CC BY
12
УДК 547.831.7 + 547.183
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ СОСТОЯНИЙ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ 2-ГИДРОКСИ-3,5-ДИНИТРОПИРИДИНА И ЕГО АНИОНА С ТЕТРАГИДРИДОБОРАТ-ИОНОМ
И. В. Блохин, Ю. М. Атрощенко, И. В. Шахкельдян, Е. В. Иванова, Н.И. Блохина, М.Б. Никишина
Расчет методом DFT/B3LYP/aug-cc-pVDZ в газовой фазе показал, что реакция 2-гидрокси-3,5-динитропиридина с тетрагидридоборат-ионом носит слабоэндотермический характер и характеризуется энергией активациии равной 103,70 кДж/моль, тогда как реакция его аниона с указанным реагентом имеет сильноэндотермический характер и имеет примерно в 5 раз большую энергию активации, что свидетельствует о её низкой вероятности. Рассчитаны геометрии переходных состояний указанных реакций.
Ключевые слова: 2-гидрокси-3,5-динитропиридин, тетрагидридоборат-ион, метод БЕТ.
Введение
Производные 2-гидроксипиридина представляют интерес с точки зрения их антимикробной активности [1], ингибиторов роста паразитических протистов, вызывающих лейшманиозы [2], а также известно что комплексные соединения последних с платиной обладают значительной противораковой активностью в отношении линий раковых клеток человека [3]. В связи с этим получение новых соединений данного класса остается актуальной задачей. Одним из путей решения этой проблемы является взаимодействие нитропроизводных последних с тетрагидридоборат-ионом и последующее протонирование [4] или амино-и гидроксиметилирование [5, 6].
В одной из предыдущих статей мы описывали квантово-химическое моделирование реакции 2-гидрокси-3,5-динитропиридина с тетрагидридоборат-ионом методом DFT/B3LYP/def2-SVPD. Было показано, что зарядовый и орбитальный фактор благоприятствуют атаке нуклеофила в положение 4 как исходной молекулы субстрата, так и её аниона, что приводит к образованию как однозарядных, так двухзарядных а-аддуктов [7].
Целью данной работы было моделирование переходных состояний при взаимодействии 2-гидрокси-3,5-динитропиридина и его аниона с тетрагидридоборат-ионом методом DFT/B3LYP/aug-cc-pVDZ в газовой фазе, а также расчет энергий активации указанных процессов.
Материалы и методы
Оптимизацию геометрических параметров взаимодействующих веществ, продуктов реакции и поиск переходных состояний проводили в программном пакете Firefly 8.2.0 [8] в рамках приближения теории функционала плотности с использованием гибридного трехпараметрического обменного функционала Беке [9] с корреляционным функционалом Ли-Янга-Парра [10] (B3LYP) [11] и базисного набора Даннинга aug-cc-pVDZ [12]. Полная оптимизация геометрии проводилась без ограничений по типу симметрии. Поиск переходных состояний осуществляли методом релаксированного сканирования по координате реакции, а локализацию переходных состояний проводили по алгоритму Берни. Все рассчитанные в данной работе структуры являются стационарными точками на ППЭ, что было подтверждено анализом теоретического колебательного спектра, рассчитанного из гессиана, при этом для минимумов на ППЭ диагонализированная матрица Гесса содержит только положительные члены, а для переходных состояний имеется единственная мнимая частота.
Обсуждение результатов
Мы предполагаем, что взаимодействие 2-гидрокси-3,5-динитропиридина 1 и его аниона 2 с тетрагидридоборат-ионом с тетрагидридоборат-ионом протекает с образованием анионных а-аддуктов 3 и 4 соответственно по следующей схеме:
1°Х0Н —5Г INI0H -Tip- IЛе^йГ-
3 12 4
Нами проведена геометрическая оптимизация и расчёт полных энергий реагентов, переходных состояний (TS) и продуктов изучаемых реакций в газовой фазе. Результаты представлены в табл. 1.
Как видно из представленной табл. 2 реакция 2-гидрокси-3,5-динитропиридина 1 с тетрагидридоборат-ионом носит слабоэндотермический характер и характеризуется энергией активациии равной 103,70 кДж/моль. Напротив реакция аниона 2-гидрокси-3,5-динитропиридина 2 с указанным реагентом имеет сильноэндотермический характер и имеет примерно в 5 раз большую энергию активации. Это подтверждает данные работы [7], в которой был сделан вывод о невозможности самопроизвольного протекания последней.
Геометрия переходного состояния первой реакции представлена на рис. 1. Как видно из рис. 1, атака тетрагидридобрат-иона атома углерода C4 ароматического кольца 2-гидрокси-3,5-динитропиридина осуществлятся аксиально. Угол C-H-B сотавляет 165,17°. Атом углерода
С4 пиридинового кольца находится в тетраэдрической конфигурации о чем свидетельствует валентный угол Н-С-Н равный 101,10°. Структура стабилизирована водородной связью средней прочности между атомом водорода гидроксильной группы и атомом кислорода соседней нитрогруппы о чем свидетельствует длина связи равная 1,570А. Все атомы исходного субстрата, кроме С4 лежат практически в одной плоскости.
Таблица 1
Полные энергии реагентов, переходных состояний (TS) и продуктов изучаемых реакций в газовой фазе, рассчитанных методом ВЕТ/Е3ЬУР/ащ-сс-рУВ1 в газовой фазе
Соединение Полная энергия, Полная энергия,
Хартри кДж/моль
1 -732,6241219 -1923504,632
2 -732,1227945 -1922188,397
3 -733,3345310 -1925369,811
4 -732,6612405 -1923602,087
ТБ 1 (1 ^ 3) -759,9502275 -1995249,320
ТБ 2 (2 ^ 4) -759,2921067 -1993521,430
В табл. 2. представлены характеристики изучаемых реакций, рассчитанные в газовой фазе. Диагонализированная матрица Гесса для переходных состояний имеет имеет только одну мнимую частоту.
Таблица 2
Характеристики изучаемых реакций, рассчитанные методом DFT/Е3LYP/aug-cc-pVDZ в газовой фазе
Реакция Сумма относительных полных энергий реагентов, кДж/моль Относительная полная энергия переходного состояния, кДж/моль Мнимая частота, см-1 Сумма относительных полных энергий продуктов, кДж/моль Энергия активации, кДж/моль Изменение энтальпии, кДж/моль
1 + ВН4 + ^Б2Н6 0,00* 103,70 -47,97 37,09 103,70 37,09
2 + ВН4 ^4 + ^Б2Нб 1316,24 1831,60 -43,74 1804,82 515,37 488,58
* Сумма полных энергий принята за ноль.
Геометрия переходного состояния второй реакции представлена на
рис. 2.
Рис. 1. Геометрическая структура переходного состояния реакции 2-гидрокси-3,5-динитропиридина с тетрагидридоборат-ионом
Рис. 2. Геометрическая структура переходного состояния реакции аниона 2-гидрокси-3,5-динитропиридина с тетрагидридоборат-ионом
Как видно из рис. 2, угол связи C-H-B в переходном состоянии имеет большее значение и составляет 175,29°, а угол связи H-C-H при атоме углерода в 4 положении более близок к прямому и составляет 97,23°. Важной особенностью является также то, что нитрогруппа у атома углерода С3 несколько повернута и не лежит в плоскости пиридинового ядра. Торсионный угол C2-C3-N-O составляет 10,46°. Всё это свидетельствует в пользу дестабилизации указанной системы, по сравнению с переходным состоянием в первой реакции.
Выводы
Таким образом, в результате расчетов методом DFT/B3LYP/aug-cc-pVDZ в газовой фазе было показано, что реакция 2-гидрокси-3,5-динитропиридина с тетрагидридоборат-ионом носит
слабоэндотермический характер и характеризуется энергией активациии равной 103,70 кДж/моль. Напротив реакция аниона 2-гидрокси-3,5-динитропиридина с указанным реагентом имеет сильноэндотермический характер и имеет примерно в 5 раз большую энергию активации, что свидетельствует о её низкой вероятности.
Список литературы
1. Copper complexes of pyridine derivatives with superoxide scavenging and antimicrobial activities / T. Suksrichavalit, S. Prachayasittikul, C. Nantasenamat [at al.] // European journal of medicinal chemistry. 2009. Vol. 44. № 8. P. 3259-3265.
2. Chemoenzymatic synthesis and biological evaluation of 2-and 3-hydroxypyridine derivatives against Leishmania mexicana / G. G. Linares, G. Parraud, C. Labriola [at al.] // Bioorganic & medicinal chemistry. 2012. Vol. 20. № 15. P. 4614-4624.
3. Studies on the synthesis and characterization of four trans-planaramineplatinum (II) complexes of the form trans-PtL(NH3)Cl2 where L= 2-hydroxypyridine, 3-hydroxypyridine, imidazole, and imidazo(1,2-a)pyridine / Huq F., Daghriri H., Yu J. Q. [at al.] // European journal of medicinal chemistry. 2004. Vol. 39. № 8. P. 691-697.
4. Синтез и конформационный анализ 3,5-динитропиперидин-2-она / И. В. Блохин, Е. В. Иванова, И. И. Сурова [и др.] // Труды Белорусского государственного технического университета. Химия, технология органических веществ и биотехнология. 2015. № 4. C. 96-101.
5. Анионный бициклический а-аддукт 2-гидрокси-3,5-динитропиридина в синтезе новых производных 2,6-диазатрициклододеканов / Е. В. Иванова, И. И. Сурова, Н. В. Хлытин [и др.] // Бутлеровские сообщения. 2014. T. 38. № 6. C. 64-68.
6. Амино- и оксиметилирование гидридных аддуктов 2-гидрокси-3,5-динитропиридина / Е. В. Иванова, И. В. Федянин, И. И. Сурова [и др.] // Химия гетероциклических соединений. 2013. № 7. C. 1073 - 1081.
7. Квантово-химическое моделирование взаимодействия 2-гидрокси-3,5-динитропиридина и его аниона с тетрагидридоборат-ионом / И. И. Сурова, И. В. Блохин, Е. В. Иванова [и др.] // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2017. № 2. C. 28-34.
8. Granovsky A. A. Firefly version 8.0. - 2016. - URL: http://classic.chem.msu.su/gran/firefly/index.html.
9. Becke A. D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange // J. Chem. Phys. 1993. Vol. 98. № 7. P. 5648-5652.
10. Lee C., Yang W., Parr R. G. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density // Physical review B. 1988. Vol. 37. № 2. P. 785.
11. Ab initio calculation of vibrational absorption and circular dichroism spectra using density functional force fields / P.J. Stephens, F.J. Devlin, C.F. Chabalowski [at al.] // The Journal of Physical Chemistry. 1994. Vol. 98. № 45. P. 11623-11627.
12. Dunning Jr T.H. Gaussian basis sets for use in correlated molecular calculations. I. The atoms boron through neon and hydrogen // The Journal of chemical physics. 1989. Vol. 90. № 2. P. 1007-1023.
Блохин Игорь Васильевич, канд. хим. наук, доц., blokhiniv@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Атрощенко Юрий Михайлович, д-р хим. наук, проф., зав. кафедрой, reaktiv@,tspu. tula. ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Шахкельдян Ирина Владимировна, д-р хим. наук, проф., reaktiv@,tspu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Иванова Евгения Владимировна- канд. хим. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Блохина Наталья Ивановна, канд. хим. наук, доц, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Никишина Мария Борисовна, канд. хим. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого
MODELING OF TRANSITION STA TES IN THE INTERACTION OF 2-HYDROXY-3,5-DINITROPYRIDINE AND ITS ANION WITH TETRHYDRIDOBORATE ION
I. V. Blokhin, Yu.M. Atroshchenko, I. V. Shakhkel'dyan, E. V. Ivanova, Blokhina N.I., M.B. Nikishina
Calculation by the DFT / B3LYP / aug-cc-pVDZ method in the gas phase showed that the reaction of 2-hydroxy-3,5-dinitropyridine with tetrahydride borate ion is weakly en-dothermic and has an activation energy of 103.70 kJ / mol, whereas the reaction of its anion with the indicated reagent has a strongly endothermic character and has approximately 5 times higher activation energy, which indicates its low probability. The geometries of transition states of the indicated reactions are calculated.
Key words: 2-hydroxy-3,5-dinitropyridine, tetrahydride borate ion, DFT method
Blokhin Igor' Vasil'evich, candidate of chemical sciences, docent, blokhiniv@,mail. ru, Russia, Tula, Tolstoy Tula State Pedagogical University,
Atroshchenko Yuriy Mikhaylovich, doctor of chemical sciences, professor, manager of kathedra, reaktiv@,tspu. tula. ru, Russia, Tula, Tolstoy Tula State Pedagogical University,
Shakhkel'dyan Irina Vladimirovna, doctor of chemical sciences, professor, reaktiv@,tspu. tula. ru, Russia, Tula, Tolstoy Tula State Pedagogical University,
Ivanova Evgeniya Vladimirovna, candidate of chemical sciences, docent, omela005@gmail. com, Russia, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Blokhina Natal'ya Ivanovna, candidate of chemical sciences, docent, blokhinani@,mail. ru, Russia, Tula, Tolstoy Tula State Pedagogical University,
Nikishina Mariya Borisovna, candidate of chemical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tolstoy Tula State Pedagogical University
