CC BY
24
УДК 547.823 + 544.183
КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ 2-ГИДРОКСИ-3,5-ДИНИТРОПИРИДИНА И ЕГО АНИОНА С ТЕТРАГИДРИДОБОРАТ-ИОНОМ
И.И. Сурова, И.В. Блохин, Е.В. Иванова, Ю.М. Атрощенко,
И.В. Шахкельдян
В результате квантово-химического моделирования методом DFT/B3LYP показано, что в газовой фазе при взаимодействии 2-гидрокси-3,5-динитропиридина с тетрагидридоборат-ионом возможно образование только однозарядных анионов, продуктов присоединения гидрид-иона в положения C2, C4 и C6 ароматического ядра. В воде зарядовый и орбитальный фактор благоприятствуют атаке нуклеофила в положение 4 пиридинового кольца, причем при этом могут получаться как однозарядные, так двухзарядные а-аддукты.
Ключевые слова: 2-гидрокси-3,5-динитропиридин, гидридные а-аддукты, метод DFT.
Введение
Производные пиридина и его тетрагидропроизводные являются важнейшими биологически активными соединениями и лекарственными препаратами [1]. Известно, что некоторые потенциальные антивоспалительные препараты синтезировали путем восстановления производных пиридина тетрагидридоборатом натрия [2, 3]. Нитропроизводные пиридина также проявляют большой интерес с практической точки зрения, в частности, они известны как гербициды [4]. Функционализация этих электронодефицитных соединений за счет реакций с нуклеофильными агентами является важнейшей задачей химика-синтетика, позволяющая получать новые соединения, которые могут найти применение в самых различных областях деятельности человека. Так, например, известно, что 3,5-динитропиридин и некоторые его производные аминируют жидким аммиаком в присутствии перманганата калия, получая соответствующие 2-, 4- и 6-моно- и полиаминозамещенные соединения [5]. Промежуточные аминоаддукты 3,5-динитропиридинов детектировали с помощью ЯМР-спектроскопии. Квантовохимические расчеты для нескольких 3,5-динитропиридинов свидетельствовали о том, что региоселективность аминирования подчиняется зарядовому контролю.
Целью данной работы является квантово-химическое моделирование реакции 2-гидрокси-3,5-динитропиридина с тетрагидридоборат-ионом.
Для этого было необходимо решить следующие задачи:
1. Провести геометрическую оптимизацию, расчет полной энергии и расчет зарядов на атомах в предполагаемом субстрате с целью
определения наиболее вероятного направления протекания реакции с тетрагидридоборат-ионом.
2. Провести геометрическую оптимизацию, расчет полной энергии предполагаемых продуктов реакции - анионных а-аддуктов.
3. Рассчитать энергии Гиббса изучаемых процессов с целью определения вероятности их протекания.
Материалы и методы
Предварительную оптимизацию структур осуществляли полуэмпирическим методом PM6 в газовой фазе. После этого квантово-химическое моделирование электронной структуры молекул и анионов проводили в рамках приближения теории функционала плотности с использованием гибридного трехпараметрического обменного функционала Беке [6] с корреляционным функционалом Ли-Янга-Парра [7] (B3LYP) [8] и базисного набора def2-SVPD [9]. Проводили полную оптимизацию геометрии без ограничений по типу симметрии. Характер стационарных точек на поверхности потенциальной энергии контролировали расчетом гессиана. Вычисления проводились средствами программного комплекса Firefly 8.0. [10].
Обсуждение результатов
На первом этапе работы была осуществлена геометрическая оптимизация и расчет зарядов на атомах как в молекуле 2-гидрокси-3,5-динитропиридина, так и в его анионе с целью определения реакционных центров, наиболее подходящих для атаки тетрагидридоборат-иона. В табл. 1 представлены заряды по Малликену на атомах в молекуле субстрата и его анионе, рассчитанные DFT/B3LYP методом в газовой фазе и воде.
Таблица 1
Заряды по Малликену на атомах в молекуле 2-гидрокси-3,5-динитропиридина и его аниона, рассчитанные методом __Р1Т в газовой фазе и воде_
Атом Газовая фаза Вода
Молекула Анион Молекула Анион
N1 -0,320 -0,392 -1,621 -0,398
С2 0,576 0,455 1,405 0,397
С3 -0,347 -0,242 0,022 -0,195
С4 0,485 0,428 -0,767 0,445
С5 -0,226 -0,255 0,687 -0,206
C6 0,744 0,675 0,908 0,714
Как видно из данных табл. 1, наибольшие положительные заряды в газовой фазе в молекуле 2-гидрокси-3,5-динитропиридина и его анионе
сосредоточены на атомах углерода С2, С4 и С6, причем наибольший заряд имеет атом углерода С6. Переход молекулы в анионную форму несколько снижает заряды на указанных атомах. Распределение электронной плотности в молекуле субстрата в водной фазе оказалось иным, чем в газовой. В данном случае наибольшие положительные заряды находятся на атомах С2, С5 и С6, где наибольший заряд находится на атоме углерода С2. Распределение электронной плотности в соответствующем анионе в воде оказалось примерно таким же, как и в газовой фазе.
Анализ вкладов атомов в НСМО молекуле 2-гидрокси-3,5-динитропиридина 1, так и в его анионе 2, рассчитанные методом DFT в газовой фазе и воде, представлен на рисунке. В скобках указаны энергии НСМО.
Вклад атомов в НСМО молекуле 2-гидрокси-3,5-динитропиридина 1,
так и в его анионе 2
Как видно из рисунка, в молекулах динитропиридина 1 заметный вклад в энергию НСМО вносят почти все атомы углерода С2, С4 и С6 как в газовой фазе, так и в воде. В анионе 2-гидрокси-3,5-динитропиридина 2 наиболее реакционноспособным с точки зрения теории граничных орбиталей является атом углерода С4 пиридинового кольца.
В связи с полученными данными можно предположить следующую схему присоединения тетрагидридоборат-иона к 2-гидрокси-3,5-динитропиридину 1 и его аниону 2 (схема 1).
4в 3в
хе а 1.
На следующем этапе работы мы провели геометрическую оптимизацию и расчет полной энергии предполагаемых изоэлектронных а-аддуктов 3 а-в и 4 а-в в газовой фазе и воде (табл. 2). Энергия наиболее устойчивого аниона принята за ноль.
Таблица 2
Полные энергии а-аддуктов 3 и 4, рассчитанные методом DFT __в газовой фазе и воде_
Фаза Полная энергия, кДж/моль
3а 3б 3в 4а 4б 4в
Газовая фаза 470,9 485,2 505,5 48,3 52,1 65,4
Вода 294,9 308,5 327,7 0 4,0 15,3
Как видно из данных табл. 2, несмотря на то что наибольшие положительные заряды в изучаемых субстратах 1 и 2 расположены на атомах углерода С2 или С6, присоединение гидрид-иона к указанным реакционным центрам приводит не к самым стабильным а-аддуктам. Как показали квантово-химические расчеты, наименьшую полную энергию в воде имеет однозарядный анион 4 а, образовавшийся в результате присоединения гидрид-иона в положение 4 гетероароматического кольца.
Для изучения вероятности протекания предложенных процессов был произведен расчет свободной энергии Гиббса указанных реакций по соответствующему уравнению:
АгО298 =АГИ298 - ТА298
Расчет изменения энтальпии реакции проводили согласно закону Гесса с учетом поправок на энергию нулевых колебаний по уравнению:
АН298 = (X Е^ -X ЕТ;:аг) +(£ ¿РЕпрод -2 2РЕреаг).
Значения энергии Гиббса изучаемых реакций, вычисленные методом DFT в газовой фазе и воде, представлены в табл. 3.
Таблица 3
Энергии Гиббса изучаемых реакций, рассчитанные методом DFT _ в газовой фазе и воде_
Реакция Энергия Гиббса, кДж/моль
Газовая фаза Вода
1 + ВН4- ^ 4а + ВН3 -150,4 -10848,5
1 + ВН4- ^ 4б + ВН3 -134,8 -10834,7
1 + ВН4- ^ 4в + ВН3 -83,1 -10788,0
2 + ВН4- ^ 3а + ВН3 299,5 -227,4
2 + ВН4- ^ 3б + ВН3 357,9 -172,1
2 + ВН4- ^ 3в + ВН3 442,9 -91,5
Как видно из табл. 3, в газовой фазе термодинамически возможно только образование однозарядных аддуктов 4, причем наименьшая энергия Гиббса наблюдается в случае образования продукта 4а, образовавшегося при атаке нуклеофила в положение 4 пиридинового кольца. В водной среде возможно образование и двухзарядных 3, и однозарядных анионов 4. При этом наиболее вероятно также присоединение гидрид-иона в положение 4 гетероароматического ядра.
Таким образом, в результате проведенных исследование можно сделать вывод, что в газовой фазе при взаимодействии 2-гидрокси-3,5-динитропиридина с тетрагидридоборат-ионом возможно образование только однозарядных анионов, продуктов присоединения гидрид-иона в положения С2, С4 и С6 ароматического ядра. В водной фазе зарядовый и орбитальный факторы благоприятствуют атаке нуклеофила в положение 4 пиридинового кольца, причем при этом могут получаться как однозарядные, так двухзарядные а-аддукты.
Список литературы
1. Солдатенков А.Т., Колядина Н.М., Шендрик И.В. Основы органической химии лекарственных веществ. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2007. 192 с.
2. The Synthesis Of Several N-(Substituted Phenylcarbonylamino)-4-(3-cyclohexenyl)-1,2,3,6-tetrahydropyridines as Potential Anti-Inflam-Matory Agents / C.J. Pelle, C.O. Okoro, T.L. Wilson [at al.] // Synthetic communications. 1996. V. 26. № 14. P. 2703-2714.
3. Synthesis and pharmacological evaluation of some ND[pyridyl (phenyl) carbonylamino] methylD1, 2, 3, 6Dtetrahydropyridines / K.K. Redda, K.N. Rao, S. Heiman [at al.] // Journal of pharmaceutical sciences. 1992. V. 81. № 5. P. 463-466.
4. Driscoll P. R. Substituted nitropyridines as herbicides U.S. Patent No. 3,495,969. 1970.
5. Wozniak M., Banskira A., Szpakiewicz B. Amination of 3,5-Dinitropyridines with Liquid Ammonia/Potassium Permanganate // Liebigs Annalen der Chemie. 1993. № 1. P. 7-10.
6. Becke A. D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange // J. Chem. Phys. 1993. V. 98. № 7. P. 5648-5652.
7. 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.
8. Ab initio calculation of vibrational absorption and circular dichroism spectra using density functional force fields / P.J. Stephens, F.J. Devlin, C.F. Chabalowski [at al.] // The Journal of Physical Chemistry. 1994. V. 98. № 45. P. 11623-11627.
9. Rappoport D., Furche F. Property-optimized Gaussian basis sets for molecular response calculations // J. Chem. Phys. 2010. V. 133. № 13. P. 134105.
10. Granovsky A. A. Firefly version 8.0. 2016. URL: http://classic. chem. msu. su/gran/firefly/index. html.
Сурова Ирина Игоревна, ассистент, eledhwen I 'a mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Блохин Игорь Васильевич, канд. хим. наук, доц., blokhinivaimail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Иванова Евгения Владимировна, старший преподаватель, omela005agmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Атрощенко Юрий Михайлович, д-р хим. наук, проф., зав. кафедрой, reaktivaitspii. tula. ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Шахкельдян Ирина Владимировна, д-р хим. наук, проф., reaktiva tspu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого.
QUANTUM-CHEMICAL MODELING OF INTERACTION OF 2-HYDROXY-3,5-DINITROPYRIDINE AND ITS ANION WITH TETRAGYRIDOBORATE-ION
I.I. Surova, I.V. Blokhin, E.V. Ivanova, Yu.M. Atroshchenko, I.V. Shakhkel'dyan
It was shown as a result of quantum-chemical modeling by the DFT/B3LYP method that the formation of only singly charged anions, the products of hydride-ion addition to the C2, C4 and C6 positions of the aromatic ring, is possible only in the gas phase by the interaction of 2-hydroxy-3,5-dinitropyridine with tetrahydride boron ion. In water, the charge and orbital factor favor the attack of the nucleophile at the 4-position of the pyridine ring, and in this case both singly charged and doubly-charged c-adducts can be obtained.
Key words: 2-hydroxy-3,5-dinitropyridine, hydride c-adducts, DFT method
Surova Irina Igorevna, assistant, eledhwen l amail.ru, Russia, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Blokhin Igor' Vasil'evich, candidate of chemical sciences, docent, blokhinivaimail.ru, Russia, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Ivanova Evgeniya Vladimirovna, senior lecturer, omela((((5aigmail. com, Russia, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Atroshchenko Yuriy Mikhaylovich, doctor of chemical sciences, professor, manager of kathedra, reaktiva tspu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Shakhkel'dyan Irina Vladimirovna, doctor of chemical sciences, professor, reaktivai tspii. tula.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University
