CC BY
10УДК 542.97+544.18
Л.Б. Кочетова, М.В. Клюев
КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО АЦИЛИРОВАНИЯ 2,6-ДИМЕТИЛНИТРОБЕНЗОЛА
(Ивановский государственный университет) e-mail: [email protected]
Проведено квантово-химическое моделирование поверхности потенциальной энергии стадии ацилирования 2,6-диметиланилина в реакции восстановительного ацилирования 2,6-диметилнитробензола, а также адсорбции участников реакции на поверхности палладиево-го кластера. Показано, что ацилирование 2,6-диметиланилина протекает по бимолекулярному согласованному механизму. Установлено, что роль катализатора в изучаемом процессе заключается в изменении энергий граничных орбиталей участников реакции.
Ключевые слова: восстановительное ацилирование, механизмы реакций, квантово-химическое моделирование
Многие лекарственные средства являются продуктами ацилирования аминов. В свою очередь, амины чаще всего получают каталитическим гидрированием нитросоединений. Таким образом, получение фармпрепарата, относящегося к этому классу, представляет собой многоступенчатый процесс, включающий последовательные стадии гидрирования и ацилирования.
Альтернативным методом получения амидов карбоновых кислот непосредственно из производных нитробензола является их восстановительное ацилирование, технологически осуществляемое в одну стадию. На сегодняшний день one-pot методы (т.е. одностадийные) считаются [1-3] приоритетным направлением в химии, а гидроге-низационное ацилирование, по мнению ряда авторов, является простым, экономически и экологически выгодным подходом, поскольку в процессе амидообразования отсутствуют токсические побочные продукты.
В работе [4] восстановительным ацилиро-ванием 2,6-диметилнитробензола (2,6-ДМНБ) N.N-диэтиламиноуксусной кислотой на палла-диевых катализаторах получали 2-(диэтиламино)-1Ч-(2,6-диметилфенил)ацетамид (лидокаин). Опе-pot-процесс протекает в одном реакторе по схеме:
(C2H5)2NCH2COOH
-н2о
сн3 лидокаин
В условиях синтеза лидокаина превращение нитросоединения в амин может протекать только на катализаторе. Ацилирование, возможно, также идет на поверхности катализатора, хотя образующийся промежуточный продукт реакции 2,6-диметиланилин (2,6-ДМАН), должен, в основном, десорбироваться с поверхности палладиевого катализатора в раствор, поскольку, согласно данным [6], аминогруппа не адсорбируется на платиновых металлах в присутствии нитрогруппы. Ацилирующий агент может находиться как в растворе, так и на поверхности катализатора.
Ранее нами с помощью квантово-химиче-ских расчетов было показано [5], что скоростьоп-ределяющей стадией изучаемого процесса, скорее всего, является ацилирование. Для того, чтобы выяснить возможность протекания ацилирования в отсутствие катализатора и установить его механизм, нами была рассчитана трехмерная поверхность потенциальной энергии (ППЭ) для реакции 2,6-ДМАН с N.N-диэтилглицином (N.N-ДЭгли) в газовой фазе.
Расчеты проводились методом функционала плотности в приближении B3LYP/6-311G(d,p) с использованием программного пакета Firefly 7.1.G [7]. В качестве варьируемых внутренних координат системы были выбраны расстояние между карбоксильным атомом углерода N,N-fl3rnn и атомом азота молекулы 2,6-ДМАН, которые образуют амидную связь в продукте (r(C3-N2)), а также угол атаки молекулы нуклеофила, которым является амин, на карбоксильную группу ацилирую-щего агента (ZN2C3C4). Расстояние r(C3-N2) изменяли в интервале 1.0-4.0 А, угол Z N2C3C4- от 90° (фронтальная атака), до 180° (аксиальная атака). Тыловое направление (ZN2C3C4=270°) не рассматривали как маловероятное, на основании предварительно рассчитанной для него потенциальной
сн3
NHCOCH2N(C2H5)2
кривой Е=Дг(Сз-К2)), не имевшей минимумов и максимумов. Кроме этого, тыловая атака представляется практически невозможной благодаря стерическим затруднениям, создаваемым объемными фрагментами взаимодействующих молекул: ароматическим кольцом 2,6-ДМАН и двумя этильными заместителями Ы.Ы-диэтилглицина. Вычисления проводились по методике, приведенной в работе [8].
Полученная ППЭ стадии ацилирования 2,6-ДМАН Ы.Ы-диэтил глицином в виде контурной карты представлена на рис. 1. Из рис. 1 видно, что на рассчитанной ППЭ имеется единственная сед-ловая точка, соответствующая образованию активированного комплекса реакции ^К2СзС4 = 160° и г(С3 - N2) = 1.300 А), и отсутствуют минимумы, которые могли бы соответствовать образованию интермедиатов. Продукты реакции образуются при Z 1Ч2С3С4 = 170° и г(С3 - N2) = 1.200 А. Такой вид поверхности свидетельствует о том, что аци-лирование 2,6-ДМАН протекает в одну стадию по бимолекулярному согласованному механизму, что согласуется с данными других работ [8,9], в которых проводилось моделирование ППЭ реакций ацилирования аминосоединений. Атака молекулы нуклеофила, которым является амин, на карбоксильную группу ТЧ^-ДЭгли начинается во фронтальном направлении - перпендикулярно плоскости карбоксильной группы и бензольного кольца (¿М2С3С4 ~ 90°). Затем, при сближении молекул реагентов, угол атаки увеличивается и к моменту образования продуктов составляет 170°.
1.0 2.0 3.0 r(C3-N2),A
Рис. 1. Контурная карта ППЭ реакции 2,6-диметиланилина с
МДч[-диэтилглицином в газовой фазе Fig. 1. Contour map of PES of 2,6-dimethylaniline reaction with N,N-diethylglycine in gaseous phase
Образование амидной связи C3-N2 в активированном комплексе ацилирования 2,6-ДМАН несколько опережает разрыв связи С3-О1 между атомом углерода и гидроксилом в карбоксильной группе (r(C3-N2)=1.300À, г^з-ОО =1.806 А). Сумма порядков рвущейся связи С3-О1 и образующейся связи C3-N2 несколько больше единицы (P(C3-N2)= 0.947, Р(Сз—Oi)= 0.574), что свидетельствует об образовании в реакции «сжатого» переходного состояния [10], в котором разрыв старой связи отстает от образования новой. Подобный вид переходного состояния, как известно, характерен для большинства реакций бимолекулярного замещения [10], и согласуется со сделанным выше предположением о протекании изучаемого процесса по SN2-механизму.
Энергетический барьер реакции, рассчитанный как разница в полных энергиях реагентов и переходного состояния, составляет 506 кДж/моль. Несмотря на то, что учет влияния растворителя снижает энергию активации процессов, как это показано в [9], найденное значение является очень высоким, и участие катализатора в стадии ацилирования 2,6-ДМАН представляется совершенно необходимым. Для сравнения, в газофазной реакции ацилирования аммиака фенило-вым эфиром бензойной кислоты, согласно данным наших расчетов, энергия активации составляет 226 кДж/моль [9], а в реакции глицина с бензол-сульфонилхлоридом, также протекающей в газовой фазе, равна 153 кДж/моль [8].
Для выявления роли палладиевого катализатора в гидрогенизационном ацилировании 2,6-ДМНБ, методом UHF в валентном базисе SBKJC, использующем эффективные остовные потенциалы Стивенса-Басча-Краусса-Джасиена-Кундари (ЕСР SBKJC) для химических элементов Li-Rn [11], нами был проведен расчет молекул участников указанного процесса на поверхности плоского шестиатомного палладиевого кластера (рис. 2), который обычно используется [12] при моделировании адсорбции нитросоединений.
Для создания стартовой конфигурации молекул нитро- и аминосоединений использовали данные работы [12], авторами которой была изучена адсорбция 2,6-динитротолуола и продуктов его неполного восстановления (гидроксила-мино- и аминопроизводных) на шестиатомных палладиевых кластерах и определены расстояния Pd-N и двугранные углы между плоскостями ароматических колец субстратов и поверхностью катализатора.
Моделирование адсорбции N,N-fl3rnn проводилось для трех вариантов ориентации молекулы субстрата: с перпендикулярным и параллель-
ным поверхности палладиевого кластера расположением карбоксильной группы, взаимодействующей с палладием, а также для случая, когда с палладием взаимодействует неподеленная пара электронов атома азота аминогруппы ТЧ^-ДЭгли.
Результаты расчетов показали, что наиболее энергетически выгодной для адсорбции является такая ориентация молекулы ТЧ^-ДЭгли, при которой с палладием взаимодействует карбок-
сильная группа, расположенная перпендикулярно к поверхности кластера (рис. 2 в).
Некоторые параметры молекул, адсорбированных на кластерах палладия, полученные в результате моделирования, представлены в таблице. Для сравнения здесь даны результаты расчетов тех же субстратов тем же методом и в том же базисе в отсутствие взаимодействия с катализатором.
3,910
а б в
Рис. 2. Молекулы 2,6-диметилнитробензола (а), 2,6-диметиланилина (б) и NN-диэтилглицина (в), взаимодействующие с
плоским кластером Pd6. Расстояния Pd-N указаны в А Fig. 2. Molecules of 2,6-dimethylnitrobenzene (a), 2,6-dimethylaniline (6) and N,N-diethylgly cine (в), interacting with planar Pd6
cluster. Hie Pd-N distances are shown in A
Таблица
Квантово-химические характеристики молекул 2,6-диметилнитробензола, 2,6-диметиланилина и N,N-диэтилглицина, адсорбированных на кластере Pd6
Table. Quantum chemical characteristics of 2,6-dimethylnitrobenzene, 2,6-dimethylaniline and N,N-di-
Из данных таблицы видно, что адсорбция мало влияет на заряды на атомах реакционных центров, особенно в случае 2,6-ДМНБ что, возможно, обусловлено присутствием в его молекуле двух электронодонорных заместителей в орто-
положении к нитрогруппе. У 2,6-ДМАН наблюдается небольшой рост отрицательного заряда на атоме азота аминогруппы, что свидетельствует о некотором увеличении нуклеофильности данного субстрата в результате его взаимодействия с катализатором, и что должно несколько способствовать протеканию стадии ацилирования. Главным образом, взаимодействие с палладием отражается на энергиях граничных орбиталей: энергии ВЗМО всех субстратов резко увеличиваются, а энергии НСМО - уменьшаются за счет адсорбции. Таким образом, в стадии гидрирования взаимодействие с катализатором понижает энергию НСМО 2,6-ДМНБ, уменьшая энергетическую щель между взаимодействующими орбиталями субстрата и водорода и облегчая протекание реакции. В стадии ацилирования, если 2,6-ДМАН находится в растворе, протеканию реакции способствует понижение энергии НСМО ТЧ^-ДЭгли. Если же какая-то часть 2,6-ДМАН участвует в реакции, будучи адсорбированной на поверхности катализатора, то энергетическая щель будет уменьшаться как за счет повышения энергии
ethylglycine, adsorbed on Pd6 cluster
Субстрат q(Ni), q(N2). q(C3), а.е.з.* Евзмо- эВ Енсмо- эВ
На палладии
2,6-ДМНБ 0.241 -0.35 0.17
2,6-ДМАН -0.093 -0.29 0.08
N.N-ДЭгли 0.038 -0.12 0.29
Без палладия
2,6-ДМНБ 0.240 -9.56 0.52
2,6-ДМАН -0.082 -7.56 3.96
N.N-ДЭгли 0.065 -9.76 3.86
Примечание: *Нумерация атомов соответствует рис. 2 Note: *Atom numbering corresponds to Fig. 2
ВЗМО 2,6-ДМАН, так и за счет понижения энергии НСМО N,N-fl3raH (таблица). Можно сделать вывод, что роль катализатора в восстановительном ацилировании нитросоединений заключается в изменении энергий граничных орбиталей участников процесса.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ют В.Н, Han R., Piao F., Jun Y.M., Baik W., Lee B.M.
// Tetrahedron Lett. 2003. V. 44. N 1. P. 77-79.
2. Lee K.Y., Ют J.M., Ют J.N. // Bull, of the Korean Chem. Soc. 2002. V. 23. N 10. P. 1359-1360.
3. Кочетова JIB. Гидрирование и гидрогенизационное ацилирование нитроаренов. Кинетика и механизмы реакций на палладиевых катализаторах. Saarbrtiken: LAP Lambert Academic Publishing. 2012. 124 е.;
Kochetova L.B. Hydration and hydrogenetion acylation of nitro arenes. Kinetis and mehanisms of reactions on palladium atalysts. LAP Lambert Academic Publishing. 2012. 124 c. (in Russian).
4. Клюев M.B., Абдуллаев М.Г., Абдуллаева З.Ш., Кур-банов Б.Г. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2009. Т. 52. Вып. 1.С. 23-27;
Klyuev M.V., Abdullaev M.G., Abdullaeva Z.Sh., Kurba-nov B.G. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekh-nol. 2009. V. 52. N 1. P. 23-27 (in Russian).
Кафедра органической и физической химии
5. Кочетова Л.Б., Калинина Н.В., Клюев М.В. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2012. Т. 55. Вып. 10. С. 38-42;
Kochetova LB., Kalinina N.V., Klyuev M.V. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2012. V. 55. N 10. P. 38-42 (in Russian).
6. Vasiliev Yu.B., Bagotzky V.S., Khazova O.A., Yastrebova T.N., Sergeeva T.A. //Elektrochim. Acta. 1981. V. 26. N4. P. 563-577.
7. www http://classic.chem.msu.su /gran/firefly/index.html
8. Кочетова JIB., Кустова Т.П. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2009. Т. 52. Вып. 5. С. 12-15; Kochetova L.B., Kustova Т.Р. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2009. V. 52. N5. P. 12-15 (in Russian).
9. Кочетова Л.Б., Калинина H.B., Курицын JI.B., Кустова Т.П., Ишкулова ПР. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2011. Т. 54. Вып. 11. С. 69-73; Kochetova L.B., Kalinina N.V., Kuritsyn L.V., Kustova T.P., Ishkulova N.R. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2011. V. 54. N11 P. 69-73 (in Russian).
10. Днепровский A.C., Темникова Т.П Теоретические основы органической химии. JL: Химия. 1991. 560 е.; Dneprovskiy A.S., Temnikova T.I. Theoretical bases of organic chemistry. L.: Khimiya. 1991. 560 p. (in Russian).
11. Stevens W.J., Krauss M., Basch H., Jasien P.G. // J. Chem. 1992. V. 70. P. 612-630.
12. Barone G., Duca D. // J. Mol. Structure: Theochem. 2002. V. 584. N1-3. P. 211-220.
УДК 542.61
Т.Н. Симонова, A.H. Федотов*, B.A. Дубровина, M.B. Мусаева, В.Ю. Портнянский**
СЕЛЕКТИВНАЯ ЭКСТРАКЦИЯ ТИОЦИАНАТНЫХ КОМПЛЕКСОВ МЕТАЛЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДВУХФАЗНЫХ ВОДНЫХ СИСТЕМ
(Донецкий национальный университет, *ГУ НТЦ «Реактивэлектрон» HAH Украины, * "Государственная экологическая инспекция Украины в Донецкой области)
e-mail: [email protected]
Изучены закономерности экстракции Pcl(II), Ru(III), Cr (III), V(IV), Mo(V), Zn(II) в двухфазной водной системе (NH4)2S04 - KSCN - H20 - C.HjOH (ПЭГ) и Sc(III), Zr(IV), HflIV) в системе NaNOs - KSCN - H20 - СЛН7()Н (ПЭГ). Методами ПК-, ЯМР 'Н-спектроскопии, спектрофотометрии, сдвига равновесий, химического анализа установлен состав экстрагируемых соединений и механизм экстракции. Предложены методики селективного экстракционного извлечения, разделения с последующим определением аналитов в водах, почвах, сплавах методами спектрофотометрии, атомно-абсорб-ционной спектроскопии, комплексонометрии.
Ключевые слова: экстракция, двухфазные водные системы, тиоцианатные комплексы, спек-трофотометрия, атомно-абсорбционная спектроскопия, комплексонометрия
Тиоцианатные комплексы металлов широ- ве экстрагентов применяют трибутилфосфат, ме-
ко применяются в технологической и аналитиче- тилизобутилкетон, изоамиловый спирт, диэтило-
ской практике для их извлечения, разделения, вый эфир, органические основания в растворите-
концентрирования и определения [1-3]. В качест- лях и др. [1-3].
