CC BY
259. Shilova S.V., Tretyakova A.Ya., Bilalov A.V., Barabanov
V.P. // Polymer Science. 2003. V. 45. N 8. P. 800-804.
10. Rosen M.J. Surfactants and Interfacial Phenomena. Canada: John Wiley & Sons. 2004. 444 p.
11. Weissberger A., Proskauyk E., Riddick J., Toops E. Organic solvents. Physical properties and methods of purification. New York: Interscience publishers. 1955. 520 p.
12. Tanford C. The Hydrophobic Effect: Formation of Micelles and Biological Membranes. New York: J. Wiley & Sons. 1980. 223 p.
13. Philippova O.E., Hourdet D., Audebert R., Khokhlov A.R.
// Macromolecules. 1996. V. 29. N. 8. P. 2822-2830.
14. Zakharova J.A., Otdel'nova M.V., Aliev I.I., Motyakin M.V., Wasserman A.M., Zezin A.B., Kabanov V.A. //
Colloid Journal. 2002. V. 64. N 2. P. 149-154.
Кафедра физической и коллоидной химии
УДК 547.794:544.18
A.C. Кузнецова, Е.А. Данилова, М.К. Исляйкин ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ 3,5-ДИАМИН0-1,2,4-ТИАДИА30ЛА ПО ДАННЫМ МЕТОДА DFT
(Ивановский государственный химико-технологический университет) e-mail: islyaikin@isuct.ru
С использованием гибридного функционала B3LYP5 и корреляционно-согласованного базисного набора Даннинга cc-pVTZ в рамках теории функционала плотности (DFT/B3LYP5/cc-pVTZ) проведены квантово-химические расчеты 3,5-диамино-1,2,4-тиадиазола, его стерео- и таутомерных форм, а также переходных состояний внутримолекулярных превращений. Показано, что данное соединение является структурно-нежестким.
Ключевые слова: Л'.Л'-имсщснный гетероцикл, диаминотиадиазол, 3,5-диамино-1,2,4-тиадиазол, таутомерия, переходное состояние, активационный барьер, теория функционала плотности
В последнее время пятичленные гетеро-циклы, содержащие атомы азота и серы, активно используются в качестве строительных блоков для молекулярного дизайна макрогетероциклических соединений (Мс) — структурных аналогов порфи-ринов и фталоцианинов [1, 2]. В частности, на основе 2,5-диамино-1,3,4-тиадиазола 1 получены Мс с увеличенной координационной полостью [3-10].
Его изомер - 3,5-диамино-1,2,4-тиадиазол 2 - обладает широким спектром биологической активности, наиболее выраженной из которых является антигипоксическая активность [11].
3,5 -Диамино-1,2,4-тиадиазол получают окислительной конденсацией 2-имино-4-тиоби-урета, механизм которой рассмотрен в работе [12].
В отличие от 1, 3,5-диамино-1,2,4-тиадиазол представляет собой низко симметричное соединение, что предполагает различие в реакционной способности аминогрупп, находящихся в 3- и 5-положениях, а также циклических атомов азота. Было показано [13], что прямое алкилирование 2 приводит к 3-алкил-5-амино-2-имино-1,2,4-тиади-азолинам.
Соединение 2 было использовано в качестве исходного диамина в синтезе Мс [14,15]. Однако углубленные исследования, проведенные в последнее время, показали, что, в зависимости от условий синтеза, основными продуктами конденсации 2 с замещенными изоиндолинами могут быть как макрогетероциклические, так и ациклические соединения [13].
Присутствие в составе молекулы кратных связей С=Ы и сопряженных с ними аминогрупп делает возможным существование разнообразных
таутомерных форм. Однако особенности пространственного и электронного строения таутоме-ров 2, а также процессы, связанные с внутримолекулярными переносами протонов, оставались практически не изученными, что затрудняло интерпретацию наблюдаемой реакционной способности.
В связи с этим, нами проведены квантово-химические расчеты возможных пространственных и таутомерных форм 3,5-диамино-1,2,4-тиадиазола, а также переходных состояний, отвечающих внутримолекулярным превращениям с участием протонов, и приведена оценка вкладов этих составляющих в структурную нежесткость молекулы.
Расчеты выполнялись методом DFT с использованием гибридного функционала B3LYP5 и корреляционно-согласованного базисного набора Даннинга cc-pVTZ (программный комплекс PC GAMESS [16]) с полной оптимизацией геометрических параметров без наложения ограничений по симметрии. Найденные критические точки (минимумы и седловые точки) поверхности потенциальной энергии (ППЭ) проверялись на соответствие стационарным условиям [17,18]. Все переходные состояния имеют седловую точку первого порядка: гессиан вторых производных содержит одну отрицательную моду. Спуск по этой координате реакции в прямом и обратном направлениях, выполненный с помощью процедуры IRC, приводит к начальным и конечным для данного превращения структурам. Подготовка данных для расчета и обработка результатов осуществлялись с использованием программы ChemCraft [19].
В виду того, что атомы азота первичных аминогрупп содержат неподеленные пары электронов, атомы водорода оказываются выведенными из плоскости молекулы. Это предполагает существование двух пространственных изомеров: транс- 2а и цис- 2Ь, различающихся взаимной ориентацией атомов водорода (табл.1). Модели оптимизированных конфигураций 2а,b приведены на рис. 1.
Как следует из данных, приведенных на рис. 1, геометрические характеристики обеих конфигураций практически полностью совпадают, за исключением взаимной ориентации атомов водорода. С помощью программы Mercury [20] было показано, что 1,2,4-тиадиазольные циклы в 2а,Ь имеют плоскостное строение: максимальные отклонения атомов, составляющих гетероцикл, от плоскости не превышают 0.003 А и 0.007 А для 2а и 2Ь соответственно. В молекуле 2а атомы азота аминогрупп N(3) и N(4) расположены на расстоянии 0.052 и 0.061 А под и над плоскостью кольца соответственно. Для изомеров 2а,Ь длина связей
С( 1 )-Ы(3) существенно больше связей С(2)-Ы(4). Угол между этими связями для 2а и 2Ь практически одинаков и меньше на 24.5°, чем в симметричном 2,5-диамино-1,3,4-тиадиазоле [12]. Данное обстоятельство является решающим при формировании макрогетероциклических систем: в случае соединения 1 наиболее предпочтительным является образование шестизвенных макрогетероциклических соединений АВАВАВ, тогда как для 2 наиболее характерны четырехзвенные макроциклы АВАВ.
2Ь
Рис. 1. Длины связей (Ä) и валентные углы (°) в молекулах 2а. 2Ь
Fig. 1. Bald lengths (Ä) and valence angles (°) in 2a, 2b molecules
Рассчитанные геометрические характеристики находятся в согласии с данными РСА 3,5-диамино-1,2,4-тиадиазола [21].
Анализ заселенностей по Малликену показал, что заряды на атомах азота первичных аминогрупп в 2а (- 0.238 и - 0.231 ед.зар.) и2Ь (- 0.237 и — 0.230 ед.зар.) близки по значению и практически совпадают с соответствующими величинами в симметричном 2,5-диамино-1,3,4-тиадиазоле 1 (- 0.236 ед.зар). Величины зарядов на атомах углерода С(1) в 2а (0.208 ед.зар.) и 1 (0.011 ед.зар.) существенно различаются, из чего следует, что связь C(l)-N(3) в 2а более полярна, чем соответствующая связь в 1.
В связи с тем, что аминогруппы в молекуле 2 химически неэквивалентны, нами была рассмотрена инверсия обеих аминогрупп (табл. 1).
Таблица 1
Вычисленные значения относительной энергии АЕ (ккал/моль) 2а,b и переходных состояний TS1 и TS2
Table 1. Calculated values of relative energy, AE (kcal/mol), of 2a,b and transition states of TS1 and TS2
a
H H
TS2
Название 2a TS1 TS2 2b
АЕ, ккал-моль-1 0 0.56 0.26 0.0502
Рис. 2. Энергетический профиль таугомерных превращений: а -2a=>TS3 => 3b, I S4 => 4Ь и б - 2a=>TS5 => 6b, =>TS6 => 4b Fig. 2. Energy profile of tautomeric transformations: a - 2a=>TS3 => 3b, =>TS4 => 4b and б - 2a =>TS5=> 6b, =>TS6 => 4b
Внутримолекулярные переносы протонов, сопровождающие таутомерные превращения диа-минной формы 2а в соответствующую диимин-ную 4Ь, могут осуществляться по двум маршрутам: 2а-ЗЬ1-4Ь и 2а-6Ь1-4Ь.
Как следует из данных, приведенных в табл.1, стереоизомеры 2а,Ь разделены низкими активационными барьерами, высота которых не превышает 0.6 ккал/моль. Таким образом, при комнатной температуре 2 существует в виде равновесной смеси 2а<->2Ь с преимущественным содержанием 2а.
6b1
Энергетические профили этих переходов приведены на рис. 2а, б.
Как следует из данных, приведенных на рис. 2 и в табл. 2, энергетически более выгодным является маршрут, в котором на первом этапе участвует аминогруппа при С(2) 2a-6bi-4b: первый и второй активационные барьеры (55.13 и 65.28 ккал/моль) меньше активационных барьеров в варианте 2a-3bi-4b (59.15 и 69.95 ккал/моль) соответственно. Также следует учесть, что в обоих случаях стадией, которая лимитирует данную последовательность, является превращение аминои-минных форм 3bi или 6bi в дииминную 4Ь.
Таблица. 2
Вид переходных состояний и вычисленные значения барьеров Еакт (ккал/моль) внутримолекулярного переноса протона 2а Table 2. View of transition states and calculated values of activation barriers, Eact (kcal/mol), of proton transfer in 2a
Название TS3 TS4 TS5 TS6
TS y-7-л JSi •vpf
F 1 '.IKI- ккал-моль-1 59.15 69.95 55.13 65.28
Молекулярные диаграммы оптимизированных конфигураций 6Ьь ТБ6 и 4Ь приведены на рис. 3.
В исходной молекуле 6Ь, атом водорода Н(1) отдален от азота на 1,009 А. Расстояния С(1)-N(3) и С(1)-Ы(1) составляют 1,381 А и 1,288 А соответственно. Угол К(3)-С(1)-М(1) составляет 123° и близок к таковому для вр'-гибридного состояния атома углерода. В переходном состоянии ТБ6 этот угол К(3)-С(1)-М(1) уменьшается до 107°. В тау-томере 4Ь данный угол увеличивается и становится равным 121°. Длина связи С( 1 )-Ы(3) приближается к величине двойной связи и равна 1,274 А. В переходном состоянии мигрирующий протон Н(1)
H
H
находится в поле двух атомов азота N(1) и N(3). Расстояния Ы( 1 )-Н( 1) и Н( 1 )-Ы(3). соответственно, равны 1,300 и 1,433 А.
Значения активационных барьеров, вычисленных для данных таутомерных превращений, согласуются с расчетными данными для таутомерии сходных соединений. Так в работе [17] величина активационного барьера, найденная с применением базиса 4-310, для аминоиминной таутомерии фор-мамидина приводится равной 59.3 ккал-моль-1.
В случае аминоиминных и дииминных форм инверсия атомов водорода иминогрупп также вносит вклад в структурную нежесткость молекул. Результаты расчетов изомеров, отличающихся ориентацией атомов водорода иминогрупп, приведены в табл. 3.
Таутомерные превращения в молекуле 3,5-диамино-1,2,4-тиадиазола связаны с переносом одного или двух протонов аминогрупп на гетер о-цикл. При этом происходит изменение степени гибридизации атомов азота гетероцикла с вр2 на врЗ, что проявляется в искажении плоскостности молекулы. Причем, наибольшее отклонение от средней плоскости цикла отмечается у атома N(1) аминоиминных и дииминной форм, в которых атом водорода локализован при N(1). Так, для конфигурации ЗЬ1 данное отклонение составило 0.073 А, а в случае 4Ь - 0.077 А. В конфигурации 61>1 эта величина наименьшая (0.007 А), т.к. атом азота N(1) не участвует в таутомерных превращениях. Следует также отметить, что в данном ряду менее выражено нарушение плоскостности цикла в аминоиминной конфигурации 6Ь,.
94.5 108.5 1.288
1.792
4b
Рис. 3. Молекулярные диаграммы оптимизированных конфигураций 6Ы, TS6 и 4Ь Fig. 3. Molecular diagrams of optimized configurations of 6b1, TS6 and 4b
Таблица 3
Вычисленные значения относительной энергии АЕ (ккал-моль" ) аминоиминных и дииминных форм 2, оптимизированных методом DFT/B3LYP/cc-pVTZ Table 3. Relative energies, AE (kcal-molof aminoimino- and diiminotautomers of 2, optimized by
DFT/B3LYP/cc-pVTZ
Аминоиминная форма 3 S—N fi N 1 H H S—N H fi N H S—N i N 1 H H S—N HvNAnX/h i N H
3a1 3a2 3b1 3b2
АЕ*, ккал-моль-1 17.62 20.41 17.72 20.46
Дииминная форма 4 S—N i H S—N Hi \ N i l н S—N I N i H H H S—N J \ H h H
4a 4b 4c 4d
АЕ, ккал-моль-1 20.66 21.91 24.66 22.88
Аминоиминная форма 5 S—N / N û H H S—N N A H />H S—N 1 N i H H />H S—N N i H
5aj 5a2 5bj 5b2
ДЕ, ккал-моль"1 15.29 16.94 15.29 16.94
Аминоиминная форма 6 S—N N 1 H H S—N i N * H H H S—N N fi H H S—N i N fi H H H
6aj 6a2 6bj 6b2
ДЕ, ккал-моль-1 10.29 13.93 10.29 13.94
Примечание: *3начения энергии ДЕ рассчитаны относительно конфигурации 2а Note; * Energy values, ДЕ, were calculated relatively 2a configuration
Таблица. 4
Вид переходных состояний и вычисленные значения барьеров Еак1 (ккал-моль1) инверсии атомов водорода
иминогрупп
Table 4. View of transition states and calculated values of activation barriers, Eact (kcal-mol1), of H-atoms inversion
in iminogroups
Переход 3aj => 3a2 4a => 4b 5aj => 5a2 6aj => 6a2
TS К 4 К l
Еает, ккал-моль1 22.33 17.61 20.63 20.54
Таблица 5
Вид ВЗМО и НСМО молекул 2а, 4а и 6aj Table 5. View of HOMO and LUMO of molecules of 2a, 4a and 6aj
B3MO*
HCMO*
Обозначение
2a
Вид граничных МО
Энергия МО, эВ
-5.75
-0.21
ДЕ, эВ
5.54
Обозначение
4a
Вид граничных МО
Энергия МО, эВ
-6.38
-1.23
ДЕ, эВ
5.15
Обозначение
6ai
Вид граничных МО
Энергия МО, эВ
-5.74
-0.31
ДЕ, эВ
5.43
Примечание: * Для структур 2а, 4а и ба, ВЗМО соответствует \|/30, а НСМО *|/3i
Nore:* For structures of 2a, 4a and 6a1 the HOMO corresponds to \|/30 and for LUMO corresponds to »|/31
Методами квантовой химии была изучена инверсия атомов водорода иминогрупп (табл. 4).
Показано, что значения полученных акти-вационных барьеров составляют величины порядка 20 ккал-моль-1. что находится в соответствии с литературными данными для подобных превращений [13].
Вид волновых функций граничных молекулярных орбиталей диаминной, аминоиминной и дииминной конфигураций представлен в табл. 5. Как следует из данных табл. 5, для всех конфигураций ВЗМО являются орбиталями тс-типа.
Таким образом, на основании изучения инверсии амино- и иминогрупп, а также таутомерных превращений установлено, что все три вида таутомерии вносят вклад в структурную нежесткость 3,5-диамино-1,2,4-тиадиазола, причем таутомерные превращения, которые сопровождаются наибольшими структурными изменениями, протекают с преодолением наибольших энергетических барьеров.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 12-03-00364-a.
ЛИТЕРАТУРА
1. Sessler J.L., Weghorn S.J. Expanded, Contracted and Isomeric Porphyrins. New York. Pergamon. 1997. 520 p.
2. Rodríguez-Morgade M. S., Cabezón В., Esperanza S., Torres Т. // Chem. Eur. J. 2001. V. 7. N 11. P. 2407-2413.
3. Islyaikin M.K., Danilova E.A., Yagodarova L.D., Rodríguez-Morgade M S., Cabezón В., Torres Т. // Org. Lett. 2001. V. 3. N 14. P. 2153 -2156.
4. Kobayashi N., Inagaki S., Nemykin V.N., Nonomura T. // Angew. Chem. Int. Ed. 2001. V. 40. N 14. P. 2710-2712.
5. Bumbina N.V., Danilova E.A., Sharunov V.S., Filimonov S.I., Abramov I.G., Islyaikin M.K. // Mendeleev Commun. 2008. V. 18. N 5. P. 289-290.
6. Danilova E.A., Melenchuk T.V., Trukhina O.N., Zakharov A.V., Islyaikin M.K. // Macroheterocycles. 2010. V. 3. N 1. P. 33-37.
7. Eckert A.K., Trukhina O.N., Rodriguez-Morgade MS., Danilova E.A., Islyaikin M.K., Torres T. // Mendeleev Commun. 2010. V. 20. N4. P. 192-194.
8. Trukhina O.N., Rodriguez-Morgade MS., Wolfrum S., Caballero E., Snejko N., Danilova E.A., Gutiérrez-Puebla E., Islyaikin M.K., Guldi D.M, Torres T. // J. Am. Chem. Soc. 2010. V. 132. N 37. P. 12991-12999.
9. Trukhina O.N., Zhabanov Yu.A., Krasnov A.V., Danilova E.A., Islyaikin M.K. //J. Porphyrins Phthalocyanines. 2011. V. 15. P. 1287-1291.
10. Danilova E.A., Bumbina N.V., Islyaikin M.K. // Macrohete-rocycles. 2011. V. 4. N 1. P. 47-49.
11. Крапивин C.B., Малышев Д.К)., Харитонов А.В., Ер-мишина О.С., Шубин С.Н., Лукьянова Л.Д. // Вестн. РАМН. 2002. № 8. С. 32-37.
Krapivin S.V., Malyshev A.Y., Kharitonov A.V., Ermi-shina O.S., Shubin S.N., Luk'yanova L.D. // Vestnik RAMN. 2002. N 8. P. 32-37 (in Russian).
12. Danilova E.A., Melenchuk T.V., Trukhina O.N., Islyaikin M.K. //Macroheterocycles. 2010. V. 3. N 1. P. 68-81.
13. Данилова E.A. Синтез, особенности строения и свойства замещенных тиадиазолов и азолсодержащих макрогете-роциклических соединений различного строения. Дис. ... д.х.н. Иваново. ИГХТУ. 2011. 352 е.;
Danilova E.A. Synthesis, structural particularities and properties of substituted thiadiazoles and azolecontaining macrohe-terocyclic compounds of different composition. Dissertation for doctor degree on chemical sciences. Ivanovo. ISUCT. 2011. 352 p. (in Russian).
14. Березина Г.Р., Колесников H.A., Смирнов Р.П. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 1986. Т. 29. Вып. 9. С. 1-4; Berezina G.R., Kolesnikov N.A., Smirnov R.P. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 1986. V. 29. N 9. P. (in Russian).
15. Melenchuk T.V., Danilova E.A., Islyaikin M.K. // Russian Journal of General Chemistry. 2010. V. 80. N 7. P. 13691372.
16. http://classic. chem.msu.su/gran/gamess/index. html.
17. Минкин В.И., Симкин Б.Я., Миняев P.M Квантовая химия органических соединений. Механизмы реакций. М.: Химия. 1986.248 е.;
Minkin V.I., Simkin B.Ya., Minyaev R.M Quantum chemistry of organic compounds. Reaction mechanisms. M.: Khimiya. 1986. 248 p. (in Russian).
18. Цирельсон В.Г. Квантовая химия. Молекулы, молекулярные системы и твердые тела. М.:БИНОМ. Лаборатория знаний. 2010. 496 е.;
Tsirelson V.G. Quantum Chemistry. Molecule, the molecular systems and solids. M.: BINOM. 2010. 496 p. (in Russian).
19. http://www. chemcraftprog. com.
20. http://www.ccdc.cam.ac.uk/products/mercury.com.
21. Holyn'ska M, Kubiak M // Acta Crystallographica Section. 2008. P. 609-612.
,
кафедра технологии тонкого органического синтеза
