Таким образом, установление закономерностей протекания стадии циклизации 4, как предполагаемой лимитирующей стадии всего процесса, является весьма важным для понимания процессов формирования 2,1-бензизоксазольных циклов. Один из возможных путей проверки гипотезы о природе лимитирующей стадии, и верификации предложенной теоретической модели - это использование методов квантово-химического моделирования совместно с анализом комплекса имеющихся экспериментальных данных.
4. Влияние пространственной структуры переходного интермедиата на возможность реализации процесса циклизации.
Объектом дальнейшего исследования являлся интермедиат (С), получаемый при взаимодействии фенилацетонитрила с пара-замещенными нитробензолами, и переходящий в конечный продукт - 5-X-3-фенил-2,1-бензизоксазол (D).
Проведенное моделирование возможных устойчивых конфигураций пространственного строения интермедиата (C) показало, что он может существовать в виде четырех стереоизомерных форм (С1), (С2), (С3), (С4) (рис. 2), отличающихся друг от друга расположением группы NO, и взаимным расположением цианогруппы CN и фенильного кольца.
Рис. 2. Стереоизомеры интермедиата (C)
С целью изучения процесса протекания стадии циклизации и реализации формирования 2,1-бензизоксазольного цикла, для стереоизомерных форм (С1)-(С4) проводилось моделирование отрыва цианогруппы. При этом выполнялась оптимизация геометрии и исследование зависимости энергии системы при увеличении длины связи С9-С11 от начального значения 1,4 Å до 3,5 Å с шагом 0,1 Å. Данное исследование выполнялось для модельного соединения (Х=1) с заместителем Cl. Профили ППЭ (поверхностей потенциальной энергии), построенные для всех четырех стереоизомеров (С1) - (С4), представлены на рис. 3.
Рис. 3. Профили ППЭ при увеличении расстояния С9-С11 для стереоизомеров (С1) - (С4). По оси Y – шкала относительных энергий ∆Еотн, (нулевой уровень соответствует конфигурации с минимальной полной энергией).
В результате проведенного исследования было установлено, что осуществление стадии циклизации в процессе образования 2,1-бензизоксазолов возможно только после формирования стереоизомера (С3) интермедиата (С), в пространственной структуре которого наблюдается максимальное сближение предполагаемых реакционных центров - атомов углерода С9 и кислорода О18.
5. Исследование траектории перехода системы вдоль направления «интермедиат - конечный продукт».
Далее, для исследования направления предполагаемого реакционного пути была выполнена процедура поиска внутренней координаты реакции (IRC, intrinsic reaction coordinate). При этом для структур - предполагаемых переходных состояний были рассчитаны матрицы вторых производных полной энергии по внутренним координатам (матрицы Гесса). В результате были получены значения мнимых частот, соответствующие линейным, вращательным и трансляционным колебаниям моделируемых структур. Согласно методике процедуры поиска IRC, наибольшее по модулю значение мнимой частоты соответствует внутренней координате реакции – т. е. параметру, изменение которого приводит к следованию вдоль пути реакции и переходу от начальных структур к конечным.
Схема 5.
Было показано (см. табл. 2), что наибольшие по модулю значения мнимой частоты во всех полученных гессианах (для исследованных структур с рядом заместителей Х=1-8) соответствуют изменению координаты С9О18, т. е. сближению/удалению предполагаемых реакционных центров – атомов углерода С9 и кислорода О18 (Схема 5). Это подтверждает правильность предполагаемого механизма внутримолекулярной нуклеофильной атаки, происходящей при сближении указанных реакционных центров.
Таблица 2. Наибольшие по модулю значения мнимых частот переходных состояний для структур с заместителями Х=1-8.
№ | X | Мнимая частота, см-1 | Соответствие |
1 | Cl | -535,01 | Линейное колебание вдоль направления С9O18 |
2 | Br | -389,79 | |
3 | Ph | -549,37 | |
4 | PhO | -499,71 | |
5 |
| -537,02 | |
6 |
| -563,64 | |
7 | COOH | -611,39 | |
8 |
| -558,29 |
Таким образом, проведенное исследование позволило установить механизм реализации перехода системы «интермедиат - конечный продукт» от промежуточных соединений к конечным продуктам реакции, и тем самым подтвердить правильность и обоснованность выбранной модели реакции.
6. Формирование 2,1-бензизоксазольного цикла. Исследование влияния растворителя, и природы заместителя в структуре субстрата на характеристики процесса циклизации.
Согласно принятой методике расчета, для моделирования внутримолекулярной нуклеофильной атаки при формировании 2,1-бензизоксазольных циклов осуществлялось последовательное сближение реакционных центров вдоль направления внутренней координаты реакции, т. е. производилось уменьшение межатомного расстояния С9-О18 от значения 3.0 Å до 1.3 Å с шагом 0.1 Å. При этом были рассмотрены структуры с рядом заместителей Х=1-8.
Было установлено, что при расстояниях С9-О18 1.3-1.5 Å происходит предполагаемый отрыв цианогруппы C11N12 с последующим образованием 2,1-бензизоксазольного цикла (см. рис. 4).
а) б)
Рис. 4. Образование 2,1-бензизоксазольного цикла, соответствует расстоянию С9-О18 1.3-1.5 Å. а) - без растворителя, б) - в присутствии 2-х молекул метанола.
Оптимизация геометрии и расчет энергетических параметров исследуемых соединений выполнялись в программе PC GAMESS v. 7.0, с использованием неэмпирического метода расчета (неограниченное приближение Хартри-Фока, UHF) и базисного набора 6-31G(d,p). Визуализация результатов расчета выполнялась с использованием программного пакета ChemCraft, version 1.6. Оптимизация геометрических параметров выбранного интермедиата (С) проводилась с учетом влияния катиона Na+ (рис. 4, атом 19), как в газовой фазе, так и с учетом влияния растворителя. Расчет с учетом влияния положительно заряженного противоиона Na+ соответствует моделированию условий протекания реакции в щелочной реакционной среде. Учет влияния растворителя с использованием 2-х молекул метанола соответствует дискретной сольватационной модели (специфическая сольватация). Согласно данным литературных источников, введение в систему более чем двух молекул растворителя не оказывает существенного влияния на геометрические параметры и электронную структуру моделируемых соединений.
Для рассматриваемых структур были получены профили ППЭ системы интермедиат - конечный продукт, соответствующие уменьшению межатомного расстояния С9-О18. Данные результаты, приведенные в шкале относительных энергий ΔЕотн, представлены на рис. 5 – без учета растворителя, и на рис. 6 – в присутствии двух молекул метанола.
Рис. 5. Профили ППЭ в зависимости от длины связи С9-O18 без учета влияния растворителя
Рис. 6. Профили ППЭ в зависимости от длины связи С9-O18 в присутствии растворителя
Анализ полученных профилей ППЭ показывает, что для галогензамещенных соединений (Х=1,2) значения активационного барьера оказались ниже, чем для структур с заместителями ароматической и диоксолановой природы (Х=3-8), как без учета влияния растворителя (на величину ~300 кДж/моль), так и с учетом влияния растворителя (величина ~100 кДж/моль). Также установлено, что учет влияния растворителя показывает снижение значений барьеров активации в пределах 300-400 кДж/моль, т. е. введение растворителя способствует облегчению процесса циклизации, и дополнительно стабилизирует интермедиаты. Полученные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными, свидетельствующими о том, что протекание процессов формирования 2,1-бензизоксазолов возможно только в среде растворителя.
7. Исследование связи энергетических характеристик процесса с данными кинетических исследований.
Для подтверждения предположения о соответствии между лимитирующей стадией процесса и исследуемой стадией циклизации была изучена связь между эффективными кинетическими параметрами реакции - значениями эффективных констант скорости kэф процесса образования соответствующих 2,1-бензизоксазолов, установленными ранее для структур с рядом заместителей Х=1-8 экспериментальным путем, и расчетными значениями энергетических параметров переходных состояний указанных соединений. Согласно методике проведения исследования, была изучена корреляционная зависимость величин ln kэф от значений энергии переходных состояний Епс, полученными в результате квантово-химического моделирования процесса циклизации. Графики полученных закономерностей представлены на рис. 7 и рис. 8 (без учета и с учетом влияния растворителя).
Рис. 7. Зависимость ln kэф от Епс без учета влияния растворителя
Рис. 8. Зависимость ln kэф от Епс с учетом влияния растворителя
Показано, что наблюдается линейная корреляция между энергетическими характеристиками переходного состояния стадии циклизации, полученными в ходе квантово-химического моделирования в данной работе, и значениями эффективных констант скорости исследуемого процесса. Величина достоверности аппроксимации R2 составляет 0,936 без учета растворителя, и 0,950 в случае учета растворителя.
Анализ полученных результатов по корреляционной зависимости расчетных и экспериментальных параметров реакции позволяет сделать вывод о том, что именно стадия циклизации в процессах формирования 2,1-бензизоксазольных циклов при взаимодействии пара-замещенных нитробензолов с карбанионом фенилацетонитрила является лимитирующей, и определяющей основные закономерности протекания исследуемого процесса. Данный результат подтверждает предложенное заключение о природе лимитирующей стадии в реакциях формирования 2,1-бензизоксазолов.
ВЫВОДЫ:
1. Проведено комплексное экспериментальное и теоретическое исследование реакций нуклеофильного ароматического замещения водорода - взаимодействия арилацетонитрилов с пара-замещенными нитробензолами, в результате которого получены данные об общих закономерностях процесса.
2. Синтезирован ряд 2,1-бензизоксазолов на основе реакции взаимодействия пара-замещенных нитробензолов и разнообразных арилацетонитрилов, получены данные для построения модели процесса.
3. На основе собственных экспериментальных и литературных данных предложена теоретическая модель исследуемой реакции, предложена последовательность стадий в процессах образования 2,1-бензизоксазолов.
4. При проведении квантово-химического моделирования стадии циклизации показано, что основным этапом при формировании 2,1-бензизоксазолов является внутримолекулярная нуклеофильная атака, соответствующая сближению реакционных центров и приводящая к последующему отрыву уходящей цианогруппы и замыканию 2,1-бензизоксазольного цикла.
5. Построены профили поверхностей потенциальной энергии, соответствующие указанным процессам формирования 2,1-бензизоксазольных циклов, установлены термодинамические параметры и значения энергетических барьеров процессов образования 2,1-бензизоксазолов.
6. На основании анализа связи расчетных и экспериментальных кинетических данных (построение корреляционной зависимости Епс и логарифмов эффективных констант скорости) подтверждена достоверность вывода о соответствии стадии формирования 2,1-бензизоксазольных циклов и лимитирующей стадии процесса.
7. Показано влияние растворителя на протекание исследуемого процесса в соответствии с выбранной дискретной сольватационной моделью - введение растворителя способствует снижению значений активационных барьеров, и облегчению процесса циклизации. Полученные результаты полностью подтверждаются экспериментальными данными.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ:
Список публикаций в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК
1) , , Цивов и механизм взаимодействия арилацетонитрилов с нитроаренами // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. 2011, Т. 54, №. 4, С. 6-10
2) , , Цивов -химическое моделирование стадии циклизации процесса образования 2,1-бензизоксазолов. // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. 2011, Т. 54, №. 10, С. 41-44
3) , , Цивов процесса образования 2,1-бензизоксазолов с учетом влияния заместителя в структуре субстрата // Башкирский химический журнал. 2011, Т.18, № 3, С. 48-51
Другие публикации
4) , , Орлов -химическое моделирование процесса образования sH - комплексов в реакции взаимодействия пара-нитрохлорбензола с фенилацетонитрилом // Материалы IV-ой школы-семинара «Квантово-химические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул» Иваново, ИГХТУ, 20-22 мая 2009. С. 122-124
5) , , Орлов -химическое моделирование процесса образования sH - комплексов в реакции взаимодействия пара-нитрохлорбензола с фенилацетонитрилом // Материалы конференции «Принципы зеленой химии и органический синтез», Ярославль, ЯрГУ, 2009. С. 71-74
6) , , Орлов -химический анализ взаимодействия пара-замещенных нитробензолов с фенилацетонитрилом в реакциях SnArH // Тезисы докладов 63 региональной научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов ВУЗов. Ярославль, ЯГТУ, 2010. C. 14
7) , Орлов закономерностей процесса образования 2,1-бензизоксазолов с использованием методов квантово-химического моделирования // Материалы III Международной конференции "Химия гетероциклических соединений", посвященной 95-летию со дня рождения профессора . Москва, МГУ, 2010, С. 214
8) , , Цивов процесса внутримолекулярного нуклеофильного замещения при образовании 2,1-бензизоксазолов с использованием методов квантовой химии // Вестник ЯрГУ. Серия естественные и технические науки. №2 2010, С. 98-100
9) Цивов В. Ю., , Андреева процесса формирования бензизоксазольного цикла с учетом влияния заместителя в структуре субстрата // Успехи синтеза и комплексообразования: Тезисы докладов Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной Международному году химии. 18-22 апреля 2011 М.: РУДН, 2011. С. 140
10) , Цивов закономерностей процесса формирования бензизоксазольного цикла методами квантовой химии // Тезисы докладов 64 региональной научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов ВУЗов. Ч.1. Ярославль, ЯГТУ, 20 апреля 2011. C. 37
11) Цивов В. Ю., , Андреева -химическое изучение процессов формирования бензизоксазольного цикла в условиях реакции внутримолекулярного нуклеофильного замещения водорода // Материалы IV-ой школы-семинара «Квантово-химические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул»: сб. науч. ст. – Иваново, ИвГУ, 2011. С. 244
12) Цивов В. Ю., , Андреева структуры субстрата на реакционную способность процесса нуклеофильного ароматического замещения в реакциях образования 2,1-бензизоксазолов. // Материалы XIV молодежной конференции по органической химии – Екатеринбург, 2011, С. 512-514
13) Tsivov A. V., Orlov V. U., Kotov A. D., Andreeva K. V. The influence of substratum structure on the reactivity of nucleophilic aromatic substitution in 2,1-benzisoxazole formation process // Scientific conference “Current Topics in Organic Chemistry” Novosibirsk, 2011, Р. 199
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 |
