Содержание к диссертации
Введение
1. Электронное и пространственное строение амидов, тиоамидов, сульфонамидов 11
1.1. Стереохимичсские особенности амидпой группы 11
1.1.1. Универсальная роль амидного фрагмента 11
1.1.2. р,тг-Сопряжение и конфигурация атома азота 12
1.1.3. Стереохимическое управление амидами 14
1.2. Методы изучения строения амидов и тиоамидов 16
1.2.1. Эффективность метода ИК спектроскопии 17
1.2.2. Квантовохимические методы 20
1.2.2.1. Возможности неэмпирическихметодов 20
1.2.2.2. Обоснованность применения полуэмпирических методов 22
1.3. Стерсохимические особенности элсмснтоорганичсских амидов 24
1.3.1. Si-, Ge-Содержащие амиды 24
1.3.2. Si-, Ge-Ацетиленовые амиды 28
1.3.3. Фторсодержащие амиды 30
1.4. Электронное и пространственное строение гидразидов 33
1.5. Некоторые особенности строения тиоамидов 38
1.6. Стереохимичсские особенности сульфонамидов 41
1.6.1. Актуальность изучения 41
1.6.2. Электронное строение сульфоиовой группы 43
1.6.3. Особенности строения сульфонамидов 44
1.6.4. Сопряжение с участием сульфоиовой группы 47
1.6.5. Влияние фтора на строение сульфоновых соединений 48
1.7. Водородные связи и донорно-акцепторпые взаимодействия 51
1.7.1. Структурно-образующая роль водородной связи 51
1.7.2. Экспериментальное изучение водородной связи 52
1.7.3. Теоретическое изучение водородной связи 57
1.7.4. Влияние водородной связи на строение сложных молекул 59
1.7.5. Кооперативные эффекты водородного связывания в амидах 61
1.7.6. Донорно-акцепторные взаимодействия 63
1.7.7. Протонирование амидов, тиоамидов, сульфонамидов (теоретическое и экспериментальное изучение) 66
2. Влияние элементоорганических и органических заместителей на строение амидов 73
2.1. Фторсодержащие амиды 74
2.1.1. Амиды фторкарбоновых кислот 74
2.1.2. Амиды пентафторбензойной кислоты 79
2.1.3. Донорно-акцепторные взаимодействия 82
2.1.3.1. Спектроскопическая основность 82
2.1.3.2. Взаимодействие с сильными кислотами 84
2.1.3.3. Взаимодействие с электронодоиорами 86
2.2. Фтораиилгидразины 87
2.2.1. Зависимости «спектр-структура» 87
2.2.2. Влияние N -Ph-замещения 95
2.2.3. Влияние пентафторфенилыюй группы 98
2.2.4. Водородные связи и донорно-акцепторные взаимодействия 100
2.2.4.1. Водородные связи в гидразидах Rf.CONHN(CH^2 100
2.2.4.2. Водородные связ и в гидразидах КрСОИСН^НСНз 103
2.2.4.3. Водородные связи в гидразидах RfCONHNHCHj и RfCONCII3NH2 107
2.2.4.4. Взаимодействие с протонодоноралш 109
2.3. Взаимодействие епгидразмдов с протонодонорами 113
2.4. Амиды триметилсилилпропиоловой кислоты 117
2.4.1. Нарушение р,ті-сопряжения 117
2.4.2. Коиформационныс превращения 120
2.4.3. Влияние N-арилзамещения 123
2.4.4. Влияние внутримолекулярной водородной связи 124
2.4.5. Донорно-акцепторные взаимодействия 129
2.4.5.1. Взаимодействие с электронодонорами 129
2.4.5.2. Взаимодействие с протоподонорами 13 2
2.5. Строение Ge-содержащих амидов 135
2.5.1. Эффект атома Ge 135
2.5.2. Относительная основность 138
2.5.3. Внутримолекулярные водородные связи 139
2.6. Строение 1Ч-(2,2,2-трихлор-1-гидроксиэтил)амидов 141
2.7. Общие зависимости «спектр—структура» 146
3. Электронное и конфигурационное строение функционализированных тиоамидов 150
3.1. С,гЧ-Аллилыюе и С,ІЧ-пропснилміое замещение 150
3.1.1. Геометрические изомеры 150
3.1.2. Конкурентные виды сопряжения 154
3.2. Влияние винилоксигруппы 159
3.2.1. ГчГ-[2-(Винилокси)этил]тиоамиды 159
3.2.2. Ы-Замсщснные-проп-2-ентиоамиды 162
3.2.3. 1-Алкокси-Ы-[2-(винилокси)этил]-карбамотиоаты 167
3.2.4.0-(Фторалкил)Ы-[2-(винилокси)этил]карбамотиоаты 170
3.2.5. [2-(Винилокси)этил]карбамодитиоаты и -тиомочевины 172
3.3.1.3-Оксазолидин-2-тион и -2-он 175
4. Стереохимические особенности функционализированных сульфонлмидов 178
4.1. Влияние внутримолекулярных водородных связей 178
4.1.1. Синергизм Н-связи и сопряжения 178
4.1.2. Зависимости «спектр-структура» 183
4.1.3. Конфигурационные превращения 186
4.1.3.1. Конфигурационные превращения в амидном фрагменте 187
4.1.3.2. Конфигурационные превращения в сульфонамидной группе 190
4.1.4. Гетероциклические сульфонамиды 192
4.1.5. Кооперативное усиление Н-связсй 196
4.1.6. Смежные сульфонамидная и амидная группы 200
4.2. Влияние фторалкильных заместителей 203
4.2.1. Взаимодействие с электронодоиорами 203
4.2.2. Взаимодействие с протонодонорами 207
5. Экспериментальная часть 212
5.1. Объекты исследования 212
5.2. Подготовка проб для анализа и регистрации ПК спектров 213
5.3. Методические приемы 215
5.4. Использованные методы расчетов и интерпретации 216
Выводы 219
- Методы изучения строения амидов и тиоамидов
- Стереохимичсские особенности сульфонамидов
- Кооперативные эффекты водородного связывания в амидах
- Фтораиилгидразины
Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из актуальных задач стереохимии является изучение структуры амидов, тиоамидов, сульфонамидов, амби-дентных N-, О-, S-донорных лигандов, что обусловлено их важной ролью в живой природе, использованием для получения биополимеров, нанотрубок, ротаксанов, суперлекарств. Фунщионализация амидов, введение элементоорганических заместителей радикально изменяют их реакционную способность. Усложнение структуры биоактивных молекул выдвигает необходимость поиска новых надежных критериев строения и оперативных методологических приемов их определения.
Экономичный, экспрессный, высоко воспроизводимый метод ИК спектроскопии адекватно отражает специфику амидпого фрагмента, р,тг-соп-ряжение, гибридизацию атома азота, пленарные нарушения, донорно-ак-цепторные свойства (Д-А). Однако имеющаяся в настоящее время спектро-структурная база устарела, недостаточна для идентификации сложных молекул амидов с несколькими типами меж- и внутримолекулярных специфических взаимодействий и не раскрывает уникальные стереохими-ческие возможности амидного фрагмента.
Поэтому в настоящей работе методами ИК спектроскопии и квантовой химии на основании системного подхода проведено изучение строения амидов с элементооргаиическими Si-, Ge-, F-c одержати ми заместителями, их изоэлектрониых аналогов тиоамидов и аллостеричных им сульфонамидов. Многофакторный анализ позволяет получить актуальные зависимости «спектр-структура», на основании которых можно устанавливать молекулярное подобие, выявлять конфигурационные нарушения в амидном фрагменте, прогнозировать спектральное поведение соединений при целенаправленном синтезе, определять изменение стереохимической доступности неподелеиной электронной пары (НЭП) атома азота и учитывать это при изучении реакционной способности.
Работа выполнена в ИрИХ СО РАН им. Л. Е. Фаворского в рамках плана НИР по теме "Изучение эффектов конформационного строения, внутри- и межмолекулярного взаимодействия полифункциональных сопряженных систем и гетероциклических соединений методами ИК, УФ, ЯМР спектроскопии и квантовой химии"; как части проектов РФФИ Гранты № 93-03-18400, 93-03-32915а, 97-03-33132а, 99-03-33057,03-03-33143, МНТЦ (2001-2003 гг.).
Цель работы. Разработка новой методологии получения зависимостей «спектр-структура» для функционализированных амидов, тиоамидов, сульфонамидов с элементоорганическими Si-, Ge-, F-содержащими и органическими заместителями, позволяющей оперативно устанавливать молекулярное подобие и конфигурационное строение атома азота любых амидных соединений.
Задачи исследования:
На основании системного подхода «стандартизованный эксперимент— анализ Д-Л взаимодействий—моделирование структуры—корреляционный анализ» получение критериев влияния одинаковых факторов стерео- химического воздействия на амидиую, тиоамидную, сульфонамидную группы.
Получение практически значимых зависимостей «спектр-чггруктура», позволяющих устанавливать молекулярное подобие и определять стереохимии- ческую доступность НЭП атома азота в амидах, тиоамидах, сульфонамидах.
Создание прогностической модели спектрального поведения, Д-А свойств, типов ассоциаций амидов, тиоамидов, сульфонамидов под влиянием элсментоорганических Si-, Ge-, F-содержащих, непредельных заместителей, а также внутримолекулярной водородной связи (ВВС).
Научная новизна и практическая значимость работы:
Результаты исследования представляют актуальное направление в стереохимии амидов, устанавливают новые закономерности электронного и конфигурацион ного строения Si-, Ge-, F-содержащих амидов, функционал изированных тиоамидов и сульфонамидов, расширяют возможности метода ИК спектроскопии.
Разработана практически значимая новая методология получения зависи мостей «спектр-структура», позволяющая экспрессно определять конфигураци онное строение атома азота амидного, тиоамидного, сульфонамидного фрагментов без привлечения затратных методов.
Зависимости «спектр-структура» для амидов, тиоамидов позволяют прогно зировать спектральное поведение функционализированных производных, сте- реохимическую доступность атома азота, Д-А свойства и типы ассоциатов. При нарушении плоскостного строения амидного и тиоамидного фрагментов эти зависимости имеют общий характер с сульфопамидными корреляциями и означают одинаковую структурную организацию амидного остова.
Разработанный подход носит универсальный характер, поскольку обнаруженные спектроструктурные признаки являются общими и совместимыми параметрами для функционализированных амидов.
Показано, что конкурирующие виды сопряжения с участием ненасыщенных групп- определяющие факторы нарушения плоскостного строения амидного и тиоамидного фрагментов и реализации Д-А свойств, отличающих их от обычных амидов, что необходимо учитывать при изучении реакционной способности.
Создана и используется на практике новая система спектроскопических данных, издано два справочных сборника по ИК спектрам амидов и гидрази-дов, подготовлен вариант спектральной базы данных к публикации в INTERNET, сформирован блок спектроструктурных параметров для построения актуальных зависимостей «структура-биологическая активность» для аренсульфонамидов (75 соединений) и кремнеацетиленовых амидов (50 соединений).
Личный вклад автора заключается в самостоятельном анализе проблемы, осуществлении эксперимента, расчетов, интерпретации, обобщении результатов, разработке методологии. Данные совместных исследований согласованы с соавторами.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается воспроизводимостью, контролем данных методами РСА, ЯМР, КР, элементного анализа, применением метрологически аттестованных средств измерения.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
Разработана новая методология получения актуальных зависимостей «спектр-структура», выявлены критерии конфигурационного строения атома азота и взаимодействия вицинальных НЭП.
Зависимости являются универсальными, позволяют устанавливать молеку лярное подобие любых амидных систем, прогнозировать спектральное поведе ние, Д-А свойства и расширяют представления о стереохимических возмож ностях соединений. Результаты являются фактической и теоретической базой для дальнейшего развития стереохимии амидов, тиоамидов, сульфонамидов.
Апробация работы. Результаты работы представлены на следующих международных, всесоюзных и российских конферсіщиях: Всесоюзная конференция по химии фторорганических соединений (Одесса, 1978, Ташкент, 1980, Звенигород, 1986); Всесоюзный семинар "Вігутримолекулярное взаимодействие между гетероатомом и кратной связью" (Иркутск, 1978, 1980); X International Symposium (Venice, 1980); European congress on molecular spectroscopy (Sofia, 1983, 1989, 1991); Юбилейная конференция по химии фтора (Пермь, 1984); V Конференция по химии и физикохимии олигомеров "Олигомеры-94" (Черноголовка, 1994); 19 Конференция по химии и технологии органических соединений серы (Казань, 1996); International Symposium on Organic Chemlctry of Sulfur (Japan, 1996, 1998); Конференция no карбонильным соединениям в синтезе гетероциклов (Саратов, 1996); ISPM-IV Международный симпозиум по химии и применению фосфор-, серо- и кремнеорга-нических соединений (Санкт-Петербург, «Петербургские встречи», 2002).
Публикации. По теме диссертационной работы издано два сборника ИК спектров амидов и гидразидов с обзорами, 39 научных статей в отечественных и иностранных журналах, 16 тезисов, один патент на изобретение.
Структура її объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, главы 1 - литературный обзор по проблемам стереохимии амидов, тиоамидов. сульфон-амидов, главы 2 - обсуждение собственных результатов исследования Si-, Ge-, F-содержащих амидов, главы 3 —обсуждение результатов исследования функционали-зировапных тиоамидов, главы 4 - обсуждение результатов исследования функциона-лизированных сульфонамиидов, главы 5 -оксперимеї палы гая часть, выводов, списка литературы (416 наименований). Работа изложена на 220 стр. без литературы, содержит 50 рисунков, 62 таблицы.
Объекты и методы исследования. Все соединения синтезированы сотрудниками ИрИХ СО РАН: Медведевой Е. И., Сафроновой Л. П., Медведевой Л. С, Андреевым М. В., Деминой М. М., Кейко Н. А., Степановой Л. Г., Волковой Л. И., Дмитриевой Л. Л., Недолей Н. А., Никитиной Л. И., Шляхтиной Н. И., Ивановой Н. И., Амосовой С. В., Шатун. Л. Г., Левковской Г. Г., Розенцвейгом И. Б., Розенцвейг Г. R, Мирсковой А. К, Кондрашовым Е. В., Розиновой Л. Г. за что автор выражает признательность. Использован метод ИКС как наиболее экспресс-сный, визуальный, адекватный задачам, квантовохимические расчеты B3LYP/6-31 lG++(d,p), HF/6-31G(d,p), AMI, РМЗ, Hyper Chem6, корреляционный анализ по программе Master Diagram Excel, высоко- и низкотемпературные установки, PC А. Большая благодарность первым учителям профессорам Фролову Ю. Л. и Лопыреву В. А., а также Чипаниной Н. Н. Исключительно важной в решении обобщить полученные результаты является поддержка академиков Трофимова Б. А. и Воронкова М. Г.
Методы изучения строения амидов и тиоамидов
Ниже приведены обоснования и примеры эффективного применения методов ИКС и квантовой химии для изучения амидов, что позволяет использовать их для решения нетривиальных задач, поставленных в диссертации. Метод ИКС фиксирует любые изменения колебаний и длин связей, что позволяет сопоставлять электронное и геометрическое строение структур-ноподобных молекул. Метод способен различать не только типы ассоциатов (МВС, ВВС), но и регистрировать процессы протонирования, таутомерии, комплексообразования, инверсии, дейтерирования, изменение сопряжения и влияние индуктивных эффектов, изменение фазового состояния, влияние растворителя, определять энтальпию любой равновесной реакции и конфор-мациопных переходов [1, 8, 19-21]. В ИКС регистрируются полосы поглощения, описывающие строение всей молекулы сразу, в то время как другие спектральные методы дают лишь единственную полосу (сигнал, рефлекс, резонансный пик) с усредненным положением. Сравнительная оценка временной шкалы для физико-химических методов следующая: В соответствии с теорией колебательных спектров, строение молекул можно анализировать не только по характеристичным колебаниям с частотой v = \l2x-jklm (см 1), где к = V/br - силовая постоянная связи, вторая производная потенциальной энергии по координате; т — приведенная масса, но и с использованием групповых колебаний функциональных групп. Строго характеристичными по частоте и по форме считаются только колебания Х-Н. В сложных молекулах г заменяют на составную координату q, описывающую совокупное колебание. Для большинства структур, например, типа 0=С—NH, 0=С-С=С, 0=С-0, влияние внутримолекулярных факторов, воздействующих на характеристические частоты (резонанс Ферми, сопряжение, кинематическое взаимодействие и др.) достаточно хорошо изучены, сформулированы некото- рые правила, позволяющие проводить анализ строения по регистрируемым частотам внутри одного ряда [1, 8, 20, 21]. В частности, для амидной группы фазы изменения колебаний С=0, C-N противоположны при воздействии одного и того же стереохимического фактора. Кроме того, взаимные вклады в эти колебания строго определены на основании колебательных расчетов и моделей.
Поэтому изменения параметров колебаний С=0, C-N, NH адекватны строению амидного фрагмента, традиционно используются дла анализа внутримолекулярных эффектов, для получения эмпирических зависимостей и выявления структурных аномалий [19, 20-22], что нашло отражение в ряде монографий [1, 8, 23], которые, однако, давно не обновлялись. Экспериментальная интерпретация спектров может быть дополнена нормально-координатным анализом, включающим решение классической механической задачи при определении вида функции потенциальной энергии, обычно в поле валентных сил [1, 21, 22]. Колебательные расчеты частот и интенсивностей простых амидов, например, CH3CONHCH3, являются исходной базой для анализа ИК спектра сложных молекул [1, 8, 21, 22]. Результаты расчетов соотносятся с экспериментальными спектрами в нейтральном растворителе, например, в ССЬ- На этом основании идентифицируются полосы конкретного типа, присущие, например, только амидным молекулам с точно опредслеными вкладами колебаний, происходящими антифазно (см"1): Для тиоамидов выполнено аналогичное отнесение [23], Анализ силовых постоянных валентных, деформационных колебаний, низкочастотных колебаний при ассоциации, а также температурные измерения в газовой фазе расширяют возможности метода ИКС. Поэтому использование спектроскопических характеристик, как наименее затратных, экспрессспых, наглядных, высоко воспроизводимых и адекватных строению фрагмента CONM (CSNM), весьма оправдано. Причем, структурный анализ можно проводить независимо как по одной (любой) полосе типа Амид, так и в сравнительном режиме по нескольким типам полос Амид и другим колебаниям одновременно. В качестве примера эффективного использования метода можно привести работу [24], где осуществлен корреляционный анализ для разделения полярных, индуктивных, полевых, резонансных и стерических эффектов орто-заместитслей для 22-х замещенных анилидов и пространственно-затрудненных амидов. Анализ проводился по полосе Амид I (vC=0). Метод ИКС удобен для изучения строения изотопомеров амидов на основании торсионных и других типов деформаций [25, 26]. Большие успехи достигнуты в последние годы Дсрендяевым и Пиоттух-Пелецким в моделировании ИК спектров, поиске на их основе универсальных дескрипторов и зависимостей «спектр-структура» для установления подобия молекулярных структур [27]. Появление таких работ свидетельствует о перспективности использования традиционного метода ИКС для решения нетривиальных структурных задач. Возможности метода ИКС для анализа высокоподвижиых амидных систем до конца не раскрыты и не должны ограничиваться упрощенным использованием интервалов частот, что сужает информацию о специфике их строения. Особенно эффективен метод ИКС при анализе полифункциональных молекул с неравноценными группами NH [1, 8, 20, 21], колебания которых строго характеристичны по частоте, по форме и позволяют уверенно различать типы образующихся связей с участием разных групп как в ациклических, так и гетероциклических структурах.
Например, для амидов можно указать несколько вариантов идентификации групп NH (см"1); Метод ЯМР традиционно применяется для исследования амидов, но даже с расширением его возможностей (DEPT, методика HETCOR, гстероядерный E.COSY, NOESY, TOCSY, CORR, INEPT, HMBCGP эксперимент и др. ) для амидов, их комплексов, протонированных форм существуют некоторые ограничения в виде размытого сигнала протонов NH [28, 29]. Только при низких температурах удается разрешить эти сигналы. В то же время, методом ИКС возможно определение неравноценности групп NH и NH2, например, при образовании комплексов с протоноакцепторами [30]. Аналитические возможности метода ИКС и высокая информативность в изучении стереохимияеских особенностей амидов очевидны. Вполне оправданы усилия при получении корреляций «спектр-структура», не уступающих по предсказательности другим методам. Именно поэтому национальной химической лабораторией Японии при обсуждении вопроса о создании баз данных по различным видам спектроскопии было первоочередным решение о формировании базы данных именно по ИКС. Наличие подобных систематизированных данных позволяет устанавливать эмпирические зависимости изменения свойств соединений от их структуры. Подобный подход находится в русле современного научного направления «количественная связь структура-активность» (Quantitative structure—activity relationship, QSAR) [17]. С перспективой использования полученных результатов именно в приложении QSAR в настоящей работе проводились систематические исследования рядов амидов. 1.2.2. Квантопохимические методы 1.2.2.1. Возможности иеэмпирических методов Развитие расчетных методов позволяет расширить круг теоретических задач от оптимизации структуры молекул до решения вопросов реакционной способности [31]. Компьютерная химия во многом определяет тактику и стратегию эксперимента и становится, наряду с методами ЯМР, ИКС, УФ спектроскопии, тривиальным методом исследования. Так, на основе неэмпирических расчетов HF/6-311++G(d,p) подтверждена резонансная модель амидного фрагмента, найдены барьеры внутреннего вращения относительно связи C-N для формамида 15.6 и тиоформамида 21.0 ккал/моль. Однако, в зависимости от использования либо процедуры zero-point-encrgy (ZPE), либо G2 эти значения для формамида различаются: 15.4 и 16.0 ккал/моль соответственно [11]. В этой связи уместно сравнить данные некоторых геометрических параметров для Ы,Ы-диметилацетамида на основании расчетов ab initio и эксперимента:
Стереохимичсские особенности сульфонамидов
Постоянный интерес к сульфонамидам объясняется широким спектром их физиологической и противобактериальной активности [120, 121]. Синтетический поиск новых соединений стимулирует изучение их строения, физико-химических свойств и нахождение зависимостей, позволяющих их прогнозировать [121]. Так, получены Ы,Ь1-диалкил-Ы,Ы-динитросульфодиамиды с рядом новых свойств, в которых тиазолидиновый цикл имеет твист-конфор-мацию, нитраминные группы ориентированы параллельно средней плоскости гстероцикла, однако торсионные углы SNNO различаются - 19.8 и 21.3 [122]: S02 Среди сульфонамидов выявлен новый класс хиральных соединений на основе оксазиридинов [123]. В [124] осуществлен синтез линейных анну-лярных антрахиноноизатиазол-3-онов, S-оксидов и 5,8-диоксидов, комбинирующих аллостеричные фрагменты — амидный и сульфонамидный-, вследствие чего, следует ожидать необычных стереохимических проявлений: С целью поиска противовоспалительных и антибактериальных веществ были синтезированы замещенные сульфонамиды никотиновой кислоты, строение которых доказано ПМР спектрами [125]. Новые ряды 0,0-диалкил-1-фенил сульфонамидо-1-трифторметил-2,2,2-трифторэтилфосфонатов были исследованы в качестве ингибиторов нейротоксичиой эстеразы мозга, для которых изучено молекулярное строение методом PC А [126]: Большое число сульфонамидов было получено в последние годы в ИрИХ СО РАН авторами серии работ [127-130], например, 1,1-бис(арилсуль-фонамидо)-2,2-дихлорэтаны (ArSOjNirbCHCHC , N-(1 -гидрокси-2,2-ди-хлорэтил)арен сул ьф он амиды ArS02NHCH(OH)CHCl2. Исследования позволили разработать новые методы синтеза N-замещенных биологически активных сс-арилглицинов, Na-соли которых проявляют свойства стимуляторов роста бифидобактерий. Наличие толуольного фрагмента снижает стимулирующее действие соединений. Для амидов типа ArS02NHCH(CCIj)OH(Ar-X) и Аг50з№1СН(СС1з)Аг-Х(0Н) определены частоты ЯКР 35С1, показана неэквивалентность атомов хлора, которую авторы связали с пространственным окружением [130]. Сдвиги протона СИ в спектрах ЯМР сульфонамидных соединений n-X-C6H S02NHCHRCCb коррелируют с индукционными константами заместителей X Гаммета и Тафта. Учитывая, что для этих соединений получены количественные параметры биологической активности, построение зависимостей «структура-свойство», безусловно позволило бы прогнозировать ее и для других производных сульфонамидов, активно синтезируемых авторами.
Однако изучения молекулярной структуры сульфонамидов не проводились, ИК спектроскопическая база не развита, структурные параметры отсутствуют, закономерности влияния заместителей не получены. Анализ литературы показал нарастающий темп синтеза новых структур с фрагментом SO2NH, что обусловлено актуальностью соединений. Для сульфонамидов еще в большей степени, чем для фуикиионализированных амидов, характерно сильное отставание структурных работ от химических аспектов исследований. Это ограничивает представление об их стереохимии, затрудняет идентификацию структуры сложных производных, прогнозирование свойств соединений и их реакционной способности. До настоящего времени нет окончательного мнения о характере связи S-O: является ли она полярной, семиполярной, ковалентной двойной или промежуточной [23]. Это связано с вопросом об участии d-орбиталей атома серы в связывании с другими элементами и с возможностью проявления атомом серы «гипервалентности» в нарушение лыоисовского правила октета [121, 131]. Расчеты в базисах HF/3-21G(d) и HF/6-31G(d) для соединений с SO- и ЗОг-группами говорят о незначительном вкладе d-орбиталей в образование S-0 связи [121]. В работе [132], наоборот, методами STO-3G, STO-3G(d), 3-21G на основании порядков связей и валентного состояния атомов доказана важность вклада d-орбиталсй в гипервалентность атома серы. При анализе эффективности тг-взаимодействия сульфоновой группы с фенильным C6H5SO2F и иентафторфенильным заместителями показано, что во фторированных соединениях это взаимодействие ослаблено [78]. Прилежаевой с сотр. [133] изучены свойства сульфоновой группы методом ИКС на основании комплексообразовапия R-SC OCH с АШгз. Зарегистрированы комплексы двух типов 1:1 и 1:2 с координацией через атомы кислорода, В спектрах комплексов состава 1:1 смещается только полоса vsS02, а для состава 1:2 обе полосы vsS02, v SCb. И хотя сульфоны являются бидентатными донорами, в комплексе состава 1:1 донорная способность второго атома кислорода снижена, поэтому при образовании комплекса 1:2 теплота образования также снижена (с 35 до 22.1 ккал/моль). Делокализация электронов в системе «БОг-я-система заместителей» не наблюдается. Изучение электронного строения групп S=0 в сульфонах и сульфоксиде показало, что сульфоновые атомы О более слабые основания [134]. Из расчетов методом HF/6-31G(d) также следует, что протонирование в газовой фазе метио-ниисульфоиа происходит по атому азота, в то время как для метионин-сульфоксида наиболее выгодна связь протона с группой S=0 [135].
Сочетание пирамидального атома N и группы S02 в молекулах сульфонамидов отражается на физико-химических свойствах соединений. Мульти-ядерная спектроскопия ЯМР, РСА и ИКС традиционно используются для исследования производных сульфонамидов [136, 137]. ИКС и Раман спектры N-метилметансульфонамида и его изотопозамещенного аналога изучены для жидкой фазы, при различных температурах; определены силовые константы связей возможных конформеров на основании расчета силового поля [138]. По данным РСА, ИКС [139], электронной дифракции и квантовохимических расчетов [140, 141] для моно- и дизамещенных производных сульфонамида основными конформациями (вращение вокруг связи S-N) в RS02NRiR2 могут быть три формы, но преимущественной является гош-форма относительно связей S-N и N-C: Следует отмстить, что для исследования строения сульфонамидов методом ИКС весьма эффективно используются не только валентные колебания vNH2, vS02, но и деформационные колебания 5S02 530-450 см"1 [139, 142, 143], что расширяет возможности метода ИКС для их изучения. Поэтому спектральную работу по сульфонамидам [142] следует привести как пример квалифицированного приложения метода ИКС к решению сложных задач и как пример появляющихся работ, на основании которых получена актуальная зависимость «spectra - structure — reactivity». Гораздо меньше сведений о строении сульфоновых производных гидразина. Так, для сульфонилгидразидов RS02NHNH2 [144] зарегистрировано поглощение группы NHNH2 3390, 3311, 3250, а сульфоновый фрагмент проявляется при более низких частотах 1300-1330, 1150 см"1, чем традицион- но наблюдаемые значения [23, 139], однако причины спектроскопических эффектов не анализируются. Весьма некорректны корреляции для ИК спектров аренсульфогидра-зидов щавелевой кислоты X-C6H4S02NHNHCOCONHC6H;, полученных в кристаллическом состоянии (КВг) [145]. Авторы коррелируют частоты VSO2 с а-константами Гаммета ароматических заместителей, не принимая во внимание Н-связывание групп SO2 и NH, которые в такой сложной молекуле могут носить как меж- так и внутримолекулярный характер. Очевидно поэтому коэффициент корреляции невысок г = 0,968, а отдельные точки выпадают из графика зависимости, что неизбежно при Н-связях [145]. С целью прогнозирования диуретических свойств сульфонамидов на основании расчетов МР2, спектров ЯМР и таутомерных превращений получены зависимости «структура-активность» [146]. Длины связей, валентные и торсионные углы коррелируют с указанной активностью соединений вида: Динамические свойства М-(4-Х-нафтилин-1-ил)-М-этил-4 -метилбеизо-илсульфонамидов изучены в растворах CDC13 и С2С14 при 303-393 К [147]. Результаты обсуждены на основе моделирования спектров с применением расчетов ЛМ1, хорошо согласующихся с экспериментом, обоснованно использованных для таких сложных молекул [147]. Для бензенсульфонами-дов методом мультиядсрной ЯМР спектроскопии, ИКС и квантовой химии изучено влияние заместителей на электронное состояние SO2NH2, получены некоторые корреляция между спектроскопическими параметрами и зарядами па атомах [148]. Высокие значения частот vSC 2 1370 и 1185 см"1 в ИКС N-сульфонильных производных тиазолидинов получены авторами [149] и могут свидетельствовать о конфигурационных изменениях в экзоцикличес-кой группе SO2N, хотя самими авторами этот аспект не рассматривался:
Кооперативные эффекты водородного связывания в амидах
Феномен кооперативности при водородном связывании проявляется в совместном действии и взаимном усилении мультиплетмых Н-связей [210, 211]. Кооперативность основана на принципе «1+1 2» (ДНп.мер пДНм01Юмер). Это типичное поведение и усиление Н-связей позволило развить новое перспективное направление в органической химии — нековалентный синтез, основанный на обратимом образовании структур за счет нескольких Н-связей [211]. Слабые взаимодействия (не более 1-5 ккал/моль для МВС и 25 ккал/моль для ВВС) существенно усиливаются при кооперативном влиянии. В результате самосборки за счет Н-связей был получен новый гуано-зинцитидин дииуклеозида в виде циклического тримера [212]: Спектры комбинационного рассеяния мало пригодны при изучении Н-связи и эффектов кооперативности. Потенциальные возможности спектроскопии ЯМР для изучения кооперативных эффектов при Н-связывании реализуются при низких температурах 100-150 К, когда обеспечивается режим медленного обмена протонами в водородном комплексе [214]. Например, в [215] показано, что при переходе от димера к тримеру каждая водородная связь усиливается на 0.9 ккал/моль. Наиболее оправдано изучение неаддитивных свойств смежных Н-связей NH...O=C и ОН...О=С методом ИКС [216]. Полезным методическим приемом изучения кооперативности служит частичное дейтсрирование. В наибольшей степени кооперативный эффект проявляется в циклических изомерах, где донорный и акцепторный фрагменты принадлежат одной молекуле [217]. Кооперативные эффекты и конкуренцию меж- и внутримолекулярных водородных связей с трехмерной сеткой Н-связей в циклических структурах наблюдали авторы работы [218]. Однако иногда наблюдается и обратный эффект- взаимное ослабление водородных связей. Например, в аквакомплексах (HHal)n Н20((СНз)20)т Н-связи ослаблены примерно на 20 %, [220]. Аналогичный эффект зарегистрирован в работе [221] при изучении ВВС в тиокаликс[4]аренах с несколькими ОН группами. Высокочастотный сдвиг vOH в растворе CS2 на 57 см 1 по сравнению с КВг является следствием понижения кооперативное водородных связей.
При этом расстояния О...О удлинены на 0.2Л. Наиболее полно концепция кооперативное при образовании Н-связи и нековалентного синтеза на ее основе изложена в новом обзоре [210]. Кооперативные эффекты — важный аспект внутримолекулярных и межмолекулярных взаимодействий. Системы с несколькими Н-связями характеризуются высокой степенью дел окал изации электронной плотности, что находит отражение в параметрах метода ИКС, адекватного проявлению кооперативных эффектов. Это свойство использовано в настоящей работе при изучении функционализированных амидов, тиоамидов, сульфонамидов. 1.7.6. Донорно-акцепторные взаимодействия Изучение Д-А взаимодействий амидов выявляет особенности их электронного строения, а полученные спектроскопические критерии электроно- донорной и протоноакцепторной способности считаются пропорциональными химической основности или кислотности [20, 70, 72, 222, 223]. Так, в спектрах комплексов тиопиколипамидов со БпС РЬг полоса vNH регистрируется в более низкой области по сравнению с самим лигандом, а частоты vC=C и vC=N сдвинуты в длинноволновую область [224]. Наблюдаемый эффект обусловлен участием атома N пиридина в образовании хелата. На основании ИКС характеристик лигандов показано, что в кислотной среде планарные дитиооксамиды дают комплексы с Ni(II) вида [225]: Исследование комплексов одновалентной меди с пяти- и шести-членными гетеро циклам и, содержащими фрагмент NHCS, методом ИКС и ЯМР показало, что координация происходит через атом серы [227]. Широкий ряд тиоамидов изучен при взаимодействии с 4-фторфенолом, метанолом, с фенолом и 4-нитрофснолом [228, 229]. Полученные значения ИК спектроскопической основности (а также рК[Ш) отвечают S-комплексообразованию. При взаимодействии сульфонамидов с пара-замещенными фенолами образуются межмолскулярные комплексы состава 1:1с участием атома кислорода одной из связей SO2 [143]. Получена корреляция ДуОНфС1Юла (см 1) = 48 ст(Гаммета) + 141. Значение энтальпии ассоциации ДМаСс составляет 4 ккал/моль, а сдвиги частот при образовании комплекса ДуОНфС110ла = 146 см 1. Спектры ИК, ЯМР Ни Си расчеты геометрического, электронного строения методом МР2 и CNDO/2 проанализированы для свободного и координированного с Со и Ni 4-фенилтиосемикарбазида [109].
Максимальный отрицательный заряд сосредоточен на атоме S -0.34, а связь C=S близка к одинарной, что обусловливает координацию по атому S. Порядок связей N(l)-C равен 1.23-1.25 и указывает на наличие р,я-сопряжсния. Электронное строение группировки NHC(S)NH, по мнению авторов, лучше всего передается следующей структурой: Авторами [230] определена относительная основность большого ряда амидов и лактамов, выраженная в шкале ЯМР- хим. сдвиг сигнала группы С=0 при дейтсрировании. Установлено, что наличие стерически напряженного цикла (лактамы), а также заместителей у атома азота, приводит к росту вклада в кислотно-основное равновесие N-дейтерированной формы. Методами ЯМР и квантовой химии исследовано депротонирование амидов различного типа - амиды, им иды карбоновых кислот, сульфонамиды, цианамиды, N-гидроксимочевины [231]. Параметры ядерного экранирования, градиенты электрического поля согласуются с хим. сдвигами l4N, 170 и 33S и скоростями релаксации. Относительная основность амидов, константы ассоциации и энтальпия образования Н-комплексов с фенолом и сильными кислотами методом ИКС, КРС получены в работах [232-234]. В некоторых случаях амиды проявляют исключительно высокую основность, как, например, при образовании амидорутенисвого комплекса амид-металл в [235]. Методом ИКС изучены комплексы ацетамида, пропионамида, валер-амида, бензамида с ацетонитрилом, тетрагидрофуранОхМ, диметилацетами-дом, пиридином, триэтиламином [236]. При концентрациях оснований в пределах 1-3 моль/л в системах наблюдается равновесие между свободными молекулами амидов и комплексами амид-основание состава 1:1. Лишь при концентрациях оснований, превышающих 10 моль/л в растворе образуются комплексы состава 1:2. Сдвиг частот vNH в ряду оснований увеличивается от 58 до 200 см 1 и характеризует протонодопорпую способность амидов. В работе [237] методом ЯМР, УФ спектроскопии, кругового дихроизма обнаружено, что более основным в амидной молекуле является атом азота и в растворе 2,2,2-трифторэтанола комплекс с Си состава 1:1 имеет вид:
Фтораиилгидразины
При прогнозировании реакций циклизации фторацилгидразинов (N-гете-розамещенных амидов, гидразидов фторкарбоновых кислот) важны характеристики строения для оценки влияния структурных факторов на реакционную способность [91, 107]. Стереохимия гидразидов RCON NR 3 обусловлена взаимодействием вицинальных НЭП атомов азота (сс-оффект) [91, 92]. Экспериментальные исследования этого взаимодействия и его влияния на конфигурационное строение амндного фрагмента в молекулах гидразидов не проводились. И тем более оно не изучено для фторированных аналогов. Для решения этой задачи важна выборка моделей с разным типом замещения в гидразинной группе и получение для каждого варианта необходимых спек-троструктуриых параметров. Это позволяет выявить отчетливые спектральные признаки при изменении взаимодействия НЭП в соединениях вида: RrCONH-NH2 (тип 1), RFCONR,NH2 (тип 2), RFCONHNIIR, (тип 3), RFCONHNRiR2, (тип 4), RFCONR,NHR2 (тип 5). Вращение вокруг этой связи чувствительно к величинам валентных углов при атомах азота и должно сопровождаться изменением их конфигура- Известно, что от типа замещения в простейших гидразинах зависит величина торсионного угла поворота вокруг связи N -N2 [92]: Вращение вокруг этой связи чувствительно к величинам валентных углов при атомах азота и должно сопровождаться изменением их конфигура- Известно, что от типа замещения в простейших гидразинах зависит величина торсионного угла поворота вокруг связи N -N2 [92]: ции, приводящей к нарушению эффективности «амидного» сопряжения [92, 272]. С этих позиций в работе спектрально и квантовохимически исследовано более 120 гидразидов фторкарбоиовых кислот (частная выборка в табл. 6). Для сравнения электронного строения группы CON во фторацилгидрази-нах использованы совместимые с амидами спсктроструктурные параметры. Как показывают ИКС гидразидов, независимо от типа замещения в группе N-N частота vC=0 систематически выше, чем для их нсфторированных аналогов (табл. 1, 6). В этом проявляется отрицательный индуктивный эффект фторал-кильных заместителей [273, 274].
Однако частоты и интегральные интенсивности карбонильной группы сильно отличаются по величине от таковых для амидов в сторону уменьшения [275, 276]. Так, для гидразида CF3CONHNH2 (15) (табл. 6) и амида CF3CONH2 (3) (табл. 1) vC=0 составляют 1725Шр1#5(Ьсыёдовательном введении атомов фтора в RF (CH2F, CHF2, CF3) молекулы гидразида направление изменения спектральных параметров такое же, как во фторированных амидах. По данным расчетов B3LYP/6-31 lG++(d,p), 6-31G(d,p), AMI обнаружено одинаковое с амидами неаддитивное влияние атомов фтора на амидный фрагмент. Так, расстояние C=O...F В CF3CONCHjNHCl-h не превышает-2.613 А, угол O-C-C-F1 2.3: Неравноценность связей C-F для гидразида CF3CONCH3NHCH3 по данным B3LYP/6-31 lG++(d,p) следующая: C-F1 = 1.328, C-F3 = 1.354, C-F3 = 1.355 А., в то время как для метилыюй группы в нефторированном гидразиде CH3CONCM3NHCH3 длины связей С-Н практически одинаковые 1.093, 1.092, 1.090 Л. В нефторированном аналоге ни одна из связей С-Н не заслоняет карбонильную группу, как во фторированном гидразиде или амиде. Строение гидразидов этого типа по данным ИКС и расчетов можно представить следующими структурами: Замещение в группе N-N влияет па колебания связей NH (табл. 6). Так, для типа N!HN2H2 (14-18) фиксируются полосы при 3440, 3370, 3330 см"1 [93, 274, 275], для NlHN2HCH3 (19-37) в спектре две плосы 3400 и 3330-3360 см 1 [276, 280, 282], для третьего типа 1- (01-13)2(38, 39) регистрируется одиночная полоса при 3400 см 1 [259, 283]. Для гидразидов N CH3N2HCH3 (40-41) полоса при 3360 см"1 приближается к гидразинпому типу колебаний [92, 284]. И, наконец, для последнего типа NCHjNH2 (42, 43) характерно поглощение vsNH2, v NH; 3400, 3330 см"1 [92, 93]. Видно, что для vNH, vC=0 (табл. 6) нет простой регулярности в зависимости от типа замещения. Это обстоятельство составляет основную трудность в поиске эмпирических закономерностей, описывающих взаимодействие НЭП в гидразидах [91, 92, 99]. Поэтому, выявление единого критерия строения, совместимого для всех типов замещения, является главной задачей при построении спектрострук-турных корреляций. Для нахождения зависимости «спектр-структура» получены геометрические параметры фторацилгидразинов с использованием квантовохимических расчетов, контроль которых осуществлялся по данным РСА для отдельных представителей ряда, а также по КСБД.
В табл. 7 на примере фторацилгидразина CF3CONR1NR2R3 показан характер их изменения в зависимости от типа замещения. Из большого количества характеристик выбраны наиболее показательные и ощутимо изменяющиеся. Так, наблюдаются изменения абсолютного значения торсионных углов и знака, означающих инверсию атома азота (табл. 7) [285]. Последнее возможно при снижении барьера инверсии. Именно поэтому для фторацилгидразинов регистрируется интервал карбонильных частот, например, для типа RpCONCHjNHCHj получены самые высокие значения vC=0 1744 см"1 (тс-порядки 0.880) и самые низкие частоты vC-N 1280 см"1 (л-порядки 0.237) (табл. 7). На основании большого количества проведенных аппроксимаций для генеральной выборки фторацилгидразинов найдены функциональные зависимости эмпирических параметров («спектр») от геометрических характеристик («структура»). Так, корреляция «vC=0 — торси- онный угол 0 0=C-N N » характеризует коплаиарность амидіюго фрагмента и эффективность р,тс-сопряжения. Полученный тренд имеет вид полинома (рис. 2): Обнаруженная впервые зависимость позволяет по частоте vC=0 проследить процесс изменения плаиарности амидного остова в гидразидах в зависимости от структурной организации фрагмента N-N, т. е. от ориентации ви- цинальных НЭП при разных типах замещения в группе N-N. Высокая степень аппроксимации (R = 0.999) наблюдается для функциональной зависимости vOO от другого торсионного угла 02 C2-N -N2-C6 (вращение вокруг связи N -N ) (рис. 3). Частоту vC=0 и торсионный угол можно считать молекулярными дескрипторами, поскольку они являются отличительными признаками строения, совместимыми (как основное условие установления молекулярного подобия [17]) для пяти разных типов замещения в гидразидах. Практическая значимость полученных зависимостей высокого качества заключается в том, что иа основании ИКС можно прогнозировать стерсохими-ческую доступность атомов азота в молекулах гидразидов и учитывать это при изучении реакционной способности. Зависимости «спектр-структура» на основании выявленных молекулярных дескрипторов - это успешный итог исследования в ключе современных подхо- дов к количественному описанию молекулярной структуры с помощыо независимых переменных (дескрипторов)-методология QSAR [17]. Сравнение двух трендов (рис. 2 и 3) позволяет идентифицировать их как зеркально отраженные, что свидетельствует о высокой согласованности процессов изменения планарности амидного фрагмента и ориентации вицинальных НЭП. Корреляция vC=0 и других торсионных углов, например, C2-N -N2-C7, также позволяет отслеживать конфигурационные изменения атомов N. Полученные зависимости «спектр-структура» позволяют говорить о методологическом подходе при анализе структуры гидразидов с помощыо ИКС, а разработанную систему — корректной для экспрессного выявления ориентации и стереохимической доступности НЭП атомов азота. Аналогичная методология применима и к другим частотам vC-N, vN-N, которые, однако, требуют более тщательного выявления в ИКС, по сравнению с наглядным и легко определяемым карбонильным поглощением, что важно для синтетиков.
