CC BY
2
СТАТЬИ НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ И КВАНТОВАЯ ХИМИЯ
DOI - 10.32 743/UniChem.2024.120.6.17725
КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТАУТОМЕРИИ И ЭЛЕКТРОННОГО СТРОЕНИЯ АЗЕПИНОВ
Мамарахмонов Мухаматдин Хомидович
PhD, доцент, Кафедра Химии, Андижанский государственный университет, Республика Узбекистан, г. Андижан E-mail: [email protected]
Кодиров Абдуахад Абдурахимович
DSc, доцент, зав. кафедрой Органической Химии, Каршинский государственный университет, Республика Узбекистан, г. Карши E-mail: [email protected]
Нуриддинов Бекзод Марифжон угли
зав. отделом защиты растений и агрохимии Министерство сельского хозяйства Узбекистана, Республика Узбекистан, г. Ташкент
Избосарова Гулноза Шоназар кизи
магистрант,
Каршинский государственный университет, Республика Узбекистан, г. Карши
QUANTUM CHEMICAL STUDIES OF SEVEN-MEMBERED HETEROCYCLES:
AZEPINE TAUTOMERISM
Mukhamatdin Mamarakhmonov
PhD, Associate professor, Department Chemistry, Andijan State University Republic of Uzbekistan, Andijan
Abduaxad Kodirov
DSc, docent,
Chief of department Organic Chemistry, Karshi State University, Republic of Uzbekistan, Qarshi
Библиографическое описание: КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТАУТОМЕРИИ И ЭЛЕКТРОННОГО СТРОЕНИЯ АЗЕПИНОВ // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. Мамарахмонов М.Х. [и др.]. 2024. 6(120). URL: https://7universum. com/ru/nature/archive/item/17725
Bekzod Marifjon ugli Nuriddinov
Head of the Department of Protection of Plants and Agrochemistry
Ministry of Agriculture of Uzbekistan, Republic Uzbekistan, Tashkent
Gulnoza Izbosarova
Master student, Karshi State University, Republic of Uzbekistan, Qarshi
АННОТАЦИЯ
Семичленные гетероциклические соединения с одним атомом азота - азепины (тривиальное название: аза-тропилиден) и их производные по сей день остаются актуальными объектами исследования для экспериментаторов. Несмотря на имеющиеся в мировой литературе результаты проведенных исследований по синтезу, превращениям и идентификации точной структуры физическими методами (ИК, УФ, Масс, ЯМР методами и РСА), в общих чертах, область семичленных гетероциклов с одним и более числом гетероатомов, также являются в центре внимания химиков-теоретиков.
Поэтому, нами проведены теоретические квантово-химические расчеты, полученные теоретические данные сопоставлены с имеющимися в мировой литературе данными и получны корреляции между ними. Авторы считают, что данная работа по квантово-химическим исследованиям азепинов - в какой то степени служит обогащению фонда химических знаний по выявлению соотношения "структура-биологическая активность" объектов.
ABSTRACT
Seven-membered heterocyclic compounds with one nitrogen atom - azepines (trivial name: azatropylidene) and their derivatives to this day remain relevant objects of research for experimenters. Despite the results of studies available in the world literature on the synthesis, transformations and identification of the exact structure by physical methods (IR, UV, Mass, NMR methods and X-ray diffraction), in general terms, the area of seven-membered heterocycles with one or more heteroatoms is also in the center attention of theoretical chemists.
Therefore, we carried out theoretical quantum chemical calculations, compared the obtained theoretical data with the data available in the world literature and obtained correlations between them. The authors believe that this work on quantum chemical studies of azepines serves to some extent to enrich the fund of chemical knowledge in identifying the "structure-biological activity" relationship of objects.
Ключевые слова: азепин, азатропилиден, арены, квантово-химический расчет, метод DFT-B3LYP, электронное строение, реакционная способность, пути реакций, биологическая активность.
Keywords: azepine, azatropylidene, arenes, quantum chemical calculation, DFT-B3LYP method, electronic structure, reactivity, reaction pathways, biological activity.
Введение. Азепин (азатропилиден) - гетероциклическое азотсодержащее ненасыщенное органическое соединение. Азепины - ненасышенные, семичленные, циклические соединениями с одним атомом азота и их производные. Благодаря свойству легкого мигрирования протонов и двойных связей в цикле, они могут находиться в четырех таутомер-ных формах. Представляется возможнымы четыре таутомерные формы: Ш-, 2^, и <Ш-азепины. Пока никому из химиков-экспериментаторов в мире не удалось выделить ни один из таутомеров незамещенного азепина, из-за их нестабильности, т.е.
время жизни таких частиц практически очень коротки. Наверное, поэтому книги по азпинам, ежели по всем разделам семичленных и восмичленных ге-тероциклах, пока малочисленны. Однако, отдельные научные статьи встречаются в мировой литературе [1]. Получены только обширные данные о свойствах их производных - путем изучения замещенных и конденсированных азепиновых систем. Номенклатура азепинов определяется от позиции атома азота в зависимости двойных связей и должно быть представлен в четырех, изомерных формах:
W , 7/ =
4N' I
H
// 4 v 6
•N '
H
H
N
H
N
H
1H-azepin
2H-azepin
3H-azepin
4H-azepin
Известные азепины: карбамазепин - противосу-дорожное средство и имипрамин - испольуемый в медицинской практике как антидепрессант.
Как сказано выше представляет особый интерес изучения таутомерии азепина или азатропилидена
теоретическими методами, так как экспериментальными методами выявить стабильных изомеров соединения представляется невозможным.
Синтез азепина. Расширением цикла азанорка-радиена получают азепин [2]:
N Н
Н
Также по Дильсу-Альдеру получают азепиновое кольцо, при взаимодействии 2-фенил-1-азирина с 2,5 -димети-3,4-дифенилциклопентадиеноном:
Н5С6
N
2 ^ Н Н
Н5С6"
НС
О
СН
6Н5
СН
О
НС
Н5С6 Н3С
СНз N
СН
6Н5
Н Н
Н5С6
Н5С6 НС
НС
Н
СН
4 3 2\\
4 1N
5 6 7
Н
5С6
+
Методика расчета. Для расширения наших знаний об электронной строении и геометрических данных, а также для глубокого понимания реакционной способности этих объектов, изучения пути проводимых реакций и их механизмов, биологической активности, нами проведены систематические квантово-химические исследования. Данные представленные в настоящей статье относится к первому нашему исследованию по изучению азепина, т.е. азатропилидена. Нами проведены квантово-химиче-ские расчеты по программе Gaussian98 методом
Полные энергии и дипольные
DFT-B3LYP базисным набором 3-2Ш [3] для всех возможных четырех изомерных форм азепина.
Обсуждение результатов. Изомеры азепина. Ниже приведены расчитанные полные энергии изомеров азепина, согласно которым можно сделать вывод, что самым энергетически стабильным изомером является 1Н-изомер. Последний имеет самый меньший дипольный момент (ц=1.79Дб) и наименьшую полную энергию (ДЕ=-179440,87 кКал/моль) сравнительно тождественных величин 2Н, 3Н, 4Н изомеров (см. табл. 1.) и является самым стабильным.
Таблица 1.
моменты изомеров азепина
Изомеры 1Н 2Н 3Н 4Н
Полная энергия, Е, кКал/моль -179440,87 -178259,00 -178263,48 -178259,17
Относительная энергия*, ДЕ 0.00 1181,87 1177,39 1181,70
Дипольный момент, ц, Дб 1.79 2.29 2.29 2.52
За начала отсчета принята значение полной энергии таутомера 1Н.
Представленные данные в таблице 2, и их анализ дает возможность получения широкой информации о геометрии, электронной строении всех таутомерных форм. Атомные заряды. Максимальные отрицательные заряды рассредоточены на атоме азота N1 во всех изомерах. А также все насышенные атомы кольца N1, C2, C3, C4 носят высокие отрицательные заряды равные q=-0.72е, -0.29е, -0.57е, -0.52е, чем остальные члены кольца у соответствующих тауто-меров Ш, 2H, 3^ 4H. Однако, атомы водорода заряжены почти одинаково и их заряды мало
различаются таковых у соседей в кольце. Такая тенденция сохраняется во всех таутомерах.
Длина связей. У таутомере 1Н длины связей N1^2, C3-C4, C5-C6, C7-N1 равны 1.41А, 1.48А, 1.48А, 1.41А; тогда как длины связей C2-C3, C4-C5, C6-C7 немного укорочены и все равны 1.34А. Однако, у таутомера 2Н наблюдается обратное: что длина связей C2-C3, C4-C5, C6-C7 длинее и равны 1.51А, 1.46А, 1.47А, а длина связей N1-C2, C3-C4, C5-C6, C7-N1 укорочены и соответственно равны 1.48А, 1.33А, 1.33А, 1.26А. В общих чертах длины связей у всех таутомеров соответствуют их чередующихся с-п типам связей.
• 7universum.com
и1\11УЕР511М:
( химия и биология июнь 2024
Таблица 2.
Распределение электронных зарядов на атомах, геометрические данные изомеров 1Н - 4Н
Атом Заряды на атомах, е Связь Длина связей, А Валентный Величина угла, ф, градус
1Н 2Н 3Н 4Н 1Н 2Н 3Н 4Н угол 1Н 2Н 3Н 4Н
N1 -0.72 -0.54 -0.64 -0.65 М-С2 1.41 1.48 1.26 1.40 М-С2-С3 126.66 109.96 123.65 127.01
С2 0.07 -0.29 0.18 0.05 С2-С3 1.34 1.51 1.52 1.32 С2-С3-С4 126.23 121.40 106.87 121.89
С3 -0.23 -0.20 -0.57 -0.24 С3-С4 1.48 1.33 1.51 1.51 С3-С4-С5 126.42 123.95 121.00 108.52
С4 -0.18 -0.25 -0.21 -0.52 С4-С5 1.34 1.46 1.33 1.51 С4-С5-С6 126.42 125.13 124.21 121.81
С5 -0.18 -0.21 -0.21 -0.16 С5-С6 1.48 1.33 1.45 1.32 С5-С6-С7 126.23 124.77 125.31 124.24
С6 -0.23 -030 -0.29 -0.31 С6-С7 1.34 1.47 1.34 1.46 С6-С7-М 126.66 128.19 126.56 128.18
С7 0.07 0.11 0.04 0.13 С7-М 1.41 1.26 1.40 1.27 Торсионный Величина угла, т, градус
Н1 0.30 - - - Ш-Н 1.01 - - - угол 1Н 2Н 3Н 4Н
Н2 0.19 0.24 0.24 0.25 С2-Н 1.09 1.09 1.07 1.07 М-С2-С3-С4 -4.53 67.05 67.86 -2.49
Н3 0.18 0.24 0.23 0.23 С3-Н 1.08 1.07 1.08 1.07 С2-С3-С4-С5 27.22 -4.73 -64.03 61.70
Н4 0.18 0.24 0.24 0.26 С4-Н 1.09 1.07 1.07 1.09 С3-С4-С5-С6 0.00 -30.95 5.43 -62.15
Н5 0.18 0.24 0.24 0.24 С5-Н 1.09 1.07 1.07 1.07 С4-С5-С6-С7 -27.22 -2.93 31.56 5.66
Н6 0.18 0.24 0.24 0.24 С6-Н 1.08 1.07 1.07 1.07 С5-С6-С7-М 4.53 35.86 4.70 33.39
Н7 0.13 0.24 0.25 0.24 С7-Н 1.09 1.08 1.07 1.08
№ 6(120)
Единственное различие в длинах наблюдается у Ш-Н связи в таутомере 1Н, коротая равна 1.01А, тогда как длины всех остальных связей С-Н имеют идентичные значения по оси симметрии Н-Ш. В остальных таутомерах длины С-Н связей почти одинаковы, единственное различие - в длинах С-Н связи у насыщенного углерода кольца и равны 1.09А, 1.08А, 1.09А, для трех остальных таутомеров соответственно. Валентные углы. В таутомере 1Н среднее значение валентных углов равно ф=126.44о. У остальных таутомерах 2Н, 3Н, 4Н валентный угол у насышенного атома углерода имеют величину ф=109.96о, 106.87°, 108.52° соответственно. А остальные валентные углы имеют значения в пределах 121.00^128.19о, что соответствуют величине валентного угла ¿р2- гибридизованного атома углерода.
Торсионные углы. Азепиновое кольцо не является ароматичным и по непланарному расположению атомов, и из-за невыполнения принципа Хюккеля, т.е. ароматичности по числу ^-электронов (4п+2). Объемная картина граничных орбиталей (ГО): верхней заполненной молекулярной орбитали (ВЗМО) и нижней свободной молекулярной орбитали (НСМО) и их энергетические данные дает возможность для оценки реакций с орбитальным контролем, как это сделано в работах [4, 5]. Например, разница в энергиях граничных орбиталей у таутомера 1Н самая наименьшая и равна ДЕго=Евзмо-Енсмо=227.79 кКал/моль, тогда как энергии у таутомеров 2Н, 3Н, 4Н равны ДЕго=273.42 кКал/моль, 275.02 кКал/моль, 272.06 кКал/моль соответ-
ственно.
Таблица 3.
Полные энергии и вид граничных орбиталей таутомеров азепина
Изомеры
1Н
2Н
3Н
4Н
НСМО
й
Энергия ГО
Изомеры 1Н 2Н 3Н 4Н
ВЗМО ♦ » »
ДЕГо, кКал/моль 227.79 273.42 275.02 272.06
Выводы. Таким образом, по величине полной энергии системы мы определяли энергетически стабильный таутомер. Таковым является таутомер 1H -имеющий минималную полную энергию и дипольный момент, относительно трех остальных изомеров. Изучение геометриических параметров показало, что ни один из таутомеров не ароматична,
и у всех таутомерах на атоме N1 сосредоточен максимальный электронный заряд, делая его самым реакционноспособным относительно других атомов кольца. У таутомера 1Н самая минимальная энергетическая щель между ГО, что увеличивает вероятность участия данного таутомера в дальнейших реакциях.
Список литературы:
1. Ildar R. Iusupov, Alexander V. Kurkin. Stereoselective synthesis of spirocyclic derivatives of functionalized 2,3,4,7-tetrahydro-1H-azepines. // Mendeleev Communications. Volume 34. - Issue 2.- March-April 2024. - Pages 209-211.
2. Ahmed A. Noser A.H. Abdelmonsef, M.M. Salem. Design, synthesis and molecular docking of novel substituted azepines as inhibitors of PI3K/Akt/TSC2/mTOR signaling pathway in colorectal carcinoma. // Bioorganic Chemistry. Volume 131. - February 2023. - 106299.
3. Frisch M.J.F. and etc. Gaussian 98. Revision A. 5. Gaussian Inc. - Pittsburgh (PA). 1998.
4. I.V. Vakulin, etc., Semi-empirical methods in RedOx potential calculations of substituted aromatic compounds: Pa-rameterizations, solvation models, approximation by frontier molecular orbital energies. // Electrochimica Acta. Volume 294. - 20 January 2019. - Pages 423-430.
5. Jaime Tostado, etc. Synthesis of Seven- and Eight-Membered Rings by a Bransted Acid Catalyzed Cationic Carbo-cyclization of Biphenyl Embedded Enynes. // Organic Letters. Vol. 26. - Issue 16. - 26 April 2024. -Pages 3343-3348.
