CC BY
22
УДК 577.175.522
В. А. Бабкин, В. Ю. Дмитриев, Г. А. Савин,
Г. Е. Заиков, А. И. Рахимов, С. Ю. Софьина
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМА АЦИЛИРОВАНИЯ
1-[2-(О-АЦЕТИЛМЕТИЛ)-3-О-АЦЕТИЛ-2-ЭТИЛ]-МЕТИЛДИХЛОРФОСФИТА
АЦИЛГАЛОГЕНИДАМИ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
Ключевые слова: квантово-химическое исследование, механизм ацилирования, 1-[2-(о-ацетилметил)-3-о-ацетил-2-этил]-метилдихлорфосфита, 2,2-би- (о-ацетилоксиметил)-1-о-ацетилбутанол, ацетилхлорид, метод MNDO.
Впервые выполнено квантово-химическое исследование механизма реакции образования 2,2-би- (о-
ацетилоксиметил)-1-о-ацетилбутанола классическим методом MNDO. Показано, что механизм получения этого соединения - результат согласованного взаимодействия ацетилхлорида и 1-[2-(о-ацетилметил)-3-о-ацетил-2-этил]-метилдихлорфосфита, который протекает по механизму бимолекулярного нуклеофильного замещения Sn2. Установлено, что эта реакция экзотермична и носит барьерный характер. Величина энергетического барьера составляет 320 кДж/моль. Выигрыш энергии в результате реакции составляет 37
кДж/моль.
Keywords: quantum-chemical research, the mechanism of synthesis, 2,2-bi - (o-atsetiloksimetil) - 1-o-atsetilbutanol, 1 -[2 -(o-atsetilmethil) - 3-о-acetyl-2-ethil]-methildihlorfosfit, acetyl chloride, method MNDO.
For the first time quantum - chemical research of the mechanism of reaction of synthesis 2,2-bi - (o-atsetiloksimetil) -1-o-atsetilbutanol classical method MNDO is executed. It was shown that synthesis 2,2-bi - (o-atsetiloksimetil) - 1-o-atsetilbutanol is the result of an agreed interaction of acetyl chloride and 1 -[2 -(o-atsetilmethil) - 3-о-acetyl-2-ethil]-methildihlorfosfit which proceeds according to mechanism of bimolecular nucleophilic substitution SN2. It was set that this reaction is exothermic and has a barrier nature. The size of energy barrier is 320 kJ/mol.
Введение
2,2-би-(о-ацетилоксиметил)-1-о-ацетилбутанол является полуфабрикатом для получения лекарственного препарата от различных болезней, и в частности, от гепатита, обладающий полезными и возможно уникальными свойствами.Получение этого соединения весьма сложный механизм реакции ацилирования бициклофосфитов хлорангидридами карбоновых кислот состоящий из 3 стадий. 2 стадии этого механизма были изучены нами ранее[4, 5]. В этой работе представлен механизм третей - заключительной стадии образования 2,2-би-(о-ацетилоксиметил)-1-о-ацетилбутанола.
Он образуется в результате взаимодействия ацетилхлорида и 1-[2-(о-ацетилметил)-3-о-ацетил-2-этил]-метилдихлорфосфита:
Механизм образования 2,2-би-(о-ацетилоксиметил)-1-о-ацетилбутанола на электронном уровне в настоящее время не изучен. В связи с этим, целью настоящей работы явилось исследование механизма получения этого соединения одним из классических квантовохимических методов.
Методическая часть
Для исследования механизма образования 2,2-би-(о-ацетилоксиметил)-1-о-ацетилбутанола был выбран квантово-химический полуэмпирический метод
ММЭО с оптимизацией геометрии по всем параметрам стандартным градиентным методом, встроенным в РС вЛМБ88 [2]. Этот метод достаточно хорошо воспро-
изводит энергетические характеристики и стабильность химических соединений, в том числе и веществ, содержащих кратные связи [1]. Расчеты выполнялись в приближении изолированной молекуле к газовой фазе. Для визуального представления исходной, промежуточных и конечной моделей использовалась программа МасМо1РИ [3].
Механизм образования изучаемого соединения методом ММЭО исследовался следующим образом. Исходные модели компонентов синтеза - 1-[2-(о-
ацетилметил)-3-о-ацетил-2-этил]-метилдихлорфосфит и ацетилхлорид - располагались на расстоянии 2.8А друг от друга, то есть на таком расстоянии, на котором какие-либо взаимодействия между ними практически отсутствуют. В качестве координаты реакции было выбрано расстояние ЯСзб-О8 (см. рис. а), как наиболее энергетически выгодное направление взаимодействия исходных молекул и судя по максимальным значениям зарядов на атомах молекулярной системы Рю,О8,С139 и С36 непосредственно участвующих в реакции. Далее, выполнялась оптимизация по всем параметрам исходных компонентов при ЯС36-О8= 2.8А. После оптимизации фиксировались и заносились в таблицы 1-3 значения длин связей и валентных углов, значения Е0 (общей энергии системы) и qн- заряда на атомах вдоль координаты реакции Ис36-О8, которая изменялась с 2.8А до 1.3А на каждой ступени оптимизации. Шаг по координате реакции ЯС36-О8 составил 0. 2А.
Результаты расчетов
Оптимизированные геометрические и электронные параметры исходных моделей(как стадии
координации), промежуточного состояния системы (в самом ключевом положении - в момент отрыва атома С139) и конечного сформировавшегося состояния молекулы 2,2-би-(о-ацетилоксиметил)-1 -о-ацетилбутанола представлены на рис.1,2,3. Изменение длин связей, валентных углов, общей энергии всей молекулярной системы и зарядов на атомах вдоль координаты реакции ЯС3б-о8 с шагом 0.2А показаны в работе [5]. Полученные параметры на ступенях 1-6(Кс3б-08 изменяется от 2.8А до 1.8А) свидетельствуют о том, что никаких существенных изменений с системой исходных ингредиентов кроме взаимной ориентации друг относительно друга не происходит. Определим эту стадию как стадию координации. На II стадии взаимодействия (7 ступень, Ис36-08 1.6 А) происходит одновременный и почти полный разрыв двух связей С36-С139 и Рю-08, длины связей которых соответственно изменяются с 1.82А 5.76 А и с 1.58А до 5.54 А) соответственно [5]. В связи с этим определим эту стадию, как стадию разрыва связей. При этом атом С139 ацетилхлорида атакует атом Р10 1-[2-(о-ацетилметил)-3-о-ацетил-2-этил]-
метилдихлорфосфита, образуя ковалентную связь Р10-С139 (1.99 А), а атом 08 и С36 ковалентную связь 08С36 (^36-08 = 1.4А) на последней III стадии, определим ее, как конечную стадию синтеза 2,2-би-(о-ацетилоксиметил)-1-о-ацетилбутанола заканчивается формирование искомого продукта. Кроме того, весьма полезно при этом было проследить за изменением зарядов на атомах непосредственно участвующих в реакции Р10, 08, С36 и С139, а также изменением Е0 (общей энергии молекулярной системы) вдоль координаты реакции ЯС36-08 (рис. 4 и табл. 1) [5].
Из приведенных графиков и таблиц видно, что реакция носит барьерный характер (рис. 4). Величина барьера составляет 320 кДж/моль. Выигрыш энергии в результате реакции составляет 37 кДж/моль. При этом положительный заряд на атоме С36 [5] изменяется сим-батно изменению Е0, достигая своего максимального значения в момент разрыва связей С36-С139 и Р:0-08, а отрицательный заряд на атоме С139 антибатен изменению Е0, также достигает своего максимального значения (по модулю) в момент разрыва этих же связей. В связи с этим, анализируя все изложенное выше: поведение атомов непосредственно участвующих в изучаемой реакции синтеза Р10,08, С36 и С139, изменение зарядов на этих атомах и энергетику реакции - легко заметить, что механизм синтеза 2,2-би-(о-
ацетилоксиметил)-1-о-ацетилбутанола представляет
собой согласованный процесс с одновременным разрывом связей Р10-08 и С36-С139 и образованием новых связей Р10-С139 и С36-08 и носящий все черты бимолекулярного §N2 нуклеофильного замещения.
Таким образом, нами впервые синтезирован и изучен механизм образования 2,2-би-(о-
ацетилоксиметил)-1-о-ацетилбутанола квантово-
химическим полуэмпирическим методом ММЭ0. Показано, что механизм получения этого соединения -результат согласованных взаимодействий ацетилхло-рида и 1-[2-(о-ацетилметил)-3-о-ацетил-2-этил]-метилдихлорфос-фита по схеме 8М2 нуклеофильного замещения. Установлено, что эта реакция экзотермич-на, что качественно согласуется с экспериментом и
носит барьерный характер. Величина энергетического барьера изучаемой реакции 320кДж/моль. Выигрыш энергии в результате реакции составляет
37 кДж/моль.
Рис. 1 - Исходная модель взаимодействия 1-[2-(о-ацетилметил)-3-о-ацетил-2-этил]-метилдихлор-фосфит и ацетилхлорида. КС3б-08 = 2.8А
Рис. 2 - Модель стадии разрыва связей (переходное состояние). Яоб-ов = 1.
бА
Рис. 3 - Конечная модель - образование 2,2-би-(о-ацетилоксиметил)-1-о-ацетилбутанола Кс3б-08=
1.3А
Рис. 4 - Изменение общей энергии системы вдоль координаты реакции
Таблица 1 - Изменение энергии вдоль координаты реакции Ясзб-о8
Кс36-08,^* Е0,кДж/моль
2,8 -479551
2,6 -479512
2,4 -479478
2,2 -479431
2,0 -479376
1,8 -479318
1,6 -479268
1,4 -479588
1,3 -479583
Литература
1. Кларк Т. Компьютерная химия. - M.: Мир, 1976, 512 с.
2. Shmidt M. W., Baldridge K. K., Elbert J. A., Gordon M. S., Ensen J. H., Koseki S., Matsunaga N., Nguen K. A., Su S. J., Winds T. L.. Together with Montgomery J. A. General Atomic and Molecular Electronic Structure Systems. J. Comput. Chem. 1993. 14, p.p 1347-1363.
3. Bode B.M. and Gordon M.S., “MacMolPlt: A Graphical User Interface for GAMESS”, J Molec. Graphics., 1998,16,pp 133-138.
4. Бабкин В.А., Дмитриев В.Ю., Савин Г.А., Заиков Г.Е. Квантово-химическое исследование реакции прямого ацилирования бициклофосфитов ацилгалогенидами // ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА И МЕЗОСКОПИЯ. 2010. Т.12, №4. С. 553-561.
5. Бабкин В.А., Дмитриев В.Ю., Савин Г.А., Заиков Г.Е., Рахимов А.И. Квантово-химические аспекты механизма ацилирования бициклофосфитов хлорангидридами карбоновых кислот. - Волгоград : ВолГУ, 2011. - 108 с.
© В. А. Бабкин - д-р хим. наук, проф., нач. науч. отдела Себряковского филиала Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета, [email protected]; В. Ю. Дмитриев - сотр. Себряковского филиала ВГАСУ; Г. А. Савин - канд. хим. наук, доц. ВГАСУ; Г. Е. Заиков - д-р хим. наук, проф. Института биохимической физики РАН, [email protected]; А. И. Рахимов - д-р хим. наук, проф. ВолГТУ; С. Ю. Софьина - канд. техн. наук, доцент каф. технологии пластических масс КНИТУ.
