Содержание к диссертации
Введение
1 Некоторые примеры синтеза оснований Шиффа и моделирование реакций их получения 7
1.1 Некоторые примеры синтеза оснований Шиффа 7
1.2 Некоторые химические свойства и применение оснований Шиффа 14
1.3 Квантовохимические исследования реакций аминов с карбонильными соединениями 18
2 Методы проведения квантовохимических расчетов 35
2.1 Характеристика методов расчета, используемых в квантовой химии 35
2.2 Общее описание организации расчетов 40
2.3 Вычисление теплот образования 41
2.4 Расчет тепловых эффектов органических реакций 41
2.5 Расчет поверхностей потенциальной энергии и переходных состояний 42
2.6 Выбор методов расчета 42
3 Синтез оснований Шиффа и моделирование реакций их получения (Обсуждение результатов) 44
3.1 Реакции аминов с фурфуролом и методы проведения квантовохимических расетов 45
3.1.1 Синтез оснований Шиффа в органическом растворителе 45
3.2 Анализ методов расчета 46
3.3 Анализ маршрута и поиск переходных состояний реакции формальдегида с аммиаком 54
3.3.1 Пространственное строение комплекса К1ь образованного из молекулформальдегида и аммиака 59
3.3.2 Пространственное, электронное и орбитальное строение переходного состояния ПСІї в реакции формальдегида с аммиаком 69
3 Пространственное, электронное и орбитальное строения карбинол амина (КАї) в реакции формальдегида с аммиаком 75
4 Пространственное строение переходного состояния ПС2і 81
5 Пространственное строение комплекса К2і и продуктов реакции 87
5.1 Анализ маршрутов реакции и поиск переходных состояний при взаимодействии ацетальдегида с аммиаком 90
5.2 Анализ маршрута и поиск переходных состояний реакций формальдегида с метиламином 105
5.3 Квантовохимический анализ реакции фурфурола и 1- алкиламино-2-аминоэтанов 120
5.4 Общие закономерности протекания реакций исследованных пар реагентов 142
5.6 Влияние растворителя 145
5.7 Совершенствование методики синтеза оснований Шиффа 148
Выводы 151
- Некоторые химические свойства и применение оснований Шиффа
- Общее описание организации расчетов
- Пространственное, электронное и орбитальное строение переходного состояния ПСІї в реакции формальдегида с аммиаком
- Анализ маршрута и поиск переходных состояний реакций формальдегида с метиламином
Введение к работе
Относительная простота получения и широкое распространение в живой природе веществ, содержащих C=N фрагмент, неизменно привлекают внимание исследователей к основаниям Шиффа. Наличие в молекуле двойной связи обусловливает особенности реакций образования, сказывается на пространственной структуре и химических свойствах этих соединений.
Основания Шиффа чрезвычайно интересны по спектру проявляемых химических свойств. Для них характерны реакции с электрофильными и нуклео-фильными реагентами, реакции циклоприсоединения и другие. Азометины участвуют в ряде важных, в том числе в ферментативных, синтетических реакциях, являются ключевыми в общем методе синтеза первичных и вторичных алкила-минов и выделяются как промежуточные соединения в эффективных синтезах альдегидов путем восстановления нитрилиевых солей триэтилсиланом или восстановительного аминирования карбоновых кислот [1,2].
В начале 90-х годов появилась публикация, в которой сообщалось о том, что N-метилированные производные лизина присутствуют в некоторых биологических системах [3].
Кроме того, постоянный интерес исследователей к азометинам обусловлен широким спектром полезных свойств. Представители этого класса соединений, их аналоги и производные входят в состав ряда лекарственных средств, в том числе местноанестезирующих, противоопухолевых, антиаритмических, противокашлевых, антиаллергических, антиастматических. Некоторые соединения этого класса находят применение в технике в качестве мономеров, компонентов смазочно - охлаждающих смесей, биоцидных и антиокислительных присадок к топливам и маслам, компонентов полимерных композиций, радиозащитных средств. Среди азометинов обнаружен целый ряд пестицидов, в том числе фунгицидов, бактерицидов, гербицидов. Высокая биологическая активность и близость их строения к некоторым природным соединениям делает чрезвычайно перспективным их применение в качестве средств защиты растений [4].
Присутствие в молекуле оснований Шиффа фурильного фрагмента, входящего в состав многих природных соединений, определяет значительные перспективы в поиске биологической активности у соединений такой структуры. Среди фурилсодержащих соединений обнаружен целый ряд высокоэффективных стимуляторов роста растений и лекарственных средств (антисептиков, активаторов коронарной деятельности и противовирусных препаратов); они применяются также в синтезе душистых веществ и красителей [5].
В последние годы значительные перспективы в изучении механизмов органических реакций связаны с использованием методов математической химии, и в частности квантово — химических подходов. В этом плане интерес представляют исследования реакций как с позиции моделирования их механизмов с целью направленного синтеза, так и предсказания реакционной способности соединений. Кроме того, экспериментальное фиксирование образующихся в процессе реакции интермедиатов не всегда возможно в связи с их лабильностью. В таких случаях установить последовательность событий в ходе химического превращения возможно используя результаты полученные квантово — химическими расчетами в сочетании с непрямыми синтетическими экспериментами.
Вторая половина XX века характеризуется очень быстрым развитием вычислительных методов квантовой химии [6]. В результате появилась возможность рассчитывать геометрию и оценивать стабильность промежуточных продуктов и переходных состояний, а также вычислять профили поверхности потенциальной энергии вдоль координаты реакции. Точность таких расчетов получается вполне удовлетворительной, в первую очередь, по термохимическим стандартам. Поэтому квантово-химические расчеты в настоящее время используются в качестве одного из физико - химических методов исследования для получения данных, необходимых для установления механизмов сложных органических реакций.
В этой связи нами предпринята попытка изучения аммиака и аминов с кабонильными соединениями с помощью квантово-химических методов.
В связи с изложенным выше целью работы является синтез оснований Шиффа на основе выявления общих закономерностей и особенностей механизма взаимодействия аминов и карбонильных соединений с помощью квантовохими-ческих методов и совершенствование методики их получения.
Диссертационная работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 гг.» (постановления Правительства РФ от 05.09.2001 № 660 ФЦП «Интеграция»), приказ федерального агентства по образованию от 02.11.2001. № 3544), решение конкурсной комиссии ФЦП «Интеграция» (протокол № 4 от 02.04.2002. федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 гг.» (постановления Правительства РФ от 05.09.2001 № 660 ФЦП «Интеграция»), приказ Министерства образования России от 15.04.2003. № 1593), федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 гг.» (постановления Правительства РФ от 05.09.2001 № 660 ФЦП «Интеграция»), приказ федерального агентства по образованию от 05.11.2004. № 219).
Некоторые химические свойства и применение оснований Шиффа
Высокая биологическая активность рассматриваемых соединений зачастую является причиной их токсического действия по отношению к различным патогенным микроорганизмам, а также сорным растениям, что делает их перспективными компонентами различных пестицидных препаратов [36, 37]. С 1864 года взаимодействие альдегидов с аммиаком используется для получения азометинов - оснований Шиффа [38-41]. Эта реакция, помимо того, что может служить для идентификации как альдегидов, так и аминов, нашла широкое применений в органическом синтезе; так одна из стадий реакции Ман-ниха протекает как конденсация альдегида (наиболее часто используется формальдегид) с амином, приводя к образованию алкилиминов [42-47]. Не смотря на широко используемые возможности химиками - органиками для синтеза различных метилениминов, механизм реакции их образования нельзя считать полностью доказанным. Так, например, указывается, что адцукт нуклеофильного присоединения к формальдегиду достаточно устойчив для того, чтобы быть выделенным и изученным. Однако обычно, в подавляющем большинстве случаев, алка-ноламин упоминается только как «тетраэдрический интермедиат» в описании механизмов взаимодействия карбонильных соединений и аминов в растворах [48, 49]. В более поздних нескольких работах бьшо сообщено об идентификации и оценке роли таких интермедиатов в аналогичных газофазных анион-молекулярных реакциях [50]. Эксперименты были проведены при низких давлениях (10"4 Торр), а аддукты неизменно проявлялись как короткоживущие компоненты. Указывается так же, что можно считать достаточно устойчивыми такие аддукты как [RHN - СН2 - О]- [50]. В этой связи понятен довольно большой интерес, проявляемый к реакции формальдегида с аммиаком специалистами, областью научных интересов которых является квантовая химия. В последние годы широко используемым агентом, восстанавливающим различные функциональные группы и обладающим высокой активностью, является алюмогидрид лития. В его присутствии происходит восстановление карбонильной группы до гидроксильной, нитрогруппы — до аминной, насыщение двойных связей, превращение ароматических соединений в насыщенные и расщепление гетероциклов.
Поэтому специфическое расщепление фрагмента N-C-0 в соединениях, содержащих разнообразные функциональные группы с помощью LiAlHj трудно осуществимо [51, 52]. Реакции расщепления оксазолидинового цикла LiAlHt по связи С-О использована для восстановительного алкилирования незамещенных при азоте аминос-пиртов до моно- и диалкилированных [53]: LiAltLt с образованием 2-пропил-3-амино-4-этилоксазолидина (выход 85 %) и гидразина [54]. Фрагмент N-C-N способен также расщепляться под действием алюмогидрида лития, что проявляется в реакции превращения линейных ами-налей в третичные амины [55]: (C2H5)2NCH2N(C2H5)2- (C2H5)2NCH3 + (C2H5)2N Значительно сложнее расщепить связь C-N в циклических аминалях. Так, в 1,2,3,9а-тетрагидроимидазо[1,2а]индоле восстанавливается только карбонильная группа [56]. Соединения, содержащие фрагмент N-C-N, легко расщепляются борана-ми. Так, восстановление имидазолидинов эквимолярным количеством ВН3-ТГФ приводит за три часа при комнатной температуре к раскрытию цикла с образованием диаминов с выходом Сведений о расщеплении реактивами Гриньяра фрагмента N-C-N чрезвычайно мало. Так, указывается [55], что взаимодействием N,N,N ,N -тетраэтилметилендиамина с бензилмагнийбромидом при 4-часовом кипячении в диэтиловом эфире получен соответствующий третичный амин с выходом около 20 %: Азометины являются перспективным классом соединений благодаря возможности их практического применения как ключевых компонентов в медицине (антобиотические, урологические, нейролептические, спазмолитические средства), различных областях сельского хозяйства (гербициды, инсектициды, фунгициды, зооциды) и технике (ингибиторы коррозии, ПАВ, компоненты масел и топлив). В работе [85] методом микрокалориметрии исследована кинетика действия пяти видов оснований Шиффа на аэрогенные аэробные бактерии. Наблюдались особенности в способности различных оснований Шиффа подавлять метаболизм этих бактерий.
Определены относительные величины антибиотической активности комплексов Со, Fe и Ni с D-глюкозамин-р-нафтолальдегидом. В работе [59, 60] основания Шиффа - хиральные лиганды, полученные из салицилового альдегида (СА) и (1К,2К)-диаминоциклогексана, а также основания Шиффа, полученные конденсацией (1R,2R)- или (1S,2S)-диаминоциклогексана с (К)-4-гидрокси-5-формил[2.2]парациклофаном (ГФПЦ). Хиральные комплексы Ni и Си использованы как фазы для капиллярной хроматографии. Комплексы на основе ГФПЦ являются более сильными кислотами Льюиса по сравнению с комплексами на базе салицилового альдегида. В работах синтезирован ряд комплексов олова (4+) типа Ph2LSn и Pr I/Sn, где H2L и HL1 — основания Шиффа, полученные конденсацией соответствующих 2-гидроксинафтальдегида или бензальдегида с серией аминокислот. Найдена высокая антимикробная активность всех комплексов in vitro. Японской фармацевтической компанией Hisamitsu Pharm. Со. запатентованы препараты на основе азациклоалканов, улучшающих абсорбцию лекарств и входящих в состав препаратов для наружного применения (Д=алкил или за-мещ. фенил, R 1= Н, алкил или алкоксикарбонил, Х=СН 2) О или S, Y, Z=0,S, NH,m=l-3,n=2-ll [61]. 5-(Инденил-7-оксиметил)оксазолидины являются полупродуктами для получения лекарственных веществ, а некоторые из них могут быть использованы для лечения аритмии, стенокардии и заболеваний коронарных артерий [62]. Многие соединения, содержащие имидазолидиновый или гексагидропи-римидиновый фрагмент, являются компонентами пестицидов и лекарственных препаратов. Так, в работе [63] разработан метод синтеза N-моноацилированных имидазолидинов и гексагидропиримидинов, обладающих высокой бактерицидной и фунгицидной активностью. Предложены к использованию в качестве пестицидов производные имидазолидинов (К=замещ. или незамещ. арил, гетероарил; 11 =алкил, алкенил, алкинил, арилалкил и др.; X=N или СН), обладающие инсектицидной, акари-цидной и нематоцидной активностью, в частности в отношении Spodoptera litoralis, Phaedon cjchleriae и Aphis craccivora [64].
Общее описание организации расчетов
Для проведения квантовохимических расчетов применялась полуэмпирическая программа WinMopac Version 2.0 с использованием полуэмпирических методов применялась программа WinMopac Version 2.0 реализующая методы MNDO, AMI и РМЗ. Данная программа обладает графическим интерфейсом и позволяет, как строить молекулы, так и рассматривать вновь полученные "со всех сторон", производить измерения и изменения геометрических параметров и др. Оптимизация нормы градиента проводилась до 0,01. Геометрия исследуемых соединений оптимизировалась по минимуму полной энергии. Одним из основных положений при проведении расчетов являлось представление о том, что чем меньше ограничений мы накладываем на систему, тем более она приближена к своему реальному прототипу. Поэтому при расчетах вводились только те ограничения свободы молекулы или системы, без применения которых данную задачу представить в требуемом виде невозможно. Ограничениями могут являться: запрет оптимизации какого-либо параметра, режим координаты реакции, введение условий равенства или зависимости параметров (симметрия) и др. Неэмпирические расчеты проводились с помощью программы HyperChem. Приведенные в диссертации рисунки молекулярных орбиталей получены в этой программе. Теплоты образования молекул являются фундаментальными термохимический величинами. Однако их значение для многих органических соединений неизвестны, поэтому квантовохимические расчеты этих величин представляют большой интерес с точки зрения органической химии. Параметры полуэмпирических методов подобраны так, чтобы наилучшим образом воспроизвести экспериментальные теплоты образования органических соединений при нормальных условиях. Средняя ошибка при вычи сле-нии теплот образования молекул полуэмпирическими методами составляет 25-38 кДж/моль [121]. Сложнее вычислить теплоты образования молекул неэмпирическими методами. Даже для небольших молекул неэмпирический расчет в базисе 6-31G приводит к ошибкам превышающим 100 кДж/моль. Это связано с неполнотой использованного базиса и не учетом энергии электронной корреляции.
С увеличением размера молекулы ошибки в неэмпирически вычесленных теплотах образования хотя и возрастают, но в значительной степени носят систематический характер. Поэтому их можно уменьшить с помощью коррекции конечных результатов по аддитивной схеме. 2.4 Расчет тепловых эффектов органических реакций Величина теплового эффекта позволяет оценить термодинамическую возможность протекания химической реакции или отдельных ее стадий. Данные о тепловых эффектах широко применяются для изучения реакционной способности органических соединений. Для большинства реакций экспериментальные данные о тепловых эффектах отсутствуют, поэтому квантовохи-мические расчеты этих величин получили широкое распространение. Следует отметить, что расчет тепловых эффектов для квантовой химии является весьма сложной задачей, так как эту величину необходимо знать с точностью до ок. 4кДж/моль. Некоторые авторы называют ошибку в 4 кДж/моль "химической точностью" [128]. 2.5 Расчет поверхностей потенциальной энергии и переходных состояний Для получения наиболее полной информации о механизме реакции необходимо вычислить многомерную ППЭ, т.е. рассчитать зависимость полной энергии от координат атомных ядер. Наиболее интересными и выжными при изучении механизма реакции являются так называемые стационарные точки на ППЭ. Под этим термином понимают минимумы и седловые точки на ППЭ. В стационарных точках производные полной энергии по всем независимым ко-ординатамравны нулю. В точке минимума полной энергии матрица вторых производных имеет только положительные собственные значения, а в седло-вой точке - одно отрицательное собственное значение. Минимумы полной энергии соответствуют устойчивым структурам и интермедиатам, а седловые точки - переходным состояниям. Ниже приведена общая характеристика выбранных методов расчета. Метод Хартри-Фока. Аппроксимация многоэлектронной волновой функции единственным детерминантом Слейтера и использование приближения самосогласованного поля являются основой метода Хартри-Фока (ХФ). В отличие от молекулярно-механических и полуэмпирических методов, неэмпирический метод Хартри-Фока не требует для проведения расчетов знания каких-либо эмпирических параметров, например — силы и длинны отдельных связей, значений интегралов перекрывания и пр. и позволяет получить энергию молекул с достаточной точностью, весьма близкой к расчетам методами DFT. В этом методе при расчетах орбитальные ХФ-энергии дают хорошую оценку потенциалов ионизации (ПИ) - энергий, которые необходимо сообщить системе, чтобы удалить какой-либо из ее электронов. По ПИ можно судить о прочности связи электрона данной орбитали с атомным остовом, т.е. в какой-то мере судить о реакционной способности. DFT методы. DFT (теория функциональной плотности) методы (в том числе B3LYP) основаны на неограниченных детерминантах, они мало чувствительны к различным спиновым загрязнениям и приводят к качественному описанию связанных KnacTepoB.DFT методы хорошо описывают водородную связь и показывают хорошие результаты при расчетах переходных состояний, но несколько хуже восприимчивы к слабым взаимодействиям (дисперсионные и др.) и плохо приспособлены к передаче симметрии возбужденных состояний.
В последнее десятилетие методы DFT получили широкое распространение в расчетах различных электронных структур. Это связано, во-первых, с повсеместным использованием расширенных базисов для расчетов, что позволило улучшить качество представления одноэлектронной плотности, и, во-вторых, с появлением удачных составных параметризаций обменного функционала плотности (B3LYP). Считается, что методы DFT дают более надежные результаты, чем неэмпирические методы ССП (HF), хотя бы с учетом поправок теории возмущений и дают погрешность только базисного набора. В качестве базисного набора нами был использован 6-31G , пользующийся наибольшей популярностью, так как это валентно-расщепленный базис, в котором атомные орбитали внутренней оболочки представлены достаточно большим количеством (К=6) гауссовых функци. В базисный набор включаются также 6 гауссовых функций d-тииа, описывающих 5 d-орбиталей. Кроме того, базисный набор 6-31G позволяет учитывать р-орбитали для атомов водорода, так как в так как в него добавлены 3 гауссовы функции р-типа. Такое представление АО позволяет корректно описывать энергетические и геометрические характеристики органических соединений: длины связей, валентные углы, дипольный момент, частоты ИК-спектров, распределение электронной плотности и многое другое [129, 130, 131, 132, 133]. Обычно неэмпириче-ские расчеты в базисе 6-31G позволяют получить геометрию молекул с экспериментальной точностью. Глава 3 Синтез оснований Шиффа и моделирование реакции их получения (Обсуждение результатов) Взаимодействие аминов с карбонильными соединениями, приводящее к образованию азометинов, является удобным методом синтеза фурилсодержа-щих оснований Шиффа из доступных исходных соединений [130]. Эта реакция представляет интерес как с позиции расширения представлений в химии аминов и карбонильных соединений, так и возможности синтеза продуктов, обладающих полезными свойствами.
Пространственное, электронное и орбитальное строение переходного состояния ПСІї в реакции формальдегида с аммиаком
Основные геометрические параметры ПС1Ь полученные неэмпирическими методами (RHF/6-31G , B3LYP/6-31G ) совпадают качественно и достаточно близки количественно (рис. 3.15, табл. 3.17). Расчеты показывают, что ПСІї представляет собой координацию молекул аммиака и формальдегида при которой реализуется четырехчленный цикл, в котором атом Н(4) одновременно связан с атомами 0(1) и N(3). По данным расчетов, ( AMI, РМЗ) орбиталь В-2 образуется из /?г-орбитали атома азота (вклад -0,572) и ру, /v-орбиталей атома кислорода (вклад -0.15078 и -0.36688 соответственно). Кроме того, в эту орбиталь весьма значительный вклад вносят р -орбитали атома углерода (вклад 0,477) и s -ор-битали атомов водорода Н(4), Н(7) и Н(8). (табл. 3.20, рис. 3.17). Орбиталь В-5 образуется из рх, / -орбиталей атома азота (вклад -0,366 и -0,506 соответственно), / --орбиталей атома углерода (вклад -0,373), s, р. -орбиталей атома кислорода (вклад —0.153 и —0.201 соответственно), а так же s -орбиталей атомов водорода. Орбиталь В-7 образуется из - р2 орбиталей атома азота (вклад -0,233), s нр: -орбиталей атома углерода (вклад -0,609 и -0,174 соответственно) npz -орбиталей атома кислорода (вклад -0,174). По данным, полученным в RHF/6-31G (табл. 3.20), приоритетный вклад в образование НСМО ПС її вносят орбитали атомов N, С и 0(2) и атомов водорода. Так, вклад рх, ру - орбиталей атома азота составляет 0,258 и 0,356 соответственно. Вклад s, pz - орбиталей атома углерода (0,337 и 0,259 соответственно),/ , р- — орбиталей атома кислорода 0,126 и -0,189, соответственно, а так же s- орбиталей атома водорода Н(5) (-0,129), Н6 (-0,121), Н7 (-0,259), Н8 (-0,262) и Н4 (-0,418). Доминирующий вклад в образование ВЗМО вносят орбитали атомов С(2), O(l) и атомов водорода Н(7) и Н(8). Так, вкладу - орбитали атома углерода составляет -0,128, а вклад рх, ру — орбита-лей атома кислорода (0,463 и —0,329 соответственно) и s-орбиталей атомов водорода Н(7) и Н(8) по 0,222, соответственно. Таким образом, образование комплекса в большей степени определяется орбиталями, лежащими ниже ВЗМО.
Анализ орбитальной структуры показывает, что взаимодействие определяется орбиталями В-5, В-7. Орбиталь В-5 образована рх, ру — орбиталями атома азота (0,240 и 0,331 соответственно), р2 — орбиталью атома углерода (0,127), s и pz — орбиталями атома кислорода (0,135 и 0,112 соответственно), s-орбиталями атомов водорода Н(4), Н(5) и Н(6) (-0,140, 0,124 и 0,127, соответственно). Орбиталь В—7 образована р- — орбиталыо атома азота (вклад 0,147), s и г-орбиталями атома углерода (0,320 и 0,118 соответственно), s— орбиталыо атома кислорода (-0,263), s— орбиталями атомов водорода Н(7) и Н(8) (по 0,157 соответственно). Таким образом, анализ геометрии, распределения зарядов и структуры ор-биталей переходного состояния ПСІ і показывает, ПО] представляет собой по сути молекулу карбиноламина, в которой водород Н(4) при атоме азота N(3) координирован с атомом кислорода 0(1) по неподеленной электронной паре. Т.о. можно считать, что связь C(2)-N(3) частично образована, а связь N(3)-H(4) разрыхлена. Данные, полученные в результате расчетов, можно рассматривать в пользу того, что миграция атома Н(4) представляет собой синхронный процесс, в котором связь 0(1)-Н(4) образуется еще до того, как связь N(3)-H(4) разрывается. Логично предположить, что поскольку КА] по энергии выгоднее комплекса Кііб, то из ПСІї более вероятным является движение по координате реакции в сторону КАЬ что связано с образованием связи 0(1)-Н(4) и разрывом связи H(4)-N(3). Уже в переходном состоянии связь H(4)-N(3) существенно длиннее связи H(4)-N(3) молекулы аммиака. В целом можно считать, что ПСІї представляет собой «позднее» переходное состояние, в большей степени похожее на КАї, чем на комплекс Kli. 3.3.3 Пространственное, электронное и орбитальное строения карбиноламина (КАї) в реакции формальдегида с аммиаком На второй стадии реакции происходит образование карбиноламина КАї (оксиметиламмиака). Для выявления возможных конформаций КАї нами проведено сканирование (через 10) двух торсионных углов H-O-C-N и O-C-N-H одновременно, что позволило получить трехмерную диаграмму изменения дН и выявить седловые точки и минимальным значениям AHf (рис. 3.18, табл. 3.22). Уточнение значения ДНҐ ДЛЯ последних проведено с помощью дополнительных расчетов. В результате установлена возможность реализации трех кон-формаций для КАь которые образуются при вращении фрагмента NH2 -. Минимумом энергии обладает конформер указанного на рисунке 3.19 строения. Два других возможных конформера имеют энергию образования примерно на 2,5 ккал/моль больше (54,9 и 55,7 ккал/моль). Седловая точка расположена в области энергии около 53,5 ккал/моль (рис. 3.18, 3.19, табл. 3.22). Таким образом, молекула KAi может существовать в нескольких конформациях, преимущественная из которых описана выше.
Геометрические параметры этого состояния KAi приведены в таблице 3.21. По данным расчета RHF/6-31G НСМО структуры KAi образована s и / -орбиталями атома азота (вклад -0.363 и -0.345 соответственно), /?л-орби-талью атома кислорода (-0.160), s, /?--орбиталями атома углерода (0.452, 0.223), а так же s -орбиталями атомов водорода Н(4) (0.325). ВЗМО структуры КА, в основном образована рх, / -орбиталями атома азота (-0.682 и -0.461 соответственно), и рх, / -орбиталями атома кислорода (-0.288 и -0.113 соответственно), /v-орбиталями атома углерода (0.102), а так же s -орбиталями атома водорода Н(4) (-0.131). Т.е. уже ВЗМО включает молекулярные орбитали как «фомальдегидного», так и «аминного» франмента молекулы КАї (рис. 3.20). Образование продуктов реакции из КА происходит через переходное состояние ПС2і. Следует подчеркнуть, что в целом, получаемая в результате расчета структура ПС2і не зависит от метода расчета AMI, RHF/6-31G или B3LYP/6-31G (рис. 3.23). В целом ПС2і представляет собой деформированную молекулу карбино-ламина КАь в которой происходит удлинение связей 0(1)-С(2), N(3)—Н(5) и сокращение расстояния между атомами 0(1)-Н(5). Логично предполо- жить, что дальнейшее движение ПС2 по координате реакции связано с образованием связи 0(1)-Н(5) и разрушением связи N(3)—Н(5). Если рассматривать проекцию Ньюмена относительно связи C(2)-N(3), то реализуется заслоненная конформация (рис. 3.24), в которой связи N(3)-H(5) и С(2)-0(1) практически совпадают по направлениям, торсионный угол 0(1)-C(2)-N(3)-H(5) составляет 4,0 - 4,3 град. (табл. 3.30, рис. 3.24). В ПС2і происходит укорочение связи C(2)-N(3) по сравнению с карбиноламином КА! 1,4314А (B3LYP/6-13G ) и 1,3320А (B3LYP/6-13G ) соответственно по разным методам расчета) (табл. 3.26 и 3.27).
Анализ маршрута и поиск переходных состояний реакций формальдегида с метиламином
Для анализа термодинамических характеристик реакции формальдегида с метиламином расчеты проводились с использованием неэмпирического метода в базисах RHF/6-31G , а так же B3LYP/6-31G . Замена аммиака на метиламин не приводит к изменению общей схемы реакции. Следует отметить невысокий тепловой эффект реакции, сравнимый с этой характеристикой реакций 1 и 2 (табл. 3.40). В целом энергетические характеристики реакции 3 в большей степени соответствуют таковым для реакции 2. Маршрут реакции включает те же стадии, что и рассмотренная выше реакция аммиака с формальдегидом: 1. Координация молекул метиламина и формальдегида, которая протекает с выделением тепла экзотермична применительно к методу AMI, а остальные методы демонстрируют эндотермичность реакции: -3,0 ккал/моль AMI; 2,5 ккал/моль РМЗ; 3,1 ккал/моль RHF/6-31G , 3,6 ккал/моль B3LYP/6-31G . 2. Переход комплекса (Кіз) в карбиноламин соправождается образованием переходного состояния (ПОз). При этом энергия активации этой стадии 37-43 ккал/моль (табл. 3.48). 3. Элиминирование молекулы воды из карбиноламина приводит к образованию основания Шиффа координированного с молекулой воды (К23). Процесс дегидратации является эндотермичным (3,8 ккал/моль AMI; 6,5 ккал/моль РМЗ; 4,4 ккал/моль RHF/6-31G ; 9,7 ккал/моль B3LYP/6-31G ) и сопровождается образованием ПС23. Аналогично ПС22 (AMI, РМЗ) переходное состояние ПС23 имеет на координате реакции значение AHf, выше нуля (11-17 ккал/моль). 4. Превращение молекулярного комплекса Кіз в продукты реакции, так же является эндотермическим процессом (1,5 ккал/моль AMI; 1,2 ккал/моль РМЗ; 3,7 ккал/моль RHF/6-31G , 5,3 B3LYP/6-31G ). Заслуживает внимание факт, что независимо от схемы расчета наиболее термодинамически устойчивым продуктом является карбиноламин КАз. Как указывалось выше, анализ геометрических параметров, орбитальной структуры органических частиц (молекул, комплексов и переходных состояний) предпочтительно проводить по данным неэмпирических расчетов.
С этой целью анализ геометрических параметров проводился в неэмпирическом базисе RHF/6-31G HB3LYP/6-31G (рис. 3.36). При взаимодействии формальдегида с метиламином проанализирован маршрут реакции, который приводит к образованию основания Шиффа: На первой стадии реакции происходит образование молекулярного комплекса Кіз (рис. 3.36, табл. 3.41), где атом С(2) координируется с атомом азота N(3). Углерод-водородные связи при атомах углерода С(2), С(4), а так же азот—водородная связь N(3)-H(5) незначительно увеличиваются. Распределение электронной плотности в комплексе К13 представлено в таблице 3.42. В соответствии с результатами расчета (RHF/6-31G ), в структуре Кіз на атоме 0(1), по сравнению с формальдегидом, отрицательный заряд возрастает на 0,36 е. На атоме углерода С(2) наблюдается увеличение положительного заряда на 0,37 е, а на атоме С(4) - отрицательного. Заряды на атомах водорода изменяются незначитьельно. Основной отрицательный заряд локализуется на атоме азотаN(3), он выше, чем в структуре 9 (табл. 3.42). Можно преположить, что координация атома С(2) с атомом N(3) происходит за счет электростатического взаимодействия, из-за различий электроотрицательности атомов углерода и азота. Проведенные исследования показывают, что миграции водорода Н(5) влияет на распределение электронной плотности В структуре ПС1з основной отрицательный заряд перемещается на атом кислорода. По сравнению со структурой Кіз на атоме С(2) положительный заряд увеличивается на 0,6 е, на мигрирующем атоме водорода Н(5) - на 0,13 е, на атоме Н(6) - на 0,30 е. Заряды на остальных атомах изменяются незначительно. В структуре КАз основная электронная плотность перемещается на атом азота N(3), при этом по сравнению со структурой ПС Із отрицательный заряд уменьшается на атомах 0(1) и С(4), положительный заряд уменьшается на атомах Н(5) - Н (9), увеличивается - на атомах Н(10) и Н(11). В структуре ПС2з отмечается изменение отрицательного заряда на атоме 0(1) и С(4) по сравнению со структурой КА3. На атоме N(3) отмечается локализация электронной плотности. Происходит некоторое снижение положительного заряда на атомах Н(7) - Н(10), на атоме Н(11) электронная плотность разряжается. В структуре К2з отрицательный заряд сосредоточен на атомах скелета комплекса, а положительный - на атомах водорода (табл. 3.41). При этом появляется отрицательный заряд на атоме С(2). По сравнению со структурой ПС2з положительные заряды изменяются не существенно. Согласно результатам квантовохимических расчетов, реакционный центр переходного состояния ПС Із представляет собой четырехчленный цикл, состоящий из атомов 0(1), С(2), N(3), Н(5) (рис. 3.39). Этот факт хорошо согласуется с работами [80, 90, 93, 95, 96], в которых указывается на четырехчленную циклическую структуру переходного состояния и его практически плоскую структуру при взаимодействии карбонильных соединений с аминами. Таким образом, создаются предпосылки для разрыва связи N(3)-H(5), что способствует образованию связи 0(1)-Н(5).
Данные, полученные в результате расчетов, показывают, что миграция атома Н(5) представляет собой синхронный процесс, в котором связь 0(1)-Н(5) образуется еще до того, как связь N(3)-H(5) разрывается, этот факт хорошо согласуется с ранее опубликованными данными [96]. Расстояние между атомами N(3) и С(2) в ПСЬ уменьшается по сравнению с комплексом и образуется связь N(3)-C(2). В ПСЬ претерпевают изменения валентные углы при атомах С(2) и N(3): угол 0(1)-C(2)-N(3) является практически прямым (94,7), угол C(2)-N(3)-H(5) равен 75,1 (табл. 3.43). Претерпевают значительные изменения торсионные углы, составляющие реакционный центр: угол 0(1)-C(2)-N(3)-H(5) уменьшается на 31,Г, угол H(5)-0(l)-C(2)-N(3) -на 11,1 вследствии координации мигрирующего атома водорода Н(5). ВЗМО ПС1з преимущественно сформирована /v-орбиталями атомов 0(1), С(2), N(3), а так же s-орбиталями атомов Н(5) и Н(6), входящими в реакционный центр (рис. 3.40, табл. 3.43). НСМО образована /7-орбиталями атомов N(3), С(4), 0(1), а так же .v-орбиталями атомов Н(5), Н(7),Н(8),Н(9)иН(11). На второй стадии реакции происходит образование карбиноламина КАз. Обращает на себя внимание теплота образования структуры КАз Едо = -131632,8 ккал/моль (B3LYP/6-31G ), карбиноламин КАз энергетически выгоднее комплексов К Із и К23. Находясь в потенциальном энергетическом минимуме карбиноламин КАз, может рассматриваться как вполне возможный, интермедиат на пути превращения структуры КАз в гидрати-рованный продукт реакции [89]. Выполненный расчет в рамках неэмпирического метода B3LYP/6-31G показывает наличие энергетического барьера 38,3 ккал/моль для первой стадии реакции. В следствии миграции атома водорода и образования связи 0(1)-Н(5) в ПС Із, в структуре КА3 длина связи 0(1)-Н(5) укорачивается.
