Синтез оснований Шиффа и моделирование реакциИ их получения (стр. 4 )

·  координация молекул амина и альдегида, при этом образование комплекса (К11-К14) сопровождающееся выделением тепла (от 0,4 до

8,7 ккал/моль);

·  переход комплекса (К11-К14) в карбиноламин (КА1-КА4) происходит с образованием переходного состояния (ПС11-ПС14), энергия активации этой стадии составляет 33,1–60,7 ккал/моль, а тепловой эффект

-1,9 − -3,0 ккал/моль (АМ1) и 0,5−9,3 ккал/моль (РМ3, RHF/6-31G**, B3LYP/6-31G**). Более обоснованным следует считать, что первая стадия реакции является эндотермической;

·  карбиноламин (КА1–КА4) является наиболее термодинамически устойчивым состоянием на маршруте реакции;

·  отщепление молекулы воды из карбиноламина происходит с энергией активации 54,4–80,4 ккал/моль, что превышает энергию активации первой стадии в среднем на 20 ккал/моль;

·  молекулы основания Шиффа и воды образуют комплекс (К21–К24), который энергетически выгоднее продуктов реакции на 1,2–13,1 ккал/моль.

Общим для реакции является ее эндотермичность (0,4–12,9 ккал/моль). Если судить по продуктам реакции (изолированные молекулы) 3–4 ккал/моль. Если считать, что начальным состоянием является комплекс исходных продуктов (К11–К14), и продукты реакции представляют собой комплекс (К21–К24), то тепловой эффект реакции практически не отличается от нуля (4,7– -4,7 ккал/моль).

Строение реакционного центра. Реакционный центр представляет собой четырехчленный цикл, формирующийся при образовании комплекса из молекул амина и альдегида (К11–К14) (рисунок 1). Расстояния между атомами, составляющими цикл, практически не зависят от реагентов, используемых в реакции (таблица 9). В подобных частицах средние отклонения не превышают 0,01 Å. В ряду ПС11-4 →КА1-4 →ПС21-4 расстояние между атомами

С–О увеличивается, а С–N уменьшается, тем не менее, в переходных состояниях ПС11-4 и ПС21-4 расстояния между атомами С–О, О–Н, С–N и N–Н достаточно близки, разница между соответствующими контактами не

превышает 0,25 Å. В карбиноламине (КА1-4) связь О–Н несколько укорочена, а N–Н удлинена (0,94–0,95 и 2,2–2,3 Å соответственно).

К11	ПС11	КА1
		Рисунок 1 – Геометрия реакционного центра (на примере реакции 1)
ПС21	К21

Заряды на атомах реакционного центра в аналогичных частицах отличаются менее, чем на 0,02 е. В ряду ПС11-4 →КА1-4 →ПС21-4 возрастают отрицательные заряды на атомах О и N, в меньшей степени возрастают положительные заряды на атомах С и Н.

Следует отметить подобие (в геометрии и зарядовом распределении) ПС11-4 и ПС21-4 между собой и с КА1-4. Этот факт позволяет считать ПС11-4 поздним, ПС21-4 – ранним переходными состояниями.

Влияние растворителя. Одним из наиболее часто используемых приемов для обеспечения повышения селективности химических реакций является применение растворителей. Нами проведен расчет маршрута реакции аммиака с формальдегидом с использованием метода учета сольватационных эффектов растворителя (PCM), обладающих различной диэлектрической проницаемостью (вода – 78,39, гептан – 1,92, бензол – 2,247, диметилсульфоксид (ДМСО) – 46,70). Результаты расчета представлены в таблице 10. Полученные данные свидетельствуют о значительном влиянии, оказываемом растворителем на энергетические характеристики реакции. Следует отметить, что все растворители понижают энергию частиц, соответствующих стационарным точкам энергетического профиля реакции исключение составляет только комплекс аммиака с водой. В количественном отношении различия, определяемые природой растворителя, превышают 2–5 ккал/моль.

Наибольшее влияние растворители оказывают на переходное состояние первой стадии реакции (ПС21-4) и карбиноламин (КА1-4). Понижение энергии этих состояний достигает 17–18 ккал/моль, в то время, как для других частиц эта величина, как правило, составляет 3–7 ккал/моль и не превышает 10 ккал/моль. Энергия активации этой стадии понижается на 10–13 ккал/моль, а тепловой эффект на – 3–4 ккал/моль (вода и гептан) и около 13 ккал/моль (бензол, ДМСО), в то время как для второй стадии реакции эти показатели характеризуются величинами на 3–5 ккал/моль меньше. Вода и гептан практически не оказывают влияние на энергетические характеристики второй стадии.

Данные таблицы 10 показывают, что использование растворителей позволяет на 3–5 ккал/моль снизить тепловой эффект реакции, увеличить разницу в энергиях активации первой и второй стадий реакции. Если исходить из того, что проведение реакции в растворителе приводит к образованию сольватированных комплексов продуктов реакции, то тепловой эффект реакции не превышает 1 ккал/моль, в то время, как расчеты для газовой фазы приводят к величине 4,7 ккал/моль. Следует отметить, что по данным расчета, в воде реакция аммиака с формальдегидом экзотермична (-2,3 ккал/моль). Этот факт хорошо согласуется с известными экспериментальными данными. Можно предположить, что экзотермичность реакции является причиной протекания дальнейших превращений метилимина в гексаметилентетрамин.

4 Совершенствование методики синтеза оснований Шиффа

Сопоставление данных, полученных при моделировании реакции альдегидов с аминами в газовой фазе и в растворителях, позволяет предположить возможность влияние растворителей на селективность образования оснований Шиффа. В качестве среды удобно использовать органический растворитель, поскольку проведение реакции в воде может приводить к нецелевым продуктам реакции. Природа органического растворителя (гептан, бензол, ДМСО) мало влияет на энергетический профиль реакции (рисунок 2). Поэтому выбор растворителя может быть обусловлен соображениями удобства его применения, опасности, стоимостью и др. Так, например, гептан и другие алифатические растворители, по всей вероятности, мало пригодны для проведения синтеза оснований Шиффа в связи с ограничениями растворимости исходных соединений в них. Ароматические растворители обладают повышенной токсичностью. ДМСО имеет достаточно высокую температуру кипения.

Нами проведены эксперименты для определения возможности осуществления реакции 4 в различных растворителях (ДМСО, 1,4-диоксан, толуол, диизопропиловый эфир, тетрагидрофуран). Следует отметить, что использование растворителя должно играть положительную роль и в стабилизации карбиноламина, поскольку способствует перераспределению энергии между молекулами реагирующих веществ и среды. Из числа использованных наиболее высокий выход получен при проведении реакции в

1,4-диоксане. Синтез проведен по следующей методике: к растворенному в 1,4-диоксане (50 мл) 0,1 моля 1-алкиламино-2-аминоэтана прикапывают 0,1 моль свежеперегнанного фурфурола. При смешении реагентов наблюдается некоторое разогревание смеси. Реакция протекает за 120-130 мин при перемешивании и сопровождается появлением окраски. Продукты реакции (5-8) выделяются вакуумной перегонкой из предварительно осушенной реакции-

онной массы. По предложенной методике получены фурфурилиден(2-(пропиламино)этил)амин (5), фурфурилиден(2-(изопропиламино)этил)-

амин (6), фурфурилиден(2-(бутиламино)этил)амин (7), фурфурилиден(2-(изобутиламино)этил)амин (8). Максимальный выход продукта достигается при эквимолярном соотношении реагентов (таблица 11).

Таблица 8 – Геометрические параметры реакционного центра (B3LYP/6-31G**) Реакция Расстояние, Å С−О О−Н С−N N−H К11-4 1 1,2106 2,9665 2,7682 1,0174 2 1,2164 2,9062 2,7615 1,0204 3 1,2106 2,9111 2,7346 1,0117 4 1,2089 2,9195 2,7582 1,0119 ПС11-4 1 1,3210 1,4157 1,6093 1,1836 2 1,3333 1,4054 1,6260 1,1829 3 1,3343 1,4086 1,5933 1,1892 4 1,3313 1,4085 1,5984 1,1867 КА1-4 1 1,4030 0,9433 1,4314 2,2171 2 1,3950 0,9455 1,4459 2,2137 3 1,4047 0,9434 1,4382 2,3117 4 1,3932 0,9523 1,4512 2,3132 ПС21-4 1 1,4412 1,1916 1,3320 1,2991 2 1,4564 1,2140 1,3357 1,2995 3 1,4598 1,2175 1,3311 1,3010 4 1,4487 1,2197 1,3315 1,3012 К21-4 1 3,3380 0,9437 1,2487 3,5110 2 3,1034 0,9456 1,2545 3,5142 3 3,1554 0,9762 1,2688 3,4115 4 3,3402 0,9498 1,2593 3,4082

Таблица 9 – Электронная плотность на атомах реакционного центра (B3LYP/6-31G**), е Реакция Атомы С О N H К11-4 1 0,214 -0,388 -0,725 0,261 2 0,292 -0,408 -0,748 0,264 3 0,209 -0,391 -0,735 0,258 4 0,275 -0,407 -0,736 0,278 ПС11-4 1 0,238 -0,639 -0,621 0,339 2 0,234 -0,651 -0,628 0,342 3 0,244 -0,645 -0,636 0,331 4 0,267 -0,691 -0,658 0,351 КА1-4 1 0,248 -0,641 -0,699 0,325 2 0,274 -0,642 -0,712 0,336 3 0,259 -0,642 -0,697 0,325 4 0,299 -0,661 -0,715 0,328 ПС21-4 1 0,239 -0,784 -0,792 0,434 2 0,248 -0,804 -0,762 0,445 3 0,244 -0,790 -0,766 0,440 4 0,243 -0,787 -0,761 0,479 К21-4 1 0,104 -0,667 -0,541 0,345 2 0,113 -0,645 -0,603 0,346 3 0,112 -0,614 -0,578 0,373 4 0,133 -0,695 -0,554 0,354