Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Взаимодействие кетонов с ацетиленами в присутствии оснований 11
1.1. Реакция этинилирования кетонов ацетиленами 11
1.2. Механизм реакции этинилирования 14
1.3. Обратная реакция фаворского 18
1.4. Механизм обратной реакции фаворского 19
1.5. Реакция винилирования кетонов ацетиленами 21
ГЛАВА 2. Особенности квантовохимического исследования механизмов реакций в суперосновных средах 25
2.1. Влияние сольватационных эффектов. Учет растворителя 25
2.2. Модели каталитического центра. Учет суперосновности среды 31
2.3. Методы поиска глобальных минимумов на ГШЭ 33
2.4. Методика расчета 36
ГЛАВА 3. Исследование методами квантовой химии механизмов реакций кетонов с ацетиленами в суперосновной среде 44
3.1. Моделирование супероснования комплексами гидроксидов натрия и калия 44
3.1.1. Комплексы MOHwDMSO (М = Na, К, n = 1-е-5): глобальные и локальные минимумы 44
3.1.2. Комплексы супероснования с молекулой воды: NaOH-4DMSOH20 и KOH-5DMSOH20 50
3.2. Моделирование реакций винилирования и этинилирования ацетона фенилацетиленом в пентасольватном окружении гидроксида калия (KOH-5DMSO) 54
3.2.1. Этинилирование ацетона фенилацетиленом 54
3.2.2. Винилирование ацетона фенилацетиленом 59
3.2.3. Е-стереоселективность реакции винилирования з
3.2.4. Общий реакционный профиль этинилирования и винилирования ацетона фенилацетиленом 76
3.3 Исследование взаимодействий никло алифатических кетонов и алкиларилкетонов с фенилацетиленом в присутствие КОН DMSO 79
3.3.1. Винилирование 2-метилциклогексанона фенилацетиленом 81
3.3.2. Винилирование и этинилирование ацетофенона фенилацетиленом 90
ГЛАВА 4. Особенности моделирования суперосновных реакций в рамках упрощенных моделей (моносольватной и анионной) 99
4.1. Анионная модель 100
4.2. Моносольватная модель 107
Заключение 125
Выводы 128
Список литературы
- Обратная реакция фаворского
- Методы поиска глобальных минимумов на ГШЭ
- Моделирование реакций винилирования и этинилирования ацетона фенилацетиленом в пентасольватном окружении гидроксида калия (KOH-5DMSO)
- Моносольватная модель
Введение к работе
Актуальность работы. Широкое применение суперосновных систем, типичным представителем которых является система гидроксид калия-диметилсульфоксид (KOH/DMSO), привело к открытию новых возможностей в химии ацетилена. Известно, что ацетилены могут выступать и как электрофилы в реакциях нуклеофильного присоединения к тройной связи - винилирования, и как нуклеофилы в реакциях присоединения ацетилена по карбонильной группе - этинилирования. Обе эти стороны реакционной способности ацетиленов особенно ярко проявляются в присутствие супероснований.
Схема 1
Этинилирование р1 / R
о- 30 С но
+ з KOH/DMSO
R2
60-100 С R;^^r3
О
R2-
Винилирование
Двойственность свойств в суперосновном окружении характерна не только для ацетиленов, но и для кетонов (Схема 1): хорошо известна способность кетонов в суперосновных средах вступать в реакцию этинилирования по Фаворскому [А1], однако недавно была открыта реакция винилирования кетонов арилацетиленами, осуществляемая в суперосновных средах при повышенной температуре, с несвойственной для винилирования 100%-стероселективностыо [А2, A3].
Способность кетонов и ацетиленов попеременно выступать в качестве электрофила и нуклеофила проявляется в разнообразных каскадных сборках, идущих с высокой степенью стереоспецифичности и приводящих к таким сложным системам, как диоксабициклооктаны, родственные феромону фронталину, функционализированные циклопентены, используемые в разработке противоопухолевых препаратов, гексагидроазуленоны -биологически и фармацевтически важные конденсированные бициклические системы.
Несмотря на то, что исследование реакций ацетиленов в суперосновных средах ведется уже несколько десятилетий, установление их механизмов, как и объяснение самой природы катализа супероснованиями, до настоящего времени остается актуальным вопросом. Экспериментальное изучение механизмов реакций в суперосновных средах затруднено вследствие многокомпонентного состава смеси, многостадийности и высоких скоростей химических реакций. Поэтому актуальным оказывается привлечение квантовохимических расчетов высокого уровня, на основе которых с достаточной надежностью может быть сформировано принципиальное понимание особенностей осуществления ключевых реакций (этинилирования и
винилирования), необходимое для описания и успешного прогнозирования синтезов сложных органических систем.
Цель работы - исследование механизмов реакций винилирования и этинилирования кетонов ацетиленами в суперосновной системе KOH/DMSO с использованием современных методов квантовой химии.
В ходе выполнения работы поставлены и решены следующие задачи:
-
Исследование формирования, строения и термодинамической устойчивости ближайшего сольватного окружения гидроксидов натрия и калия, построение модели суперосновного центра.
-
Сравнение механизмов конкурирующих реакций (этинилирования и винилирования) ацетона с фенилацетиленом в присутствии супероснования.
-
Установление причин необычной Е-стереоселективности реакции винилирования кетонов.
-
Исследование активности кетонов различной природы в реакциях винилирования и этинилирования.
5. Сопоставление описаний реакций винилирования и этинилирования,
предоставляемых моделями различных уровней сложности, оценка надежности
и границ применимости упрощенных моделей.
Научная новизна. Впервые на поверхности потенциальной энергии (ППЭ) комплексов основания с растворителем был проведен поиск глобального минимума и изучена относительная устойчивость моделирующих супероснование комплексов с учетом их сольватации.
Впервые в модели супероснования, включающей в рассмотрение молекулу гидроксида калия и пять молекул растворителя (KOH-5DMSO) в окружении поляризуемого диэлектрика, оценены энтальпии активации и тепловые эффекты всех стадий реакции винилирования и этинилирования ацетона фенилацетиленом.
Показано, что стереоселективность винилирования кетонов фенилацетиленом обусловлена возможностью изомеризации как карбанионных интермедиатов, так и енолят-анионов, образуемых конечными Р,у-ненасыщенными кетонами. Рассчитанные энергии активации винилирования для кетонов (ацетона, ацетофенона, 2-метилциклогексанона, пинаколина) находятся в хорошем согласии с экспериментально наблюдаемыми различиями в их реакционной способности.
Продемонстрировано, что в ближайшем сольватном окружении катиона калия элементарные стадии исследуемых реакций осуществляются на удалении от катионного центра, чем и объясняется адекватное описание ключевых стадий реакций этинилирования и винилирования в рамках простейшей анионной модели. Моносольватная модель правильно воспроизводит различия в реакционной способности в ряду родственных соединений при сохранении взаимной ориентации компонентов реакционной системы на всех этапах превращений такой же, как в рамках пентасольватной модели.
Научная и практическая значимость исследования. Результаты моделирования реакций ацетиленов с кетонами в ближайшем сольватном
окружении катиона калия предоставляют фундаментальное знание о механизмах реакций винилирования и этинилирования с участием супероснования. Оценки тепловых эффектов и активационных барьеров исследуемых реакций, полученные в рамках методов квантовой химии, хорошо согласуются с экспериментальными закономерностями. Полученные данные о механизмах ключевых процессов с участием супероснований могут быть использованы для описания и прогнозирования синтезов сложных органических систем, а также для объяснения E/Z-изомерного состава образующихся продуктов.
Выполненный детальный учет суперосновной системы в модели, включающей в рассмотрение гидроксид калия и его ближайшую сольватную оболочку в окружении поляризуемого диэлектрика, позволяет более четко определить границы применимости упрощенных моделей.
Личный вклад автора состоит в выполнении расчетов, анализе и обработке полученных данных, обсуждении и интерпретации полученных результатов, участии в формулировке выводов и подготовке публикаций.
Публикации и апробация работы. Основные результаты диссертационной работы изложены в 16 печатных работах: из них 6 научных статей в журналах из перечня ВАК и тезисы 10 докладов.
Результаты исследований были представлены на: XIV Конференции по органической химии (Екатеринбург, 2011); XXIV и XXV Всероссийском симпозиуме «Современная химическая физика» (Туапсе, 2012, 2013); Кластере конференций по органической химии «ОргХим-2013», Симпозиуме «Химия ацетилена» (Санкт-Петербург, 2013); 14-ой Всероссийской школе-конференции по квантовой и вычислительной химии им. В.А.Фока (Самара, 2014); IX Международной конференции молодых ученых по химии «Менделеев-2015» (Санкт-Петербург, 2015); 15-ой Всероссийской школе-конференции по квантовой и вычислительной химии им. В.А.Фока (Владивосток, 2015)
Работа выполнена в рамках госбюджетных тем:
№ 01200803057 «Исследование строения, свойств и реакционной способности молекул в основном и возбужденном состояниях в рамках неэмпирических методов квантовой химии» ФГБОУ «ИГУ»
№01201256009 «Разработка и применение неэмпирических методов и моделей квантовой химии для исследования строения, свойств и реакционной способности молекул в основном и возбужденном состояниях» ФГБОУ «ИГУ»
задание №2014/51 Минобрнауки России (код проекта 206) на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части государственного задания.
Данное исследование поддержано грантами:
- РФФИ № 09-03-00618 «Механизмы реакций нуклеофильного
присоединения к тройной связи в суперосновных средах»;
РФФИ№ 12-03-00912-а «Квантовохимическое моделирование регио- и стереоспецифических реакций ацетиленов»;
РФФИ№ 15-03-03880-а «Квантовая химия каскадных основно-каталитических реакций ацетиленов»
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов и списка использованных литературных источников. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков и 24 таблицы в тексте. Список цитируемой литературы включает 126 наименований.
Обратная реакция фаворского
Долгое время винилирование кетонов ацетиленами считалось невозможным в присутствии сильных оснований. Этому способствовали несколько обстоятельств. Во-первых, в суперосновной среде мягко (при атмосферном давлении и температуре от 0 до 30С) осуществляется описанная выше реакция этинилирования кетонов ацетиленами. Во-вторых, образующиеся из кетонов, под действием сильных оснований, енолят-ионы (которые могли бы играть роль С-нуклеофилов в реакции винилирования) вступают в реакцию автоконденсации с карбонильной группой. В то же время этинид-ионы, присутствующие в суперосновной среде, оказываются инертны к атаке енолят-ионами. Несмотря на столь неблагоприятное действие перечисленных выше факторов, недавно было обнаружено, что при повышенных температурах в суперосновной среде KOH/DMSO осуществляется реакция С-винилирования кетонов (Схема 6), причем выходы целевого продукта получаются близкими количественным (61 - 84%) [14].
Возможность С-винилирования в суперосновных средах объясняют [14] тем, что образующийся енолят-ион может стабилизироваться за счет катиона калия, распределяя тем самым отрицательный заряд между атомами кислорода и карбанионоподобным метиленовим центром, делая последний активным в нуклеофильной атаке. Известно также, что винилирование в суперосновных средах значительно облегчается и скорость винилирования может превышать скорость побочной реакции автоконденсации кетонов. Кроме того при повышенных температурах уже не осуществляется реакция этинилирования, а происходит распад ацетиленовых алкоголятов на исходные кетон и ацетилен.
С-винилирование кетонов было открыто при взаимодействии ацетофенона с фенилацетиленом в суперосновной среде KOH/DMSO при температуре 100С [14], позднее реакция была успешно распространена и на другие арил- и гетарилацетилены [15], а также алкилкетоны, арил- и гетарилкетоны и циклоалифатические кетоны.
Менее активными в реакции С-винилирования оказались алифатические и циклоалифатические кетоны. Кардинально изменить ситуацию удалось с введением в суперосновную систему KOH/DMSO третьего компонента - трет-бутанола [15]. Применение каталитической системы КОН/ґ-BuOH/DMSO позволило существенно повысить выходы продуктов реакции С-винилирования алифатических кетонов (с 20% до 70% для системы ацетон/фенилацетилен) и циклоалифатических кетонов (с 12% до 83% для системы циклогексанон/фенилацетилен). Авторы работы [15] связывают повышение выходов с гомогенизацией реакционной смеси в присутствии тяреттьбутанола и соответственно с увеличением концентрации активного основания в растворе.
Нуклеофильное присоединение к монозамещенным ацетиленам обыкновенно приводит к продуктам Z-конфигурации [1, 37-39] или смеси Е- и Z-продуктов с преобладанием последних [40]. По данным квантовохимических расчетов [41, 42], при нуклеофильной атаке ацетиленовой тройной связи на первой стадии взаимодействия происходит образование карбанионов Е-строения (протонирование которых приводит к продукту Z-конфигурации (Рисунок 2, а)) и Z-строения (протонирование которых приводит к продукту -конфигурации (Рисунок 2, Ь)).
Как правило, термодинамически более выгодным (на 1-3 ккал/моль) оказывается образование карбанионов Z-строения, однако образование Е-карбаниона сопряжено с переходным состоянием, в котором ацетиленовый фрагмент имеет более выгодное тй/мноискаженное строение. Поэтому экспериментально наблюдаемое преобладание продуктов Z-конфигурации (Z-стереоселективность) в реакциях винилирования обычно связано с меньшим (на 5 - 7 ккал/моль) активационным барьером образования карбанионов Е-строения. Отличительной же особенностью винилирования кетонов является высокая (до 100%) Е-стереселективность реакции.
Исследование влияния природы катиона щелочи на примере реакции винилирования ацетофенона фенилацетиленом в суперосновной системе MOH/DMSO (M = Li, Na, К, Cs) [14] показало, что стереоселективность реакции сохраняется только в случае применения системы KOH/DMSO. Под действием LiOH/DMSO реакция вообще не идет, что связывают с пониженной основностью данной системы, каталитическое действие гидроксида натрия (NaOH/DMSO) как и в большинстве реакций винилирования оказывается менее эффективно (конверсия ацетофенона достигает только 70%), а кроме того менее стереоселективно (соотношение EIZ составляет 10:1). Использование более сильного основания CsOH/DMSO обеспечивает 100% конверсию ацетофенона, но соотношение конформеров при этом выравнивается (E/Z= 1:1), т.е. стереоселективность реакции полностью исчезает, однако с увеличением времени реакции от 1 ч до 1,5 ч, в реакционной смеси остается только іі-изомер. Авторы работы [14] объясняют наблюдаемый эффект тем, что образующийся в соответствии с правилом синхронного Tw/аднс-присоединения нуклеофилов к тройной связи менее стабильный Z-аддукт со временем переходит в термодинамически более стабильный аддукт ІІ-конфигурации. Предполагаемый термодинамический контроль Е-стереоселективности реакции наблюдается и в температурной зависимости соотношения Е- и Z-изомеров: количество іі-изомера возрастает с увеличением температуры синтеза от EIZ =1:1 при комнатной температуре, до 100% іі-изомера при 100С [14].
На протяжении более ста лет считалось, что кетоны в присутствии оснований способны вступать с ацетиленами только в реакцию этинилирования. Развитие концепции суперосновности и широкое применение суперосновных сред в химии ацетиленов привело к открытию новой реакции, реакции С-винилирования кетонов арил ацетил єнами. Это открытие заставило по-новому взглянуть на превращения, в которые вовлечены кетоны с ацетиленами в средах с повышенной основностью. В этой связи, безусловно, возникает потребность в квантовохимическом исследовании механизмов реакций этинилирования и винилирования кетонов ацетиленами.
Методы поиска глобальных минимумов на ГШЭ
Предварительно полученное соотношение активационных барьеров винилирования и изомеризации в моносольватной модели по схеме ОМОМ с учетом сольватации оказывается вообще прямо противоположным соотношению, предсказываемому в рамках метода MP2/6-311++G //B3LYP/6-31+G (Таблица 5). Эти обстоятельства не позволяют использовать схему ОМОМ ни в сочетании (MP2/6-311++G : B3LYP/6-31+G ), ни в сочетании (MP2/6-311++G : РВЕ/6-31+G ) и для исследования механизмов реакций необходимо использовать стандартные комбинированные методы расчета.
Обобщив методики расчета, ранее успешно применяемые для моделирования реакций в суперосновных средах и выполненные в данной работе исследования различных расчетных схем, нами была выбрана наиболее подходящая методика расчетов.
Оптимизация структурных параметров исследуемых систем выполнялась в рамках метода функционала плотности (DFT) с использованием гибридного трехпараметрического обменного функционала Беке [113] в сочетании с корреляционным функционалом Ли, Янга и Парра [114] (B3LYP) и базисного набора 6-31+G . В том же приближении B3LYP/6-31+G рассчитывались колебательные поправки и оценивались энергии сольватации в рамках континуальной модели IEFPCM [53]. Электронная энергия далее уточнялась с использованием расширенного базисного набора с учетом корреляционных поправок во втором порядке теории возмущений Меллера-Плессета (МР2/6-311++G //B3LYP/6-31+G ) [115]. Для найденных стационарных точек ППЭ рассчитывалось число отрицательных собственных значений матрицы Гессе, связь полученных переходных состояний с соответствующими минимумами на ППЭ доказывалась спуском по координате реакции (IRC) с использованием алгоритма Гонзалеса-Шлегеля [116]. Для проведения расчетов использовались программы GAMESS [62] и Gaussian-09 [57]. ГЛАВА Ранее (раздел 2.2) обсуждалось, что для надежного описания механизмов реакций винилирования и этинилирования с учетом роли супероснования требуется включение в расчет элементарных комплексов моделирующих суперосновный центр. Таким образом, представляется логичным, прежде всего, исследовать строение и устойчивость этих комплексов.
Исследование относительной устойчивости и строения комплексов MOHwDMSO уже проводилось в работах [84, 88], однако было выполнено для газовой фазы. Отмечалось, что координация молекулы DMSO к гидроксидам щелочных металлов может осуществляться как протоном одной метильной группы (Рисунок 6, тип I), так и протонами двух метильных групп (Рисунок 6, тип II), координация по типу II выгоднее на 2,9 ккал/моль.
В этих работах было показано, что последовательное наращивание сольватной оболочки гидроксидов натрия и калия, приводит к формированию комплексов, где в ближайшем сольватном окружении находится четыре (NaOH-4DMSO) и пять (KOH-5DMSO) молекул диметилсульфоксида, соответственно. С гидроксидом калия образуется сольватный комплекс псевдооктаэдрического строения, при этом гидроксильная группа занимает апикальное положение (Рисунок 7). Гидроксид натрия образует комплекс с молекулами растворителя типа тригональной бипирамиды, в котором гидроксильная группа находится уже в экваториальном положении (Рисунок 7).
Отмечается [88], что в обоих комплексах молекулы DMSO концентрируются вокруг катионного центра, при этом разрыхление связи Na-OH составляет 0,305 А (от 1,924 А в изолированной молекуле NaOH до 2,229 А в комплексе NaOH-4DMSO), а разрыхление связи К-ОН составляет 0,454 А (от 2,271 А в изолированной молекуле КОН до 2,725 А в комплексе KOH-5DMSO). Гидроксильная группа оказывается вытесненной на периферию и становится доступной для электрофильной атаки.
Новое исследование, выполненное автором работы, проводилось уже с учетом сольватации формирующихся комплексов, в рамках метода IEFPCM [53]. С учетом сольватационных поправок различия в энтальпиях образования моносольватных комплексов MOHDMSO типов I и II нивелируются и не превышают 0,4 ккал/моль. Энтальпии образования комплексов с одной молекулой DMSO для гидроксидов натрия и калия также оказываются относительно близкими (Таблица 6). С присоединением каждой последующей молекулы DMSO устойчивость комплексов увеличивается, причем комплексы с катионом натрия оказываются более устойчивыми (Таблица 6).
Существенный вклад в устойчивость комплексов вносит взаимодействие молекул растворителя между собой. Для оценки энергии этого взаимодействия была рассчитана разность энергии системы DMSO„ (с сохранением взаимной ориентации молекул в комплексе состава MOH-wDMSO) и п энергий изолированных молекул DMSO: АЕ = ii(DMSO„) - nE(DMSQ). Оказывается, что до трех молекул растворителя наблюдается взаимное отталкивание лигандов, причем самым большим оно оказывается в комплексах MOH-3DMSO (Таблица 7).
Координация четвертой молекулы DMSO приводит к тому, что в комплексах KOH-4DMSO отталкивание лигандов компенсируется их связыванием, и общая энергия взаимодействия между молекулами растворителя близка к нулю, а в комплексах NaOH-4DMSO во взаимодействии между лигандами уже преобладает связывание (Таблица 7). Больший ионный радиус калия позволяет поместить пятую молекулу растворителя в ближайшее сольватное окружение КОН, и в комплексах KOH-5DMSO общее взаимодействие молекул растворителя также оказывается связывающим (Таблица 7). Отметим, что в системах MOH-wDMSO возможны и другие взаимные координации, например одна из молекул DMSO в комплексе состава KOH-5DMSO может координироваться по катиону калия атомом серы [88]. Комплексы, полученные последовательным присоединением молекул растворителя, могут быть всего лишь локальными минимумами на ППЭ, и очевидно, что для систем MOHwDMSO существует множество таких локальных минимумов. Поэтому возникает задача нахождения глобального минимума на ППЭ комплексов состава MOH-wDMSO и оценки относительной стабильности комплексов, соответствующих минимумам локальным.
Поиск глобального минимума был проведен нами на ППЭ комплекса NaOH-4DMSO. Стартовые геометрии были получены в рамках метода Coalescence Kick [97], а предварительная оптимизация сгенерированных структур выполнялась с помощью полуэмпирического метода расчета, реализованного в программе PRIRODA [117]. Среди полученных структур отбирались изомеры, находящиеся в диапазоне энергий до 10 ккал/моль. Термодинамическая устойчивость отобранных изомеров далее уточнялась согласно описанной в разделе 2.4 методике.
Найденный глобальный минимум оказался на 1,0 ккал/моль ниже по энергии, чем локальный минимум, полученный нами при последовательном наращивании координационной оболочки [88]. Отметим, что различия в строении связаны только с изменением торсионного угла ZSO NaO с одним из лигандов от 44,7 в ранее найденном комплексе [88] до 104,1 в глобальном минимуме (Рисунок 8). При этом такие важные геометрические характеристики комплекса NaOH-4DMSO, как длина связи Na-O и межатомное расстояние от катиона натрия до атома кислорода одной из молекул DMSO R (Na-O ) остаются практически неизменными.
Моделирование реакций винилирования и этинилирования ацетона фенилацетиленом в пентасольватном окружении гидроксида калия (KOH-5DMSO)
Дальнейшее присоединение молекулы фенилацетилена к комплексам 14а и 14Ь приводит к образованию соответствующих ион-молекулярных комплексов 15а (АН = -4,0 ккал/моль) и 15Ь (АН =-3,6 ккал/моль). Атака 2- и 6-метилциклогексенолят-ионами тройной связи фенилацетилена в предреакционных комплексах 15 приводит к образованию карбанионов Е-строения 16а и 16Ь (Схема 19). При этом на потенциальной поверхности отсутствуют переходные состояния, соответствующие нуклеофильному присоединению к тройной связи с образованием Z-карбанионов. Схема Ph О—К DM SO
Квантовохимические расчеты показывают, что активационный барьер ос-С-винилирования 2-метилциклогексенолят-иона в комплексе 15а через транс-искаженное переходное состояние составляет АН = 9,7 ккал/моль, что оказывается на 2,7 ккал/моль меньше барьера а -С-винилирования 6-метилциклогексенолят-иона в комплексе 15Ь (Таблица 18). Отметим, что такое соотношение барьеров, в совокупности с более легким образованием исходного комплекса 2-метилциклогексенолята калия 14а, хорошо согласуется с экспериментально наблюдаемым соотношением продуктов винилирования по положениям 2 и 6.
Образованию карбанионов Z-строения, как уже было показано ранее (раздел 3.2.3), предшествует инверсионная E-Z-изомеризация 16 в 17 (Схема 20). Однако такая изомеризация конкурирует с реакцией протонирования Е- (16) и Z-карбанионов (17), присутствующей в комплексах молекулой воды в продукты Z- и -строения 18 и 19 (Схема 20). За счет значительной разности в О-Н и С-Н кислотностях протонирование оказывается термодинамически очень выгодным процессом: достигаемое понижение энтальпии системы при переходе от 16 к 18 составляет А/7 = -18,5 ккал/моль для а и А/7 =-19,8 ккал/моль для Ь, а при переходе от 17 к 19 составляет АН = -15,5 ккал/моль для а и АН = -17,8 ккал/моль для Ь.
Отметим, что протонирование карбанионов 16а и 17а приводит к неенолизирующимся (Е)- и -2-метил-2-стирилциклогексанонам 18а и 19а (Схема 20), в которых ротационная 2-Е изомеризация, обуславливающая Е 87 стереоселективность винилирования кетонов, невозможна. Образование Е-изомеров продуктов может быть только следствием инверсионной E-Z-изомеризации карбанионного интермедиата 16а, и соотношение изомеров должно определяться соотношением скоростей E-Z-изомеризации и протонирования соответствующих карбанионов. Активационный барьер инверсионной E-Z-изомеризация 16а в термодинамически предпочтительный на 4,8 ккал/моль комплекс карбаниона 17а составляет АН- 7,6 ккал/моль (Таблица 18), что оказывается на 2,2 ккал/моль меньше аналогичного барьера полученного для системы ацетон-фенилацетилен.
К сожалению, адекватная оценка потенциального барьера связанного с транспортом протона молекулы воды на значительные расстояния (межатомное расстояние до карбанионного центра Н-С составляет 4,151 А и 4,437А в 16а и 17а, Рисунок 29) затруднена (см. раздел 3.2.2.3). Однако преобладание в реакционной смеси Е-изомера {EIZ = 37%/12% 3/1), который затем преобразуется в соответствующий гексагидроазуленон, позволяет предполагать, что скорость инверсионной изомеризации карбаниона 16а выше или, по крайней мере, сравнима со скоростью его протонирования.
В случае карбанионов 16Ь и 17Ь также возможно осуществление инверсионной E-Z-изомеризации (Схема 21), однако превращение 16Ь в термодинамически предпочтительный на 6,2 ккал/моль 17Ь происходит с несколько большим активационным барьером АН = 8,7 ккал/моль (Таблица 18). Протонирование этих карбанионов (Схема 21) осуществляется с образованием способных к енолизации (Е)- и (2)-2-метил-6-стирилциклогексанонов (18Ь и 19Ь) в которых отрыв оставшегося в положении 6 протона приводит к дополнительному понижению энтальпии системы еще на 20,0 ккал/моль с образованием 2-метил-6-[(2-)2-фенилэтенил]-циклогексанолят-ионов 20Ь и 2lb, для которых возможна ротационная Z-ii-изомеризация (Схема 22).
Таким образом, представленные в разделе 3.2 выводы о роли инверсионной изомеризации карбанионов и ротационной изомеризации енолят-ионов, как процессов регулирующих стереоселективность реакции винилирования, подтверждаются. 3.3.2. Винилирование и этинилирование ацетофенона фенилацетиленом
Известно, что под действием суперосновной системы KOH/DMSO алкиларилкетоны активнее алифатических кетонов вступают в реакцию винилирования с ари л ацетил єнами. По данным работы [14] при взаимодействии реагентов в течение одного часа при 100 С удается получить количественные выходы (до 90%) С-винилкетонов. Для винилирования алифатических кетонов с выходами близкими к количественным (43-70%), требуется, по крайней мере, в два раза дольше проводить синтез. Сократить время реакции до одного часа удается лишь в случае введения в суперосновную систему трет -бутилового спирта [15].
В то же время, алкиларилкетоны очень плохо этинилируются в суперосновной системе KOH/DMSO, выходы в этом случае не превышают 10%, тогда как алифатические кетоны, наоборот, этинилируются легко и с количественным выходом [21].
Для выяснения причин различной активности алифатических кетонов и алкиларилкетонов в рамках моносольватной модели было проведено квантовохимическое исследование реакций этинилирования и винилирования ацетофенона фенилацетиленом, при этом полученные активационные барьеры сравнивались с барьерами реакций винилирования и этинилирования ацетона фенилацетиленом, полученными в рамках моносольватной модели (Таблица 15).
Квантовохимические расчеты показывают, что на первой стадии этинилирования ацетофенон взаимодействует с моносольватным комплексом фенилэтинида калия с образованием устойчивого (Таблица 19) предрекционного комплекса 22. При этом молекула ацетофенона не координируется по катиону калия і?(К+-0) = 4,06бА, а располагается на периферии, координируюсь только протоном метильной группы по фенилэтинид-иону i?(H-C ) = 2,339А (Рисунок 30).
Моносольватная модель
В Е-карбанионе 7-m (b) и связанном с ним переходном состоянии бензольное кольцо занимает сразу несколько координационных мест на катионе калия, однако в пентасольватном окружении катион калия прочно связывается с молекулами DMSO (ЛЯСВ = 17-21 ккал/моль [88]), поэтому образование комплексов строения 7-m (b) маловероятно и дальнейшие превращения в моносольватной модели целесообразно рассматривать в карбанионе 7-m (а).
Инверсионная E-Z-изомеризация 7-m (а) осуществляется с активационным барьером lS.Fr =13,3 ккал/моль (Рисунок 49), это значение несколько завышено по сравнению с энергией активации предсказываемой в рамках пентасольватной модели (ДЯ = 9,8 ккал/моль). По-видимому, координация карбанионного центра по катиону калия (в переходном состоянии межатомное расстояние К+-С составляет 2,935А, Рисунок 53) затрудняет осуществление инверсионной E-Z-изомеризации в комплексе 7-m (а). В пентасольватном окружении этот процесс осуществляется на периферии (Рисунок 53).
Образующийся Z-карбанион 8-ш (а), так же как исходный Е-карбанион 7-m (а), координируется по катиону калия карбанионным центром, межатомное расстояние К+-С составляет 2,958А (Рисунок 54) и карбонильным атомом кислорода, межатомное расстояние К -О составляет 2,894А (Рисунок 54). В рамках пентасольватнои модели из-за стерических затруднений реализуется координация только карбонильным атомом кислорода по катиону калия (Рисунок AW = 2,2 ккал/моль. Полученная оценка активационного барьера оказывается значительно заниженной (на 7,6 ккал/моль) из-за термодинамической нестабильности исходного Е-карбаниона 7-m (Ь). Отметим, что такой путь превращений маловероятен, поскольку строение комплекса 7-m (b) обусловлено координационной ненасыщенностью моносольватной модели и переоценкой влияния катиона калия, уже в окружении пяти молекул DMSO, а тем более в реальной системе, комплексов подобного строения (Рисунок 53) не существует.
Отметим, что без учета знаний о строении комплексов в пентасольватном окружении можно получить неправильные оценки активационных барьеров, что может привести к неверным выводам, в частности о причинах стереоселективности реакции винилирования кетонов. Это обстоятельство еще раз подчеркивает значение исследования механизмов реакций в рамках пентасольватной модели.
Протонирование карбанионов с образованием (Z)- и (Е)-5-фенилпент-4-ен-2-онов (9-т и 10-т) приводит к понижению энтальпии системы на 19,5 ккал/моль и 21,3 ккал/моль (Рисунок 49), а последующее их депротонирование в соположении от карбонильной группы связанное уже с образованием 4-оксо-1-фенилпент-З-ен-1-идов калия Z- (11-т) и -конфигурации (12-т) приводит к понижению энтальпии системы еще на 18,4 ккал/моль и 19,2 ккал/моль (Рисунок 49), соответственно. Отметим, что (Е)-5-фенилпент-4-ен-2-он 9-т и его енольная форма (Е)-4-оксо-1-фенилпент-3-ен-1-ид калия 12-т термодинамически устойчивее соответсвующих Z-изомеров, как это предсказывает и пентасольватная модель.
Катион калия оказывает существенное влияние на строение моносольватных комплексов 11-т и 12-т: межатомные расстояния К+-0 в комплексах енолятов калия составляют 2,717А и 2,714А (Рисунок 55), соответственно.
Кроме того, в рамках моносольватной модели локализуется переходное состояние TSn i2, в котором карбанионный атом и карбонильный атом кислорода координируются по катиону калия, образуя шестицентровое переходное состояние: межатомное расстояние i?(K+-C ) = 3,12бА и і?(К+-0 ) =2,709А (Рисунок 56).
Активационный барьер, связанный с преодолением такого переходного состояния составляет Д/г = 35,0 ккал/моль (Рисунок 49), что оказывается значительно выше барьера полученного в рамках пентасольватной (ДЯ = 29,9 ккал/моль) и анионной (ДЯ = 28,3 ккал/моль) моделей. Возможно, более «жесткая» координация катионом калия, которая может возникать в ненасыщенной моносольватнои модели, приводит к завышению активационного барьера.
Таким образом, вследствие переоценки влияния катиона в рамках моносольватнои модели становятся возможными маловероятные в реальном окружении взаимные ориентации реагентов и реагирующей подсистемы. При правильном выборе взаимной ориентации, например, на основании данных расчетов прототипных реакций в рамках пентасольватной модели, моносольватная модель способна предоставлять адекватные оценки активационных барьеров, а также воспроизводить различия в реакционной способности в ряду родственных соединений, как это было продемонстрировано в разделе 3.3.
В рамках современных методов квантовой химии изучены механизмы реакций этинилирования и винилирования (на примере взаимодействий ацетона с фенилацетиленом) с учетом комплекса супероснования, моделируемого гидроксидом калия в ближайшем сольватном окружении, состоящем из пяти молекул DMSO.
Показано, что устойчивость сольватного окружения в комплексах KOH-5DMSO (и для NaOH-4DMSO) вызвана связывающим межлигандным взаимодействием, которое сохраняется на всех этапах превращений. Молекула воды при этом связывается в комплексы с KOH-5DMSO за счет взаимодействия с лигандным окружением. В ближайшем сольватном окружении NaOH-4DMSO молекула воды наоборот способна замещать одну и более молекул растворителя, что может приводить к потере основности. Энергетический барьер миграции молекулы воды между соседствующими минимумами на ППЭ комплекса KOH-5DMSOH20 очень мал (-0,5 ккал/моль). Таким образом, различия в абсолютных энергиях характеристических точек реакционного профиля, обусловленные различиями в строении лигандного окружения катиона (состоящего из молекул DMSO и одной молекулы воды), не приводят к существенным различиям в оценке рассматриваемых тепловых эффектов и активационных барьеров.
Стерические эффекты не препятствуют осуществлению реакций этинилирования и винилирования ацетона фенилацетиленом: реакционный центр (часто анионный) оказывается на периферии пентасольватных комплексов и доступен для электрофильной атаки и последующих превращений. Предпочтительность этинилирования алифатических кетонов арилацетиленами при низких температурах обусловлена невысоким активационным барьером нуклеофильного присоединения этинид-иона по карбонильной группе кетона. Осуществление термодинамически более выгодной реакции винилирования связано со значительно большим (на 10,4 ккал/моль) активационным барьером нуклеофильного присоединения енолят-иона по тройной ацетиленовой связи и возможно только при повышенных температурах.
Образование исключительно Е-продуктов реакции винилирования, наблюдаемое при длительном нагревании ( 100С), обусловлено ротационной изомеризацией енолят-ионов, образующихся в результате депротонирования р,у-ненасыщенных кетонов, с высоким (до 30 ккал/моль) активационным барьером. При более низких температурах, а также в случае образования неенолизирующихся р,у-ненасыщенных кетонов соотношение Е- и Z-изомеров определяется соотношением скоростей протонирования и инверсионной изомеризации карбанионов, образующихся на стадии нуклеофильного присоединения;
В рамках упрощенной моносольватной модели, с учетом комплексов супероснования KOHDMSO, изучены механизмы реакций винилирования и этинилирования алкиларилкетонов, алифатических и циклоалифатических кетонов.
Показано, что наблюдаемое преобладание в реакционной смеси продуктов винилирования 2-метилциклогексанона фенилацетиленом по положению 2 связано с меньшим на 1,7 ккал/моль активационным барьером ос-С-винилирования, а также меньшим на 1,0 ккал/моль активационным барьером образования исходного циклогексанолят-иона. Образование смеси Е- и Z-изомеров (3:1) в случае а-С-винилирования 2-метилциклогексанона обусловлено сравнительно малой величиной активационного барьера инверсионной E-Z-изомеризации, скорость которой становится сравнима (а возможно и превышает) со скоростью транспорта протона до карбанионного центра. Образование исключительно Е-изомера в случае а -С-винилирования обусловлено возможностью осуществления в этом случае ротационной Z-E-изомеризации. Это заключение подтверждает роль инверсионной изомеризации карбанионов и ротационной изомеризации енолят-ионов, как процессов регулирующих стереоселективность реакции винилирования кетонов.