju da najveći zahtev za elektronima ima C(6) ugljenik (ε = -1.60) što je posledica povećavog doprinosa π-polarizacije u π2-jedinici. Takođe je uočen manji doprinos rezonancionog efekta supstituenata na ugljenikovim atomima piridonskog prstena, izuzev na C(5) ugljeniku gde je taj efekat dominantan. Doprinos rezonancionog i induktivnog efekta je sličan na C(3) ugljeniku prstena piridona. 112 Ispitivanja uticaja elektronskih efekata supstituenata na fragmentacione puteve ispitivanih jedinjenja vršena su primenom dve tehnike jonizacije: bombardovanjem elektronima i elektro-sprej jonizacije. Na osnovu rezultata analize MS i MS/MS spektara 3-cijano-4-(supstituisani fenil)-6- fenil-2(1H)-piridona dobijenih bombardovanjem elektronima, uočeni su sledeći fragmentacioni putevi: • sva ispitivana jedinjenja pokazuju karakteristične gubitke CO, HCN molekula, kao i fragmentacije supstituentata i fenilnog jezgra • jedinjenja 3-cijano-4-(2-hlorfenil)-6-fenil-2(1H)-piridon i 3-cijano-4-(2,6- dihlorfenil)-6-fenil-2(1H)-piridon pokazuju gubitak HCl molekula, pri čemu di-hlor supstituisano jedinjenje pokazuje fragmentacije analogne mono-hlor supstituisanom jedinjenju nakon gubitka jednog radikala hlora: gubitak CO, sledi gubitak HCl molekula pri čemu se dobija jon m/z 242. Eliminacijom HCN-a iz m/z 242 jona dobija se jon m/z 215, koji konsekutivnom eliminacijom C6H3 radikala daje m/z 140 jon. Direktna fragmentacija molekulskog jona daje jon m/z 104. • 3-cijano-4-(2,6-dihlorfenil)-6-fenil-2(1H)-piridon takođe pokazuje gubitak C7H3Cl2 radikala nakon čega konsekutivnim reakcijama se dobija jon m/z 183, m/z 157 (gubitak CN radikala), m/z 129 (gubitak CO) i m/z 103 (gubitak acetilena). • Različiti fragmentacioni putevi se uočavaju za nitro supstituisana jedinjenja 3-cijano- 4-(2-nitrofenil)-6-fenil-2(1H)-piridon i 3-cijano-4-(4-nitrofenil)-6-fenil-2(1H)-piridon, a posledica su položaja i jačine elektron-akceptorskog karaktera nitro grupe. • Najintenzivniji jon u spektru 3-cijano-4-(2-hlor-5-nitrofenil)-6-fenil-2(1H)-piridona je m/z 41, koji nastaje kao rezultat eliminacije acetilena iz jona m/z 67, što je ustvari tipična fragmentacija za 2-piridone. • 3-cijano-4-(4-bromfenil)-6-fenil-2(1H)-piridon, pokazuje slične fragmentacione puteve kao 3-cijano-4-(2-hlorfenil)-6-fenil-2(1H)-piridon, kao i nastajanje karakterističnog jona m/z 94, pretpostavljene deprotonovane 2-piridonske strukture. • 3-cijano-4-(2-metoksifenil)-6-fenil-2(1H)-piridon i 3-cijano-4-(3-metoksifenil)-6- fenil-2(1H)-piridon usled razlika u veličini sternog i elektronskog efekta metoksi grupe pokazuju različite fragmentacone puteve. Nastajanje jona m/z 246 iz molekulskog jona je uočeno samo za 2-metoksi supstituisano jedinjenje. Jon m/z 274, koji nastaje iz molekulskog jona oba jedinjenja, dalje gubi formaldehid dajući jon m/z 244, fragmentacioni put uočen samo za 3-metoksi supstituisano jedinjenje. 113 114 Analizom ESI MS spektara pozitivnih jona ispitivanih piridona uočena su dva fragmentaciona puta: ♦ prvi fragmentacioni put obuhvata gubitak molekula vode, HCN ili benzena (C6H6) u prvom koraku MS2 fragmentacija uočenih za jedinjenja sa H, 4-CH3, 3-CH3, 3-Cl, 4-Cl, 2,4-Cl i 4-CN supstituentima. Piridonski prsten ovih jedinjenja je destabilizovan protonovanjem azota ili kiseonika, čime je favorizovana fragmentacija piridonske strukture. ♦ potpuno različiti fragmentacioni putevi se uočavaju za jedinjenja sa 3-OPh, 4-OCH3, 3,4-di-OCH3 i 4-N(CH3)2 supstituentima. Elektron-donorski supstituenti imaju značajan afinitet prema protonu, i usled protonovanja supstituenta uočava se gubitak fragmenata supstituenata. ♦ pored [M+H]+ jona u spektrima pozitivnih jona uočeni su i adukti [M+Na]+, kao i klasteri tipa [2M+Na]+, [2M-H+2Na]+, [2M-2H+3Na]+, zatim dve grupe pikova ‘P’ i ‘Q’, koje imaju dvostruko naelektrisanje, i nominalnu masu koja odgovara [3M+H+K]2+. ♦ eliminacija neutralnih molekula CO, HCN, H2O, PhH (benzen) ili Ph i CN radikala, kao i različitih fragmenata fenilnog jezgra su procesi karakterisitčni za sva jedinjenja, a inteziteti jona zavise od prisutnog supstituenta. ♦ značajan intezitet u spektrima pozitivnih jona ispitivanih jedinjenja imaju dve grupe pikova čija nominalna masa odgovara [3M+H+K]2+. Reakcijama fragmentacija ovi joni daju [2M+K+H2O]2+ jone, a reakcijama razdvajanja naelektrisanja daju intezivne [2M+K+OH]+ jone, koji potvrđuju pretpostavljene mehanizme fragmentacija. Analizom ESI MS spektara negativnih jona ispitivanih jedinjenja uočen je ♦ gubitak molekula CO kao najintenzivniji proces u MS spektrima svih jedinjenja. ♦ maseni spektri negativnih jona ispitivanih piridona pokazuju značajno manje jona u odnosu na spektre pozitivnih jona, u kojima osim detektovanog deprotonovanog jona [M-H]-, uočeni i klasteri tipa [2M-2H+Na]- i [3M-3H+2Na]-. ♦ eliminacija neutralnih molekula CO, HCN, ili Ph i CN radikala su procesi karakterisitčni za sva jedinjenja, a intezitet jona zavisi od prisutnog supstituenta. LITERATURA 1. E. Klingsberg, Pyridine and its Derivitives, Part I, Interescience, New York, (1960) 272-273, 362-364. 2. M. Berson, J.P. Calmon, C.R. Acad. Sci. Paris (1971) 181. 3. R.M. Silverstain, G.C. Bassler, T.C. Morill, in Spectrophotometric Indentification of Organic Compounds, Wiley, New York, 1981, strana 195, 316. 4. M. Mišić-Vuković, D. Mijin, M. Radojković-Veličković, N. Valentić, V. Krstić, J. Serb. Chem . Soc. 63 (8) (1998) 585. 5. J. Guareschi, Chem. Zentr., 1 (1899) 289. 6. A.O. Fitton, R.K. Smalley, in Practical Heterocyclic Chemistry, Academic Press, London, 1968, p. 71 7. J.C. Bardhan, J. Chem. Soc. (1929) 2223. 8. Basu, J. Indian Chem. Soc. 7 (1930) 815. 9. Basu, J. Indian Chem. Soc. 8 (1931) 119. 10. Basu, J. Indian Chem. Soc. 8 (1931) 481. 11. M. Mišić-Vuković, M. Radojković-Veličković, B. Stojković, Fourth Yougslav Symposium on Organic Chemistry, Belgrade, 1987, PO 83, 240. 12. D. Ž. Mijin, D.G. Antonović, M. Mišić-Vuković, Ind. J. Chem. 33B (1994) 309. 13. D. Ž. Mijin, D.G. Antonović, M. Mišić-Vuković, Ind. J. Chem. 14. M. Mišić-Vuković, M. Radojković-Veličković, B. Ilić, Balkan Chemistry Days, Athene, 1980, Ap-258, 304. 15. M. Mišić-Vuković, M. Radojković-Veličković, J. Chem. Soc. Perkin Trans 2 (1992) 1965. 16. F. Brody, P.R. Ruby, in Pyridine and its derivatives, E. Klinsberg Ed., Inerscience, New York, 1960, Part I, 362. 17. J. Shorter, in Correlation Analysis in Organic Chemistry, Oxford University Press, Oxford, 1973. 18. R.A.Y. Jones, in Physical and Mechanistics Organic Chemistry, MacMillan, London, 1976. 19. D.R. Clark, J. Emsley, F. Hibert, J. Chem. Soc. Perkin Trans 2 (1989) 1299. 20. V. Krstić, M. Mišić-Vuković, M. Radojković-Veličković, J. Chem. Res. (S) (1991) 82; (M) 783. 21. M. Mišić-Vuković, M. Radojković-Veličković, R. Momčilović, ESOC II, Stresa, Italy, 1981. 22. M. Mišić-Vuković, M. Radojković-Veličković, D. Đukić, ESOC II, Aix-in-Provence, France, 1985, PB 12. 23. M. Mišić-Vuković, M. Radojković-Veličković, B. Stojković, Fourth yougslav Symposium on Organic Chemistry, Belgrade, 1987, PO 83, 240. 24. G.N.Walker, B.N. Weaver, J. Org. Chem. 26 (1961) 4441. 25. S.D. Work, C.R. Hauser, J. Org. Chem. 28 (1963) 725. 26. U. Schmidt, Ann. Chem. 657 (1962) 156. 27. T.M. Harris, S. Boatman, C.R. Hauser, J. Am. Chem. Soc. 85 (1963) 3273. 115 28. S. Portnoy, J. Org. Chem. 30 (1965) 3377. 29. J.L. Greene, Jr., J.A. Mongomery, J. Med. Chem. 6 (1963) 294. 30. L. Rateb, G.A. Mina, G. Soliman, J. Chem. Soc. C, (1968) 2140. 31. T.V. Protopopova, A.P. Skoldinov, J. Gen. Chem. USSR, 27 (1957) 1360. 32. G.F. Holland, J.N. Pereira, J. Med. Chem. 10 (1967) 149. 33. C. Bonsall, J. Hill, J. Chem. Soc., C, (1967) 1836. 34. A. Krauze, Khim-Pharm. Zh. 27 (1993) 39. 35. Hoffman, LaRoche & Co., Swiss Patent 217480 (1941); Chem. Abstr., 42 (1948) 6377. 36. O. Schnider, US 2384136 (1945); Chem. Abstr. 40 (1946) 611. 37. F. Zymalkowski, P. Messinger, Arch. Pharm. (Weinheim), 300 (1967) 168. 38. D.Ž. Mijin, G.S. Učćumlić, N.U. Perišić-Janjić, N.V. Valentić, Chem. Phys. Lett. 418 (2006) 223. 39. G.S. Učćumlić, D.Ž. Mijin, N.V. Valentić, V.V. Vajs, B.M. Sušić, Chem. Phys. Lett. 397 (2004) 148. 40. A. Sakurai, H. Midorikawa, Bull. Chem. Soc. Jpn. 41 (1968) 165. 41. W. Schulze, J. Prakt. Chem. 19 (1962) 91; Chem. Abstr. 58 (1963) 12509f. 42. J. Thesing, A. Müller, Chem. Ber. 90 (1957) 711. 43. J. Thesing, DE 1092016 (1960); Chem. Abst. 55 (1961) 19957. 44. F. Kröhke, K.E. Schnalke, W. Zecher, Chem. Ber. 103 (1970) 322. 45. M.A. Akhtar, W.G. Brouwer, J.A.D. Jeffreys, C.W. Gemenden, W.I. Taylor, R.N. Seelye, D.W. Stanton, J. Chem. Soc. C, (1967) 859. 46. W. Zecher, F. Kröhke, Chem. Ber. 94 (1961) 698. 47. W. Zecher, F. Kröhke, Chem. Ber. 94 (1961) 690. 48. A. Sakurai, H. Midorikawa, Bull. Chem. Soc. Jpn. 40 (1967) 1680. 49. F.H. Al-Hajjar, A.A. Jarrar, J. Heterocyclic Chem. 17 (1980) 1521. 50. T. Kametani, A. Kozuka, S. Tanaka, Yakugaku Zasshi, 90 (1970) 1574; Chem. Abst., 74 (1971) 53461. 51. M. Wang, Chin. J. Appl. Chem. 8 (1991) 38. 52. S. Kambe, K. Saito, A. Sakurai, T. Hayashi, Synthesis, 12 (1977) 841. 53. J. Zabicky, J. Chem. Soc. (1961) 683. 54. A.M. Crider, J. Pharm. Sci. 73(11) (1984) 1585. 55. L.H. Briggs, Aust. J. Chem. 29(2) (1976) 357. 56. G. Kaupp, M.R. Naimi-Jamal, J. Schmeyers, Tetrahedron, 59 (2003) 3753. 57. Z. Xiao-Qing, Z. Hong-Ling, Y. Ping-Wei, L. Yang, L. Cao, C. Jin-Pei, J. Chem. Soc. Perkin Trans 2, (2000) 1857 58. Anon, DE 286582 (1992). 59. Y. Portnov, Khim. Geterosikl. Soedin. (1992) 899. 60. K. Saito, S. Kambe, A. Sakurai, H. Midirokawa, Synthesis, 16 (1981) 211. 61. A. Sakurai, H. Midirokawa, Bull. Chem. Soc. Jpn. 40 (1967) 1680. 116 62. M. Shamma, R.W. Lagally, P. Miller, E.F. Walker, Jr., Tetrahedron, 21 (1965) 3255. 63. J.C. Powers, I. Ponticello, J. Am. Chem. Soc. 90 (1968) 7102. 64. Y. Freimanis, in Chemistry of Enamino Ketones, Enaminoimines, and Enaminothiones (in Russian), Zinantne, Riga, 1974. 65. F.H. Campbell, US 4593028 (1987). 66. P.V. Gomez, H.P. Gonazalez, US 4563528 (1986). 67. G.Y. Lecher, C.J. Opalka, Jr., US 4559352 (1986). 68. F.H. Campbell, US 4539321 (1986). 69. G.Y. Lecher, C.J. Opalka, Jr., US 4515797 (1985). 70. B.F. Molino, F.H. Campbell, US 4764512 (1989). 71. N. Haider, Pharmazie 44 (1989) 598. 72. V. Hagen, Pharmazie 44 (1989) 809. 73. M. Yamanaka, H. Ohnara, US 4791202 (1989). 74. M. Yamanaka, J. Labell. Comp. Radiopharm. 31 (1992) 125. 75. J.A. Bristol, I. Sircar, US 4503061 (1985). 76. M. Yamanaka, H. Ohnara, US 4751227 (1989). 77. E. Ratemi, J. Heterocyclic Chem. 30 (1993) 1513. 78. I. Sircar, J. Med. Chem., 30 (1987) 1023. 79. S. Kishimato, S. Ohno, US 4524129 (1986). 80. L. Mosti, Eur. J. Med. Chem., 24 (1989) 517. 81. H.P. Troendy, US 4992452 (1992). 82. W.D. Jones, R.C. Dage, US 4920229 (1991). 83. S. Grizik, Khim-Pharm. Zh., 29 (1995) 29. 84. H. Juraszyk, H.J. Enenkel, DE 3406329 (1986). 85. Anon, DE 269848 (1990). 86. Anon, US 4904657 (1991). 87. K. Kurashina, H. Miyata, US 4935425 (1991) 88. K. Kurashina, H. Miyata, US 4940715 (1991). 89. K. Kurashina, H. Miyata, JP 1149783 (1990). 90. K. Kurashina, H. Miyata, JP 1149784 (1990). 91. Anon, DE 274620 (1990). 92. V. Hagen, Pharmazie 45 (1990) 189. 93. A. Rumler, Pharmazie 45 (1990) 657. 94. L. Markley, J. Med. Chem., 29 (1986) 427. 95. C.Y. Tong, US 4558134 (1986). 96. R. Andree, M. Haug, DE 3829586 (1992). 97. R. Andree, M. Haug, DE 3837464 (1992). 98. M. Harre, F. Arndt, DE 3539571 (1988). 117 99. H. Franke, M. Harre, DE 3708213 (1989). 100. E. Panisheva, Khim-Pharm. Zh. 25 (1991) 19. 101. N. Fadeeva, Khim-Pharm. Zh. 25 (1991) 36. 102. M. Shaie, Heterocycles 31 (1990) 523. 103. C. Alabaster, J. Med. Chem. 31 (1988) 2048. 104. G. Theodoridis, US 4878941 (1991). 105. B. Wathey, J. Tirney, P. Lindstrom, J. Westman, Drug Discovery Today 7 (2002) 373, 106. Institut-for-energeteknik:www.ife.no/main/subjects-new/energy-enviroment/microwaves, 107. P. J. Walter, S. Chalk, H. M. Kingston, Microwave-Enchanced Chemistry, Fundamentals, Sample Preparations and Applications, ed. H. M. Kingston and S. J. Haswell, American Chemical Society, Washington, D.C., (1997) 55-222. 108. L. Jassie, R. Savesz, T. Kierstead, E. H. Asty, S. Matz, Microwave-Enchanced Chemistry, Fundamentals, Sample Preparations and Applications, ed. H. M. Kingston and S. J.Haswell, American Chemical Society, Washington, D.C., (1997) 569-611. 109. W. G. Engelhart, Microwave-Enchanced Chemistry, Fundamentals, Sample Preparations and Applications, (Eds. H. M. Kingston and S. J. Haswell), American Chemical Society, Washington, D.C., (1997) 613-638. 110. A. Loupy, Microwaves in Organic Synthesis, ed. A. Loupy, Wiley-VCH, Weinheim, (2002). 111. L. Perreux, A. Loupy, Tetrahedron 57 (2001 ) 9199. 112. C. C. Chen, I. J. Wang, Dyes Pigments, 15 (1991) 69. 113. Milestone: www.milestonesci.com/synth-fund.php 114. Z. Jovanović, Diplomski rad, TMF Beograd, (2004). 115. D. Mijin, A. Marinković, Synth. Commun. 36(2) (2006) 193. 116. D. Mijin, A. Marinković, Patentna prijava P-0154/2005 (2005). 117. D. Mijin, Z. Jovanović, G. Ućumlić, 43. Savetovanje SHD, Beograd, (24-25.1.2005.) OH-10. 118. D. Mijin, G. Ušćumlić, Z. Jovanović, Patentna prijava P-855/2004 (2004). 119. S. Horst, DE 4314430 (Sandoz-Patent-GmbH) (1994). 120. S. Rodrigues, M. Suarez, R. Perez, A. Petit, A. Loupy, Tetrahedron 44 (2003) 3709. 121. K. Mogilaiah, G. Randheer, Ind. J. Chem. Sec. B, 43B(4) (2004) 885. 122. Ewing, D. F. Correlation of nmr Chemical Shifts with Hammett σ Values and Analogous Parameters in: Correlation Analysis in Chemistry (Eds.: Chapman, N. B.; Shorter, J. S.) Plenum Press: New York and London, 1978. 123. L.P. Hammett, Chem. Rev. 37 (1935) 125. 124. L.P. Hammett, J. Am. Chem. Soc. 59 (1937) 96. 125. R.W. Taft, J. Phys. Chem. 64 (1960) 1805. 126. E.S. Lewis, M.D. Johnson, J. Am. Chem. Soc. 81 (1959) 2072. 127. L.A. Cohen, W.A. Jones, J. Am. Chem. Soc. 85 (1963) 3398. 128. H.C. Brown, Y. Okamoto, J. Am. Chem. Soc. 80 (1958) 4979. 118 129. Y. Yukawa, Y. Tsuno, Bull. Chem. Soc. Jpn. 32 (1959) 971. 130. Y. Yukawa, Y. Tsuno, M. Sawada, Bull. Chem. Soc. Jpn. 39 (1966) 2274. 131. M. Yoshioka, K. Hamamoto, T. Kubota, Bull. Chem. Soc. Jpn. 35 (1962) 1723. 132. R.W. Taft, I.C. Lewis, J. Am. Chem. Soc. 80 (1958) 2436. 133. R.W. Taft, I.C. Lewis, J. Am. Chem. Soc. 81 (1959) 5343. 134. O. Exner, Coll. Czech. Chem. Commun. 31 (1966) 65. 135. O. Exner, The Hammett Equation–the Present Position in: Advances in Linear Free Energy Relationships (Eds. Chapman, N.B.; Shorter, J.S.) Plenum Press: New York and London, 1972. 136. J.D. Roberts, W.T. Moreland, J. Am. Chem. Soc. 75 (1953) 2167. 137. H.D. Holts, L.M. Stock, J. Am. Chem. Soc. 86 (1964) 5188. 138. F.W. Backer, R.C. Parish, L.M. Stock, J. Am. Chem. Soc. 75 (1953) 4231. 139. C.W. Wilcox, C.L. Lenng, J. Am. Chem. Soc. 90 (1968) 336. 140. M. Charton, Electrical Effect Substituent constants for Correlation Analysis in: Progr. Phys. Org. Chem. (Eds.: Taft, R. W.) John Wiley & Sons: New York, 1981, Vol. 13. 141. C.G. Swain, E.C. Lupton, J. Am. Chem. Soc. 90 (1968) 4328. 142. C.G. Swain, S.H. Unger, N.R. Rosenquist, M.S. Swain, J. Am. Chem. Soc. 105 (1983) 492. 143. H.H. Jaffe, Chem. Rev. 53 (1953) 191. 144. J. Bromilow, R.T.C. Brownlee, D.J. Craik, M. Sadek, R.W. Taft, J. Org. Chem. 45 (1980) 2429. 145. R.W. Taft, Steric Effects in Organic Chemistry (Eds. Newman, M.S.) Wiley: New York, 1956. 146. S.M. Milosavljević, Strukturne instrumentalne metode, Hemijski fakultet: Beograd, 1998. 147. T.M. Tribble, J.G. Traynham, Linear Correlations of Substituent Effects in 1H, 19F, and 13C Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy in: Advances in Linear Free Energy Relationships (Eds. Chapman, N.B.; Shorter, J.S.) Plenum Press: New York and London, 1972. 148. (a) M. Karplus, J.A. Pople J. Chem. Phys. 38 (1963) 2803. (b) R.J. Pugmire, D.M. Grant, J. Am. Chem. Soc. 90 (1968) 697. (c) J. Mason, J. Chem. Soc. A, (1971) 1038. 149. H. Spiesecke, W.G. Schneider, J. Chem. Phys. 35 (1961) 731. 150. P.C. Lauterbur, Ann. New York Acad. Sci. 70 (1958) 841. 151. P.C. Lauterbur, J. Am. Chem. Soc. 83 (1961) 1846. 152. P.C. Lauterbur, Tetrahedron Lett. (1961) 274. 153. G.E. Maciel, J.J. Natterstand, J. Chem. Phys. 42 (1965) 2427. 154. G.P. Syrova, V.F. Bystrov, V.V. Orda, L.M. Yagupol'skii, Zh. Obshch. Khim. 39 (1969) 1395. 155. G.P. Syrova, V.F. Bystrov, V.V. Orda, L.M. Yagupol'skii, Zh. Obshch. Khim. 39 (1969) 1364. 156. G.L. Nelson, G.C. Levy, J.D. Cargioli, J. Am. Chem. Soc. 94 (1972) 3089. 157. E.M. Schulman, K.A. Christensen, D.M. Grant, C. Walling, J. Org. Chem. 39 (1974) 2686. 158. W.B. Smith, D.L. Deavenport, J. Magnetic Resonance 7 (1972) 364. 159. F. Hruska, H.M. Hutton, T. Schaefer, Can. J. Chem. 43 (1965) 2392. 160. S.K. Dayal, R.W. Taft, J. Am. Chem. Soc. 95 (1973) 5595. 161. M. Imanari, M. Khono, M. Ohuchi, K. Ishizu, Bull. Chem. Soc. Japn. 47 (1974) 708. 119 162. G.K. Hamer, I.R. Peat, W.F. Reynolds, Can. J. Chem. 51 (1973) 897. 163. G.K. Hamer, I.R. Peat, W.F. Reynolds, Can. J. Chem. 51 (1973) 915. 164. B.M. Lynch, Org. Magnetic Resonance 6 (1974) 190. 165. K. Hayamizu, O. Yamamato, J. Mol. Spectroscopy 28 (1968) 89. 166. K. Hayamizu, O. Yamamato, J. Mol. Spectroscopy 29 (1969) 183. 167. H. Yamada, Y. Tsuno, Y. Yukawa, Bull. Chem. Soc. Jpn. 43 (1970) 1459. 168. W.J. Hehre, R.W. Taft, R.D. Topsom, Progr. Phys. Org. Chem.12 (1976) 159. 169. G.R. Wiley, S.I. Miller, J. Org. Chem. 37 (1972) 767. 170. M. Charton, J. Org. Chem. 36 (1971) 266. 171. R.I. Herrmann, I.D. Rae, Austral. J. Chem. 25 (1972) 811. 172. W.B. Smith, D.L. Deavenport, A.M. Ihring, J. Am. Chem. Soc. 94 (1972) 1959. 173. D.A. Dawson, W.F. Reynolds, Canad. J. Chem. 53 (1975) 373. 174. K. Izawa, T. Okuyama, T. Feueno, Bull. Chem. Soc. Jpn. 1973, 46, 2881. 175. T. Okuyama, K. Izawa, T. Feueno, Bull. Chem. Soc. Jpn. 47 (1974) 410. 176. W.F. Reynolds, I.R. Peat, M.H. Freedman, J.R. Lyerla, Can. J. Chem. 51 (1973) 1857. 177. G.A. Caplin, Org. Magnetic Resonance 6 (1973) 99. 178. T. Yokoyama, G.R. Wiley, S.I. Miller, J. Org. Chem. 34 (1969), 1859. 179. D.O. Sparkman, Mass spec desk reference, Global View Publishing, Pittsburg, 2006. 180. E. de Hoffmann, V. Stroobant, Mass spectrometry, Principles and Applications, (Ed. E. de Hoffmann, 3rd ed.) Wiley, New York, 2007. 181. J.H. Gross, Mass Spectrometry, (Ed. J.H. Gross) Springer, Berlin, 2004, poglavlje 5. 182. B.N.Pramanik, A.K. Ganguly, M.L. Gross; Applied Electrospray Mass Spectrometry, (Vol. 32 of the Practical Spectroscopy Series), Marcel Dekker, New York, 2002. 183. M. Yamashita, J.B. Fenn, J. Phys. Chem., 88 (1984) 4451. 184. J.B. Fenn, M. Mann, C.K. Meng, S.F. Wong, C.M. Whitehouse, Science 246 (1989) 64. 185. D.T. Rossi, M.W. Sinz, Mass Spectrometry in Drug Discovery, CRC Press, 2002. 186. S.J.Gaskell, J. Mass Spectrom., 32 (1997) 677. 187. C. Reichardt, in Solvents and Solvent Effect in Organic Chemistry, Solvent Effects on Tautomeric Equilibria, (Ed. C. Reichardt), Wiley, Weinheim, 2003. poglavlje 4 navedene reference. 188. V. P. Litvinov, S. G. Krivokolysko, V. D. Dyachenko, Chem. Heterocyclic Comp., 35 (1999) 509. 189. J.J. P. Stewart, J. Mol. Mod., 13, 1173-1213 (2007) Version 7.295. 190. A. Pedretti, L. Villa, G. Vistoli, J. Comput. Aid. Mol. Des. 18 (2004) 167; VEGA ZZ 2.1.0. (http://www.ddl.unimi.it). 191. I. I Kandror, Ж. Obsch. Khim., 60(9) (1990) 2160. 192. R. Schroder, US 4261731 (1981). 193. E. Wilhelm, Ann., 10 (1977) 1642. 120 194. J. S. Shukla, J. Ind. Chem. Soc., 55(3) (1978) 281. 195. A. Marinković, D.Ž. Mijin, J, Nedeljković, S.D. Petrović, Patentna prijava П-768/03 (2003). 196. R. Jain, F. Roschangar, M.A. Ciufolini, Tetrahedron Letters, 36 (1995) 3307. 197. J. Kuthan, P. Nesvadba, M. Popl, J. Fahnrich, Collection Czehoslov. Chem. Commun. 44 (1979) 2409. 198. A. Abadi, O. Al-Deeb, A. Al-Afify, H. El-Kashef, Farmaco 54 (1999) 195. 199. D.Ž. Mijin, M.M. Mišić-Vuković, J. Serb. Chem. Soc. 59 (1994) 959. 200. M.A. Crider, A. Michael, J. Heterocyclic Chem., 25 (5) (1988) 1407. 201. J.A. Meshing, US 3185707 (1965). 202. X. Fan, X. Hu, X. Zhang, J. Wang, Aust. J. Chem. 57(11) (2004) 1067. 203. L. Rong, X. Li, H. Wang, D. Shi, S. Tu, Q. Zhuang, Synth. Commun. 36(16) (2006) 2407. 204. A. Narsaiah, A. Venkat, A.K. Basak, B. Visali, K. Nagiah, Synth. Commun. 34(16) (2004) 2893. 205. F.D. Popp, J. Org. Chem. 25 (1960) 646. 206. P. Plath, K. Eicken, N. Goetz, J. Wild, N. Meyer, B. Wuerzer, DE 3603789 (1987). 207. K.J. Shah, D.K. Genge, J.J. Trivedi, J. Indian Chem. Soc. 36 (1959) 54. 208. I.S. MacClean, S.T. Widdows, J. Chem. Soc., Transactions 105 (1914) 2169. 209. L. Rong, X. Li, H. Wang, D. Shi, S. Tu, Chem. Letters 35(11) (2006)1314. 210. A.A. Bekhit, A.M. Baraka, Eur. J. Med. Chem. 40(12) (2005) 1405. 211. S. Saito, K. Akane, K. Fujimoto, A. Shiraishi, S. Kurakata, H. Maeda, T. Tatsuta, JP 2001089452 (2001). 212. F.H. Al-Hajjar, A.A. Jarrar, J. Heterocyclic Chem. 17(7) (1980) 1521. 213. A.D. Marinković, A.A. Peric-Grujić, B.Ž. Jovanović, N. Ilić, M. Nevescanin, Rapid Commun. Mass Spectrom. 20(17) (2006) 2630. 214. J.A. Elvidge, L.M. Jackman, J. Chem. Soc. (1961) 859. 215. C. Hansch, A. Leo, R. W. Taft, Chem. Rev., 91 (1991) 165. 216. C. Hansch, A. Leo, D. Hoekman, Exploring QSAR, ACS Professional Reference Book, American chemical Society, Washington, DC 1995. 217. S. Ehrenson, R.C.T. Brownlee, R.W. Taft, Prog. Phys. Org. Chem. 10 (1973) 1. 218. F. Membrey, J. Duvernoy, Spectrochim. Acta, Part A, 41 (1985)765. 219. D.J. Craik, B. Ternai, Org. Magn. Reson., 15 (1981) 268. 220. S. Klod, E. Kleinpeter, J.Chem.Soc., Perkin Trans. II (2001) 1893. 221. N.V.Valentić, G.S.Ušćumlić, J. Serb. Chem. Soc. 68 (2003) 67. 222. J. Bromilow, R.T.C. Brownlee, D.J. Clark, P.R. Fiske, J.E. Rowe, M. Sadek, J. Chem. Soc., Perkin Trans 2 (1981) 753. 223. F.H. Assaleh, A.D. Marinković, B.Ž. Jovanović, J. Csanádi, J. Mol. Struct. 833 (2007) 53 224. S.P. Bhattaharya, A.De A.K. Chakravarty, J.S.A. Brunskill, D.F. Ewing, J. Chem. Soc., Perkin Trans II (1985) 473. 225. R. Akaba, H. Sakuragi, K. Tokumaru, Bull. Chem. Soc. Jpn. 58 (1985) 1186. 121 122 226. R. Rittner, J.E. Barbarini, N.F. Höehr, Can. J. Anal. Sci. Spectrosc. 44 (1999) 180. 227. R.T.C. Brownlee, D.J. Craik, J. Chem. Soc., Perkin Trans. II (1981) 760. 228. E.M. Shulman, K.A. Christensen, D.M. Grant, C. Walling, J. Org. Chem. 39 (1974) 2686. 229. G. Butt, R.D. Topsom, Spectrochim. Acta., 36A (1980) 811. 230. G. Butt, R.D. Topsom, Spectrochim. Acta., 38A (1982) 301. 231. C.N. Robinson, C.C. Irving Jr., J. Heterocyclic Chem., 16 (1979) 921. 232. B.Ž. Jovanović, M. Mišić-Vuković, A. D. Marinković, V. Vajs, J. Mol. Struct., 482-483 (1999) 375. 233. B.Ž. Jovanović, M. Mišić-Vuković, A.D. Marinković, V.Vajs, J. Mol.Struct., 642 (2002) 113. 234. Interpretation of Mass Spectra of Organic Compounds, Budzikiewicz H, Djerassi C, Williams DH. (ed). Holden-Day, Inc.: San Francisco, 1965. 235. Mass Spectrometry, Barker J. (ed). J. Wiley&Sons: Chichester, 1999. 236. Aleksandar D. Marinković, Tatjana M. Vasiljević, Mila D. Laušević, Bratislav Ž. Jovanović, J. Serb. Chem. Soc. 74 (2009) 1-13. 237. L. Forlani, G. Cristoni, C. Boga, P.E. Todesco, E. del Vecchio, S. Selva, M. Monari, Arkivoc xi (2002) 198. 238. a) S. Millefiori, A. Millefiori, Bull. Chem. Soc. Jpn., 63 (1990) 2981: b) M.J. Wojcik, W. Tatara, M. Boczar, A. Apola, S. Ikeda, J. Mol. Struct., 596 (2001) 207.. 239. G.M. Florio, C.J. Gruenloh, R.C. Quimpo, T.S. Zwier, J. Chem. Phys. 113 (2000) 11143. 240. A. Fu, H. Li, D. Du, Z. Zhou, J. Phys. Chem. 109 (2005) 1468. 241. Y. Matsuda, T. Ebata, N. Mikami, J. Chem. Phys. 110 (1999) 8397. 242. J. Guillerrez, B. Tiffon, B. Anclan, J. Aubard, J.E. Dubois, J. Phys. Chem. 87 (1983) 3015.