CC BY
45
Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2015. Вып. 4. С. 184-193 Химия
УДК 547.787.31
Квантово-химическое моделирование
взаимодействия 2-метил-5,7-динитробензо[^оксазола с метоксид-ионом
В. А. Арляпов, Ю. М. Атрощенко, И. В. Блохин, Л. Г. Мухторов, И. В. Шахкельдян, А. Н. Шумский
Аннотация. Полуэмпирическим методом ГЫб в газовой фазе и в метаноле рассчитаны заряды на атомах, а также вклады pz-орбиталей атомов в НСМО молекулы 2-метил-5,7-динитробензо[^оксазола. Рассчитаны стандартные теплоты образования предполагаемых продуктов присоединения метоксид-иона к молекуле субстрата, стандартные энтальпии и энергии Гиббса реакций. Установлено, что в метаноле определяющую роль играет зарядовый фактор, при этом атака нуклеофила наиболее вероятна по атомам углерода С-2, С-4 и С-6 субстрата. При действии карбоната цезия на 2-метил-5,7-динитробензо[^оксазол в метаноле при комнатной температуре был выделен а-аддукт, представляющий собой структуру с положением метоксильной группы у второго атома углерода оксазольного цикла. Строение полученного соединения доказано методами ЯМР (ХН ЯМР, 13С ЯМР, HSQC, НМВС), ИК-спектроскопии, а также элементным анализом.
Ключевые слова: 2-метил-5,7-динитробензо^]оксазол, нуклео-фильное присоединение, анионный а-аддукт, полуэмпирический метод ГЫ6.
Введение
Известно, что реакции гетероароматических полинитросоединений с нук-леофильными агентами протекают с образованием относительно лабильных анионных а-аддуктов [1-4]. Однако нитропроизводные бензоксазола до сих пор не были изучены с этой точки зрения [5].
Целью данной работы было квантово-химическое моделирование взаимодействия 2-метил-5,7-динитробензо[ё]оксазола с метоксид-ионом. Для этого необходимо было решить следующие задачи.
1. Квантово-химический расчет полуэмпирическим методом PM6 зарядов на атомах, а также вкладов р2-орбиталей в НСМО молекулы 2-метил-5,7-динитробензо[ё]оксазола в газовой фазе и метаноле, определяющих место атаки метоксид-иона.
2. Вычисление полуэмпирическим методом PM6 энергий НСМО субстрата и ВЗМО метоксид-иона с целью установления вида контроля в газовой фазе и метаноле (орбитальный или зарядовый контроль).
3. Расчет стандартных теплот образования всех предполагаемых аддук-тов данной реакции как в газовой фазе, так и в метаноле с целью определения их относительной стабильности, а также вычисление изменений стандартных энтальпий предполагаемых превращений.
4. Определение изменений энергии Гиббса изучаемых процессов с целью определения их термодинамической вероятности.
5. Экспериментальное подтверждение полученных квантово-химический расчетов путем выделения продукта взаимодействия 2-метил-5,7-динитробензо[ё]оксазола с метоксид-ионом и установления его структуры методами ЯМР и ИК спектроскопии, а также элементным анализом.
Экспериментальная часть
Оптимизацию геометрических параметров исследуемых соединений, расчет зарядов на атомах, а также вкладов р2-орбиталей атомов в НСМО субстрата проводили в программе Gaussian 09 полуэмпирическим методом PM6 [6]. Все рассчитанные в данной работе структуры являются стационарными точками на ППЭ, что было подтверждено анализом теоретического колебательного спектра, рассчитанного из матрицы Гессиана, при этом для минимумов на ППЭ диагонализированная матрица Гесса содержит только положительные члены.
Регистрацию ИК-спектров производили на Фурье-спектрометре ФСМ 1201 в таблетках KBr (1.5:300) c разрешением 4 см-1. Волновые числа колебаний приведены в обратных сантиметрах (см-1). Спектры ЯМР зарегистрированы на спектрометре Bruker Avanœ III (500,13 МГц) в ДМСО-ё6, внутренний стандарт - ГМДС. Элементный анализ выполняли на CHN-анализаторе (модель 1100, Carlo Erba, Италия).
Исходный 2-метил-5,7-динитробензо[ё]оксазол синтезировали по методике [7].
2-Метил-2-метокси-5,7-динитро-1,2-дигидробензоксазолид цезия. Растворяли 0.223 г 2-метил-5,7-динитробензо[ё]оксазола (0.01 ммоль) и 0.326 г CS2CO3 (0.01 ммоль) в 10 мл СН3ОН. После перемешивания полученную смесь выдерживали около 12 ч. При этом выпадал ярко-красный осадок 2-метил-2-метокси-5,7-динитро-1,2-дигидробензоксазолида цезия, который отфильтровывали и сушили на воздухе. Выход 98 %. ИК спектр, см-1: V(СНаром) 3015, v(СНалиф) 2959, v(С=С) 1541, vas(NO2) 1551, vs(NO2) 1351, ¿(CH3) 1454, v(C-O-С) 1228. Спектр 1H ЯМР S, м.д.: CH3 с. 1.71; OCH3
с. 3.68; Н4 д. 7.23 (Л=0.1 Ш); Н6 д. 8.49 (Л=0.1 Ш); спектр 13С ЯМР 5С, м.д.: СНз 16.59, ОСНз 52.66, С4 114.73, С6 120.46, С7а 126.48, С7 135.03, С3а 144.09, С2 162.62, С5 164.33. Найдено, %: С 27.84; Н 2.15; N 10.83. СдНвСв^Об. Вычислено, %: С 27.93; Н 2.08; N 10.86.
Обсуждение результатов
Первоначальным этапом работы был расчет полуэмпирическим методом РМ6 зарядов на атомах, а также вкладов р2-орбиталей в НСМО молекулы 2-метил-5,7-динитробензо[ё]оксазола в газовой фазе и метаноле, определяющих место атаки метоксид-иона. Результаты расчетов представлены в табл. 1.
Таблица 1
Заряды на атомах и вклады pz-орбиталей в НСМО 2-метил-5,7-динитробензо[^оксазола, рассчитанные методом РМ6 в газовой фазе и метаноле
Атом Газовая фаза Метанол
Заряд на атоме Вклад р2-орбитали в НСМО Заряд на атоме Вклад р2-орбитали в НСМО
01 -0.267 0.08711 -0.283 0.11500
02 0.374 0.23658 0.425 0.20783
N3 -0.306 -0.16065 -0.354 -0.14168
С3а -0.077 -0.13652 -0.070 -0.11581
С4 0.077 0.57995 0.096 0.55850
С5 -0.308 -0.21572 -0.293 -0.19129
С6 0.096 -0.21905 0.124 -0.18418
С7 -0.328 0.35799 -0.319 0.30930
С7а 0.279 -0.38844 0.308 -0.42256
Как следует из данных табл. 1, положительный заряд в исследуемой молекуле, как в газовой фазе, так и в метаноле, сосредоточен на атомах углерода С-2, С-4, С-6, а также атоме 7а, причем заряд на атоме углерода гетероцикла С-2 примерно в три раза больше, чем на атомах углерода бензольного кольца.
Положительные значения коэффициентов вклада р2-орбиталей в НСМО субстрата, приведенные в табл. 1, свидетельствуют о связывающем взаимодействии ВЗМО нуклеофила при образовании связи С-О. Следовательно, с точки зрения орбитального контроля, атака метоксид-иона возможна по этим же атомам 2-метил-5,7-динитробензо[ё]оксазола, то есть зарядовый и орбитальный контроль в данном случае действуют согласовано. Таким образом, атака нуклеофила в молекуле субстрата вероятна не только по
атомам углерода бензаннелированного кольца с образованием классических ст-аддуктов Мейзенгеймера, но и по атому углерода С-2 гетероцикла.
Как показывают квантово-химические расчеты энергий НСМО 2-метил-5,7-динитробензо[ё]оксазола и ВЗМО метоксид-иона (табл. 2) разность энергий НСМО субстрата и ВЗМО нуклеофила в газовой фазе составляет 0.64 эВ, тогда как в метаноле эта величина возрастает до 6.11 эВ, что свидетельствует о снижении роли орбитального фактора при проведении реакции в метаноле. Таким образом, в газовой фазе данная реакция подчиняется орбитальному контролю, а в метаноле — зарядовому.
Таблица 2
Энергии НСМО 2-метил-5,7-динитробензо[^оксазола и ВЗМО метоксид-иона в газовой фазе и метаноле, рассчитанные методом РМ6
Реакционная среда Е (НСМО) субстрат, эВ Е (ВЗМО) СН3О-, эВ БЕ, эВ
Газовая фаза -2.43 -1.79 0.64
Метанол -2.19 -8.30 6.11
Рис. 1. Схема возможных направлений реакции взаимодействия 2-метил-5,7-динитробензо[^оксазола с метоксид-ионом
Для сравнительной оценки устойчивости аддуктов 2-5 была проведена геометрическая оптимизация структур полуэмпирическим методом РМ6 и рассчитаны их стандартные энтальпии и энтропии образования в газовой фазе и метаноле (табл. 3).
Расчет зарядов позволяет предположить, что взаимодействие 2-метил-5,7-динитробензо[ё]оксазола 1 с метоксид-ионом возможно по четырем реакционным центрам субстрата 1 с образованием аддуктов 2-5, каждый из которых может существовать в виде двух энантиомеров (рис. 1).
Таблица 3
Термодинамические характеристики анионных аддуктов 2-5, рассчитанные методом РМ6 в газовой фазе и метаноле
Аддукт Газовая фаза Метанол
АН/, ккал/моль Б, кал/мольхК АН/, ккал/моль Б, кал/мольхК
2а (8) -1.13 134.52 -50.05 134.76
2Ь (Б.) -3.12 136.82 -50.05 134.73
3а (8) -7.08 134.97 -59.44 136.08
3Ь (Б) -4.96 134.98 -57.81 135.30
4а (8) -3.76 134.90 -58.29 135.19
4Ь (Б) -3.09 134.38 -56.70 133.91
5а (8) 288.92 135.70 233.18 134.61
5Ь (Б) 288.92 135.80 233.18 134.59
Из приведенных данных видно, что наименьшее значение стандартной энтальпии образования как в газовой фазе, так и в метаноле имеет аддукт 3, представляющий собой классический ст-аддукт Мейзенгеймера. Это указывает на термодинамический контроль при атаке метоксид-иона в положение С-4. Причем стандартные теплоты образования энантиомеров отличаются примерно на 2 ккал/моль, что, вероятно, может влиять на стереоселектив-ность данной реакции. Изомерный аддукт, образовавшийся при присоединении метоксид-иона в положение С-6 (аддукт Мейзенгеймера 4) несколько менее стабильный, что, вероятно, свидетельствует о пространственных затруднениях при атаке в указанное положение. Аддукт ацетального типа 2, образовавшийся при атаке метоксид-иона в положение 2 гетероцикла имеет стандартные теплоты образования того же порядка, что и для ст-аддуктов 3 и 4, поэтому его не следует исключать из вероятных продуктов реакции 2-метил-5,7-динитробензо[ё]оксазола с метоксид-ионом, поскольку решающее значение здесь может иметь кинетический фактор. Как видно из табл. 3, аддукты 5, образовавшиеся при атаке по атому углерода 7а имеют более высокие стандартные теплоты образования, что свидетельствует о меньшей относительной стабильности последних. При анализе табл. 3 обращает на себя внимание тот факт, что все аддукты имеют меньшие стандартные теплоты образования в метаноле, чем в газовой фазе, что можно объяснить эффектом сольватации.
Согласно закону Гесса, нами были рассчитаны стандартные энтальпии изучаемых реакций, а также изменение энергии Гиббса при 298 К. Полученные данные представлены в табл. 4.
Таблица 4
Изменения энтальпии и энергии Гиббса реакций 2-метил-5,7-динитробензо[^оксазола с метоксид-ионом
Реакция Газовая фаза Метанол
ДН, ДО, ДН, ДО,
ккал/моль ккал/моль ккал/моль ккал/моль
1 + СН3О- ^ 2а (8) -86.33 -70.49 -43.67 -31.91
1 + СН3О- ^ 2Ь (И) -82.08 -75.43 -43.67 -31.91
1 + СН3О- ^ 3а (8) -92.28 -78.71 -53.06 -40.07
1 + СН3О- ^ 3Ь (И) -90.16 -80.83 -51.43 -41.47
1 + СН3О- ^ 4а (8) -88.98 -76.82 -51.91 -38.69
1 + СН3О- ^ 4Ь (И) -88.29 -77.35 -50.32 -39.91
1 + СН3О- ^ 5а (8) 203.72 214.95 239.56 251.36
1 + СН3О- ^ 5Ь (И) 203.72 214.93 239.56 251.36
Как видно из табл. 4, все реакции, кроме реакции образования аддук-тов 5, являются экзотермическими. Причем в метаноле тепловой эффект реакции в случае указанных аддуктов в 1,5 раза меньше, что, вероятно, связано с сольватирующим действием растворителя. Отрицательные значения изменения энергии Гиббса при образовании анионных аддуктов 2—4 свидетельствуют о принципиальной возможности протекания данных процессов, тогда как образование аддуктов 5, образующихся при атаке нуклеофила в положение 7а субстрата, является термодинамически невозможным.
В экспериментальной части работы нами установлено, что при действии карбоната цезия на 2-метил-5,7-динитробензо[ё]оксазол 1 в метаноле при комнатной температуре образуется ярко-красный кристаллический продукт с выходом 98 %, который, согласно данным ЯМР-спектроскопии, представляет собой структуру анионного ст-комплекса 2 (схема 1) с положением метоксильной группы у атома углерода С-2 оксазольного цикла.
В спектре ЯМР 1Н цезиевой соли аддукта 2 наблюдается 4 сигнала: два узких дублета (Л=0.1 Гц) протонов Н-6 и Н-4 при 5 8.49 и 7.23 м.д. соответственно и два синглета при 5 3.68 м.д. (ОСН3) и 1.71 м.д. (2-СН3). Обращает на себя внимание смещение в сильное поле сигналов протонов Н-4 (Д5 1.64 м.д) и Н-6 (Д5 0.52 м.д) аддукта по сравнению с сигналами аналогичных протонов субстрата 1, что указывает на участие динитробензольного фрагмента в делокализации заряда аниона ст-комплекса.
Отнесение сигналов в спектре ЯМР 13С аддукта 2 было сделано с помощью гетероядерной корреляционной спектроскопии HSQC и НМВС. Сигналы атомов углерода С-6 (5С 120.5 м.д.), С-4 (5С 114.7 м.д.), ОСН3 (5С 52.7
м.д.), 2-СНз-группы (5С 16.6 м.д.) легко определяются по прямым константам Лнс в спектре HSQC. В спектре НМВС полученной соли 2 наблюдаются интенсивные корреляционные пики, соответствующие КССВ через 2-3 связи. Так, для протона Н-6 фиксируются кросс-пики от взаимодействия с атомами углерода С-4, С-7а (6С 126.5 м.д.), С-7 (6С 135.0 м.д.), С-5 (6С 154.3 м.д.); для протона Н-4 с атомами углерода С-6, С-7а, С3а (5С 144.1 м.д.) и С-5; для протонов 2-СНз-группы с атомами углерода С-2 (5С 162.6 м.д.) и С-4. На место присоединения нуклеофила в положение 2 субстрата однозначно указывает наличие в спектре НМВС соединения 2 интенсивного корреляционного пика протонов ОСНз-группы с атомом углерода С-2. Кроме того, видна константа через четыре связи протонов СНз-группы с атомом углерода метоксигруппы, что возможно для аддукта только такой структуры.
Таким образом, экспериментальное изучение реакции 2-метил-5,7-динитробензо[ё]оксазола с метоксид-ионом показало, что атака нуклеофила идет по атому углерода гетероцикла С-2 с образованием анионного ст-аддукта ацетального типа, что согласуется с данными квантово-химических расчетов полуэмпирическим методом РМ6. Реакция в жидкой фазе (метанол) подчиняется зарядовому контролю.
Выводы
1. Рассчитанные заряды на атомах в молекуле 2-метил-5,7-динитробензо[ё]оксазола и значения коэффициентов вклада р2-орбиталей в НСМО субстрата показывают, что атака метоксид-иона вероятна по атомам углерода С-2, С-4, С-6 и С-7а субстрата с образованием аддуктов, каждый из которых может существовать в виде двух энантиомеров.
2. На основе вычисленных полуэмпирическим методом РМ6 энергий НС-МО субстрата и ВЗМО метоксид-иона установлено, что в газовой фазе данная реакция подчиняется орбитальному контролю, а в метаноле -зарядовому.
3. Произведены геометрическая оптимизация и расчет стандартных теп-лот образования всех предполагаемых аддуктов как в газовой фазе, так и в метаноле, в результате чего установлено, что наименьшие значения теплот образования имеют аддукты, образовавшиеся при атаке метоксид-иона в положения 2, 4 и 6 исходного субстрата. На основе закона Гесса рассчитаны изменения энтальпий изучаемых реакций. Показано, что все реакции, кроме реакций образования аддуктов, образовавшихся при атаке по атому С-7а, являются экзотермическими.
4. Отрицательные значения изменения энергии Гиббса при образовании анионных аддуктов, образовавшихся при атаке метоксид-иона по атомам углерода С-2, С-4 и С-6, свидетельствуют о принципиальной возможности протекания данных процессов, тогда как появление аддук-
тов, образующихся при атаке нуклеофила в положение 7a субстрата, является термодинамически невозможным.
5. Экспериментально показано, что при обработке 2-метил-5,7-динитробензо[ё]оксазола карбонатом цезия в метаноле при комнатной температуре образуется ст-аддукт, представляющий собой структуру с положением метоксильной группы у второго атома углерода оксазоль-ного цикла. Строение полученного соединения доказано методами ЯМР ЯМР, 13С ЯМР, HSQC, НМВС), ИК-спектроскопии, а также элементным анализом.
Список литературы
1. Синтез структурных аналогов цитизина конденсацией по Манниху анионного аддукта 5,7-динитро-8-гидроксихинолина / И.Е. Якунина, И.В. Шахкельдян, Ю.М. Атрощенко, А.С. Рыбакова, Н.А. Троицкий, Е.В. Шувалова // Журнал орган. химии. 2005. Т. 41. № 8. С. 1259-1260.
2. Гидридные аддукты динитрохинолинов в мультикомпонентной реакции Ман-ниха / А.Ю. Медведева, И.Е. Якунина, Ю.М. Атрощенко, А.Н. Шумский, И.В. Блохин // Журнал орган. химии. 2011. Т. 47. № 11. С. 1696-1699.
3. Анионный бициклический ст-аддукт 2-гидрокси-3,5-динитропиридина в синтезе новых производных 2,6-диазатрициклододеканов / Е.В. Иванова, И.И. Сурова, Н.В. Хлытин, И.В. Блохин, И.В. Шахкельдян, Ю.М. Атрощенко, К.И. Кобра-ков // Бутлеровские сообщения. 2014. Т. 38. № 6. С. 64-68.
4. Синтез 6-тиозамещенных3,5-динитро-1,2,3,4-тетрагидропиридинов / И.И. Сурова, Е.В. Иванова, И.В. Блохин, И.В. Шахкельдян, Ю.М. Атрощенко, Е.И. Кобраков, Д.Н. Кузнецов, И.В. Федянин // Бутлеров. сообщения. 2015. Т. 42. № 4. С. 91-95.
5. Palmer D.C. Oxazoles: Synthesis, Reactions and Spectroscopy. Part A. The Chemistry of Heterocyclic Compounds. Vol. 60. Raritan. N.J.: John Wiley & Sons, 2003. 640 p.
6. Gaussian09 Revision C.01 / M.J. Frisch, G.W. Trucks, H.B. Schlegel, G.E. Scuseria, M.A. Robb, J.R. Cheeseman, G. Scalmani, V. Barone, B. Mennucci, G.A. Petersson, H. Nakatsuji, M. Caricato, X. Li, H.P. Hratchian, A.F. Izmaylov, J. Bloino, G. Zheng, J.L. Sonnenberg, M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H. Nakai, T. Vreven, J.A. Montgomery, J.E. Peralta, F. Ogliaro, M. Bearpark, J.J. Heyd, E. Brothers, K.N. Kudin, V.N. Staroverov, T. Keith, R. Kobayashi, J. Normand, K. Raghavachari, A. Rendell, J.C. Burant, S.S. Iyengar, J. Tomasi, M.Cossi, N. Rega, J.M. Millam, M. Klene, J.E. Knox, J.B. Cross, V. Bakken, C. Adamo, J. Jaramillo, R. Gomperts, R.E. Stratmann, O. Yazyev, A.J. Austin, R. Cammi, C. Pomelli, J.W. Ochterski, R.L. Martin, K. Morokuma, V.G. Zakrzewski, G.A. Voth, P. Salvador, J.J. Dannenberg, S. Dapprich, A.D. Daniels, O. Farkas, J.B. Foresman, J.V. Ortiz, J. Cioslowski, D.J. Fox. WallingfordCT: Gaussian Inc., 2010.
7. Pearl I.A., Dehn W.M. Derivatives of Picramic Acid and Some of their Rearrangements // Journal of the American Chemical Society, 1938. V. 60. No. 4. P. 925-927.
Арляпов Вячеслав Алексеевич (v.a.arlyapov@gmail.com), к.х.н., доцент, кафедра химии, Тульский государственный университет.
Атрощенко Юрий Михайлович (reaktiv@tspu.tula.ru), д.х.н., профессор, кафедра химии, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого.
Блохин Игорь Васильевич (blokhiniv@mail.ru), к.х.н., доцент, кафедра химии, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого.
Мухторов Лоик Гургович (mukhtorov.loik@mail.ru), аспирант, кафедра химии, Тульский государственный педагогический университет им. Л. Н. Толстого.
Шахкельдян Ирина Владимировна (reaktiv@tspu.tula.ru), д.х.н., профессор, кафедра химии, Тульский государственный педагогический университет им. Л. Н. Толстого.
Шумский Алексей Николаевич (shumsky@mail.ru), к.х.н., научный сотрудник, Институт биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН, Москва.
Quantum-chemical simulation of interaction of 2-methyl-5,7-dinitrobenzo[d]oxazole with methoxide ion
V. A. Arlyapov, Yu. M. Atroshchenko, I. V. Blokhin, L. G. Mukhtorov, I.V. Shakhkel'dyan, A.N. Shumskiy
Abstract. The charges on atoms and the contributions of pz-orbitals of the atoms in LUMO in the molecules 2-methyl-5,7-dinitrobenzo[d]oxazole was calculated by semi-empirical method PM6 in the gas phase and in methanol. The standard heat of formation of the anticipated products of addition of the methoxide ion to the substrate, the standard enthalpy and Gibbs energy of reactions was calculated. It is found that in methanol the decisive role played by the charge factor, the attack of the nucleophile is most likely at the carbon atoms C-2, C-4 and C-6 of the substrate. The a-adduct, which is a structure with the position of the methoxyl group at the second carbon atom of oxazole cycle, was selected under the action of cesium carbonate on 2-methyl-5,7-dinitrobenzo[d]oxazole in methanol at room temperature. The structure of the obtained compounds was proved by NMR NMR, 13C NMR, HSQC, HMBC), IR-spectroscopy, and elemental analysis.
Keywords: 2-methyl-5,7-dinitrobenzo[d]oxazol, nucleophilic addition, anionic a-adduct, semi-empirical PM6 method.
Arlyapov Vyacheslav (v.a.arlyapov@gmail.com), candidate of chemical sciences, associate professor, department of chemistry, Tula State University.
Atroshchenko Yury (reaktiv@tspu.tula.ru), Doctor of Science, professor, department of chemistry, Leo Tolstoy Tula State Pedagogical University.
Blokhin Igor (blokhiniv@mail.ru), candidate of chemical sciences, associate professor, department of chemistry, Leo Tolstoy Tula State Pedagogical University.
Mukhtorov Loik (mukhtorov.loik@mail.ru), postgraduate student, department of chemistry, Leo Tolstoy Tula State Pedagogical University.
Shakhkel'dyan Irina (reaktiv@tspu.tula.ru), doctor of chemical sciences, professor, department of chemistry, Leo Tolstoy Tula State Pedagogical University.
Shumskiy Aleksey (shumsky@mail.ru), candidate of chemical sciences, researcher, Emanuel Institute of Biochemical Physics of RAS, Moscow.
Поступила 20.08.2015
