Введение к работе
Актуальность работы. Реакции ароматического нуклеофильного замещения водорода являются одним из эффективных методов функционализации и периферийной модификации электронодефицитных аренов. Изучение закономерностей и особенностей механизмов таких реакций является ключом к управлению процессами органического синтеза, лежащими в основе производства органических реагентов многоцелевого назначения: мономеров, красителей, биологически активных веществ и других практически ценных соединений.
В качестве объекта исследования нами выбрано взаимодействие нитроаренов с карбанионами арилацетонитрилов, при котором реализуется нуклеофильное замещение атома водорода в нитросоединениях. Это приводит к образованию широкого ряда продуктов от хиноноксимов до гетероциклов. Примером последних служат 2,1-бензизоксазолы, получаемые при взаимодействии пара-замещенных нитроаренов с арилацетонитрилами и являющееся весьма перспективными полупродуктами многоцелевого назначения. Возможно использование 2,1-бензизоксазолов и их производных соединений в качестве биологически активных веществ, например лекарственных противораковых препаратов, биохимических клеточных рецепторов, активных компонентов при производстве биоиндикаторов.
На сегодняшний день сформировался значительный массив экспериментальных данных по особенностям протекания указанного типа реакций SNArH, однако к текущему моменту их систематизация и интерпретация является недостаточной, что делает невозможным построение полной модели, описывающей закономерности и механизм исследуемого процесса формирования 2,1-бензизоксазолов. Полная информация о механизме процесса, отсутствующая сегодня, должна включать достоверные данные о последовательности стадий реакции, природе лимитирующей стадии исследуемого процесса, электронных, энергетических и геометрических параметрах исходных и конечных структур и переходных состояний. Выявление указанных характеристик, за редким исключением, не поддается прямому экспериментальному определению, и требует комбинированных подходов с привлечением экспериментальных данных и теоретических методов, в частности, квантово-химического моделирования. Полученные при этом результаты позволят сделать заключение о ключевых стадиях процесса и превратить его в высокоэффективный инструмент органического синтеза.
Настоящая работа выполнена в соответствии с программами «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, по направлению «Органическая и элементоорганическая химия. Аналитическая химия органических соединений» по темам «Синтетические возможности функционализации молекулярных карбо-, гетероароматических систем и углеродных наноструктур в жидкой и твердой фазах» ГК № П841, «Квантово-химическое и экспериментальное исследование реакционной способности карбанионов и сигма-комплексов в условиях реакции нуклеофильного замещения водорода в нитроароматических системах» ГК № 14.740.11.1185.
Цель и задачи работы. На основе систематизации экспериментальных и теоретических данных, разработки и верификации модели изучаемого процесса, сделать заключение по особенностям механизма процесса формирования 2,1-бензизоксазолов в реакциях нуклеофильного замещения водорода в нитроароматических системах с учетом влияния параметров среды.
Для ее достижения в работе решались следующие задачи:
-
Получить набор экспериментальных данных о закономерностях взаимодействия нитроаренов в арилацетонитрилами;
-
Систематизировать и обобщить экспериментальные данные по основным закономерностям варианта процесса ароматического нуклеофильного замещения водорода (реакций SNArH) - взаимодействия пара-замещенных нитроароматических соединений и арилацетонитрилов;
-
Построить на основе теоретических и экспериментальных данных модель процесса формирования 2,1-бензизоксазолов как ароматического нуклеофильного замещения водорода в пара-замещенных нитроаренах карбанионами арилацетонитрилов;
-
Провести квантово-химическое моделирование лимитирующей стадии процесса с целью определения параметров субстрата, реагента, переходных и конечных состояний, закономерностей и природы превращений.
-
На основе интерпретации экспериментальных данных и данных квантово-химического моделирования определить последовательность стадий реакции, сделать заключение о природе лимитирующей стадии процесса;
-
Сформулировать рекомендации для синтетических приложений реализации процесса.
Научная новизна. Получены оригинальные данные о закономерностях взаимодействия пара-замещенных нитроаренов с арилацетонитрилами.
Синтезирован ряд гетероароматических соединений - 2,1-бензизоксазолов, в процессах взаимодействия пара-замещенных нитробензолов с арилацетонитрилами.
Впервые проведен систематический анализ имеющихся экспериментальных и квантово-химических данных по закономерностям реакций нуклеофильного замещения водорода в нитроароматических системах, и сделано заключение об особенностях механизма и природе лимитирующей стадии исследуемых процессов.
Проведенное моделирование структур субстрата, реагента и переходных состояний позволило определить энергетические характеристики для всех стадий исследуемого процесса.
С использованием методов квантовой химии осуществлен комплексный анализ реакций ароматического нуклеофильного замещения водорода на примере реакции взаимодействия пара-замещенных нитроаренов с карбанионами арилацетонитрилов, впервые предложена полная модель исследуемого процесса.
На основании полученных расчетных данных, а также на основе выявленной связи между результатами квантово-химического моделирования и экспериментальными синтетическими и кинетическими данными было сделано заключение о природе ключевой (лимитирующей) стадии исследуемого процесса – формировании гетероцикла. Была выполнена процедура верификации, подтвердившая правильность выбранной расчетной модели.
Предложены рекомендации для синтетической реализации процесса.
Практическая значимость. Получен ряд практически ценных гетероароматических соединений. Полученные данные необходимы для повышения предсказуемости управления процессами ароматического нуклеофильного замещения водорода. Приведенные результаты являются базисом эффективных методик получения широкого ряда практически ценных полифункциональных органических веществ, и позволяют расширить области применения процесса.
Положения, выносимые на защиту.
- закономерности и механизм процесса образования 2,1-бензизоксазольных циклов в реакциях нуклеофильного ароматического замещения водорода.
- природа ключевой стадии исследуемого процесса.
- структурные, энергетические и электронные параметры 2,1-бензизоксазо-лов, интермедиатов, переходных состояний, соотношение энергетических барьеров стадий процесса.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены на следующих конференциях: IV и V школа-семинар молодых ученых «Квантово-химические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул» (Иваново, 2009 и 2011), Всероссийская научно-практическая конференция «Принципы зеленой химии и органический синтез» (Ярославль, 2009), 63 и 64 региональные научно-технические конференции студентов, магистрантов и аспирантов ВУЗов (Ярославль, 2010 и 2011), III Международная конференция "Химия гетероциклических соединений" (Москва 2010), Всероссийская научная конференция «Успехи синтеза и комплексообразования» (Москва 2010), ХIV Молодежная конференция по органической химии (Екатеринбург, 2011), научная конференция «Current Topics in Organic Chemistry» (Новосибирск, 2011).
Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в четырех статьях в рецензируемых журналах (в том числе 3-х, в журналах рекомендованных ВАК), в 5 материалах докладов и 4 тезисах докладов на конференциях и симпозиумах различных уровней.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, химической и экспериментальной частей, выводов и списка использованной литературы. Работа изложена на 131 странице и содержит 37 схем, 42 рисунка, 19 таблиц, список литературы, включающий 132 наименования.
Похожие диссертации на Формирование 2,1-бензизоксазолов в условиях реакции нуклеофильного ароматического замещения водорода
