CC BY
58
УДК 547.288.2+547.313.+544.18
И. С. Шепелевич, Е. Ю. Пташко, И. В. Вакулин, В. П.Тимофеев, Р. Ф.Талипов
Квантовохимическое исследование возможности аминометилирования алкенов
Башкирский государственный университет 450074, г. Уфа, Фрунзе, 32; тел.: (347)272-32-29; е-таИ:ЗЬере!еусЫЗ@таИ.ш
С использованием приближений RHF/3-21G, RHF/6-31G(d,p), MP2/6-31G(d,p) изучена возможность аминометилирования алкенов. Вычислены значения свободных энергий Гиббса образования продуктов реакции 2-бутена с формальдегидом и диметиламином. Проведена сравнительная оценка реакционной способности замещенных аминометильных и гидроксиме-тильных карбокатионов.
Ключевые слова: аминометилирование, алке-ны, реакция Манниха, квантовохимические методы, ab initio расчеты.
Основания Манниха находят широкое применение в органическом синтезе и химико-фармацевтической промышленности. Многие из них обладают антимикробной, спазмолитической, антиаритмической, анестетической активностью и используются в медицине. Синтез этих привлекательных в плане практического применения соединений осуществляется по реакции Манниха, заключающейся в конденсации аммиака или первичного, или вторичного амина с формальдегидом и соединением, содержащим активный атом водорода 1-6. В качестве последних обычно используются альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, фенолы, нитроалканы, некоторые гетероциклические соединения 7-10. В то же время недостаточно изученными в отношении аминометилирования остаются алкены. В литературе 11 существует мало примеров ами-нометилирования кратной связи, хотя реакция представляет несомненный практический интерес и может быть использована в качестве одностадийного способа получения труднодоступных физиологически активных енаминов.
В связи с изложенным, нами квантовохи-мическими методами изучена термодинамическая вероятность протекания аминометилирова-ния алкенов. На основании расчетных данных проведена сравнительная оценка реакционной способности замещенных аминометильных и гидроксиметильных карбокатионов, характерных для реакций Манниха и Принса соот-вественно.
Методика проведения расчетов
Для проведения квантовохимических расчетов нами использовалась программа РС-САМЕББ V. 6.4. При этом использовалось неэмпирическое приближение Хартри — Фока с применением валентнорасщепленных базисных наборов 3-2Ю, 6-3ЮЫ,р). Учет электронной корреляции проводился в приближениях Меллера — Плессе второго уровня МР2(£и).
Поиск равновесной геометрии осуществлялся путем последовательной оптимизации геометрии в приближениях КНР/3-2Ю, КНР/6-3Ш(а,р), МР2/6-3Ю(а,р). Решение колебательной задачи и нахождение энергии нулевых колебаний проводилось в приближении КНР/6-3Ш(а,р).
дгС298 = АГЕ° + Д^РЕ - ТАГ8298 (1), где ДГЕ° + А^РЕ = ДГН298
Для нахождения свободной энергии Гиббса реакций наряду с расчетом полной энергии Е° (в приближении МР2/6-3ЮЫ,р)) проводился расчет энтропии А£Б298 и энергии нулевых колебаний ZPE исходных реагентов и продуктов реакции (в приближении КНР/6-3ЮЫ,р)). Свободная энергия Гиббса реакций рассчитывалась по формуле (1).
Обсуждение результатов
Общепринятый механизм реакции Манниха включает промежуточное образование аминометильного карбокатиона 1, который затем атакует кратную связь енолизированного альдегида или кетона 10'12. Аналогичный механизм (с промежуточным образованием гидро-ксиметильного карбокатиона 2) реализуется и в случае реакции Принса 13. Отличие состоит в том, что промежуточно образующиеся карбо-катионы стабилизированы различными гетеро-атомами, что сказывается на их реакционной способности. Поэтому в данной работе реакция Манниха рассматривалась нами в качестве аминного аналога реакции Принса.
Дата поступления 20.02.07 134 Башкирский химический журнал. 2007. Том 14. №1
Вероятность протекания аминометилиро-вания алкенов и термодинамическая предпочтительность направлений реакции оценивались по величинам свободных энергий Гиббса реакций АГС298.
В качестве модельной рассматривалась реакция 2-бутена с формальдегидом и диме-тиламином с образованием 1-(М,Ы-диметил-амино)-2-метил-2-бутена (3), 4-(М,Ы-диметил-амино)-3-метил-2-бутанола (4), 2-метил-3-метокси-1-(М,Ы-диметиламино)-бутана (5) и 3,5,6-триметилоксазина (6). Отметим, что образования приведенных продуктов следовало бы ожидать исходя из представлений о механизмах реакции Манниха и Принса.
Н
ОН
СН3СН=СНСН3 +
СН2О +
КН(СНз)2
3
Н3
К(СНз)2 СНз 4 ОСН3
^ К(СНз)2
СН3
5
О^"К-СНз (а, е)
НзСх | 6 СНз
Результаты расчетов приведены в табл. 1.
Таблица 1
Термохимические характеристики реакций образования продуктов 3-6
Соединение - аГИ298, кДж/моль - аго298, кДж/моль
3 92.4 34.8
4 138.0 10.6
5 172.2 62.4
6 (а) 181.8 64.0
6 (е) 177.7 60.1
Приведенные в табл. 1 данные свидетельствуют в пользу протекания изучаемых реакций — свободные энергии Гиббса для всех превращений имеют отрицательные значения. При этом наиболее предпочтительно образование продукта 6(а). Наименее выгодно образо-
вание продукта 4. Промежуточное положение занимают продукты 3, 6(е) и 5.
Результат реакции зачастую определяется реакционной способностью промежуточных частиц. Поскольку реакция протекает с участием аминометильного карбокатиона, сходного с промежуточной частицей реакции Принса, нами с использованием квантовохимических методов была проведена сравнительная оценка реакционной способности замещенных амино-метильных А и гидроксиметильных В карбока-тионов.
ЯСНК(СНз)2 А
ЯСНОЙ
в
Реакционная способность оценивалась по величинам заряда на атоме углерода в указанных карбокатионах. Результаты расчетов приведены в табл. 2.
Таблица 2
Заряды на атомах углерода в замещенных карбокатионах А и В
Я Карбокатион А Карбокатион В
Номер Заряд на атоме углерода Номер Заряд на атоме углерода
И 7 0.041161 19 0.229917
СИз 8 0.186046 20 0.347480
СИ3СИ2 9 0.216864 21 0.344712
N02 10 0.373371 22 0.451065
мо2СИ2 11 0.204475 23 0.340379
СБз 12 0.093685 24 0.236302
СБзСИ2 13 0.215955 25 0.350178
СИБ2 14 0.106680 26 0.287093
СИ^ 15 0.140567 27 0.299597
СИ3С0 16 0.138964 28 0.269429
Б 17 0.503684 29 0.609443
С1 18 0.030525 30 0.162562
Из приведенных в табл. 2 данных следует, что карбокатионы типа В обладают более высокими зарядами и, очевидно, большей электрофильностью по сравнению с карбока-тионами типа А. Наиболее ярко эти различия выражены в случае И = Н, СИ2Р. Различия минимальны при И = Ы02.
Анализ данных табл. 2 выявляет также другие общие для обоих типов карбокатионов закономерности. В частности, в случае алкиль-ных заместителей СН3 и СН2СН3 положительный заряд катионного центра увеличивается по сравнению с величиной заряда при И = И. В ряду электроноакцепторных заместителей СБ3, СНБ2, СН2Б, СН2СБ3 наблюдается рост положительного заряда на углероде. Введение
Башкирский химический журнал. 2007. Том 14. №1
135
нитрогруппы И = Ы02, (—1эф.) приводит к увеличению положительного заряда на углероде, как и в случае И = СН3С0 (-1эф. и -Мэф). Влияние галогенов неоднозначно: фтор, вследствие высокой электроотрицательности, оттягивает электронную плотность, значительно увеличивая положительный заряд на углероде, в то время как хлор способствует уменьшению положительного заряда катионного центра.
Сравнение зарядов аминометильных кар-бокатионов А с величиной заряда на гидрокси-метильном карбокатионе 19 позволяет сделать вывод, что наибольшую активность в отношении аминометилирования двойных связей должны проявлять карбокатионы 9, 8, 11, 13, заряды которых наиболее близки к этой величине. Наименее активны карбокатионы 7, 12, 14, 15, 16, 18, заряды которых существенно ниже.
Следует отметить, что заряды карбокатио-нов 10 и 17 выше величины заряда гидрокси-метильного карбокатиона, что должно способствовать протеканию реакции аминометилиро-вания с их участием.
Таким образом, расчетные данные показывают, что для практического осуществления реакции необходимо генерирование карбока-тионов 8, 9, 11, 13, а также 10 и 17. В то же время, последние образуются из труднодоступных соединений. Учитывая это, наиболее перспективными представляются 8 и 9, образующиеся из ацетальдегида и пропаналя.
Литература
1. Chalina E., Georgieva L., Zheglova D., Gala-bov A. S. // Докл. Болг. АН.- 1999.- Т. 52, № 5-6.- С. 43.
2. Ковальская С. С., Козлов Н. Г. // ЖОрХ.-1997.- Т. 33, № 2.- С. 206.
3. Patent №3642899 (US) 2-Phenyl-4-(1-adamantyl)-6-dimethylaminomethylphenol. / Henry D. W. Изобретения за рубежом.- 1972.- № 4.
4. Гринев А. Н., Зотова С. А., Михайлова И. Н. и др. // Хим.фарм.ж.- 1979.- Т .12, № 12.-С. 25.
5. Гринев А. Н., Архангельская Н. В., Урец-кая Г. Я. // Хим. фарм. ж.- 1979.- Т .13, № 3.- С. 29.
6. Гринев А. Н., Зотова С. А., Михайлова И. Н. // Хим. фарм. ж.- 1980.- Т .14, № 2.- С. 30.
7. Гринев А. Н., Зотова С. А., Михайлова И. Н. // Хим. фарм. ж.- 1980.- Т .14, № 3.- С. 43.
8. Патент США, №380972, Substituted 2-aminomethyl-4,6-disubstituted phenols. / Schultz E. M., Cragol E. J. Изобретения за рубежом 1975-№ 11.
9. Авторское свидетельство СССР, №1482910. / Гершанов Ф. Б., Рутман Г. И., Толстиков Г. А., Джемилев У. М. // Б. И.- 1989.- № 12.
10. Сайкс П. Механизмы реакций в органической химии.- М.: Химия, 1977.- С. 222.
11. Schmidle C. J., Mansfield R. C. // J. Amer. Chem. Soc.- 1955.- V. 77, № 21.- P. 5754.
12. Дж. Марч. Органическая химия. Реакции, механизмы и структура.- М.: Мир, 1987.- Т. 2.
13. Талипов Р. Ф., Сафаров М. Г. // Баш. хим. ж.-1997.- Т. 4, № 3.- С. 10.
136
Башкирский химический журнал. 2007. Том 14. JJ1
