Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 11
1.1. Электрохимические свойства органических соединений 11
1.1.1. Вольтамперометрия в исследовании свойств и анализе органических соединений 11
1.1.2. Механизмы окисления и восстановления некоторых органических соединений 14
1.2. Антиоксидантные свойства органических соединений 24
1.2.1. Механизмы антиоксидантного воздействия на организм 24
1.2.2. Антиоксидантные свойства некоторых лекарственных препаратов 30
1.2.3. Методы определения антиоксидантной активности 35
1.2.4. Механизмы взаимодействия антиоксидантов с кислородом и его активными радикалами в методе катодной вольтамперометрии 43
1.3. Квантово-химические параметры органических соединений 47
1.3.1. Квантово-химические расчетные методы 47
1.3.2. Применение квантово-химических методов в исследовании свойств органических соединений 52
ГЛАВА 2. Теоретическая часть 59
2.1. Закономерности двух последовательных электрохимических реакций в вольтамперометрии для обратимого электродного процесса на твердых электродах 59
2.2. Исследование взаимосвязи между квантово-химическими параметрами и электрохимическими свойствами ряда азотсодержащих гетероциклических соединений 67
2.2.1. Исследование взаимосвязи между квантово-химическими параметрами и потенциалами окислении ряда карбазолов 67
2.2.2. Исследование взаимосвязи между квантово-химическими параметрами и потенциалами окислении ряда антипиринов 76
ГЛАВА 3. Аппаратура и методика эксперимента 78
3.1. Приборы, ячейки, электроды, растворы и реактивы 78
3.2. Объекты исследования 83
3.3. Методика эксперимента 84
ГЛАВА 4. Электроаналитические свойства исследуемых органических соединений 87
4.1. Электроаналитические свойства антипирина и его галогенпроизводных 87
4.2. Электроаналитические свойства бенздиазепинов 93
4.3. Электроаналитические свойства антипириламидов 95
ГЛАВА 5. Антиоксидантные свойства исследуемых органических соединений 105
5.1. Антиоксидантные свойства антипирина и его галогенпроизводных .. 106
5.2. Антиоксидантные свойства бенздиазепинов 108
5.3. Антиоксидантные свойства антипириламидов 110
ГЛАВА 6. Методика количественного химического определения антипириламида стеариновой кислоты 114
Обсуждение результатов 119
Выводы 125
Литература 127
Приложение 1 144
- Механизмы окисления и восстановления некоторых органических соединений
- Исследование взаимосвязи между квантово-химическими параметрами и потенциалами окислении ряда карбазолов
- Электроаналитические свойства антипирина и его галогенпроизводных
- Антиоксидантные свойства антипирина и его галогенпроизводных
Введение к работе
Актуальность темы. Одним из главных направлений развития современной электроаналитической химии является разработка эффективных методов исследования и анализа органических соединений. Исследования в этом направлении имеют теоретическое и практическое значение для дальнейшего поиска наиболее эффективных путей осуществления аналитических определений данных веществ. Электрохимические методы характеризуются высокой чувствительностью, точностью, экспрессностью, поэтому они находят все более широкое применение как для определения, так и для исследования свойств органических соединений, имеющих фармацевтическое значение, и создают разумную альтернативу традиционным хроматографическим методам анализа.
Азотсодержащие гетероциклические соединения ряда антипиринов, бенздиазепинов и антипириламидов зарекомендовали себя как эффективные болеутоляющие и психотропные средства, широко используемые в медицинской практике во всем мире. Появляются новые препараты этого класса, к контролю их качества предъявляются все более серьезные требования. Поэтому разработка новых чувствительных, доступных и удобных в работе методик их определения представляется актуальной задачей, от решения которой зависит эффективность и безопасность предлагаемых на рынке лекарственных препаратов. Необходимо подчеркнуть при этом, что использование препаратов с антиоксидантными свойствами находит все более широкое применение в медицине в профилактических и лечебных целях при патологических состояниях свободнорадикальной природы.
Цель работы: исследовать электроаналитические свойства производных антипиринов, бенздиазепинов и антипириламидов.
В соответствии с этим в работе были поставлены следующие задачи:
Исследовать электроаналитические свойства, рассмотреть влияние ряда факторов (природы фонового электролита, материала электрода) на потенциалы окисления и восстановления исследуемых веществ методом вольтамперометрии.
Рассмотреть закономерности процессов окисления и восстановления указанных препаратов на твердых электродах. Рассчитать кинетические параметры этих процессов.
Исследовать взаимосвязь между электрохимическими свойствами и квантово - химическими параметрами изучаемых веществ.
4. Используя метод катодной вольтамперометрии и модельную
реакцию электровосстановления кислорода, исследовать антиоксидантные
свойства антипиринов, бенздиазепинов и анипириламидов для выяснения их
роли в механизмах взаимодействия с кислородом и его активными
радикалами.
5. Разработать методику количественного химического определения
антипириламида стеариновой кислоты как перспективного лекарственного
препарата, используя метод вольтамперометрии.
Научная новизна. Впервые рассмотрены теоретические закономерности обратимого процесса окисления и восстановления антипириламидов на твердых электродах для двух последовательных электрохимических реакций. Предложен способ оценки коэффициентов диффузии и константы диффузионного тока указанных веществ.
Рассчитаны квантово - химические параметры исследуемых веществ. Впервые выведены корреляционные уравнения между расчетными квантово-химическими параметрами и экспериментально полученными потенциалами окисления производных антипирина и антипириламида.
Проведено определение антиоксидантной активности исследуемых веществ методом катодной вольтамперометрии в неводных средах.
Практическая значимость. Разработана методика количественного химического определения антипириламида стеариновой кислоты, как
8 перспективного лекарственного препарата, используя метод вольтамперометрии.
Проведено определение антиоксидантной активности исследуемых соединений в сравнении со стандартными антиоксидантами методом катодной вольтамперометрии в неводных средах.
Предложен способ оценки потенциалов окисления органических соединений на основании расчетных квантово - химических параметров и выведенного корреляционного уравнения между ними.
На защиту выносятся:
Способ количественного химического определения антипириламида стеариновой кислоты методом вольтамперометрии.
Способ оценки потенциалов окисления органических соединений на основе их расчетных квантово - химических параметров.
Результаты определения антиоксидантных свойств исследуемых соединений в сравнении со стандартными антиоксидантами методом катодной вольтамперометрии в неводных средах.
Способ определения коэффициентов диффузии и константы диффузионного тока органических соединений для двух обратимых последовательных электрохимических реакций на твердых электродах.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы в период их выполнения докладывались на российских и международных конференциях и симпозиумах: на Всероссийской научной конференции "Актуальные проблемы аналитической химии" (Москва, 2002); Региональной научно-практической конференции "Химия и технология лекарственных препаратов и полупродуктов" (Новокузнецк, 2002); 7th International Conference I Workshop on Pharmacy and Applied Physical Chemistry, (Innsbruck (Austria), 2003); V Всероссийской научной конференции "Экоаналитика-2003" (Санкт-Петербург, 2003); 15th International Symposium "Pharmaceutical and Biomedical Analysis" (Florence (Italy), 2004); 10th International Conference
9 on Electroanalysis (Galway (Ireland), 2004); VII Всероссийской научной конференции "Аналитика Сибири и Дальнего Востока" (Новосибирск, 2004).
По материалам диссертации опубликовано 5 статей и 7 тезисов докладов.
Диссертация выполнена при поддержке гранта Минобразования РФ № АОЗ-2.11-795 "Исследование связи между окислительной способностью и антиоксидантной активностью лекарственных препаратов".
Объем и структура диссертации.
Диссертационная работа изложена на 168 страницах, содержит 36 таблиц, 35 рисунков и библиографию из 155 наименований. Работа состоит из введения, шести глав, обсуждения результатов, выводов, списка литературы и приложений.
Во введении раскрыта актуальность темы, определены цели и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе приведен литературный обзор, характеризующий возможности вольтамперометрии и квантово-химических расчетных методов в исследовании электрохимических и антиоксидантных свойств органических соединений.
Во второй главе рассмотрены теоретические закономерности двух последовательных электрохимических реакций в вольтамперометрии для обратимого электродного процесса на твердых электродах, предложен способ оценки коэффициентов диффузии и константы диффузионного тока исследуемых веществ. Исследованы зависимости между расчетными квантово - химическими и экспериментальными электрохимическими параметрами ряда производных карбазола и антипирина.
В третьей главе описаны условия эксперимента, способы приготовления растворов и электродов, представлены данные об используемом оборудовании и объектах исследования.
Четвертая глава посвящена исследованию электроаналитических свойств производных антипирина, бенздиазепина и антипириламида.
В пятой главе представлены результаты определения антиоксидантной активности изучаемых соединений.
В шестой главе разработана методика количественного химического определения антипириламида стеариновой кислоты, определены ее метрологические характеристики.
Механизмы окисления и восстановления некоторых органических соединений
Одним из главных направлений развития современной электроаналитической химии является разработка эффективных методов исследования и анализа органических соединений. Исследования в этом направлении имеют теоретическое и практическое значение для дальнейшего поиска наиболее эффективных путей осуществления аналитических определений. Электрохимические методы определения характеризуются низким пределом обнаружения и высокой точностью, избирательностью, экспрессностью, а так же помогают в изучении электрохимических свойств веществ.
В последнее время интерес к электрохимии органических соединений постоянно растет. Установлено, что обычно происходит окисление хемисорбированных молекул органического вещества кислородосодержащими соединениями. В некоторых случаях окисление протекает по электронному механизму. Сущность этого процесса заключается в том, что органическое вещество, адсорбируясь на поверхности анода, отдает электроны с одновременной или предшествующей дегидратацией. Дальнейшие превращения радикала определяются его реакционной способностью [5]. Имеющиеся до настоящего времени сведения по анодному окислению различных органических веществ пока сравнительно трудно систематизировать. Большинство литературных источников направлено на исследование конкретных процессов. В частности, в литературе имеются данные об изучении электрохимических свойств некоторых производных пиразола. Интерес ко многим соединениям данного класса объясняется их применением в промышленности и сельском хозяйстве, а также биологической и аналитической важностью. Производные пиразола традиционно привлекают внимание в качестве лекарственных средств, красителей и анестетиков. Производные пиразола - гетероциклические соединения, содержащие два атома азота в кольце. Реакции электрохимического окисления и восстановления большинства ароматических азотсодержащих гетероциклов протекают, в общем, так же, как и в ряду ароматических углеводородов. Однако азотсодержащие соединения окисляются и восстанавливаются легче соответствующих углеводородов. И анодные, и катодные реакции могут быть обратимыми. Анион-радикалы азотсодержащих гетероциклов, как и углеводородов, часто более стабильны, чем катион-радикалы [1]. Ядро пиразола устойчиво к анодному окислению [1]. 3,5-Диметилпиразол, а также 1-фенил-З-метилпиразол электролитически могут быть окислены до пиразол-3-карбоновой кислоты: Кроме того, при электролизе замещенных пиразолонов наблюдается реакция окислительной димеризации. 1-Фенил-3-метилпиразолон-5 образует смесь: 4-метил-3,4-метилен-бис-1,Г-фенилпиразолона-5,5 и бис-1-фенил-З-метилпиразолона-5: Все исследованные вещества окислялись необратимо на платиновом электроде при потенциалах от + 1.5 до + 1.7 В в среде ацетонитрила. Как отмечают авторы, для данных соединений возможны 3 пути процесса окисления: 1. окисление амино-группы, присоединенной к кольцу пиразола (аналогично окислению первичных аминов), путем отдачи двух электронов с образованием дикатиона и последующей депротонизацией, в результате которой образуется катион имина, где положительный заряд делокализован на кольце пиразола. Катион имина в растворе стабилизирован перхлорат-анионом фонового электролита с образованием перхлората имино пиразолония; 2. окисление самого кольца пиразола путем двухэлектронного переноса с образованием соответствующего дикатиона, который в растворе стабилизирован комбинацией с двумя перхлорат-анионами фонового электролита; 3. реакция циклизации [7], которая заключается в образовании катион-радикала и его последующем воздействии на неокисленное кольцо или реакции соединения радикалов, и, как следствие, образование димерных продуктов. Подобный механизм предложен в работе [8] для анодного синтеза некоторых азотсодержащих гетероциклов. Для 3-бензоил-1-фенил-4-циано-5-аминопиразола и его производных авторами [6] предложен двухэлектронный механизм окисления с образованием дикатиона и последующей его депротонизацией, в результате которой образуется новое кольцо 1,3-имидазола, согласно следующей схемы.
Исследование взаимосвязи между квантово-химическими параметрами и потенциалами окислении ряда карбазолов
При взаимодействии свободных радикалов с молекулой ненасыщенного липида происходит образование липидных радикалов (1.2.1.1), которые практически мгновенно реагируют с находящимся в среде окисления 02, образуя активные гидроперекисные радикалы (1.2.1.2). Эти радикалы окисляют новые молекулы липидов с образованием липидных гидропероксидов (1.2.1.3), которые, будучи крайне нестойкими соединениями, спонтанно или при участии ионов железа и меди разлагаются с образованием радикалов (1.2.1.4). А они, в свою очередь, - окисляют следующую молекулу липида (1.2.1.5).
В результате этих процессов количество свободных радикалов растет лавинообразно, вовлекая в реакцию все новые и новые молекулы. В живых клетках существует совершенная система антиоксидантной защиты, регулирующая процессы образования свободных радикалов и ограничивающая накопление в клетках, как самих свободных радикалов, так и токсичных продуктов, которые образуются в результате их деятельности. Проблемы начинаются, когда свободных радикалов становится слишком много. Неблагоприятные факторы окружающей среды провоцируют в клетках неконтролируемый рост числа свободных радикалов. Их образуется сразу так много, что естественная антиоксидантная система организма «захлебывается» лавиной свободных радикалов, не успевая их обезвреживать и приводя к оксидативному стрессу [39].
В настоящее время научно доказано, что изменения в биологических мембранах, которые происходят под действием свободных радикалов, являются причиной развития многих заболеваний [33, 36, 38]. Клеточная мембрана не только механически ограничивает содержимое клетки от внешней среды, но и выполняет множество жизненно важных функций. Именно через мембрану осуществляется связь клетки с другими клетками и организмом в целом. Через мембрану в клетку активно поступают необходимые для ее жизни молекулы и удаляются отработанные продукты. Повреждение даже небольшого участка мембраны приводит к значительным нарушениям в нормальном метаболизме, а затем и к смерти клеток. Кроме того, избыточное окисление липидов приводит к резкому нарушению физико-химической структуры мембран, вплоть до полного их разрыва.
Учитывая, что АФК, а также первичные и вторичные продукты перекисного окисления липидов способны оказывать мощное повреждающее действие на биомембраны и молекулы жизненно важных биополимеров (таких как белки и нуклеиновые кислоты), в организме существуют регуляторные механизмы, ограничивающие накопление высокотоксичных свободнорадикальных интермедиатов (антиоксидантный статус организма). Выделяют 3 уровня антиоксидантной защиты в организме [39].
Первый уровень защиты предусматривает возможность детоксикации потенциально опасных АФК с участием ферментативных антиоксидантов -супероксиддисмутазы (СОД) и каталазы. Каждый из них конкретно направлен на устранение одного из опасных инициаторов или продуктов перекисного окисления: СОД катализирует реакцию дисмутации супероксидного ион-радикала в перекись водорода, которая весьма быстро и эффективно обезвреживается каталазой с образованием воды.
Второй уровень защиты осуществляется, главным образом, жирорастворимыми АО, встроенными непосредственно в структуру липидного биослоя мембран. Основным из них считается а-токоферол (витамин Е), поскольку только он может содержаться во всех липопротеиновых частицах, а-токоферол функционирует как «ловушка радикалов», перехватывая неспаренный электрон у перекисных радикалов липидов, и образуя при этом а-токоферильный радикал. Хотя указанный радикал малоактивен, тем не менее, как стало ясно в последние годы, накопление этих радикалов в клетке отнюдь не безобидно, поскольку они в определенных условиях сами могут играть роль промотора свободнорадикальных процессов. Однако в организме активно функционирует система биорегенерации витамина Е: витамин С и убихинон Qio, взаимодействуя с радикалом а-токоферола, способны восстанавливать его, возвращая ему АО свойства. Действие а-токоферола и убихинона состоит также в инактивации 0"2, НО" 2 и наиболее агрессивного из АФК -ОН -радикала.
Третий уровень антиоксидантной защиты может быть представлен глутатион-зависимыми ферментами (S- и Se-содержащие GSH-пероксидазы), которые способны восстанавливать нестойкие органические гидропероксиды, включая гидропероксиды ненасыщенных жирных кислот, в стабильные соединения - окси-кислоты, а также, подобно каталазе, способны утилизировать Н2Ог.
Наличие упомянутых АО механизмов, эволюционно выработанных и генетически закрепленных, предотвращает развитие в организме цепных реакций свободнорадикального окисления в обычных условиях жизнедеятельности [30]. Однако, в случае недостаточности собственной антиоксидантной системы важную роль играет введение антиоксидантов извне. Выделяют две группы антиоксидантов - природные и синтетические АО, в структуре молекул которых содержатся функциональные группы, легко принимающие участие в радикальных и окислительно-восстановительных реакциях [40]. Биологическая эффективность АО определяется особенностями их химической структуры и, в первую очередь, наличием гидрокси- или аминоароматических группировок, что обусловливает их участие в регуляции процессов ПОЛ.
Наименьшей токсичностью обладают природные антиоксиданты, из них особое внимание привлекает обширная группа фенольных АО, прежде всего кумаринов, флавоноидов, нафтахинонов. Особенности антиоксидантного действия этих веществ состоят в том, что они могут инактивировать не только радикалы перекисного окисления липидов, но и активные кислородные радикалы.
Электроаналитические свойства антипирина и его галогенпроизводных
Таким образом, совокупность атомных орбиталей (ао) %( является физически наглядным базисом для построения молекулярной волновой функции ф„. Основное требование к базисному набору ао заключается в том, чтобы он мог достаточно точно передать распределение электронной плотности в молекуле, т.е. базис должен быть достаточно сбалансированным. К сожалению, на практике выполнить это условие бывает трудно. Атомные орбитали хорошо аппроксимируют распределение электронной плотности в изолированных атомах, но их использование при расчетах волновых функций молекул может приводить к погрешностям, связанным с неспособностью передать некоторые особенности изменения электронного распределения при образовании валентных связей. Поэтому в случае молекул приходится расширять атомные базисные наборы %, путем включения в них дополнительных функций.
На практике обычно пользуются как полуэмпирическими, так и неэмпирическими методами [136]. Они различаются методикой вычисления матричных элементов, описывающих взаимодействие электронов между собой и электронов и атомных ядер. В полуэмпирических методах для этой цели используются приближенные эмпирические формулы и известные из эксперимента параметры атомов (потенциалы ионизации атомов в орбитальных валентных состояниях и др.). Полуэмпирические расчеты в настоящее время чаще всего проводят в валентных приближениях полного и частичного пренебрежения дифференциальным перекрыванием (ППДП и ЧПДП, соответственно), а также пренебрежения двухатомным дифференциальным перекрыванием (ПДДП) [137].
В перечисленных выше приближениях волновые функции рассчитывают только для валентных электронов, а электроны внутренних оболочек включают в остов молекулы; используют минимальный слейтеровский базис; пренебрегают некоторой частью матричных элементов кулоновского взаимодействия электронов. Последнее допущение является наиболее существенным, так как оно позволяет значительно упростить расчет. Однако точность расчета при этом заметно снижается, это удается частично компенсировать за счет удачного подбора параметров [138].
В неэмпирических методах все матричные элементы взаимодействия электронов и атомных ядер и электронов между собой вычисляются с помощью аналитического расчета необходимых интегралов в некотором базисе ао. Таким образом, все неэмпирические квантово-химические методы являются в большей или меньшей степени приближенными и их результаты очень сильно зависят от выбора базиса. Увеличение числа базисных функций обычно позволяет точнее передать распределение электронной плотности в молекулах и его изменение в ходе химических реакций. Желательно расширять базис до выхода на хартри-фоковский предел, когда дальнейшее увеличение числа базисных орбиталей не влияет на полученные результаты. Однако сделать это удается лишь для простейших молекул. Для более сложных соединений приходится идти на компромисс между точностью расчета, с одной стороны, и затратами машинного времени (стоимостью расчета, возможностями современных ЭВМ) - с другой. Поэтому при изучении таких соединений приходится ограничиваться базисами среднего и даже минимального размеров, но тогда в расчет вносится значительный элемент произвола и теряется его универсальность, т.е. оказывается, что различные параметры молекул нужно рассчитывать в разных базисах [132].
Кроме того, использование приближения Хартри - Фока (метода ССП) также может вносить немалую ошибку в результаты расчета. В этом приближении вероятность найти электрон в некоторой точке пространства не зависит от местонахождения других электронов, распределение в пространстве которых задано одноэлектронными волновыми функциями. В результате двум электронам с одинаковыми спинами не запрещено занимать одну и ту же точку пространства. В действительности электроны с одинаковыми спинами стремятся избежать находиться не только в одной точке пространства, но даже близко друг от друга. Другими словами, электроны движутся зависимо, т.е. их движение носит коллективный характер. Пренебрежение этим эффектом, который принято называть электронной корреляцией, приводит к существенному завышению энергии взаимодействия электронов и, как следствие, завышению полной энергии молекулы.
Учет электронной корреляции является весьма трудоемкой задачей, требующей очень больших затрат машинного времени. Для этой цели в настоящее время чаще всего используют различные варианты метода конфигурационного взаимодействия, теории возмущений или метода электронных пар.
К сожалению, многие квантово-химические методы, которые лучше обоснованы с теоретической точки зрения, на практике дают плохие результаты и поэтому не применяются, а более грубые модели с удачно подобранными параметрами широко используются. Это связано с тем, что в любом квантово-химическом методе сделано достаточно много различных приближений. В некоторых методах ошибки, к которым приводят эти приближения, частично компенсируют друг друга и в результате получается хорошее согласие с экспериментом. Сказать заранее, будет или не будет иметь место такая компенсация, нельзя, поэтому выяснить область применения и охарактеризовать точность каждого конкретного метода можно лишь на основе численного эксперимента и систематизации опубликованного расчетного материала.
Антиоксидантные свойства антипирина и его галогенпроизводных
Большинство прикладных квантово-химических работ связано с вычислением геометрии органических соединений, которое сводится к расчету полной энергии молекулы как функции ее варьируемых структурных параметров (длин связей и валентных углов) и нахождению минимума энергии [139]. Такие расчеты проводят как для стабильных молекул, так и для короткоживущих интермедиатов и переходных состояний. Так в работе [140] при помощи методов ab initio в базисе 6-31G и теории функционала плотности рассчитаны геометрические параметры 1,4-нафтохинона, его радикала и анион-радикала. Отмечено, что электронная плотность неспаренного электрона сосредоточена не только в хинонной части молекулы, т.е. геометрические параметры обоих колец находятся под влиянием дополнительного электрона.
При изучении реакционной способности органических соединений квантово-химическими методами могут быть использованы различные подходы. Наиболее простым из них является расчет так называемых индексов реакционной способности. В качестве индексов обычно используют заряды на атомах, порядки связей, энергии граничных МО (верхняя занятая и нижняя вакантная МО соединения), квадраты коэффициентов разложения граничных МО по базису ао (парциальные электронные плотности) и т.д.
Индексы реакционной способности характеризуют энергию межмолекулярных взаимодействий для достаточно удаленных друг от друга реагентов. Для некоторых реакций она количественно связана со свободной энергией активации, т.е. с увеличением энергии взаимодействия между реагентами свободная энергия активации уменьшается.
Энергию межмолекулярного взаимодействия при сближении реагентов можно условно разбить на вклады трех типов: кулоновские, орбитальные и стерические. Энергия кулоновского взаимодействия зависит от распределения электронной плотности или от зарядов на атомах реагентов. Поэтому для некоторых реакций удается найти корреляцию между зарядами на атомах и выходом конечных продуктов реакции. Так, нуклеофильные реагенты (атакующий центр заряжен отрицательно) присоединяются преимущественно к атомам, на которых локализованы большие положительные заряды, а электрофильные (атакующий центр заряжен положительно), наоборот, - к атомам, на которых локализованы большие отрицательные заряды.
При использовании зарядов на атомах для изучения реакций, которые идут в одну стадию или у которых первая стадия определяет направление и выход конечных продуктов, достаточно рассчитать электронную структуру исходных реагентов и провести корреляцию между вычисленными зарядами на атомах и направлением реакции. Такие работы хорошо известны. В частности, так обычно объясняют влияние заместителей на направление реакций нуклеофильного и электрофильного замещения ароматических соединений. Однако для большинства реакций подобные корреляции провести не удается. Иногда можно найти корреляцию между электронным строением интермедиата, который образуется на одной из элементарных стадий, и выходами конечных продуктов реакции. В этом случае квантово-химические расчеты приходится проводить для различных метастабильных промежуточных продуктов и отбирать из них интермедиаты, электронная структура которых позволяет объяснить экспериментально наблюдаемое направление реакции [132].
Под термином «орбитальное взаимодействие» понимают взаимодействие между молекулярными орбиталями реагентов при их сближении. Стабилизация системы X...Y за счет орбитального взаимодействия любых пар МО обратно пропорциональна разности их энергий, т.е. чем дальше друг от друга лежат орбитали на шкале энергий, тем слабее они взаимодействуют. Поэтому на практике обычно пользуются приближением граничных орбиталей, т.е. учитывают взаимодействие лишь между двумя МО, для которых разность энергий минимальна. В этом приближении энергия орбитального взаимодействия зависит от энергий граничных МО и от коэффициентов разложения этих МО по базису ао. Любую из этих величин можно использовать в качестве индекса реакционной способности. Так в работе [141] исследованы механизмы электрохимического окисления карбазола и его производных. Проведены квантово-химические расчеты квадратов коэффициентов разложения при ао для высшей занятой МО (ВЗМО), которые позволили выявить наиболее активные положения в структуре исследуемых соединений и предположить продукты соединения. Числа, показанные ниже - значения с для ВЗМО, занятых одним электроном для карбазола и 3-аминокарбазола; видно, что квантово-химические расчеты предсказывают значительные изменения в реакционной способности:
При поиске корреляций между индексами реакционной способности и выходами продуктов реакции необходимо располагать достаточно большим материалом для сравнения. Если имеются данные лишь для 5-7 родственных соединений, то статистическая вероятность сделать ошибочное заключение будет очень велика. Кроме того, при поиске корреляций между результатами квантово-химических расчетов для газофазных моделей и данными эксперимента, полученными в растворе, необходимо помнить, что растворитель очень сильно меняет электронную структуру ионов, при этом наиболее значительно меняются энергии МО.
Индексы реакционной способности весьма широко применяются в прикладной квантовой химии, однако с их помощью можно решать лишь весьма ограниченный круг вопросов. В некоторых случаях расчет индексов реакционной способности позволяет объяснить экспериментально наблюдаемые результаты и сделать некоторые предсказания, но для большинства органических реакций этот подход непригоден.