Структура и свойства ароматических и жирноароматических азометинов (стр. 1 )

УДК 547.022+615.07

Структура и свойства ароматических

и жирноароматических азометинов

© ,

Кафедра органической и биологической химии. Ивановский государственный университет,

Ул. Ермака, 39.г. Иваново, 153025. Россия. Тел.: [phone]. E-mail:*****@***ru

Ключевые слова.

Азометины, строение, прототропная таутомерия, конформационный анализ, реакционная способность, влияние растворителя

Аннотация

В настоящей статье представлен обзор работ, выполненных на кафедре органической и биологической химии Ивановского государственного университета, посвященных изучению реакции образования азометинов, исследованию особенностей их строения и свойств. С помощью квантово-химических методов установлено, что азометины получаются в две стадии, через образование промежуточного продукта -  полуаминаля. Установлено, что учет эффекта растворителя в моделируемой системе приводит к понижению энергетического профиля реакции. Обсуждаются особенности строения азометинов, отличающихся природой и местоположением заместителей в бензольном кольце. Методом ЯМР спектроскопии доказано существование в растворе имин-енаминной таутомерии с преобладание енаминной формы, причем устойчивы оба таутомера. Конформационный анализ, выполненный для молекул ароматических азометинов при температурах существования разных фаз и фазовых переходов, показал, что фазовые переходы сопровождаются изменением конформации и длины молекулы, которое определяется возможностью вращения бензольных колец и подвижностью алкилных групп. Показано, что катализаторы на основе углеродных наноматериалов значительно активнее в гидрировании азометинов, по сравнению с аналогами на активированном угле. С использованием специализированных алгоритмов анализа мультипараметрических данных и отобранных молекулярных дескрипторов разработан ряд компьютерных моделей и проведено предсказание биохимической активности азометинов и полученных из них вторичных аминов.

Введение

С тех пор как были открыты основания Шиффа (азометины) (1864 г.), появилось множество работ, посвященных их получению, описанию и применению. Систематические исследования продолжаются и по сей день, применяются различные подходы к изучению структуры молекул и свойств азометинов, ведется поиск оптимальных условий их синтеза и новых сфер использования.

Шиффовы основания широко применяются в органическом синтезе для получения вторичных аминов и гетероциклических соединений [1], как красители, ускорители вулканизации, как стабилизаторы и промоторы адгезии в производстве пластмасс, в качестве присадок к топливам и маслам, как ингибиторы коррозии металлов [2-5]. Некоторые азометины обладают свойствами жидких кристаллов [6] и находят широкое применение в качестве температурных датчиков, индикаторов, модуляторов света [7]. Полидентантные лиганды с азометиновыми фрагментами играют важную роль в химии координационных соединений [8-10].

Азометины проявляют высокую биологическую активность и применяются [11] в производстве различных лекарственных средств, относящихся к группам противомикробных и противопаразитарных препаратов (фурацилин, фтивазид, салюзид), противотурбекулезных препаратов (тиоацетазон); используются в качестве рентгеноконтрастных средств (билимин).

1. Особенности реакции образования оснований шиффа

       Одним из наиболее распространенных и простых в практическом осуществлении методов синтеза азометинов является конденсация карбонильных соединений с первичными аминами, катализируемая кислотами (схема 1).

Схема 1.

Теоретическое изучение этой реакции показало, что конденсация протекает при участии ВЗМО молекулы амина и НСМО альдегида и является орбитально контролируемой [12-15]. Это подтверждается расчетом зарядовых и орбитальных составляющих энергии взаимодействия по уравнению Клопмана [16].  Орбитальная составляющая в изменении энергии взаимодействия молекул оказалась на порядок выше, чем величина вклада зарядовой энергии, и использовалась для прогнозирования реакционной способности аминов в образовании азометинов. Согласно результатам исследования [13] анилин характеризуется наибольшей энергией взаимодействия среди замещенных аналогов, а, значит, является наиболее реакционноспособным. Полученные нами результаты подтверждается данными [17-19], в которых был исследован перенос заряда с ВЗМО амина на НСМО карбонильной группы, являющийся ключевым при образовании связи С=N.

Дальнейшие исследования реакции образования азометинов на примере взаимодействия пропаналя с анилином, м - и п-аминобензойными кислотами [20] методами квантовой химии (HF/6-31G) показали, что реакция идет через два переходных состояния, соответствующий промежуточный продукт (полуаминаль) и приводит к образованию азометина и воды. Важно, что образующийся полуаминаль обладает большей стабильностью, чем молекулярный комплекс реагентов. Этот факт характерен для всех трех изученных реакций и согласуется с данными по моделированию взаимодействия фурфурола с аммиаком и диметиламином [18,19].

Таблица 1.

Энергетические параметры стационарных точек и переходных состояний реакции конденсации бензальдегида с анилином

Молекулярная система	Еобщ, ккал/моль	Еа#, ккал/моль
Газофазная модель	Континуальная модель	Газофазная модель	Континуальная модель
[C6H5CHO*NH2C6H5]	- 394826,74	-394671,25
ПС1	- 394737.33	-394588,03	89.41	83,22
[C6H5COH2-NHC6H5]	- 394828,78	-394673,24
ПС2	-394723,07	-394574,85	105.71	98,41
[C6H5HC=NC6H5*H2O]	- 394823,84	-394670,83

При синтезе вторичных аминов гидроаминированием получение и восстановление азометинов обычно совмещают, т. е. проводят in situ, причем в качестве растворителей чаще всего используют спирты (этанол, пропанол-2). Изучение маршрута и переходных состояний реакции образования азометинов (на примере бензилиденанилина) проводили в газовой фазе (метод HF/6-31G**(HyperChem 7.05)), а с учетом влияния молекул растворителя, используя континуальный подход (метод РСМ HF/6-31G (GAMESS)) [21]. Сопоставляя результаты газофазной и континуальной моделей можно отметить, что учет сольватации приводит к понижению высоты активационных барьеров реакции конденсации (табл.1).

2. Строение молекул и прототропная таутомерия в жирноароматических азометинах

В работах [22-25] изучены (метод HF/АМ1) 64 молекулы азометинов, отличающихся природой и местоположением заместителей в бензольном кольце, а также длиной и строением алкильного фрагмента, образование которых проходит по схеме 1.

       Результаты квантово-химических расчетов показывают, что молекулы изученных алкилиденанилинов неплоские, угол поворота плоскости бензольного кольца относительно связи азот – углерод составляет около 35є. Введение в орто-положение объемных заместителей (бром-, карбокси - и сульфо-групп) приводит к заметному увеличение, до 70 - 80°, угла поворота азометиновой группы относительно плоскости бензольного кольца. Длина связи >С=N– в молекулах рассматриваемых азометинов не меняется. Суммарный заряд на реакционном центре пропилиденанилина (азометиновой группе >С=N) равен -0.203 а. е.з. Наличие заместителя в бензольном кольце пропилиденанилинов приводит к перераспределению зарядов на атомах имино-группы. По сравнению с пропилиденанилином в его замещенных аналогах q>С=N - существенно увеличивается в молекулах пропилиден-о-, п-фенилендиаминов до -0.216 и -0.207 а. е.з. соответственно, что прежде всего объясняется электронодонорностью NH2-группы.  Варьирование строения алкильного фрагмента в молекулах азометинов не приводит к значительным изменениям энергетических, электронных и геометрических характеристик молекул, и, по-видимому, мало влияет и на их реакционную способность в гидрировании.

Рис. 1. 1Н ЯМР-спектр таутомерного равновесия

пропилиден-п-аминобензойная кислота ↔ N-пропилен(п-аминобензойная кислота) (растворитель – этанол)

Азометин в растворе может участвовать в прототропной триадной таутомерии [26]. Конденсацией пропаналя с п-аминобензойной кислотой была синтезирована - 4-(пропилиденамино)бензойная кислота. ЯМР-спектрокопия в ДМСО-d6­–С2D5OD (1:0.2) показала наличие таутомерного равновесия азометин (А) D енамин (Б) (схема 2) [27]. В спектре (рис.1) наблюдаются два не перекрывающихся сигнала от протонов, принадлежащих азометиновой группе –N=CH– (с, 7.66 м. д.) и енаминной группе >NСН=CH– (д, 6.62 м. д.). Эти атомы водорода специфичны для каждого из таутомеров, поэтому отношение интенсивностей их сигналов характеризует отношение иминной и енаминной форм в растворе. Интегральные интенсивности указанных линий относятся как 1:2.8, причем стабилизации енаминной формы способствует этанол, как полярный протонный растворитель [28,29].

Проведено[30] квантово-химическое изучение равновесия (для пяти пар имин-енамин схема 2) в газовой фазе (метод HF/6-31G) и с учетом эффектов растворителя (этанола) с использованием континуального подхода (метод PCM (PCGAMESS7.1)). Показано, что учет сольватации способствует появлению дополнительной поляризации азометинов и енаминов, а также к увеличению электронной плотности на реакционных центрах молекул (связях >C=N– и >C=С<). Таким образом, наличие в растворе достаточно устойчивых равновесных таутомерных форм указывает на то, что конечный продукт – вторичный амин может образовываться в результате восстановления как азометина, так и енамина.