Фенацилтиоцианат: кристаллическая структура, конформационные особенности и антидотная активность продукта конденсации с изатином

α-Роданокетоны (α-тиоцианатокетоны) обладают несколькими активными реакционными центрами, что делает эти соединения привлекательными агентами для тонкого органического синтеза [1,2]. Чаще всего роданокарбонильные соединения используются как электрофильные субстраты, которые под действием малононитрила, аминов, гидразинов, восстановителей и проч. превращаются в производные тиазола или 1,3-оксатиолана (например, [3–6]). Намного менее изучено применение α-тиоцианатокетонов в качестве метиленактивных соединений. При этом продукты взаимодействия зачастую подвергаются дальнейшей гетероциклизации с образованием продуктов, который трудно получить иным путем. Так, описано [7–9] азосочетание с роданоке-тонами 1 , приводящее к производным 5-ацил-1,3,4-тиадиазола (схема 1). Реакция 1 с 3-арил-2-цианотиоакриламидами или с ароматическими альдегидами и цианотиоацетамидом [10,11] приводит к функциональным дигидротиофенам 2 . Донорно-акцептоные циклопропаны 3 могут быть получены трехкомпонентной реакцией тиоцианатокетонов с альдегидами и метиленактивными соединениями – например, кислотой Мельдрума [12]. Реакцией фенацилтиоцианатов с 3-формилхромонами недавно были получены 2,4-ди(ароил)тиофены 4 [13], а в реакции с изатином получены 1-(2-оксоиндолин-3-илиден)-2-ароилэтантиолаты 5 [14] либо родственные им сульфиды 6 [15].

В настоящей работе детально изучено строение родоначального соединения 1 – фенацилтиоцианата. Особенности строения установлены методом РСА и с помощью квантовохимических расчетов. Также показано, что продукт реакции фенацилтиоцианата с изатином обнаруживает антидотное действие в отношении гербицида 2,4-Д в лабораторном эксперименте на проростках подсолнечника.

Экспериментальная частьСинтез фенацилтиоцианата (1).

Растворяли 60,26 г (0,30 моль) α-бромацетофенона в 120 мл ацетона при легком нагревании. В полученный раствор медленно и при перемешивании добавили 30,0 г (0,40 моль) роданида аммония. Смесь перемешивали 5 ч, при этом наблюдалось образование осадка бромида аммония. Далее реакционную массу выливали в пятикратный объем холодной воды, выпавший светложелтый кристаллический осадок отфильтровывали, получали неочищенный фенацилтиоцианат массой 47,01 г (90 %). Для очистки продукт перекристаллизовывали из метанола, либо растворяли в ацетоне, кипятили с активированным углем, отфильтровывали от угля и выливали в трехкратный объем воды. Получали продукт в виде светло-желтых или бесцветных игл, т. пл. 78–80 °С. Спектр ЯМР ¹Н (400 МГц, ДМСО- d 6 , δ, м.д., J /Гц): 5,12 с (2Н, СН 2 ); 7,55–7,58 м (2Н, Н Ph); 7,69– 7,73 м (1Н, H Ph); 8,01 д.д (2Н, ³ J = 8,3 Гц, ⁴ J = 1,2 Гц, H Ph). Спектр ЯМР ¹³С DEPTQ (101 МГц, DMSO- d 6 , δ, м. д.): 41,8 (CH 2 ), 112,9 (SC≡N), 128,6* (C³H C⁵H Ph), 129,0* (C²H C⁶H Ph), 134,28 (C¹ Ph), 134,31* (C⁴H Ph), 192,3 (C=O). *Сигналы в противофазе. ИК спектр, ν, см^–1: 2156 (S-C≡N); 1672 (C=O); 1575 (Ar). C 9 H 7 NOS. Вычислено, %: C 61,00, H 3,98, N 7,90. Найдено, %: C 60,82; H 4,01; N 7,77.

Синтез 2-оксо-1-(2-оксоиндолин-3-илиден)-2-фенилэтан-1-тиолата триэтиламмония (2) . К суспензии 1,77 (10 ммоль) α-тиоцианатоацетофенона 1 и 1,47 г (10 ммоль) изатина в 15 мл EtOAc добавляли 1,2 г (12 ммоль) триэтиламина. Смесь интенсивно перемешивали до полного растворения и полной конверсии исходных реагентов (мониторинг методом ТСХ, 12 ч). При этом образовывался оранжевый осадок продукта реакции. Осадок отфильтровывали, промывали EtOAc, диэтиловым эфиром, петролейным эфиром и высушивали при 60 °С. Продукт представляет собой оранжевый порошок, умеренно растворимый в горячем этаноле и горячей воде, хорошо растворимый в ДМСО, ДМФА, плохо растворимый в этилацетате, ацетоне и диэтиловом эфире, петролейном эфире. Спектр ЯМР ¹Н (ДМСО- d 6 , δ, м.д., J /Гц): 1,13 (т, 9 Н, 3 NСН 2 С Н 3 ,

• ³ J = 7,1); 3.03 (кв, 6 Н, 3 NС Н 2 СН 3 , ³ J = 7,1); 6,68 (д, 1 Н, H Ar, ³ J = 7,1); 6,80–6,84 (м, 1 Н, H-Ar); 6,91–6,94 (м, 1 Н, H-Ar); 7,34–7,44 (м, 3 Н, 3 H-Ar); 7,78 (д, 2 Н, H² H⁶ Ph, ³ J = 7,2); 8,74 (д, 1 Н, H Ar, ³ J = 7,1); 9,56 (уш.с, 1 Н, NH). Спектр ЯМР ¹³С DEPTQ (ДМСО- d 6 , δ, м.д., J /Гц): 8,8* (3 NCH 2 C H 3 ); 45,7 (3 N C H 2 CH 3 ); 107,4* (C⁷H индол); 116,8 (=С–S); 119,4* (C⁵H индол); 120,4* (C⁶H индол); 123,2* (C⁴H индол); 127,1 (С^3а индол); 127,7* (С³Н С⁵Н Ph); 129,1* (С²Н С⁶Н Ph); 131,2* (С⁴Н Ph); 136,8 (C^7a индол); 139,0 (C¹ Ph); 166,5 (C=O индол); 184,0 (C³ индол); 192,8 (C=O). *Сигнал в противофазе.

ИК-спектры соединений записывали на ИК-спектрометре Bruker Vertex 70 в режиме НПВО в области 4000–400 см^–1.

Спектры ЯМР ¹Н и ¹³С регистрировали на приборе Bruker Avance III HD 400MHz (400,17 и 100,63 МГц соответственно) в растворе ДМСО-d 6 . В качестве стандарта использовали остаточные сигналы растворителя.

Контроль за ходом реакций, определение индивидуальности и идентификации полученных соединений осуществлялись методами ТСХ. Тонкослойную хроматографию проводили в системе: ацетон/петролейный эфир – 3/1 на пластинах Sorbfil-А (ООО «Имид», Краснодар), детектирование – пары йода, УФ-излучение (λ макс = 254 нм).

Температуры плавления определялись в приборе ПТП для определения температуры плавления с открытым капилляром.

РСА кристаллов фенацилтиоцианата 1 проведен на дифрактометре D8 Quest фирмы Bruker (Mo K α-излучение, λ = 0,71073 Å, графитовый монохроматор) при 293,15 К. Сбор, редактирование данных и уточнение параметров элементарной ячейки, а также учет поглощения проведены по программам SMART и SAINT- Plus [16]. Все расчеты по определению и уточнению структуры выполнены по программам SHELXL/PC [17] и OLEX2 [18]. Структуры определены прямым ме-

. Основные кристаллографические данные и результаты уточнения структур приведены в табл. 1, длины связей и валентные углы – в табл. 2.

Длины связей и валентные углы в молекуле фенацилтиоцианата 1

Таблица 1

Кристаллографические данные, параметры эксперимента и уточнения структуры тиоцианата 1

Параметр	1
Стехиометрическая формула	C 9 H 7 NOS
М	177,22
Сингония	Моноклинная
Пространственная группа	Р 2 1 / с
a , Å	10,922(19)
b , Å	5,600(8)
c, Å	15,18(2)
α , град.	90,00
β, град.	105,62(5)
γ , град.	90,00
V , Å3	894(2)
Z	4
ρ выч, г/см	1,316
µ , мм–1	0,310
F (000)	368,0
Размер кристалла, мм	0,59 × 0,29 × 0,18
Диапазон сбора данных по 2 θ , град.	7,6–41,2
Диапазон индексов	–10 ≤ h ≤ 10, –5 ≤ k ≤ 5, –14 ≤ l ≤ 15
Число измеренных рефлексов	5869
Чисто независимых рефлексов	909
R int	0,0593
GOOF	1,047
Число параметров	109
R -факторы по I > 2 σ ( I )	R 1 = 0,0391, wR 2 = 0,0737
R -факторы по всем рефлексам	R 1 = 0,0657, wR 2 = 0,0833
Остаточная электронная плотность (max/min), e/A3	0,19/–0,15

Таблица 2

Связь	d , Å	Угол	ω, град.
S1–C9	1,691(5)	C9-S1-C8	98,34(18)
S1–C8	1,811(4)	N1-C9-S1	176,9(4)
O1–C7	1,225(4)	C7-C8-S1	106,8(2)
N1–C9	1,144(4)	O1-C7-C8	118,4(3)
C8–C7	1,513(5)	O1-C7-C1	122,0(3)
C7–C1	1,481(5)	C1-C7-C8	119,6(3)
C1–C2	1,388(4)	C2-C1-C7	122,8(3)
C1–C6	1,386(5)	C6-C1-C7	118,5(3)
C2–C3	1,378(5)	C6-C1-C2	118,7(3)
C3–C4	1,375(5)	C3-C2-C1	119,9(3)
C4–C5	1,382(5)	C4-C3-C2	121,0(3)
C6–C5	1,377(5)	C3-C4-C5	119,6(4)
–	–	C5-C6-C1	121,2(3)
–	–	C6-C5-C4	119,6(4)

Квантово-химические расчеты

Квантово-химические расчеты молекулярной геометрии и колебательного спектра фенацил тиоцианата 1 осуществляли в программном пакете ORCA 6.0.1 [19, 20], с использованием гибридного DFT функционала B3LYP [21, 22] с дисперсионной поправкой D4 [23, 24] в валентно-расщепленном базисном наборе def2-TZVP. Сравнение рассчитанных колебательных частот с экспериментальными осуществляли с учетом поправочного коэффициента 0,9673 [25]. Для расчета энергии различных конформеров в среде ацетона использовали модель проводящего континуума (CPCM) [26]. Для генерации Input-файлов применяли программу Gabedit 2.5 [27]. Для визуализации молекулярной геометрии и колебательных частот использовали программу ChemCraft 1.8.

Методика оценки 2-оксо-1-(2-оксоиндолин-3-илиден)-2-фенилэтан-1-тиолата триэтиламмония 2 на антидотную активность

Проросшие семена подсолнечника сорта Мастер с длиной зародышевого корешка 2–4 мм помещают на 1 ч в раствор 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты (2,4-Д) в концентрации 10^–3 % в расчёте получения 40–60 % ингибирования роста гипокотиле. После гербицидного воздействия проростки промывают водой и помещали в раствор испытываемого на тиолата 2 в концентрациях 10^–2, 10^–3, 10^–4, 10^–5 % (вариант гербицид+антидот).

Спустя 1 ч семена промывают водой и раскладывают на полосы фильтровальной бумаги (размер 10×75 см) по 20 штук, которые сворачивают в рулоны и помещают в стаканы с 50 мл воды. Дальнейшее проращивание семян проводят в термостате в течение 3 суток при температуре 28 °С. Температура растворов и промывной воды 28 °С. Семена варианта «гербицид» (эталон сравнения) выдерживают 1 ч в растворе 2,4-Д в концентрации 10^–3 % и 1 ч в воде. Семена контрольного варианта 2 часа выдерживают в воде. Повторность опыта трехкратная. В каждой повторности используют по 20 штук семян. Защитный (антидотный) эффект определяют по увеличению длины гипокотиле и корня в варианте гербицид+антидот относительно названных величин в варианте «гербицид» (эталон) в процентах. Статистическая обработка экспериментальных данных проведена с использованием t -критерия Стъюдента при Р = 0,95. Результаты исследований приведены в табл. 3.

Таблица 3

Антидотная активность 2-оксо-1-(2-оксоиндолин-3-илиден)-2-фенилэтан-1-тиолата триэтиламмония (2) к гербициду 2,4-Д на проростках подсолнечника сорта Мастер

Препарат	Концентрация, %	Длина гипокотиле		Длина корня
		мм	К 2,4-Д, %	мм	К 2,4-Д, %
Контроль	0	56	–	88	–
2,4-Д	10–3	39	–	35	–
2,4-Д+	10 –2	45	115*	47	134*
соединение 2	10 –3	45	115*	49	140*
	10–4	43	110*	54	154*
	10 –5	49	126*	45	129*

* Различия между вариантами достоверны при Р = 0,95.

Обсуждение результатов

Известно несколько методов синтеза фенацилтиоцианата 1 [1]. Препаративно наиболее удобным представляется подход, основанный на нуклеофильном замещении атома галогена на тиоцианатную группу в реакции α-галогенкетонов с роданидами щелочных металлов или аммония. Несмотря на то, что тиоцианат 1 известен еще с XIX века [28], детали строения и синтетический потенциал в качестве метиленактивного соединения оставались практически не изучены. Фенацилтиоцианат 1 был синтезирован реакцией фенацилбромида с тиоцианатом аммония в кипящем ацетоне. Реакцией изатина с тиоцианатом 1 в этилацетате в присутствии три-этиламина [14, 29] был получен 2-оксо-1-(2-оксоиндолин-3-илиден)-2-фенилэтан-1-тиолат три-этиламмония 2 :

Образцы монокристаллов для проведения РСА могут быть получены перекристаллизацией неочищенного продукта 1 из водного ацетона либо из метанола, при этом соединение 1 выделяется в виде длинных светло-желтых игл, растворимых в ацетоне, хлористом метилене, горячих спиртах, ДМСО, ДМФА, этилацетате, нерастворимых в воде и петролейном эфире. Общий вид молекулы 1 (данные РСА) представлен на рис. 1.

Рис. 1. Общий вид молекулы 1

Предварительный квантово-химический конформационный анализ показал, что молекула фенацилтиоцианата ( 1 ) может существовать в виде четырех различных конформеров, структура которых представлена на рис. 2.

К1 (ΔG = 0 кДж/моль)

К2 (ΔG = 7,3 кДж/моль)

К3 (ΔG = 3,2 кДж/моль)

К4 (ΔG = 4,0 кДж/моль)

Рис. 2. Оптимизированные молекулярные структуры наиболее устойчивых конформеров фенацилтиоцианата (1). Расчет на уровне B3LYP-D4/def2-TZVP с использованием модели CPCM для учета влияния растворителя (ацетон)

По данным расчетов, наиболее устойчивым в среде ацетона является конформер К1 , что согласуется с результатами рентгеноструктурного анализа, согласно которым фенацилтиоцианат в кристаллическом состоянии также находится в данной конформации. Следует отметить, что разница в энергии между конформерами К1 , К3 и К4 сравнительно невелика, что указывает на возможность их совместного существования в растворе.

Отнесение полос поглощения в ИК-спектре фенацилтиоцианата ( 1 ) производили на основании результатов квантово-химического расчёта, результаты которого приведены в табл. 4. Как можно заметить, расчётный спектр достаточно хорошо коррелирует с экспериментальным при использовании стандартного поправочного коэффициента, а средняя абсолютная процентная ошибка (MAPE) в определении колебательных частот составляет 1,28 %. Экспериментальный и расчетный ИК-спектры фенацилтиоцианата ( 1 ) представлены на рис. 3 и 4.

Таблица 4

Сравнение экспериментальных колебательных частот в ИК-спектре фенацилтиоцианата (1) с данными квантово-химического расчета

Эксперимент, см–1	Расчетные полосы поглощения, см–1		Отнесение
	без коэффициента	с коэффициентом*
3057	3207	3102	ν С-H Ar
3038	3191	3087
2985	3112	3010	ν as СH 2
2939	3063	2963	ν s СH 2
2156	2260	2186	ν C≡N
1672	1740	1683	ν C=O
1593	1643	1589	ν C=C Ar
1578	1623	1570
1448	1487	1438
1379	1446	1399	δ s СH 2
1325	1345	1301	скелетные
1296	1314	1271	ω СH 2
1200	1218	1178	δ пл. С-H Ar
1136	1149	1111	τ СH 2
997	1012	979	скелетные
885	909	879	ρ СH 2
756	770	745	δ внепл. С-H Ar
687	702	679	νС-S
629	645	624	скелетные
557	576	557	δCO
415	444	429	δSCN
МАPЕ, %	3,22	1,28	–

– Поправочный коэффициент 0,9673 [25].

Продукт реакции фенацилтиоцианата 1 с изатином, 2-оксо-1-(2-оксоиндолин-3-илиден)-2-фенилэтан-1-тиолат триэтиламмония 2 , был испытан на антидотную активность в отношении гербицида 2,4-Д. Известно, что гербицид 2,4-Д (2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота) обладает заметной токсичностью для подсолнечника: доза 15–18 г/га по действующему веществу приводит к 40–60%-ному снижению урожая [30]. Для устранения негативного действия пестицидов на культурные растения используют так называемые антидоты гербицидов (herbicide safeners). После обнаружения Отто Хоффманом в начале 1960-х антидотного эффекта некоторых соединений в отношении гербицида барбан [31] и по текущий момент (обзорные работы см. [32–34]) антидоты гербицидов широко используются в агрохимической практике.

Нами была изучена антидотная активность соединения 2 по отношению к 2,4-Д на проростках подсолнечника в условиях лабораторного эксперимента по известной методике [30]. Установлено, что 2-оксо-1-(2-оксоиндолин-3-илиден)-2-фенилэтан-1-тиолат триэтиламмония 2 обнаруживает умеренно выраженный антидотный эффект и снижает отрицательное действие 2,4-Д на гипокотили проростков подсолнечника на 10–26 %, а на корни проростков – на 29–54 % при использовании в трех и более концентрациях. Результаты антидотной активности 2-оксо-1-(2-оксоиндолин-3-илиден)-2-фенилэтан-1-тиолата триэтиламмония 2 суммированы в табл. 3.

Рис. 4. Рассчитанный на уровне B3LYP-D4/def2-TZVP ИК-спектр фенацилтиоцианата 1

Выводы

Квантово-химическими методами и РСА детально исследовано строение фенацилтиоцианата (1), полученного реакцией фенацилбромида с тиоцианатом калия в ацетоне. Данные квантовохимического расчета оптимальной конформации фенацилтиоцианата коррелируют с данными РСА, расчетный (на уровне B3LYP-D4/def2-TZVP) ИК-спектр хорошо соответствует экспери- ментальному. Продукт реакции фенацилтиоцианата 1 с изатином, 2-оксо-1-(2-оксоиндолин-3-илиден)-2-фенилэтан-1-тиолат триэтиламмония (2), показал умеренный антидотный эффект в отношении гербицида 2,4-Д в условиях лабораторного эксперимента на проростках подсолнечника сорта Мастер.