CC BY
47Volynskiy N.P. Thiosulfuric acid. Polythionates. Vacken-roder reaction. M.: Nauka. 1971. 79 p. (in Russian).
24. Китаев Г.А., Урицкая А.А. // Ж. прикл. химии. 1999. Т. 72. № 4. С. 569-572;
Kitaev G.A., Uritskaya A.A. // Zhurn. Prikl. Khimii. 1999. V. 72. N 4. P. 569-572 (in Russian).
25. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. М.: Химия. 1989. 448 с.;
Lurie Yu.Yu. Handbook on Analytical Chemistry. M.: Khimia. 1989. 448 p. (in Russian).
26. Батлер Д.Н. Ионные равновесия. Л.: Химия. 1973. 446 с.; Bathler D.N. Ionic Equilibria. L.: Khimia. 1973. 446 p. (in Russian).
27. Lawrence C., Johnson S.A., Derric M.E. // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1985. V. 14. N 3. P. 631-680.
28. Auvray P., Genet F. // Bull. Soc. Franc. Mineral. Cristallogr. 1973. V. 96. P. 218-219.
29. Липатников ВН., Гусев А.И. // ФТТ. 2006. Т. 48. № 9.
С. 1546-1557;
Lipatnikov V.N., Gusev A.I. // FTT. 2006. V. 48. N 9.
P. 1546-1557 (in Russian).
30. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехно-логии. 2-е изд. М.: Физматлит. 2007. 416 с.;
Gusev A.I Nanomaterials, Nanosructures, and Nanotechno-logies. 2nd edition. M.: Phyzmatlit. 2007. 416 p. (in Russian).
31. Катышева А.С., Марков В.Ф., Маскаева Л.Н., Чукин А.В. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2012. Т. 55. Вып. 4. С. 87-91;
Katysheva A.S., Markov V.F., Maskaeva L.N., Chukin A.V. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2012. V. 55. N 4. P. 87-91 (in Russian).
Лаборатория нестехиометрических соединений ИХТТ УрО РАН
УДК 542.97+544.353.2+544.18 Л.Б. Кочетова, Н.В. Калинина, М.В. Клюев
КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОЛЬВАТАЦИИ НА КИНЕТИКУ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО АЦИЛИРОВАНИЯ
(Ивановский государственный университет) е-mail: [email protected]
Проведено квантово-химическое моделирование неспецифической и специфической сольватации реагентов и полупродукта реакции восстановительного ацилирования 2,6-диметилнитробензола. Показано определяющее влияние сольватации 2,6-диметил-анилина на общую скорость реакции. Установлен орбитальный контроль стадии аци-лирования амина, сделан вывод о том, что при проведении реакции в спиртах данная стадия является скоростьопределяющей.
Ключевые слова: восстановительное ацилирование, сольватация, квантово-химическое моделирование
В промышленном синтезе анестезирующих средств, таких как лидокаин, мепивакаин, бупивакаин, тримекаин, пиромекаин, применяются многоступенчатые процессы, включающие последовательные стадии гидрирования и ацилиро-вания. Сравнительно недавно разработан более эффективный вариант 1-стадийного синтеза указанных препаратов, в частности, лидокаина, методом восстановительного ацилирования производных нитробензола с применением катализаторов на основе платиновых металлов [1,2]. Процесс проводится в мягких условиях с хорошими выходами целевых продуктов.
В работе [1] лидокаин - 2-(диэтиламино)-^(2,6-диметилфенил)ацетамид получали восстановительным ацилированием 2,6 -диметилнитро-
бензола (I) ^^диэтилглицином (II) на трех катализаторах: Pd/C, AB-17-8-Pd, AH-1-Pd:
СН3
СН3
NO,
Kt, H2 -»
-2H2O
СН
(C2H5)2NCH2COOH II
NH
-H2O
СН
III СН3
(C2H5)2NCH2COOH II
-H2O
NHCOCH2N(C2H5)2
(1)
СН
лидокаин
I
В качестве растворителей использовали этанол, пропанол, бутанол, толуол, гексан. Процесс включает протекающие последовательно стадии гидрирования и ацилирования. Превращение нитросоединения в амин, по-видимому, протекает на катализаторе. Согласно литературным данным [3], аминогруппа не адсорбируется на платиновых металлах в присутствии нитрогруп-пы, поэтому можно полагать, что промежуточный продукт - 2,6-диметиланилин (III) - находится в растворе. Ацилирующий агент (II) может присутствовать как в растворе, так и на поверхности катализатора.
Выбор растворителя существенно влияет на кинетику гидрогенизационного ацилирования: в спиртах скорость реакции значительно выше, чем в толуоле и гексане [1]. Предположено [1], что влияние растворителя на скорость процесса обусловлено как неспецифической, так и специфической сольватацией ацилирующего агента (II) и промежуточного продукта (III) за счет образования ими комплексов с молекулами растворителя.
Для проверки данной гипотезы с использованием программного пакета Firefly 7.1.G [4] методом RHF/6-31G в настоящей работе были рассчитаны квантово-химические параметры молекул реагентов - (I), (II) и промежуточного продукта (III), а также выполнено моделирование специфической и неспецифической сольватации участников реакции (1) растворителями, использованными в синтезе лидокаина [1, 2].
Моделирование неспецифической сольватации проводилось в рамках континуальной модели (PCM) в этиловом спирте, толуоле и гептане, которые входят в набор стандартных растворителей используемой программы.
В качестве моделей специфической сольватации рассматривались комплексы с Н-связью соединений (I-III) с молекулами растворителей. Моделирование сольватокомплексов проводили в супермолекулярном приближении. К молекулам (I) и (III) добавляли 1-2 молекулы растворителей; к (II) - 1-4 молекулы, исходя из числа атомов, которые могут образовывать Н-связи. Молекулы растворителей ориентировали на основании анализа распределения зарядовой плотности в системе. Некоторые результаты расчетов представлены в табл. 1-3. В них не приведены параметры структур, образованных (I - III) с гексаном и толуолом, поскольку энергии их комплексообразования (Ек) положительны, т.е. образования сольватокомплек-сов с указанными растворителями не происходит.
Молекулы спиртов образуют устойчивые комплексы с Н-связью со всеми соединениями, участвующими в реакции (1). При этом устойчи-
Таблица1
Результаты квантово-химического моделирования
2,6-диметилнитробензола Table 1. 2,6-dimethylnitrobenzene quantum chemical simulation results
Р-ритель, n Ек, кДж/ моль %СЭ2, а.е.з. E НСМО, эВ lN-O1, ^-С^ А PN-O1, PN-O2
Газовая фаза
- - -0.449 1.85 1.194; 1.194 1.48; 1.48
Континуальная модель
EtOH - -0.505 1.61 1.195; 1.196 1.47; 1.47
С7Н16 - -0.467 1.80 1.194; 1.194 1.48; 1.48
СвН5-СН3 - -0.472 1.78 1.194; 1.194 1.48; 1.47
Сольватокомплексы с n молекулами растворителя
EtOH -49.84 -0.457 2.10 1.198; 1.191 1.48; 1.52
PrOH -47.21 -0.456 2.10 1.197; 1.191 1.48; 1.52
BuOH -49.84 -0.457 2.10 1.198; 1.192 1.48; 1.52
2EtOH -62.95 -0.462 1.85 1.197; 1.193 1.48; 1.50
2PrOH -65.58 -0.462 1.82 1.196; 1.195 1.49; 1.49
2BuOH -68.20 -0.463 1.82 1.196; 1.195 1.49; 1.49
Таблица 2
Результаты квантово-химического моделирования NjN-диэтилглицина Table 2. N,N-diethylglycine quantum chemical simulation results
Р-ритель, n Ек, кДж/моль а.е.з. E^mo, эВ b-O, А PC-O
Газовая фаза
- - -0.026 5.06 1.332 1.02
Континуальная модель
EtOH - -0.052 4.82 1.318 1.05
С7Н16 - -0.035 4.95 1.332 1.03
С6Н5-СН3 - -0.039 4.93 1.332 1.03
Сольватокомплексы с n молекулами растворителя
EtOH -20.99 -0.011 4.93 1.329 1.02
PrOH -15.74 -0.008 5.03 1.328 1.02
BuOH -7.87 -0.017 4.84 1.332 1.02
2EtOH -34.10 -0.013 4.54 1.325 1.04
2PrOH -36.74 -0.001 4.68 1.322 1.05
2BuOH -31.48 -0.014 4.63 1.325 1.04
3EtOH -41.98 -0.014 4.24 1.327 1.03
3PrOH -41.98 -0.005 4.44 1.324 1.02
3BuOH -73.47 -0.014 4.73 1.317 1.09
4EtOH -86.59 -0.024 4.63 1.323 1.05
4PrOH -76.10 -0.015 4.65 1.317 1.08
4BuOH -70.85 -0.014 4.57 1.320 1.06
Таблица 3
Результаты квантово-химического моделирования 2,6-диметиланилина Table 3. 2,6-dimethylaniline quantum chemical simulation results
вость комплексов (ЫП) увеличивается при увеличении числа молекул спирта в сольватной оболочке. Из данных табл. 1-3 видно, что (I) образует с молекулами растворителей более устойчивые комплексы, чем (III), на что указывают более низкие значения Ек (табл. 1, 3).
Неспецифическая сольватация несколько понижает заряд на нитрогруппе (I) по сравнению с газовой фазой (табл. 1), причем в спирте отрицательный заряд на нитрогруппе больше, чем в толуоле и гептане, что обусловлено различиями в полярности этих растворителей. Остальные рассчитанные квантово-химические характеристики (I) при переходе из газовой фазы в раствор практически не изменяются, за исключением энергии НСМО (ЕНСМо), значение которой заметно понижается при сольватации этанолом.
Специфическая сольватация (I) происходит за счет образования Н-связей между атомами кислорода нитрогруппы и водородами ОН-групп спиртов. Геометрия молекулы (I) под воздействием сольватного окружения несколько искажается - нитрогруппа выходит из плоскости бензольного кольца, располагаясь под углом 52-55°, л-система молекулы нарушается, и это может способствовать протеканию ее гидрирования.
Судя по длинам и порядкам связей, ком-плексообразование не способствует разрыву связей в нитрогруппе: только в комплексах с одной молекулой спирта длина связи N-O несколько увеличивается, но ее порядок при этом уменьшается крайне незначительно. В остальных сольва-токомплексах порядки связей в нитрогруппе увеличиваются, а длины связей практически не изменяются по сравнению с молекулой (I).
Неспецифическая сольватация ацилирую-щего агента (II) гептаном и толуолом практически не изменяет геометрии молекулы (табл. 2). В этаноле длина рвущейся связи С-О уменьшается, а ее порядок увеличивается по сравнению с несольва-тированной молекулой. Неподеленная электронная пара атома азота, а так же атомы кислорода и водорода карбоксильной группы кислоты (II) образуют водородные связи с молекулами спиртов, однако длина рвущейся связи С-О в соединении (II) и ее порядок при этом не изменяются (табл. 2). Каких-либо закономерностей влияния специфической сольватации на квантово-химические параметры молекулы (II) выявить не удалось.
В результате неспецифической сольватации промежуточного продукта этанолом заметно понижается энергия ВЗМО и повышается заряд на аминогруппе соединения (III) по сравнению с газовой фазой. Геометрические и орбитальные характеристики молекулы (III) при этом меняются мало. В толуоле и гептане влияние неспецифической сольватации соединения (III) еще менее выражено.
Молекулы спиртов образуют Н-связи с атомами водорода аминогруппы (III), тогда как атом азота не участвует в комплексообразовании с растворителем. Строение молекулы (III) при этом практически не изменяется. Длины связей N-H в аминогруппе для разных сольватокомплексов находятся в пределах 0.996-0.998 Ä, однако порядки этих связей уменьшаются (табл. 3), что должно способствовать их разрыву и увеличению скорости ацилирования.
Ранее нами показано [5], что реакционная способность нитросоединений при гидрировании на палладиевых катализаторах связана с зарядом на нитрогруппе. Наряду с этим, автором работы [6] утверждается, что скорость гидрирования нит-росоединений зависит от энергий их НСМО. Проведенные нами расчеты показали, что замена молекулы одного спирта на другой в структуре сольва-токомплексов соединений (I) не изменяет ни заряда на нитрогруппе, ни ЕНСМО (табл.1), однако определенные экспериментально константы скорости реакции (1) зависят от строения спирта. Возможно, это обусловлено тем, что гидрирование не является лимитирующей стадией реакции (1).
Р-ритель, n -Ек, кДж/ моль qNH2, а.е.з. Евзмо, эВ Cpz(N) 9pz(N) PN-H
Газовая фаза
- - -0.174 -7.67 0.536 1.769 0.83 0.83
Континуальная модель
EtOH - -0.159 -7.92 0.548 1.773 0.82; 0.82
С7Н16 - -0.168 -7.76 0.540 1.771 0.83; 0.83
С6Н5-СН3 - -0.167 -7.78 0.542 1.771 0.82; 0.82
Сольватокомплексы с n молекулами растворителя
EtOH 13.12 -0.161 -7.32 0.570 1.801 0.77 0.84
PrOH 13.12 -0.161 -7.32 0.566 1.793 0.77 0.84
BuOH 15.74 -0.160 -7.32 0.551 1.764 0.77 0.84
2EtOH 39.35 -0.167 -7.27 0.563 1.779 0.82 0.78
2PrOH 39.35 -0.168 -7.27 0.551 1.753 0.78 0.81
2BuOH 36.72 -0.168 -7.29 0.541 1.734 0.78 0.82
Согласно данным ряда работ [7-9], реакции ацилирования аминов являются орбитально контролируемыми, причем индексами реакционной способности служат вклады 2pz-AO азота в ВЗМО (Cpz(N)) и заселенности 2pz-AO азота ((pz(N)) аминосоединений, линейно связанные с константами скорости. Нами установлена линейная зависимость между константами скорости реакции (1) при ее проведении в этаноле, пропаноле и бутаноле и величинами Cpz(N) и (pz(N) комплексов амина (III) с двумя молекулами каждого спирта (рис. а, б).
кэф, моль/(л-с) 0,3
0,26 -0,22 0,18 0,14 -0,1
2 ^ a 3
0,54
кф моль/(л-с) 0,3
0,26 0,22 0,18 0,14 0,1
0,55
0,56 Срz(N)
2 a
3
1,73
1,75
1,77 (^(N)
Рис. Зависимость констант скорости восстановительного ацилирования 2,6-диметилнитробензола [1, 2] от вклада 2pz-АО азота в ВЗМО (а) и заселенности 2pz-AO азота (б) сольва-токомплексов 2,6-диметиланилина с 2 молекулами спиртов. Катализаторы: 1-AB-17-8-Pd, 2-AH-1-Pd, 3-Pd/C; растворители: а-этанол, b-пропанол, c-бутанол Fig. Dependence of 2,6-dimethylnitrobenzene reductive acylation rate constants [1, 2] on contributions of nitrogen 2pz-AO in HOMO (а) and population of nitrogen 2pz-AO (б) of 2,6-dimethylaniline solvation complexes with 2 alcohol molecules. Catalysts: 1-AB-17-8-Pd, 2-AH-1-Pd, 3-Pd/C; solvents: a-ethanol, b-propanol, c-butanol
Существование линейных зависимостей между константами скорости и орбитальными характеристиками сольватокомплексов (III) указывает на орбитальный контроль стадии ацилирова-ния реакции (1) и дает основания полагать, что в спиртах эта стадия может являться скоростьопре-деляющей.
Анализ результатов моделирования соль-ватокомплексов ацилирующего агента (II) не позволяет выявить однозначных тенденций в изменении их зарядовых и энергетических характеристик, а также взаимосвязи последних с константами скорости реакции (1). Этот факт согласуется с литературными данными [9], согласно которым скорость ацилирования, в первую очередь, определяется состоянием амина в растворе, тогда как сольватация ацилирующего агента играет второстепенную роль.
Таким образом, результаты проведенного моделирования соответствуют существующим представлениям о специфически и неспецифически сольватирующих растворителях: спирты участвуют как в специфических, так и в неспецифических взаимодействиях с молекулами реагентов и промежуточного продукта, а гексан и толуол -только в неспецифических. Специфическая сольватация промежуточного продукта гидроацилиро-вания - амина оказывает определяющее влияние на общую скорость реакции, что позволяет считать ацилирование промежуточного продукта (III) наиболее медленной стадией реакции (1).
Работа выполнена в рамках проекта РНП. 2.2.1.1/11465 Министерства образования и науки РФ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Клюев М.В., 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., Kurbanov B.G. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved., Khim. Khim. Tekhnol. 2009. V. 52. N 1. P. 23-27 (in Russian).
2. Клюев М.В., Абдуллаев М.Г., Абдуллаева З.Ш. // Хим. фарм. журнал. 2010. Т. 44. Вып. 8. С. 31-37;
Klyuev M.V., Abdullaev M.G., Abdullaeva Z.Sh. // Khim. Pharm. Zhurnal. 2010. V. 44. P. 446-451.
3. Vasiliev Yu-В., Bagotzky V.S., Khazova O.A., Yastrebova T.N., Sergeeva T.A. // Elektrochim. Acta. 1981. V. 26. N 4. P.563-577.
4. Granovsky Alex A. www http: // classic. Chem.. Msu. Su /gran/firefly/index. html
5. Насибулин А.А., Кочетова Л.Б., Клюев М.В. // Нефтехимия. 2001. Т. 41. № 3. С.213-217;
Nasibulin A.A., Kochetova L.B., Klyuev M.V. // Neftekhi-mia. 2001. V. 41. N 3. P.213-217 (in Russian).
6. Лефедова О.В. Селективная жидкофазная каталитическая гидрогенизация замещенных нитро- и азобензолов. Дис. ... д.х.н. Иваново.: ИГХТУ. 2002. 352 с.;
Lefyodova O.V. Selective liquid-phase catalytic hydrogenation of substituted nitro and azo benzenes. Dissertation
a
б
c
for doctor degree on chemical science. Ivanovo. ISUCT. 2002. 352 р.
7. Опарина Л.Е., Ишкулова Н.Р., Кочетова Л.Б., Калинина Н.В., Курицын Л.В., Кустова Т.П. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2011. Т. 54. Вып. 2. С. 56-59; Oparina L.E., Ishkulova N.R., Kochetova L.B., Kalinina N.V., Kuritsyn L.V., Kustova T.P. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2011. V. 54. N 2. P. 56-59 (in Russian).
8. Кустова Т.П., Щеглова Н.Г., Кочетова Л.Б., Калинина
Н.В. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2008. Т. 51. Вып. 6. С. 26-30;
Kustova T.P., Shcheglova N.G., Kochetova L.B., Kalinina N.V. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2008. V. 51. N 6. P. 26-30 (in Russian). 9. Курицын Л.В. Кустова Т.П., Садовников А.И., Калинина Н.В., Клюев М.В. Кинетика реакций ацильного переноса. Иваново: ИГУ 2006. 260 с.; Kuritsyn L.V., Kustova T.P., Sadovnikov A.I., Kalinina N.V., Klyuev M.V. Kinetics of reactions of acyl transfer. Ivanovo: ISU. 2006. 260 p. (in Russian).
Кафедра органической и биологической химии
УДК 547. 551. 1: (678.5 + 541. 12) Я.О. Межуев, Ю.В. Коршак, М.И. Штильман, А.И. Пискарева
АКТИВАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОДНОЭЛЕКТРОННОГО ПЕРЕНОСА С МОЛЕКУЛЫ
ПИРРОЛА НА ПЕРОКСИДИСУЛЬФАТ-ИОН
(Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева) e-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Исследована кинетика одноэлектронного переноса с молекулы пиррола на персульфат-ион в условиях окислительной полимеризации. Показано, что одноэлектронный перенос подчиняется второму порядку, рассчитаны константы скорости, а также ак-тивационные параметры процесса.
Ключевые слова: пиррол, полипиррол, окисление
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время кинетика окислительной полимеризации пиррола в присутствии хлорида железа (III) исследована в ряде работ, а механизм реакции надежно установлен [1]. Согласно общепринятому механизму, окислительная полимеризация пиррола начинается с медленной стадии одноэлектронного переноса с молекулы пиррола на ион железа с образованием катион-радикала пиррола. Далее следует быстрая рекомбинация катион-радикалов пиррола, ответственная за рост молекулярной массы (схема 1).
+
H H H
Схема 1 Scheme 1
Вместе с тем известно, что пиррол способен к окислительной полимеризации в присутствии пероксидисульфата аммония в качестве окислителя. В настоящей работе исследована кинетика акта одноэлектронного переноса на пероксиди-сульфат-ион, с которого как предполагают авторы, начинается окислительная полимеризация пиррола (схема 2) [2].
Схема 2 Scheme 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Исследования кинетики одноэлектронного переноса с молекулы пиррола на пероксидисуль-фат-ион проводились в разбавленном водном рас-
