36 W. Wulter und H.- W. Meyer 1975

Liebigs Ann. Chem. 1975, 36-40

Imin-Enamin-Tautomerie, V 1 )

Losungsmittel- und Temperaturabhangigkeit der Thioimid- SaureesterlKeten-S ,N-acetal-Tautomerie Wolfgang Walter * ) und Hans- Wilhelm Meyer

Institut fur Organische Chemie und Biochemie der UniversitLt, D-2000 Hamburg 13, Papendamm 6

Eingegangen a m 25. Februar 1974

Die N-Aryl(thi0imidsaure)ester 2a liegen in Losung uberwiegend in der tautomeren Keten- S,N-acetalform 2b vor. Das Tautomeriegleichgewicht ist losungsmittel- und temperatur- abhangig. Mit zunehmender Polaritat und zunehmender BefBhigung des Losungsmittels zur Ausbildung intermolekularer Wasserstoffbrucken sinkt der Gehalt des chelatisierten Keten- S,N-acetals 2b. -- In zwei Losungsmitteln unterschiedlicher Polaritat wurden fur die Ver- bindung 2 (R1 = 4-Br, R2 = CH3) 1H-NMR-spektroskopisch die Gleichgewichtskonstanten und die Werte der thermodynamischen GroOen AG, A H und A S bestimmt. Steigende Tem- peratur fuhrt wegen der Entropieabnahme bei der Tautomerisierung 2a + 2b ebenfalls zur . Destabilisierung des Keten-S,N-acetals.

Imine-Enamine Tautomerism, V1). - Solvent- and Temperature-dependence of Thioimidoate/ Ketene S,N-Acetal Tautomerism

I n solution N-aryl(thioimidoates) 2a exist predominantly in the ketene S,N-acetal form. The tautomeric equilibrium depends on the solvent and temperature. The quantity of the chelate ketene S,N-acetal 2b decreases with increasing polarity and ability of the solvent to form intermolecular hydrogen bonds. - The equilibrium constants and the values of the thermo- dynamic parameters AG, AH and AS' of the compound 2 (Rl = 4-Br, R* = CH3) have been determined in two solvents of different polarity by IH-NMR measurements. A n increase in temperature and consequent decrease in entropy leads to destabilization of the ketene S,N-acetal in the tautomerism 2a + 2b.

Bei der Reaktion von Alkylhalogeniden mit Anilino(thiocarbony1)malonsaure-di- athylester 1 entstehen S-alkylierte Produkte, die im festen Zustand als Keten-S,N- acetale 2b vorliegen und in L o s u n g teilweise zu den Thioimidsaureestern 2a tauto- merisierenl).

N a R ' A CzH50C, , S-R2 CzH50C+ S-R2

- ,C H-C'( - CH-C+ - F I X S C2H50C+

CZH50C: 0 0 0

1 2a 2b

*) Korrespondenz bitte an diesen Autor richten. 1) IV. Mitteilung: W. Walter uiid H.-W. Meyer, Liebigs Ann. Chem. 1975, 19, voranstehend.

1975 Imin-Enamin-Tautomerie, V 37

Die Lage des Tautomeriegleichgewichtes wird durch die Anderung der freien Enthal- pie AG bestimmt. In Losung wird die Gleichgewichtslage aunerdem von der Differenz der Solvatationsenthalpien AHSolv der Tautomeren und der damit verbundenen Entropieanderung ASso,, beeinflufit werden :

AG L A H t- AHSolv - T.AS ~ T.ASsolv

In fruheren Mitteilungenl. 2) wurde gezeigt, da13 die Lage des Tautomeriegleichge- wichtes wesentlich von der Art der Substituenten R1 und R2 bestimmt wird. Die resultierenden Effekte - Anderung von AG infolge Anderung von A H - sind dort bereits ausfuhrlich diskutiert worden.

Gegenstand dieser Untersuchung ist die Abhangigkeit des Tautomeriegleichge- wichtes der Verbindungen 2 von der Temperatur, die iiber das Entropieglied die Gleichgewichtslage beeinflussen sollte, und vom Losungsmittel.

Wahrend fur die Keto-Enol-Tautomerie von P-Dicarbonylverbindungen zahlreiche Ergebnisse vorliegen, die den Einflulj des Losungsmittels und der Temperatur auf die Gleichgewichtslage beschreiben3,4), ist im Fall der Imin-Enamin-Tautomerie nur fur zwei spezielle Beispiele5.6) uber die Bestimmung thermodynamischer Parameter berichtet worden. Bei der Keto-Enol-Tautomerie offenkettiger P-Dicarbonylver- bindungen ist der Ubergang zum Enol wegen der geringeren Beweglichkeit der Grup- pen an der C=C-Bindung mit einer Entropieabnahme verbunden, wodurch der das Enol stabilisierende konjugative Effekt teilweise kompensiert wird7). Auljerdem hat es sich gezeigt, daB die Ketoform gewohnlich polarer ist als die chelatisierte Enolforni und daher das Tautomerenverhaltnis von der Polaritat des Losungsmittels deutlich beeinflufit wird3).

Entsprechende Verhaltnisse sollte man fur die Tautomerie der Verbindungen 2 erwarten. Die IH-NMR-spektroskopisch in verschiedenen Losungsmitteln bestimmten Gleichgewichtskonstanten fur eine dieser Verbindungen (2, R1 = 4-Br, R2 = CH3. sind in Tabelle 1 aufgefuhrt.

Der Anteil des Keten-S,N-acetals 2b ist in unpolaren, aprotischen Losungsmitteln groRer als in polaren und protischen. Dieser Befund entspricht den Ergebnissen bei der Keto-Enol-Tautomerie offenkettiger P-Dicarbonylverbindungen und kann durch die Chelat-Theorie4.8) hinreichend erklart werden. Der an sich polare Charakter der Aminogruppe wird durch intramolekulare Chelatbildung iiber eine N - H . . '0- Wasserstoff brucke so geschwkht, daB der Thioimidsaureester zum polareren Tauto- meren wird. Der stabilisierende EinfluB der Wasserstoff bruckenbindung auf das Keten-S,N-acetal ist urn so grofler, je kleiner die Konkurrenz einer intermolekularen Wasserstoffbrucke mit Losungsmittelmolekulen ist. Daher nimmt der Gehalt an Keten-S,N-acetal ab. wenn man zu polaren Losungsmitteln ubergeht, die sich an

2) W . Walter und H.-W. Meyer, Liebigs Ann. Chem. 1974, 716. 3) Ch. Reichardt, Losungsmittel-Effekte in der organischen Chemie, 1. Aufl., S. 47, Verlag

4) H. Staab, Einfuhrung in die theoretische organische Chemie, 4. Aufl., S. 647, Verlag

5 ) R . A . Clark und D . C. Parker, J. Amer. Chem. SOC. 93, 7257 (1971). 6 ) H. Ahlbrecht und M. Th. Heib, Tetrahedron Lett. 1971, 549. 7 ) G. Schwarzenbach und K . Lutz, Helv. Chim. Acta 23, 1162 (1940). 8) B. Eistert und E. Merkel, Chem. Ber. 86, 895 (1953).

Chemie, Weinheim 1969.

Chemie, Weinheim 1966.

38 W. Walter und H.- W. Meyer 1975

Tabelle 1. Losungsmittelabhangigkeit der Gleichgewichtskonstanten fur die Tautomerie 2 a + 2 b (R1 = 4-Br, R2 = CH3)a)

- ~ _ _ _ ~ -~ ~_ -~

Losungsmittel 2 b [Mol-%]b) KT d) ~~~ -~ ____ ~ ~ ~ ~ _ _ _ _

cc14 CDC13 [D6]EenZOl [D5]Nitrobenzol [D4]Metbar,ol

[DslPyridin [D3]Nitrornethan [DhlAceton [D3]Acetonitril

[D6]DMSO

71 71 71 68 67 63 c)

61 50 43 c)

43 c)

2.45 2.45 2.45 2.12 2.04 1.70 1.57 1 .00 0.76 0.76

a) Der Gehalt an Keten-S,N-acetal wurde bei 36‘C an den Signalen der S-Methylgruppe nach einwcchigem Stehenlessen c‘er Losungen (jeweils 0.33 M) t e i Raumtemperatur gemessen.

b) Der Fehler der Abweichungen der einzelnen Messungen vom Mittelwert ist kleiner als 1 0 . 5 % .

C ) Der Fehler betrigt wegen des Auftretens von Losungsmittelsignalen im Bereich der S- Methylsignale i 1 %.

d) KT = [2b]/[2a].

Tabelle 2. Temperaturabhangigkeit der Gleichgewichtskonstanten fur die Tautomerie 2 a - 2 b (R1 = 4-Br, R2 = CH3)a)

~ _ _ _ _ ~- _ _ _ ~ ~~ ~- -- ~

Temp. 2 b AG A S AH [kcal/mol] b) [Clausius]b) [kcal/mol]b) In KT [Mol.- %]

~- ~ ~~ ~ ~~~ ~~~

[“CI _________ .~~

In CDBr3 25 79.1 1 .330~) -0.79 -9.4 - 3.59 40 74.5 1.072 -0.67 -9.3 50 70.1 0.854 -0.55 -9.4 60 67.2 0.718 -0.48 -9.3 70 63.1 0.536 -0.37 -9.4 80 60.3 0.419 - 0.29 -9.3

In [D~]Nitrobenzol 25 71.5 0.920 c) -0.55 -6.9 -2.60 40 67.1 0.718 ---0.48 - 6.8 50 64.0 0.577 - 0.37 - 6.9 60 60.9 0.445 -0.29 -6.9 70 59.2 0.372 -0.25 -6.8 80 55.8 0.23 1 -0.16 -6.9

a) Der Gehalt an Keten-S,N-acetal wurde an den Signalen der S-Methylgruppe in 0.67 M Losungen gemessen, die vor den Messungen jeweils 24 h bei der betreffenden Temperatur belassen wurden.

b) Die Standardabweichungen fur AG, A S und AH sind in beiden Losungsmitteln kleiner als 0.02 kcaljmol, 0.4 Clausius bzw. 0.14 kcal/mol ( t p ,

C ) Die Werte von In KT bei 25°C wurden durch Extrapolation mit Hilfe der Regressions- geraden in Abbildung 1 bestimmt. Die entsprechenden Werte fur AG und A S bei dieser Temperatur wurden unter Zugrundelegung der extrapolierten Werte berechnet.

~ . ~ ~ ~ _ _ _ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ _ _ _ _ _ _ ~ ~ . ~~ _____________

= 1.16).

1975 Imin-Enamin-Tautomerie, V 39

Wasserstoffbriicken beteiligen konnen. Wegen der Komplexitat der beteiligten Losungsmitteleinflusse scheitert jedoch jeder Versuch, eine quantitative Beziehung zwischen den Gleichgewichtskonstanten und Losungsmittelparametern herzustellen.

Fur die gleiche Verbindung haben wir die Temperaturabhangigkeit des Tauto- meriegleichgewichtes in zwei geeigneten Losungsmitteln unterschiedlicher Polaritat untersucht und die auftretenden Enthalpie- und Entropieanderungen berechnet (siehe Tabelle 2) .

-RT.ln K , aus der Gleichgewichtskonstanten; AH ergab sich aus der Auftragung von In KT gegen 1/T (Abbildung l ) , wobei die sehr guten Korrelationskoeffizienten von r = 0.997 (CDBr3) und r : 0.996 ([D~lNitrobenzol) sowie die geringen Standardabweichungen (0.023 bzw. 0.019) zeigen, daB A H im betrachteten Temperaturbereich als konstant angesehen werden kann.

Die Berechnung von AG erfolgte nach der Beziehung AG

Abbi1dur.g 1. Ermittlung von AH aus der Auftragung von In KT gegen die reziproke Temperatur

Die Tautomerisierung ist in beiden Losungsmitteln exotherm und mit einer En- tropieabnahme verbunden, wie sie auch bei anderen untersuchten Beispielen zur Imin-Enamin-Tautomerie gefunden wurde5.6).

Beim Ubergang von CDBr3 zum polareren [D5]Nitrobenzol treten positive Ande- rungen von AH und AS auf. Daraus ist ersichtlich, daIj AHSolv mit zunehmender Losungsmittelpolaritat positivere Werte annimmt und somit infolge besserer Solva- tation des Thioimidsaureesters zu einer Verringerung des Keten-S,N-acetalanteils fiihrt. Damit verbunden ist eine Zunahme der Ordnung der Solvathiille des Thioimid- saureesters, beim Ubergang zum Keten-S,N-acetal nimmt daher die Solvatations- entropie zu. Die postive Anderung von ASSolv iibt somit einen entgegengesetzten EinfluB auf das Tautomerenverhaltnis aus, als er tatsachlich beobachtet wird. Das liegt daran, daB die Anderung von AH,,,, groBer ist als die Anderung von T.ASSolv, so daB auch in Nitrobenzol insgesamt eine Abnahme der Gleichgewichtskonstante resultiert.

40 W . Walter und H.- W. Meyer 1975

Bei der Tautomerisierung von Iminen (Hydrazonen und Thioimidsaureestern) zu nicht chelatisierten Enaminen (Enhydrazinen und Keten-S,N-acetalen) steigt der Gehalt an Enamin dagegen allgemein mit der Polaritat und der zunehmenden Befahi- gung des Losungsniittels zur Ausbildung intermolekularer Wasserstoff brucken an6.9-11). Entsprechende Befunde liegen auch fur die Losungsmittelabhangigkeit der Keto-Enol-Tautomerie bei nicht chelatisierten Enolformen vor 12), so dalj die fur die Keto-Enol-Tautomerie aufgefundenen Losungsmittelabhangigkeiten auf die Imin- Enamin-Tautomerie ubertragbar sind.

Experimenteller Teil Die 1H-NMR-Spektren wurden mit den Geraten T 60 und A 60 der Fa. Varian aufgenom-

men. - Die Temperaturen wurden aus der Differenz der chemischen Verschiebung der Sig- nale von Athylenglykol bestimmt. - Die angegebenen Tautomerieverhaltnisse wurden durch Integration iiber die S-Methylsignale ermittelt und stellen den Mittelwert von jeweils 8 bis 10 Messungen dar. ~ Bei den verwendeten deuterierten Losungsmitteln handelte es sich um Praparate der Fa. Merck. Charakteristische Daten und Darstellung des eingesetzten [(4-Bromanilino)(methylthio)methylen]malonsaure-diathyle;ters sind an anderer Stellel) angegeben.

9 ) H. Ahlbrecht und S. Fischer, Tetrahedron 26, 2837 (1950). 10) W. Walter und J . Krohn, Liebigs Ann. Chem. 1973, 443. 11) A . de Suvignuc, M . Bon und A . Lnttes, Bull. SOC. Chim. Fr. 1972, 3167. 12) B. Eistert und W. Reiss, Chem. Ber. 87, 91 (1954).

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