Bull. SOC. Chim. Belg. vol. 82/11" 3-4/ 1973

TAUTOMERIE DANS LA SERIE DES PYRAZOLINONES

111, (*) INFLUENCE DE LA POSITION ET DE LA NATURE DES

SUBSTITUANTS SUR L'EQUILIBRE PROTOTROPIQUE DES

PYRAZOLINE-5-ONES N1 SUBSTITUEES

A.MAQUEST.IAU,Y .VAN HAVERBEKE et R. JXCQUERYE S e r v i c e de Chimie Organique , FacuZtd d e s S c i e n c e s ,

U n i v e r s i t k d e 2 ' E t a t , Mons ( B e Z g i q u e ) . Received 30.3.72 - Accepted 6.6.72

SUMMARY.

The influence of substituents o n N 1 substituted pyrazolin-5-ones o n tautomeric equilibrium has been carried out. In position 4 , the isomer CH is strongly displaced towards NH and equilibrium is shifted by electrowithdrawing substituents to the pyrazol-5-01 form. An explanation for concentration effect observed in a series of pyrazolinone molecules is proposed.

INTRODUCTION.

La nature des substituants en positions3 et 4 , a une grande in- fluence sur 1'6quilibx-e prototropique des pyrazoline-5-ones N , substitu6es ( 3 , 4 , 5 , 6 ) . S'il est Btabli que les substituants 61ec- trodonneurs en 3 stabilisent la forme CH (5,6,31), le probldme reste controvers6 pour la position 4 ( 4 , s ) . De mdme, l'interpr6tation du r61e des 6lectrocapteurs en 4 diffd- re : pour les uns ( 6 ) , ils favorisent l'isomdre OH, pour d'autres (S), le tautom5re NH. L'influence de la nature du substituant en position 1 est, par contre, peu importante.

- 233 -

P A R T I E EXPERIMENTALE ET DISCUSSION.

1 . - Substituants 6lectrodonneurs. Les figures 1 et ~(~)montrent clairement 1 'augmentation en forme CH, et ce dans tous les solvants aprotiques utilises, si l'on passe de la 1-ph6nylpyrazoline-5-one (I) B la l-ph6nyl-3-rn6thyl- pyrazoline-5-one (11). Ces constatations rejoignent celles d'autres auteurs (5,6). En particulier, Newman et Pauwels (5,ll) ont dBmontr6 la presence de l'isomSre CH dans le DMSO pour un d6riv6 amin6 en 3. Nous ob- servons 6galement pour la l-ph6nyl-3-aminopyrazoline-5-one (XVI) (Tableau 8) la forme CH, unique ou certainement prBpondBrante dans les solvants trSs acides comme le trifluoro6thano1, 0.1 basi- que comme 1'HMPT. En position 4, par contre, le remplacement d'un hydrogbne par un m6thyle defavorise nettement le tautomsre CH. I1 suffit pour s'en convaincre de comparer les r6sultats de la l-ph&nyl-3,4-dim6thyl- pyrazoline-5-one (XII) avec ceux de la l-ph6nyl-3-m6thylpyrazoli- ne-5-one (11) (Fig. 1 et 2 ) ou de la 1,3,4-trimEthylpyrazoline-S- one (XI) (Tableau 6) avec ceux de la 1,3-dim6thylpyrazoline-5-0ne

De mEme, la 1,4-dim6thylpyrazoline-5-one (IX), du fait de 1' a b - sencede substituant donneur en 3, pr6sente une quantitB encore plus faible de forme CH. Cet effet du m6thyle en 4, d6ja relev6 dans la litt6rature (4) pour certains solvants, est donc trSs g6n6ral. Selon que celui-ci est aprotique ou protique,la dBcroissance de l'isomhre CH se fait surtout au profit de OH ou NH,avec cependant une exaltation de la forme NH dans tous les solvants. Cette exaltation est plus marqude encore pour les compos6s subs- titu&s par un ph6nyle en 4.

Influence de la concentration. L'influence de la concentration, dBj3 mise en Cvidence par Jacquier et co11.(4) pour IX, XI et XII, se manifeste Bgalement pour X, XI11 et' XIV (XV est insuffisamment soluble). En infrarouge, les bandes carbonyle des formes NH sont Blargies et centrBes a 1595 cm-' (IX) , 1640 cm-l (X), 1586 cm-l (XI) ,

(1) -

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

- 234 -

1620 cm-l (XII), 1620 cm-l (XI 11), 1560 cm-l tion 0,l B 0,2 mole/litre ) .

L'analyse dbtaillbe du spectre de la l-phbnyl-3,4-dimbthylpyrazo- line-5-one (XII) montre que la dilution d'une solution chlorofor- mique provoque un abaissement de l'intensitg de l'absorption, B 1620 cm-' , du carbonyle des structures NH assocides et une aug- mentation de l'intensitb du v(C=O) de la forme CH B 1720 cm-l. Enfin, il apparait une vers 1652 cm-l, propre B la vibration v(C=O) de la forme NH non associbe. On peut suivre quantitativement cette dvolution de l'dquilibre dans le CDC13 par R . M . N . L'augmentation de la dilution s'accompa- gne d'un accroissement en isomsre CH, et atteint finalement une valeur maximum (Fig. 3, XI et XII). La ressemblance de ce comportement avec celui de la 3,4-dimbthyl- isoxazoline-5-one est remarquable (27). Une Btude quantitative par U.V. est impossible, les structures CH et NH ayant des maxima d'absorption trop voisins. L'btude B forte concentration des autres composbs n'a pas 6tb possible,leur solubilitb dans le chloroforme Btant assez limitbe, mais leur comportement est analogue.

- l-phbnyl-4-mdthylpyrazoline-5-one (X) = 0,05 m/l ; 50 % CH ;

- l-phdnyl-3-mBthyl-4-bromopyrazoline-5-one (XIII) = 0,05 m/l

- 1,3-dimbthyl-4-ph6nylpyrazoline-5-one (XIV) : la forme CH

L'influence de la concentration est un phbnomsne gdndral qui se manifeste dans les solvants peu associants, tels le chloroforme ou le chlorure de mBthylsne par exempleetsur les composds dont la forme CH n'est gusre stabilisee. Ainsi, les pyrazolinones mbthylbes en 3 ne presentent pas un ef- fet de concentration, la forme CH Btant trop stable. Par contre, une augmentation de l a concentration diminue le pour- centage de forme CH de la 1-phbnylpyrazoline-5-one (I) au profit du tautomsre OH ( 5 ) .

D'autre part, comme une substitution en 4 contribue B la destabi- lisation relative de la structure CH par rapport fi l'isomsre NH, en solution chloroformique, les pyrazolinones substituees en 4

(XIV), ( concentra-

bande tr6s faible

1 m/l : 35 % CH.

82 % CH ; et 65 % CH.

est quasi absente devant les formes NH associbes.

- 2 3 5 -

t * /aCH

I S

5 0

1 5

-

-

-

/ I : / I

I X / I

*-" I

- 1 - 2 L

log. cone.

Fig. 3 . Pourcentage de la forme CH dans le chloroforme en fonction du log. de la concentration.

presentent une dgcroissance de CH tation de la concentration.

au profit de N H avec l'augmen-

2 . Substituants Blectrocapteurs. Les ddrivds suivants ont BtB BtudiBs :

En outre, la l-phBnyl-2-mBthyl-4-Bthoxycarbonylpyrazoline-S-one (XX) sert de molBcule modi3le de type NH pour le compose X I X .

Les rQsu1tat.s de la spectroscopie infrarouge des pyrazolinones X V I XX sont reproduits aux tableaux 8 et 9. Les glissements chimiques en R . M . N . du derive X I X sont indiquds au tableau 1 0 .

Le tableau 8 montre clairement, pour le derive nitre ( X V I I )

l'absence de bande carbonyle dans le chloroforme, 1'acQtonitrile

- 236 -

I I I I

n n n nnl n

v v v v v , v E E E E E l E

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n n n

2 2 2

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- 2 3 1 -

c, .r(

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n

X

0 d 0 I v) I Q) c

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10, s a Y

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c, c (d > rl 0 vl

n n n n n n d n n n n n n n E E E E E E El E E E E E E E v v v v v v y v v v v v v v

I :I w a3 w r. fi r- r-I 0 N M e N N M c m cn m m cn m c n i I c n c n c n m m m c n v) m m v) v) v) v)lv) v ) l n v ) m m m v )

- T -

Q) d 0 I v) I

Q) d .d

'4 I I

I d

- 230 -

et le T.H.F. La forme OH est donc unique dans ces solvants. Ce fait peut 6tre attribuB, a priori, 1 deux effets : soit 1 l'in- fluence du caractere Blectrocapteur du groupement NO2, soit 1 l'existence d'une chelation entre les groupes nitro et hydroxyle. Comme dans le dBriv6 cyano (XVIII), on retrouve Bgalement l'iso- mBre OH dans le chloroforme (Tableau 8), il semble que l'effet capteur soit suffisant pour deplacer l'gquilibre, le lien hydro- gBne intramol6culaire ne pouvant se former dans ce dernier cas. Ce composB XVIII est trop peu soluble pour Etre BtudiB par R.M.N. Dans le DMSO et l'HMPT, par contre, on met en Bvidence pour XVIII et XIX, une vibration v(C=O).Comme les spectres de R.M.N. ne mon- trent pas les pics correspondants 1 l'isomere CH, on doit conclu- re a la prgsence, quantitativement importante, du tautomere NH. Le problBme coneernant la l-phBnyl-4-~thoxycarbonylpyrazoline-5- one (XIX) est plus complexe. Ce compos6 prdsente dans le chloro- forme une bande tres faible 1 1729 cm-' et une autre intense B 1665 cm-' (Tableau 9). Si l'existence de la forme CH est ais6ment Bliminbe par R.M.h. ( 5 ) , 1'I.R. &carte la prBpondBrance de la forme NH. En effet, les arguments suivants permettent de rejeter l'attribution de la ban- de B 1665 cm-l au v(C=O) de 1'isomBre NH:

a) l'effet de solvant bande 1 1665 cm-' est presque nul, a ce

sur la 1 peine 2 cm-l entre le CC14 et le CHC13, contrairement qui se passe pour toutes les pyrazolinones BtudiBes (12).

quenees d'absorption 1 1732 et 1682 cm-' (CHC13). La diffgrence en intensit6 de ces bandes (ester et cycle) n'est pas aussi 61evBe que celle remarquBe pour la l-phBnyl-4- Bthoxyca rbony lpyrazo l ine -5 -one (XIX) entre les absorptions 1 1729 et 1665 cm-' (CHC13).

c) une bande tres large apparait a 3150 cm-l dans le spectre I.R. de XIX, attribuBe 1 v(0H) plutdt qu'1 v(NH). L'hydrogBne correspondant en R.M.N. a une fr6quence constante quelle que soit la concentration (Tableau 10).

Ces r6sultats permettent de conclure 1 la presence d'une forme OH chBlatCe.

b) pour le dCriv6 1 structure fixe NMe (XX), on observe des frC-

- 2 3 9 -

La bande v(C=O) ( B 1665 cm-' dans le chloroforme ) dont la fr6- quence d'absorption est abaissee par chblation est donc attribua- ble au carbonyle de llester X I X a .

Solvant H-3 N1 -C6H5

CDC13 2,23 2,57 CC14 2 , 4 0 2,60

Les valeurs des frbquences d'absorption observBes en I.R., par Katritzky et coll. ( 2 8 ) pour les isoxazoline-5-ones substituees par un groupement Bthoxycarbonyle en 4 et celles relevbes, ici, pour les pyrazoline-5-ones sont comparables. Ces auteurs ont pro- pose une forme isoxazole-5-01 chelatee. Au fur 8t B mesure que crort la basicit6 du solvant, l'intensite de la bande vers 1665 cm-' diminue et celle vers 1700 cm-'augmen- te. Comme Newman et Pauwels (S), nous concluons B la presence de la forme pyrazole-5-01 non ch6latde dans le DMSO. Les solvants basi- ques rompent la liaison intramoleculaire faisant apparaztre l 'ab- sorption a 1700 cm-l qui provient du v(C=O) de l'ester non asso- cide intramolbculairement.

(a) O-CHZCH3 OH

5,63 8 , 6 2 0 ,80

5 , 6 8 8,63 0,19

I (b) I

I

TABLEAU 10.

Spectres de R.M.N. de la 1 -ph6nyl-4-~thoxycarbonylpyrazoline-

5-one. (XIX) . (T en ppm par rapport au T . M . S . )

(a) quadruplet (b) triplet J = 7 Hz.

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CONCLUSIONS.

L'interpretation des effets des substituants est complexe et une approche th6orique parart encore hasardeuse. Les conclusions suivantes se d6gagent :

1) Les 6lectrodonneurs en position 3 stabilisent la forme CH. 2) Les 6lectrodonneurs en position 4 d6favorisent fortement

l'isom&re CH et avantagent plut6t la forme NH. Dans les sol- vants peu associants, on observe une forte influence de la concentration sur l'gquilibre qui se traduit par l'appari- tion d'associations intermol6culaires de la forme NH.

3) Les 6lectrocapteurs ( NO2, CN ) en 4 d6placent 1'6quilibre vers le pyrazole-5-o1,dans les solvants peu polaires(CHC13). I1 en est de m&me pour le groupement C02Et, qui pr6sente le ph6nomSne de chglation.

PARTIE EXPERIMENTALE.

Synthgse des pyrazoline -5-ones.

- @V 111) l-ph6nyl-3-m6thyl-4-cyano-, ( 2 9 ) , P.F. 212-214°C (eau),

- (XIX) l-ph6nyl-4-6thoxycarbonyl-, (15), P.F. 117°C (eau) , litt.

- (XX) l-ph6nyl-2-m6thyl-4-~thoxycarbonyl-, (30), P . F . 71 "C(6tha-

litt. P.F. 218-220°C (29).

P.F. 117-118°C (15).

nol), litt. P.F. 71-72°C (14).

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BIBLIOGRAPHIE.

(*) P a r t i e 11 , a r t i c l e p rgceden t , c e j o u r n a l . Pour des r a i s o n s de f a c i l i t 6 , nous gardons l a m E m e numerota- t i o n des f i g u r e s , t a b l e a u x , r g f g r e n c e s b i b l i o g r a p h i q u e s e t

p r o d u i t s .

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