CC BY
25
УДК 547:544.42/43
В. Ю. Орлов (д.х.н., проф.), А. Д. Котов (д.х.н., проф.), А. В. Цивов (асп.), К. В. Андреева (студ.)
Моделирование процесса образования 2,1-бензизоксазолов с учетом влияния заместителя в структуре субстрата
Ярославский государственный университет им. П. Г. Демидова , кафедра органической и биологической химии 150000, г. Ярославль, ул. Советская, 14; тел. (4852) 442928, e-mail: [email protected]
V. U. Orlov, A. D. Kotov, A. V. Tsivov, K. V. Andreeva
The 2,1-benzisoxazole formation process modeling with the consideration of substitute influence in the substratum structure
P. G. Demidov Yaroslavl State University 14, Sovetskaya Str, 150000, Yaroslavl, Russia; ph. (4852) 442928, e-mail: [email protected]
Проведено исследование процесса образования 2,1-бензизоксазольного цикла как лимитирующей стадии в реакции взаимодействия пара-за-мещенных нитробензолов с фенилацетонитри-лом. На основании анализа экспериментальных данных, а также результатов квантово-химичес-кого моделирования, проведенного для структур с различными заместителями, сделан вывод о закономерностях лимитирующей стадии исследуемого процесса.
Ключевые слова: 2,1-бензизоксазол; кванто-во-химическое моделирование; лимитирующая стадия; нуклеофильное замещение; циклизация.
The investigation of the 2,1-benzisoxazolic cycle formation process, corresponds the limiting stage of para-substituted nitrobenzenes with pheni-lacetonitrile interaction reaction, was carried out. On the basis of experimental data analysis, and quantum chemical modeling results for structures with various substitutents, the conclusion of limiting stage character was obtained.
Key words: 2,1- benzisoxazole; quantum-chemical modeling; limiting stage; nucleophilic substitution; cyclization.
Одним из примеров реакций нуклеофиль-ного замещения водорода 5^Агн в нитроаро-матических системах являются реакции взаимодействия арилацетонитрилов с пара-заме-щенными нитроаренами 1-4. Конечным продуктом реакций данного типа являются соответствующие 2,1-бензизоксазолы (схема 1). В процессе взаимодействия арилацетонит-рилов с нитроаренами, не имеющими заместителя в пара-положении, продуктами реакции являются арилцианометилен-пара-хинонмоно-оксимы 5. Указанные реакции протекают в среде низших алифатических спиртов и в присутствии избытка гидроксида натрия или калия, необходимого для формирования С-нук-леофила — карбаниона арилацетонитрила.
Механизм процесса взаимодействия пара-замещенных нитроаренов с арилацетонитрила-ми, а также природа лимитирующей стадии являются весьма дискуссионными. Согласно имеющимся экспериментальным данным для реакции образования арилцианометилен-пара-хинонмонооксимов 5, сделано предположение
об обратимости стадий процесса взаимодействия арилацетонитрилов с пара-замещенными нитроаренами, за исключением последней стадии — циклизации, ведущей к образованию конечных 2,1-бензизоксазолов. Также на сегодняшний день имеются экспериментальные данные 6 по кинетическим закономерностям исследуемого процесса — значения эффективных констант скорости кэф, полученные с учетом влияния различных заместителей в структуре субстрата (схема 1, X = 1—6). Анализ имеющихся данных позволяет предположить, что стадия образования 2,1-бензизоксазольно-го цикла является лимитирующей и определяющей основные закономерности процесса.
Целью данной работы являлась проверка гипотезы о соответствии закономерностей предполагаемой лимитирующей стадии в процессах образования 2,1-бензизоксазолов на основе поиска связи между энергетическими характеристиками процесса циклизации и полученными ранее кинетическими параметрами экспериментальным данным.
Дата поступления 10.05.11
CN
CH2 \ 2 Ar
H2O
no2
CN i] +ch-Ar X
OH"
x=H
-H-OR
"O.
N
X
(A)
RO-
H-OR
X=H
-o O N I
rj
гн CH к Ar CN
RO-
RO-
г
-O OH
N
-H2O
+ H2O
Ar"C" H CN RO-
-OR
-O
N Ar
CN
I '
C . H^ +H2O
--Ar -H2°
NO
CN
X
-CN-
ROH
Ar
X
"O,
(C)
-OR
N
C
HO.
H+
OH-
N
C
Ar CN
ROH
Ar CN
Схема 1. 1 X = Cl; 2 X = Br; 3 X = Ph; 4 X = OPh; 5 X = СН(ОСН2СН2О)2; 6 X = С(ОСН2СН2О)2СН3
Методы исследования
Квантово-химическое моделирование проводилось в программе PC GAMESS v. 7.0 7. Оптимизация геометрии и расчет энергетических параметров исследуемых соединений выполнялись с использованием неэмпирического метода расчета (неограниченное приближение Харт-ри—Фока, UHF) и базисного набора 6-31G(d,p). Визуализация результатов расчета выполнялась с использованием программного пакета ChemCraft, version 1.6 trial 8. Оптимизация геометрических параметров выбранного интер-медиата (С) проводилась с учетом влияния
катиона (рис. 1, атом 19). Предполагаемое влияние катиона заключается во взаимодействии с уходящей цианогруппой С1Ш12, что способствует облегчению ее отрыва при последующей циклизации.
Обсуждение результатов
Было проведено квантово-химическое моделирование и построение профилей ППЭ (поверхностей потенциальной энергии) для стадии циклизации — образования 2,1-бензизокса-зольного цикла при взаимодействии пара-заме-щенных нитробензолов с фенилацетонитрилом
а
б
Рис. 1. а — Пространственное строение интермедиата (C); б — отрыво цианогруппы и образование 2,1-бен-зизоксазольного цикла (соответствует расстоянию С9—О181.3—1.5 А )
800
700
600
л
500
—
i 400
г
ш 300
200
100
0
—♦—1 Х-ВГ - -«--2 X = CI —*— 3 X = phenill -------4 X = oxiphenil
■г | —«—6 X = metil-dioхoían
Н/ч jj/tjr \ 1
^^í / \ \
12 1.3 1А 13 1.6 1.7 1.8 1.Э 2 2.1 2.2 2.3 2А 25 2.6 2.7 2,8 2.9 3 3.1
Дтнл связи с 9-010, А
Рис. 2. Профили ППЭ в зависимости от длины связи С9-O18
(X = 1—6). Объектом моделирования являлся интермедиат (О, который далее превращается в конечный продукт — 5-Х-3-фенил-2,1-бензи-зоксазол. При этом, как было установлено ранее 9, для формирования 2,1-бензизоксазоль-ного цикла необходимым является образование пространственного изомера интермедиата (С) (данная структура с нумерацией атомов представлена на рис. 1, а), в котором наблюдается максимальное сближение реакционных центров: атома кислорода 18 и атома углерода 9. Причем, согласно представлениям авторов о механизме протекания стадии циклизации, сближение указанных реакционных центров, соответствующее внутримолекулярной нуклео-фильной атаке и приводящее к последующему отрыву цианогруппы С1Ш12, служит определяющим этапом в процессе формирования исследуемого гетероцикла.
Согласно методике расчета, для моделирования внутримолекулярной нуклеофильной атаки осуществлялось последовательное сближе-
ние реакционных центров, т. е. производилось уменьшение межатомного расстояния С9—О18
0 0 о
от значения 3.0 А до 1.3 А с шагом 0.1 А .
При этом был о установлено, что при расстояниях 1.3—1.5 А происходит предполагаемый отрыв цианогруппы C11N12 с последующим образованием 2,1-бензизоксазольного цикла (рис. 1, б). Для рассматриваемых структур были получены профили ППЭ системы реагент—субстрат, соответствующие уменьшению межатомного расстояния С9—О18. Данные результаты, приведенные в шкале относительных энергий АЕотн (за нулевое значение принимается минимальная энергия для каждого исследуемого заместителя), представлены на рис. 2.
Значения энергетических барьеров АЕакт, полученные в ходе выполнения квантово-хи-мического моделирования в данной работе, представлены в табл. 1. Здесь же представлены соответствующие значения эффективных констант скорости £эф, полученные ранее экспериментальным путем 6.
Зависимость Х'эф от заместителя в субстрате в реакции взаимодействия лара-замещенных бензолов с карбанионом ФАН
Таблица 1
X 1 2 3 4 5 6
£эф, x 10 -5, с-1 35 43 5.5 4,6 5,4 6.4
ln Йэф -7.95 -7.75 -9.80 -9.98 -9.82 -9.65
аЕакт, КДЖ/МОЛЬ -321.27 -283.55 -631.23 -637.35 -621.47 -628.82
Рис. 3. Зависимость 1п^ф от ДЕакт
Была построена зависимость 1п&эф от ДЕакт для рассмотренных структур с исследуемыми заместителями. График полученной закономерности представлен на рис. 3.
Как показывает анализ представленного графика, наблюдается линейная корреляция между энергетическими характеристиками переходного состояния стадии циклизации, полученными в ходе квантово-химического моделирования в данной работе, и значениями эффективных констант скорости для исследуемого процесса, полученными ранее экспериментальным путем. При этом величина достоверности аппроксимации Я2 составляет 0.992.
Таким образом, анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что стадия образования 2,1-бензизоксазольного цикла в реакции взаимодействия пара-замещенных бензолов с фенилацетонитрилом является лимитирующей и определяющей закономерности протекания исследуемого процесса.
Литература
Chupakhin O. N., Charushin V. N., Plas van der H. C.— San Diego; Academic Press.— 1994.— 367 p.
Makosza M., Winiarski J. // Account Chem. Res.- 1987.- V. 20.- P. 282. Орлов В. Ю., Базлов Д. А., Ганжа В. В., Котов А. Д., Коновалова Н. В. // Изв. вузов. Сер. хим. и хим. технол.- 2007.- Т. 50, №9.-С. 16.
Орлов В. Ю., Базлов Д. А., Ганжа В. В., Котов А. Д., Коновалова Н. В. // Изв. вузов. Сер. хим. и хим. технол.- 2007.- Т. 50, №9.-С. 18.
Коновалова Н. В. Синтез и свойства 2-[4 (гид-роксиимино)-циклогекса-2,5-диен-1-илиден]-арилацетонитрилов. Дис. ...к.х.н.- Ярославль, ЯрГУ им. П. Г. Демидова.- 2009.- 117 c.
Соковиков Я. В. Нуклеофильное замещение водорода в нитроаренах карбанионом фенилаце-тонитрила. Дис. .к.х.н.- Ярославль, ЯрГУ им. П. Г. Демидова.- 1998.- 123 c. Granovsky A. A. http://classic.chem.msu.su/ gran/games/index.html.
ChemCraft: http://www.chemcraftprog.com/. Цивов А. В., Орлов В. Ю. // Материалы III Международной конференции «Химия гетероциклических соединений», посвященной 95-летию со дня рождения профессора А. Н. Коста. МГУ, Москва, 18.10.2010.- C. 214.
1
2
3
4
5
6
7
Работа выполнена в рамках проектов по госконтрактам П841 и №14.740.11.1185, ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».
