CC BY
27
УДК 547.831.7 + 547.183
ГЛОБАЛЬНАЯ И ЛОКАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОФИЛЬНОСТЬ 8-ОКСИ-5,7-ДИНИТРОХИНОЛИНА И ЕГО АНИОНА В РЕАКЦИИ С ТЕТРАГИДРОБОРАТ-ИОНОМ
И.И Устинов, И.В. Блохин, Ю.М. Атрощенко, И.В. Шахкельдян
В результате квантово-химического моделирования методом БЕТ показано, что присоединение гидрид-иона возможно, как к молекуле 8-гидрокси-5,7-динитрохинолина, так и к его аниону. Установлено, что атака нуклеофила наиболее вероятна по атому углерода в положении 6. Это связано с термодинамической стабильностью образующегося о-аддукта и локальной электрофильностью субстрата.
Ключевые слова: 8-гидрокси-5,7-динитрохинолин, о-аддукты, нуклеофильное присоединение, теория функционала плотности, глобальная электрофильность, локальная электрофильность.
Введение
Производные 8-окси-5,7-динитрохинолина проявляют довольно высокую фунгицидную активность [1, 2]. В связи с этим актуальной является проблема функционализации последних с целью получениях новых биологически активных веществ. Одним из перспективных подходов к синтезу полифункциональных производных нитрохинолина является восстановительная активация последних под действием нуклеофильных агентов, протекающая через образование высоко реакционноспособных анионных о-аддуктов и последующее взаимодействие с электрофильными агентами [3]. Целью данной работы является квантово-химическое моделирование реакции 8-окси-5,7-динитрохинолина и его аниона с тетрагидридоборат-ионом, расчеты глобальных величин электронных потенциалов, жесткости и электрофильности указанных субстратов, а также локальной электрофильности указанных субстратов с целью определения региоселективности реакции с нуклеофилом.
Материалы и методы
Квантово-химическое моделирование электронной структуры молекул проводили в рамках приближения теории функционала плотности с использованием гибридного трехпараметрического обменного функционала Беке [4] с корреляционным функционалом Ли-Янга-Парра [5] (B3LYP) [6] и базисного набора def2-SVPD [7]. Проводили полную оптимизацию геометрии без ограничений по типу симметрии. Характер стационарных точек на поверхности потенциальной энергии контролировали расчетом гессиана. Отсутствие мнимых частот колебаний
подтвердило стационарный характер полученных структур. Вычисления проводились средствами программного комплекса Firefly 8.0. [8]. Учет влияния растворителя - воды - реализован в рамках метода РСМ (s = 78,36) при 298,15К.
Обсуждение результатов
Получение гидридных а-аддуктов 8-окси-5,7-динитрохинолина осуществляют в водной среде в присутствии небольшого количества карбоната натрия [3], поэтому можно предположить, что молекула находится в равновесии со своей анионной формой. Первым этапом работы была геометрическая оптимизация исходных соединений в газовой фазе и воде, расчет полных энергий и энергий граничных орбиталей (табл. 1). Расчет глобальной электрофильности молекулы и аниона, осуществленный на основании значений химического потенциала и жесткости в газовой фазе и воде, осуществленный по известной методике [9], показал, что глобальная электрофильность 8-окси-5,7-динитрохинолина незначительно зависит от среды, а электрофильность аниона в воде значительно выше, чем в газовой фазе (табл. 1). Таким образом, на основании этих данных можно сделать вывод, что в водной среде атака нуклеофила может идти как по молекуле субстрата, так и по его аниону.
Таблица 1
Полные энергии, энергии ВЗМО и НСМО, электронный потенциал, жесткость и электрофильность 8-окси-5,7-динитрохинолина и его аниона, рассчитанные БП-методом в газовой фазе и воде
Соединение Полная энергия, кДж/моль* E (ВЗМО), эВ E (НСМО), эВ Химический потенциал (ц) Жесткость (п) Электрофильность (®)
Газовая фаза
Молекула 43,5 -7,61 -3,72 -5,67 1,94 31,22
Анион 1386,9 -2,93 0,46 -1,23 1,69 1,28
Вода
Молекула 0 -7,44 -3,67 -5,56 1,88 29,11
Анион 1170,9 -6,37 -3,06 -4,72 1,65 18,39
* Энергия наиболее устойчивой частицы принята за ноль.
Расчет зарядов на атомах как в молекуле нитросоединения, так и в ее отрицательно заряженном ионе был осуществлен с целью определения наиболее вероятных реакционных центров для атаки нуклеофила. В табл. 2 представлены заряды по Малликену на атомах в молекуле 8-окси-5,7-динитрохинолина и его анионе, рассчитанные DFT/B3LYP в газовой фазе и воде.
Таблица 2
Заряды по Малликену на атомах в молекуле 8-окси-5,7-динитрохинолина и его анионе, рассчитанные методом ОП __в газовой фазе и воде_
Атом Газовая фаза Вода
Молекула Анион Молекула Анион
N1 -0,224 -0,275 -0,288 -0,302
С2 0,574 0,601 0,565 0,603
С3 0,034 -0,004 -0,009 -0,024
С4 0,122 0,001 0,110 0,005
С4а 0,041 -0,054 0,080 -0,018
С5 -0,167 -0,019 -0,140 0,000
С6 0,779 0,690 0,771 0,696
С7 0,060 -0,225 0,082 -0,185
С8 0,323 0,269 0,326 0,223
С8а -0,452 -0,276 -0,424 -0,270
Как видно из табл. 2, наибольшие положительные заряды в молекуле 8-окси-5,7-динитрохинолина и его анионе как в газовой фазе, так и в воде сосредоточены на атомах углерода С2, С6 и С8, поэтому присоединение гидрид-иона наиболее вероятно по трем направлениям для каждой формы субстрата согласно схеме 1. Как видно из схемы, при этом могут образовываться как однозарядные о-аддукты 3 а-в, так и двузарядные анионы 4 а-в.
Как видно из данных табл. 3, наименьшую энергию из предполагаемых продуктов реакции как в газовой фазе, так и в воде имеет однозарядный о-аддукт 3 а. Как видно из рис. 1 присоединение гидрид-иона в положение С6 ароматического кольца не приводит к значительной деформации ароматического кольца. Торсионные углы в шестичленном цикле составляют менее 0,6о. Этот факт не мог не оказать влияния на эффективную делокализацию отрицательного заряда в указанном анионе. Кроме того, образование внутримолекулярной водородной связи между атомом водорода гидроксогруппы и атомом кислорода нитрогруппы в положении 7 (длина связи 1,585 А) стабилизирует данную структуру:
Таблица 3
Полные энергии о-аддуктов 3 и 4, рассчитанные методом БП
в газовой фазе и воде
Фаза Полная энергия, кДж/моль
3а 3б 3в 4а 4б 4в
Газовая фаза 211,7 214,5 337,8 1940,8 2050,5 2056,8
Вода 0 9,7 144,1 1222,1 1332,4 1367,5
Рис. 1. Оптимизированная геометрическая структура о-аддукта 3а, рассчитанная БП-методом в воде
Продукт присоединения нуклеофила в положение С8 8-окси-5,7-динитрохинолина 1 оказался на 9,7 кДж/моль менее термодинамически стабильным вследствие выхода гидроксигруппы из плоскости молекулы вследствие чего образование водородной связи является невозможным (рис. 2). Кроме того, это вызывает небольшое нарушение планарности цикла. Значения торсионных углов С5-С4а-С8а-С8 и С5-С6-С7-С8 составляют соответственно 2,14 и -2,46о.
Рис. 2. Оптимизированная геометрическая структура о-аддукта 3б, рассчитанная БП-методом в воде
Атака нуклеофила в положении С2 гетероароматического кольца, несмотря на достаточно большой положительный заряд на указанном атоме, оказалась термодинамически не выгодна не только с точки зрения эффективности делокализации заряда, но и, как оказалось, большей деформации молекулы (рис. 3). Значения торсионных углов у Бр3-гибридизованного атома углерода составили 8,35 и 12,23°. Кроме этого, наблюдается выход нитрогруппы из плоскости ароматического кольца на 18,36о. Всё это снижает устойчивость о-аддукта 3в.
Полная энергия анионов 3 а-в в газовой фазе, как и следовало ожидать, оказалось выше, чем в воде.
Двузарядные о-аддукт 4 а-в имеют более полную энергию, чем однозарядные, что свидетельствует о их меньшей устойчивости по сравнении с моноанионами 3 а-в. При этом их относительная устойчивость в зависимости от места присоединения гидрид-иона по сравнению с однозарядными остается такой же, как у о-аддуктов 3 а-в. Более высокую
энергию дианионов 4 а-в можно объяснить большим зарядом и отсутствием стабилизации за счет водородной связи.
Рис. 3. Оптимизированная геометрическая структура о-аддукта 3в, рассчитанная БП-методом в воде
Расчет локальной электрофилыюсти 8-окси-5,7-динитрохинолина 1 и его аниона 2 проведен по стандартной методике [10]. Функция Фукуи (ЕЕ), необходимая для вычисления локальной электрофильности, определяется методом разностей по уравнению
где 0(8)° и 0(Б)- - заряды на реакционном центре в нейтральной молекуле субстрата 1 и его анионном о-аддукте.
Функции Фукуи определяют локальные изменения электронной плотности при увеличении или уменьшении числа электронов в системе. Таким образом, суть данных индексов реакционной способности основана на динамике передачи электронной плотности в процессе взаимодействия субстрата и реагента, позволяя учитывать не только распределение электронной плотности в субстрате, но и делокализацию заряда в предполагаемом продукте реакции.
Локальную электрофильность (ю(к)) определяли как произведение функции Фукуи на глобальную электрофильность (ю):
ЕЕ = 0(8)° - 0(Б)- ,
(1)
ю(к) = ю х ЕЕ.
(2)
Результаты вычислений локальной электрофильности в изучаемых реакциях представлены в табл. 4.
Таблица 4
Заряды на реакционных центрах субстрата и продукта, функции Фукуи и локальные электрофильности 8-окси-5,7-динитрохинолина и его аниона в реакциях с тетрагидридоборат ионом, рассчитанные методом БП в газовой фазе и воде
Реакция 0° FF ю(к)
Газовая фаза
1 ^ 3а 0,779 0,754 0,025 31,22 0,78
1 ^ 3б 0,323 0,399 -0,076 31,22 -2,37
1 ^ 3в 0,574 1,181 -0,607 31,22 -18,95
2 ^ 4а 0,771 0,578 0,193 1,28 0,25
2 ^ 4б 0,326 0,482 -0,156 1,28 -0,20
2 ^ 4в 0,565 0,995 -0,43 1,28 -0,55
Вода
1 ^ 3а 0,771 0,728 0,043 29,11 1,25
1 ^ 3б 0,326 0,420 -0,094 29,11 -2,74
1 ^ 3в 0,565 1,211 -0,646 29,11 -18,81
2 ^ 4а 0,690 0,596 0,094 18,39 1,73
2 ^ 4б 0,223 0,323 -0,100 18,39 -1,84
2 ^ 4в 0,603 1,151 -0,548 18,39 -10,08
Как видно из табл. 4, наибольшую локальную электрофильность имеют атомы углерода С6 как в молекуле 8-окси-5,7-динитрохигнлолина, так и его анионе в воде, причем электрофильность данного атома в отрицательно заряженном ионе несколько выше, чем в нейтральном субстрате, несмотря на меньшую устойчивость образующегося о-аддукта. В газовой фазе локальная электрофильность атома С6 незначительна.
Таким образом, DFT-расчеты, проведенные на уровне теории Б3ЬУР/ def2-SVPD, показали, что атака тетрагидридоборат-иона наиболее вероятна по атому углерода С6 как молекулы 8-окси-5,7-динитрохинолина, так и его аниона. Региоселективность данной реакции связана не только с большей термодинамической стабильность образующихся о-аддуктов, но и локальной электрофильностью субстрата.
Список литературы
1. Antifungal properties of new series of quinoline derivatives / R. Musiol [et al.] // Bioorganic & Medicinal Chemistry. 2006. V. 14. № 10. P. 3592-3598.
2. Investigating biological activity spectrum for novel quinoline analogues / R. Musiol [et al.] // Bioorganic & Medicinal Chemistry. 2007. V. 15. № 3. P. 1280-1288.
3. Анионные аддукты динитрохинолинов в реакции с тетрафторборатом фенилдиазония / И. И. Устинов [и др.] // Известия Тульского государственного университетата. Естественные науки 2016. № 2-3.C. 3-10.
4. Becke A. D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange // J. Chem. Phys. 1993. V. 98. № 7. P. 5648-5652.
5. Lee C., Yang W., Parr R. G. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density // Physical review B. 1988. V. 37. № 2. P. 785.
6. Ab initio calculation of vibrational absorption and circular dichroism spectra using density functional force fields / P. J. Stephens [et al.] // The Journal of Physical Chemistry. 1994. V. 98. № 45. P. 11623-11627.
7. Rappoport D., Furche F. Property-optimized Gaussian basis sets for molecular response calculations // J. Chem. Phys. 2010. V. 133. № 13. P. 134105.
8. Granovsky A. A. Firefly version 8.0. 2016. URL: http://classic.chem.msu.su/gran/firefly/index.html.
9. Chattaraj P. Chemical reactivity theory: a density functional view. K.: CRC press, 2009. 553 p.
10. Chattaraj P. K., Giri S., Duley S. Update 2 of: Electrophilicity index // Chemical reviews. 2011. V. 111. № 2. P. PR43-PR75.
Устинов Илья Игоревич, ассист., bai2688@yandex.ru,Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Блохин Игорь Васильевич, канд. хим. наук, доц., blokhiniv@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Атрощенко Юрий Михайлович, д-р хим. наук, проф., зав. кафедрой, reaktiv@tspu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л. Н. Толстого,
Шахкельдян Ирина Владимировна, д-р хим. наук, проф., reaktiv@tspu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л. Н. Толстого
GLOBAL AND LOCAL ELECTROFILITY OF 8-OXY-5,7-DINITROCHINOLINE AND ITS ANION IN THE REACTION WITH TETRAHYDROBORATEION
I.I. Ustinov, I.V. Blokhin, Yu.M. Atroshchenko, I.V. Shakhkel'dyan
The addition of the hydride ion is possible, both to the molecule of 8-hydroxy-5,7-dinitroquinoline, and to its anion, as shown by the quantum-chemical modeling by the DPT method. It was found that the attack of the nucleophile is most likely on the carbon atom at position 6. This is due to the thermodynamic stability of the resulting c-adduct and the local electrophilicity of the substrate.
Key words: 8-hydroxy-5,7-dinitroquinoline, c-adducts, nucleophilic addition, density functional theory, global electrophilicity, local electrophilicity.
Ustinov Il'ya Igorevich, assistant, bai2688@yandex.ru, Russia, Tula, Tula Tolstoy State Pedagogical University,
Blokhin Igor' Vasil'evich, candidate of chemical sciences, docent, blokhiniv@mail.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Atroshchenko Yuriy Mikhaylovich, doctor of chemical sciences, professor, manager of kathedra, reaktiv@tspu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University, Shakhkel'dyan Irina Vladimirovna, doctor of chemical sciences, professor, reaktiv@tspu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University
