Молекулярна структура та конформаційний аналіз похідних і гетероциклічних аналогів циклогексену

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-ХІМІЧНИЙ ІНСТИТУТ ІМ. О.В. БОГАТСЬКОГО

УДК 544.187:[547.591+547.594.4+547.821]

Молекулярна структура та конформаційний аналіз похідних і гетероциклічних аналогів циклогексену

02.00.03 - органічна хімія

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

Шишкіна Світлана Валентинівна

ОДЕСА 2010

Дисертація є рукописом.

Роботу виконано в ДНУ НТК «Інститут монокристалів» Національної академії наук України (м. Харків).

Науковий керівник:

Доктор хімічних наук, професор Десенко Сергій Михайлович

ДНУ «НТК «Інститут монокрис-талів», НАН України, м. Харків, завідувач відділом хімії гетеро-циклічних сполук

Офіційні опоненти:

доктор хімічних наук, професор

Кузьмін Віктор Євгенович

Фізико-хімічний інститут ім. О.В. Богатського НАН України, м. Одеса, заступник директора з наукової роботи, завідувач лабора-торії теоретичної хімії кандидат хімічних наук, Михайлов Василь Олександрович

Iнститут фiзико-органiчної хімії i вуглехiмiї iм. Л. М. Литвиненка НАН України, м. Донецьк, старший науковий співробітник

Захист відбудеться «26» лютого 2010 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.219.02 Фізико-хімічного інституту ім. О.В. Богатського НАН України за адресою 65080, м. Одеса, Люстдорфська дорога, 86.

З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Фізико-хімічного інституту ім. О.В. Богатського НАН України.

Автореферат розісланий 15 січня 2010 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат хімічних наук Литвинова Л.О.

інверсія внутрішньомолекулярний гетероатом

АНОТАЦІЯ

Шишкіна С.В. Молекулярна структура та конформаційний аналіз шестичленних тетрагідроароматичних циклів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.03 - органічна хімія. - Фізико-хімічний інститут ім.. О.В.Богатського НАН України, Одеса, 2009.

Дисертація присвячена вивченню конформаційних характеристик циклу та внутрішньомолекулярних взаємодій, що їх визначають, в циклогексені, його похідних та Гетероциклічних аналогах. Особливу увагу приділяли процесу інверсії циклу та характеру перехідних станів.

В роботі виявлено незвичний сплощений характер ППЕ для циклогексену, що приводить до перехіду між двома симетричними конформаціями твіст-ванна без зміни енергії молекули. Аналіз профілю процесу інверсіі цикла для похідних циклогексену з екзоциклічним подвійним зв`язком або метильними замісниками, а також для гетероаналогів циклогексену показав, що сплощений характер ППЕ зберігається в усіх циклах, де метиленові групи в б-положенні до ендоциклічного подвійного зв`язку є незаміщеними.

Дослідження внутрішньомолекулярних взаємодій в рамках методу натуральних орбіталей (NBO) виявило, що гіперкон`югаційні взаємодії між неподіленою парою електронів гетероатома та р-орбіталлю подвійного зв`язку або у*-антизв`язуючою орбіталлю одинарного зв`язку можуть помітно впливати на геометричні характеристики циклу. В той же час гіперкон`югаційні взаємодії між р-орбіталлю подвійного зв`язку та псевдо-р фрагментарними орбіталями сусідніх метиленових груп визначають профіль інверсії циклу в циклогексені і його похідних з незаміщеними метиленовими групами в б-положенні до ендоциклічного подвійного зв`язку.

Комплексні дослідження показали, що рівноважна конформація напівкрісло в шестичленних тетрагідроароматичних циклах є конформаційно гнучкою і може легко змінюватися в сторону софи під впливом різних факторів.

Ключові слова: тетрагідроароматичний цикл, конформаційні характеристики, процес інверсії циклу, р-р супряження, гіперкон`югаційні взаємодії, р- та у*-анти-зв`язуючі орбіталі.

АННОТАЦИЯ

Шишкина С.В. Молекулярная структура и конформационный анализ шестичленных тетрагидроароматических циклов. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата химических наук по специальности 02.00.03 - органическая химия. - Физико-химический інститут им. А.В.Богатского НАН Украины, Одесса, 2009.

Диссертация посвящена изучению конформационных характеристик цикла и внутримолекулярных взаимодействий, их определяющих, в циклогексене, его производных и гетероциклических аналогах. Особое внимание уделено процессу инверсии цикла и характеру переходных состояний.

С помощью широкого набора методов неэмпирической квантовой химии установлен необычный характер профиля инверсии цикла в циклогексене, который отражает сильную уплощенность поверхности потенциальной энергии молекулы в области переходного состояния. Геометрия молекулы в пределах этой уплощенной области изменяется между двумя симметричными конформациями твистванна через промежуточную конформацию ванна без изменения энергии молекулы. В производных циклогексена, содержащих экзоциклическую двойную связь в в-положении относительно эндоциклической двойной связи и гетероаналогах циклогексена при условии наличия метиленового мостика между двойной связью и гетероатомом уплощенность ППЭ в области переходного состояния может приводить к возникновению дополнительных минимумов, в которых частично насыщенный цикл находится в конформации ванна или твистванна.

Анализ геометрических характеристик производных циклогексена, содержащих экзоциклическую двойную связь в б-положении, показал удлинение связи одинарной C(sp2)-C(sp2), несмотря на усиление р-р сопряжения. Применение теории Бейдера «Атомы в молекулах» и метода натуральных орбиталей (NBO) позволило утверждать, что длина связи C(sp2)-C(sp2) в гетеробутадиеновом фрагменте определяется противоборством р-р сопряжения между двойными связями и n>у* гиперконъюгационных взаимодействий между неподеленной парой гетероатома связи С=Х и разрыхляющей орбиталью одинарной связи. В случае тетрагидроароматических соединений неподеленная пара гетероатома взаимодействует либо с р-орбиталью эндоциклической двойной связи либо с псевдо-р-орбиталями метиленовых групп, оказывая влияние на конформационные характеристики гетероцикла.

Подробно исследован характер поверхности потенциальной энергии в гетероциклических аналогах циклогексена, содержащих фрагменты NH, PH, AsH, для которых возможно два процесса инверсии: инверсия цикла и инверсия конфигурации гетероатома. Показано, что эти процессы взаимосвязаны между собой только для азотсодержащих молекул. В случае фосфор- и мышьяк- содержащих молекул конфигурация гетероатома является практически замороженной вследствие высокого барьера ее инверсии.

Исследование зависимости характера инверсии цикла от наличия заместителей привело к выводу, что обязательным условием сохранения уплощенного характера ППЭ в области переходного состояния является незамещенность метиленовых групп в б-положении относительно эндоциклической двойной связи. Применение метода NBO выявило определяющее влияние гиперконъюгационных взаимодействий р-орбитали двойной связи и псевдо-р фрагментарных орбиталей соседних метиленовых групп на профиль процесса инверсии цикла.

Комплексные экспериментальные и теоретические исследования показали, что равновесная конформация полукресло в шестичленных тетрагидроароматических циклах является конформационно гибкой и может легко изменяться в сторону софы под действием различных факторов.

Ключевые слова: тетрагидроароматический цикл, конформационные характеристики, процесс инверсии цикла, р-р сопряжение, гиперконъюгационные взаимодействия, р- и у*- разрыхляющие орбитали.

ABSTRACT

Shishkina S.V. The molecular structure and conformational analysis of six-membered tetrahydroaromatic rings. - Manuscript.

Thesis for a candidate of science degree in chemistry by specialty 02.00.03 - Organic Chemistry. - A.V. Bogatsky Physico-Chemical Institute, NAS of Ukraine, Odesa, 2009.

The thesis is devoted to study of conformational characteristics and intramolecular interactions in cyclohexene, its derivatives and heterocyclic analogues. The special attention was focused on the ring inversion process and the character of transition states.

Unusual top-flattened character of the potential energy surface for cyclohexene was disclosed in the work. This leads to the transition between two symmetric conformations of twist-boat via boat conformation without change in energy. Analysis of the energy profile for ring inversion process for cyclohexene derivatives containing an exocyclic double bond or methyl substituents and for heterocyclic analogues demonstrates that the flattened character of the potential energy surface is kept for all rings where methylene groups in б-position relatively endocyclic double bond are non-substituted.

The investigation of intramolecular interactions using NBO theory reveals the influence of hyperconjugation interactions between lone pair of heteroatom and р-orbital of double bond or у-antibonding orbitals of neighboring C-C bond on the geometric characteristics of the tetrahydrocycle. At the same time the hyperconjugation interactions between р-orbital of the endocyclic double bond and pseudo-р-fragment orbital of neighboring methylene groups influences the energy profile of ring-inversion process in cyclohexene and its derivatives with non-substituted methylene groups in б-position relatively double bond.

The combined study by experimental and theoretical methods demonstrates that the half-chair equilibrium conformation of six-membered tetrahydroaromatic rings is conformational flexible. The half-chair conformation may be deformed easily toward a sofa conformation under the influence of different factors.

Key words: tetrahydroaromatic ring, conformational characteristics, the ring-inversion process, р-р conjugation, hyperconjugation, р- and у*-antibonding orbitals.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Циклогексен та його найпростіші похідні є фундаментальними молекулами в стереохімії органічних сполук. Саме тому їх конформаційні характеристики були предметом багатьох досліджень. Але не зважаючи на інтенсивне вивчення будови цих сполук, залишається неясною ціла низка фундаментальних питань, пов`язаних з характером взаємодії насиченого та ненасиченого фрагментів молекули, точного визначення перехідного стану та енергетичного профілю інверсії циклу, оцінкою конформаційної жорсткості рівноважних конформацій та ін. Крім того, тетрагідроароматичні цикли є складовою частиною багатьох біологічно активних та природних сполук, люмінофорів, барвників, різноманітних функціональних матеріалів. Тому відомості про їх конформаційні характеристики є дуже важливими для розуміння властивостей та механізмів дій різних сполук, особливо у випадку взаємодії з рецепторами різної природи.

Особливо актуальним вивчення конформаційних характеристик шестичленних тетрагідроароматичних циклів та факторів, що їх визначають, стало в останнє десятиліття у зв`язку з розвитком сучасних надійних теоретичних методів, що дозволяють за допомогою квантово-хімічних розрахунків отримувати інформацію про будову та динаміку молекул з експериментальною точністю. Застосування для досліджень сполук широко доступних експериментальних методів дозволяє з меншою або більшою мірою достовірності визначити тільки характер рівноважної конформації та величину бар`єру інверсії циклу. Сучасні неемпіричні квантово-хімічні методи розрахунків дають можливість вивчити характер поверхні потенційної енергії (ППЕ) молекули, дослідити внутрішньомолекулярні взаємодії та їх енергетику. Це дозволяє проводити конформаційні дослідження молекул на новому рівні, не обмежуючись констатацією фактів, а намагаючись проаналізувати причини явищ, відкриваючи нові можливості для вивчення конформаційних характеристик таких фундаментальних для органічної стереохімії молекул, як циклогексен, його похідні та гетероциклічні аналоги.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною планових досліджень відділу рентгеноструктурних досліджень та квантової хімії НТК «Інститут монокристалів» НАН України і виконувалась в рамках наступних наукових тем:

- Молекулярна, кристалічна структура та конформаційна динаміка шестичленних частково гідрованих циклів в поліциклічних системах барвників, люмінофорів та біологічно активних сполук (№ держреєстрації 0198U004260);

Дослідження взаємозв`язку між ароматичністю та конформаційною гнучкістю ароматичних та дигідроциклів в молекулах барвників, люмінофорів та біологічно активних сполук (№ держреєстрації 0101U004957, 0103U003494);

Дослідження нових ансамблів частково гідрованих гетероциклів (№ держреєстрації 0105U005255).

Метою дослідження є систематичне вивчення конформаційних характеристик та природи внутрішньомолекулярних взаємодій, що їх визначають, в циклогексені, його похідних та гетероциклічних аналогах. Особлива увага приділялась процесу інверсії циклу та характеру перехідних станів.

Для досягнення основної мети роботи необхідно було вирішити наступні завдання:

Проаналізувати зміни рівноважної конформації циклу в залежності від наявності в кільці в різних положеннях гетероатому, екзоциклічного подвійного зв`язку, алкільних замісників та анелування ароматичними циклами;

Визначити перехідні стани, величини бар`єрів інверсії та вивчити профіль інверсії циклу;

В рамках теорії Бейдера «Атоми в молекулах» та методу натуральних зв`язуючих орбіталей (NBO) вивчити особливості внутрішньомолекулярних взаємодій з участю р-орбіталей подвійних зв`язків, неподіленої електронної пари гетероатома або псевдо-р-фрагментарних орбіталей метиленових груп;

За допомогою рентгендифракційних досліджень та квантово-хімічних розрахунків визначити області легкої зміни конформації циклів під дією ефектів замісників та міжмолекулярних взаємодій в кристалах.

Предмет дослідження: конформаційні характеристики молекул, енергетичні параметри та шлях інверсії циклів, внутрішньомолекулярні взаємодії.

Об`єкт дослідження: циклогексен, його похідні, що містять екзоциклічні подвійні зв`язки або алкільні групи, та гетероциклічні аналоги.

Методи дослідження. Дослідження виконано за допомогою теоретичних методів неемпіричної квантової хімії з врахуванням електронної кореляції в рамках теорії збудження Мюллера-Плессета другого порядку (МР2/6-311G(d,p)). Внутрішньомолекулярні взаємодії вивчено за допомогою топологічного аналізу розподілу електронної густини згідно теорії Бейдера «Атоми в молекулах» та метода натуральних орбіталей зв`язків (NBO). Експериментально молекулярна структура сполук визначалась рентгеноструктурним дослідженням.

Наукова новизна отриманих результатів. В дисертаційній роботі вперше:

Проведено систематичне дослідження конформаційних характеристик похідних циклогексену та його гетероаналогів.

Для аналізу конфoрмаційних характеристик циклів та їх конформаційної поведінки використано сучасні методи комп`ютерної хімії, а саме теорію Бейдера «Атоми в молекулах» (AIM), метод натуральних орбіталей зв`язків (NBO) та процедуру вивчення шляху інверсії циклу методом внутрішньої реакційної координати (IRC).

Виявлено вплив n>у* гіперкон`югаційних взаємодій за участю неподіленої пари гетероатома зв`язку С=Х та антизв`язуючої орбіталі одинарного зв`язку С(sp2)-C(sp2) на геометричні характеристики гетеробутадієнового фрагменту в похідних циклогексену, що містять екзоциклічний подвійний зв`язок в б-положенні.

Показана залежність конформаційних характеристик гетероаналогів циклогексену від енергії взаємодії неподіленої електронної пари гетероатому з р-орбіталлю ендоциклічного подвійного зв`язку С=С або псевдо-р-орбіталлю метиленової групи, що їх розділяє.

Досліджено характер поверхні потенційної енергії гетероциклічних аналогів циклогексену, що містять фрагменти NH, PH, AsH, з точки зору конкуруючих процесів інверсії циклу та інверсії цих фрагментів.

Для циклогексену та ряду його похідних і гетероаналогів виявлено незвичний характер профілю інверсії циклу, що відображує сильну сплощеність поверхні потенційної енергії в області перехідного стану.

Показано, що обов`язковою умовою появи сплощеного характеру ППЕ в області перехідного стану є відсутність замісників або гетероатома в б-положенні по відношенню до ендоциклічного подвійного зв`язку.

Встановлено, що сплощений характер ППЕ в області перехідного стану визначається гіперкон`югаційними взаємодіями р-орбіталі подвійного зв`язку та псевдо-р фрагментарними орбіталями сусідніх метиленових груп.

Методом рентгенівської дифракції встановлено будову і проаналізовано молекулярну структуру 25 органічних сполук, що містять циклогексеновий фрагмент.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані дані, що стосуються геометрії рівноважних конформацій, бар`єрів та профілю інверсії шестичленних тетрагідроароматичних циклів можуть бути використані для уточнення параметрів силових полів, що застосовуються в моделюванні будови та конформаційної динаміки різних природних та біологічних об`єктів. Відомості про конформаційну гнучкість тетрагідроциклів є істотними для передбачення можливості зв`язування біологічно активних сполук, що містять такі фрагменти, з різними рецепторами.

Особистий внесок автора полягає в проведенні квантово-хімічних розрахунків та рентгеноструктурних досліджень, обробці та узагальненні отриманих даних. Автор приймав активну участь в аналізі одержаних результатів та підготовці публікацій.

Сполуки для рентгеноструктурних досліджень були синтезовані та закристалізовані в лабораторіях органічного синтезу Інституту проблем ендокринної патології імені В.Я.Данілевського (д.х.н. В. В. Ліпсон), НТК «Інститут монокристалів» (к.х.н. В. А. Чебанов, к.х.н. В. В. Ващенко, к.х.н. М. Ю. Горобець), Харківського національного університету ім.. В. Н. Каразіна (к.х.н. І. М. Гелла), Національної фармацевтичної академії (д.х.н. І. В. Українець, д.х.н. Л. А. Шемчук).

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації було представлено на: ХХ Українській конференції з органічної хімії (Одеса, 2004), 1st International Symposium “Methods and Applications of Computational Chemistry” (Kharkiv, Ukraine, 2005), International conference “Chemsitry of Heterocyclic Compounds” (Кharkiv, Ukraine, 2006), 2nd International Symposium “Methods and Applications of Computational Chemistry” (Kyiv, Ukraine, 2007), 4th International Chemistry Conference Toulouse-Kiev (Toulouse, France, 2007), 3d International Symposium “Methods and Applications of Computational Chemistry” (Odesa, Ukraine, 2009), 5th International conference “Chemistry of nitrogen containing heterocycles” (Kharkiv, Ukraine, 2009).

Публікації. Результати дисертації опубліковано в 17 наукових працях, в тому числі в 11 статтях та 7 тезах міжнародних та українських конференцій.

Структура та обсяг дисертації.

Дисертація складається зі вступу, п`яти розділів, висновків, списку використаної літератури (160 найменувань), містить 31 рисунок та 25 таблиць і додаток. Обсяг дисертації 172 сторінка.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дослідження, сформульовано мету і завдання, які потрібно ,було вирішити, показано новизну і практичне значення роботи.

Перший розділ є оглядом літературних даних. Проведено узагальнення даних, раніше отриманих як експериментальними, так і теоретичними методами, що стосуються конформаційних характеристик шестичленних тетрагідроароматичних циклів в рівноважному стані. Систематизовано відомості про процес інверсії циклу та величини бар`єрів інверсії. Показано, що незважаючи на велику кількість проведених досліджень, відомості про конформаційні характеристики циклогексену, його похідних та гетеро аналогів є неповними, а в багатьох випадках мають фрагментарний характер. Особливо це стосується інформації про процес інверсії циклу. Навіть для циклогексену остаточно не встановлено, чи є конформація ванна сідловою точкою на ППЕ, що відповідає перехідному стану. Дані про фактори, що впливають на процес інверсії та величину бар`єра інверсії, в літературі не обговорювалися зовсім.

У другому розділі описано методи теоретичних та експериментальних досліджень сполук, що містять тетрагідроароматичні цикли. Для оптимізації геометрії молекул, локалізації перехідних станів та побудови профілю інверсії циклу було застосовано теорію збурень другого порядку Мюллера-Плессета (МР2) з використанням стандартного базисного набору 6-311G(d,p). Всі розрахунки проводились за допомогою програм GAUSSIAN03. Кон`югаційні та гіперкон`югаційні взаємодії в молекулах досліджувались в рамках теорії натуральних орбіталей (NBO) за допомогою програми NBO 5.0. Аналіз розподілу електронної густини в молекулах було виконано в рамках наближення «Атоми в молекулах» (AIM) з використанням хвильової функції, отриманою з розрахунків методом MP2/6-311G(d,p). Характеристики критичних точок зв`язку (3,-1) проаналізовано в програмі AIM2000 з використанням стандартних опцій.

В третьому розділі «Конформаційний аналіз циклогексену та його похідних, що містять екзоциклічний подвійний зв`язок» представлено результати розрахунку рівноважної геометрії та досліджено процес інверсії циклу для циклогексену та його похідних 2-15:

Конформаційний аналіз циклогексену. Розрахунки рівноважної геометрії та частот нормальних коливань циклогексену методами DFT та MP2 з використанням стандартних базисних наборів 6-31G(d,p), 6-311G(d,p), D95(d,p), cc-pvdz, AUG-cc-pvdz, а також методом MP4(SDQ)/6-31G(d,p) і порівняння отриманих результатів з експериментальними даними ви-явили надійність теоретичних методів дослідження. Оптимальним методом для подальших досліджень конформаційних характеристик молекул в рівноважному стані та процесу інверсії циклу було обрано метод MP2/6-311G(d,p).

Квантово-хімічні розрахунки з використанням процедури внутрішньої реакційної координати (IRC) для вивчення шляху інверсії циклу показали, що профіль потенційної енергії в області перехідного стану процесу інверсії є майже прямою лінією (Рис. 2). Межа сплощеної області ППЕ в термінах величини торсійного кута С2-С3-С4-С5 становить ±29.9-32.4° для розрахунків методом DFT и ±36.0-40.6° для розрахунків методом МР2 з різними базисними наборами.

Таким чином, процес інверсії циклу в молекулі циклогексену можна розглядати як триетапний, де перехід між конформаціями напівкрісло та твіст-ванна (ПКI>TBI та TBII>ПКII) протікає зі значною зміною енергії молекули, а перехід між двома симетричними конформаціями твіст-ванна через конформацію ванна відбувається без будь-якої зміни енергії. ППЕ в області перехідного стану має надзвичайно сплощений характер, різниця між конформаціями твіст-ванна і ванна не перевищує 0.01 ккал/моль. Це дозволяє говорити не про одну сідлову точку на ППЕ, а про область, в межах якої кожна точка з фізичної точки зору може розглядатися як сідлова. А точка ППЕ, якій відповідає конформація ванна, є лише центральною точкою цієї області і може бути використана як найзручніша для опису перехідного стану процесу інверсії в циклогексені.

Конформаційний аналіз похідних циклогексену, що містять екзоциклічний подвійний зв`язок. Рівноважна геометрія похідних циклогексану 2-8, що містять екзоциклічний подвійний зв`язок в б-положенні відносно ендоциклічного подвійного зв`язку, має значною мірою визначатися ступенем спряження між двома р-системами. В свою чергу, ступінь спряження має залежати від електронегативності гетероатому. Одним із загальноприйнятих показників ступеня спряження є довжина одинарного зв`язку C(sp2)-C(sp2). Проте розрахунки показали, що цей зв`язок виявився найдовшим в молекулах, що містять кисень та азот, які є найбільш електронегативними у відповідних рядах O>S>C?Se та N>C>P>As. Аналіз розподілу електронної густини в рамках теорії Бейдера «Атоми в молекулах» (AIM) показав, що найменша електронна густина в критичній точці зв`язку (КТЗ) C(sp2)-C(sp2) виявлена для молекул, що містять групи С=О або С=NH, що також відповідає найменшому спряженню р-систем подвійних зв`язків. Енергія спряження, оцінена в рамках теорії натуральних зв`язуючих орбіталей (NBO) також виявилася найменшою в молекулах, що містять кисень та азот, що не суперечить отриманим іншими методами даним. Лише величина еліптичності електронної густини в КТЗ, яка чутлива до вкладу р-компоненти в ковалентний зв`язок, для зв`язку C(sp2)-C(sp2) виявилася найбільшою для молекул, що містять кисень та азот. Отже можна було припустити існування додаткових внутрішньомолекулярних взаємодій, що впливають на довжину зв`язку C(sp2)-C(sp2).

Використання теорії NBO дозволило виявити присутність взаємодій між неподіленою парою електронів гетероатому з у*-антизв`язуючою орбіталлю одинарного зв`язку C(sp2)-C(sp2). Енергія цих взаємодій зменшується в ряду O>S>Se та N>P>As. Тому можна припустити, що довжина зв`язку C(sp2)-C(sp2) залежить від впливу двох протилежних за своєю дією факторів: а) р-р спряження, що сприяє укороченню зв`язку С2-С3, та б) n>у* гіперкон`югації, що ослаблює та подовжує цей зв`язок внаслідок підвищення заселеності у-антизв`язуючої орбіталі одинарного зв`язку (Рис. 3).

Енергія гіперкон`югаційних взаємодій помітно вища в порівнянні з енергією р-р спряження в молекулах, що містять кисень та азот, що й обумовлює подовження зв`язку C(sp2)-C(sp2). Збільшення поряд-кового номеру гетероатому, що супроводжується зменшенням його електронегативності, приводить до помітного послаблення гіперкон`югаційних взаємодій і скорочення зв`язку С2-С3. Необхідно відзначити, що n>у* гіперкон`югація подібна добре відомому аномерному ефекту, але в даному випадку електродонорний гетероатом пов`язаний з центральним атомом вуглецю подвійним зв`язком, що приводить до змішування двох електронних ефектів.

Присутність спряженої системи в молекулах 2-8 обумовила те, що тетра-гідроароматичний цикл знаходиться в конформації, проміжній між конформаціями софа та напівкрісло. При цьому конформація циклу виявилася більш чутливою до впливу р-р спряження в бутадієновому фрагменті в порівнянні з впливом n>у* гіперкон`югації. Отримані дані добре узгоджуються з встановленою раніше високою конформа-ційною нежорсткістю конформації напівкрісло в циклогексені і з отриманими рентген-дифракційним методом експериментальними даними (молекули 19-20, 22-25, Табл. 1).

В молекулах 9-14, що містять екзоциклічний подвійний зв`язок в в-положенні відносно ендоциклічного, відсутня спряжена система. Але на їх конформаційні характеристики впливають гіперкон`югаційні взаємодії, які можна поділити на дві групи: взаємодії р-орбіталі ек-зоциклічного подвійного зв`язку з сусідніми мети-леновими групами (р>у*) та взаємодії неподіленої елек-тронної пари гетероатому з антизв`язуючою орбіталлю зв`язку C(sp2)-C(sp3) (n>у*). Аналіз довжин зв`язків в молекулах 9-14 та дані методу NBO показали, що гіпер-кон`югаційні р>у* взаємодії впливають на довжину зв`язків С3-С4 та С4-С5, обумовлюючи різницю між ними. Але р>у* взаємодії не пояснюють подов-ження зв`язків C(sp2)-C(sp3) в молекулі, що містить кисень, в порівнянні з 10, 11 та 15. Подальший аналіз внутрішньомолекулярних взаємодій в рамках теорії NBO показав, цей ефект обумовлено, очевидно, впливом n>у* гіперкон`югаційних взаємодій. У випадку молекул 12-14, в яких гетероатом має тільки одну неподілену пару електронів, n>у* взаємодії присутні тільки з антизв`язуючою орбіталлю одного з сусідніх зв`язків C(sp2)-C(sp3). Тому довжина кожного із зв`язків C(sp2)-C(sp3) залежить від поєднання впливу двох типів гіперкон`югаційних взаємодій. Якщо р>у* та n>у* взаємодії діють на один і той же зв`язок, їх дія взаємно підсилюється, що приводить до значної різниці в довжинах зв`язків. У випадку, коли два типи гіперкон`югаційних взаємодій впливають на різні зв`язки, їх дія урівнює одна одну, внаслідок чого довжина зв`язків досить близька.

Рівноважна конфор-мація тетрагідроароматич-ного циклу в молекулах 9-15 є проміжною між кон-формаціями софа та напів-крісло і дуже близька до конформації молекул 2-9, незважаючи на відсутність спряженої системи.

Вивчення профілю інверсії циклу в молекулах 2-15 виявило значну різ-ницю між таким в моле-кулах зі спряженими та не-спряженими подвійними зв`язками (Рис. 4). Резуль-тати квантово-хімічних розрахунків показали для молекул зі спряженою системою подвійних зв`яз-ків наявність лише однієї сідлової точки та повну втрату сплощеного харак-тера ППЕ в області пере-хідного стану. Процес ін-версії циклу в такому разі має двоетапний характер (Рис. 4а). Тетрагідроаро-матичний цикл в перехідному стані приймає конформацію дещо скрученої ванни, а величина бар`єру інверсії циклу значно вища в порівнянні з циклогексеном. Слід також відзначити, що зміна величини бар`єру інверсії в рядах O-S-Se та N-P-As корелює з енергією р-р взаємодій між двома подвійними зв`язками у відповідності до електронегативності гетероатома. Найвищий бар`єр інверсії циклу мають молекули, що містять кисень та азот.

Зовсім інший характер має процес інверсії циклу в молекулах, де екзоциклічний та ендоциклічний подвійні зв`язки розділені метиленовою групою (9-15). Наприклад, для молекул 9, 11 та 15 (Рис. 4b) на ППЕ локалізована лише одна сідлова точка, що відповідає перехідному стану. Це передбачає двохетапний характер процесу інверсії циклу. Конформація циклу в перехідному стані відповідає твіст-ванні. Але детальне вивчення профілю інверсії циклу показало наявність дуже сплощеної ППЕ в області переходу між однією з конформацій твіст-ванна та конформацією ванна. При цьому перехід між ванною і другою конформацією твіст-ванна, яка відповідає сідловій точці, потребує деяких затрат енергії. Сплощена частина профілю інверсії дуже подібна до сплощеного характеру ППЕ в області перехідного стану в молекулі циклогексену. Розмір сплощеної області в термінах величини торсійного кута Csp3-Csp3-Csp3-Csp3 може бути оцінений як 30°, 32° та 28° для 9, 11 та 15, відповідно. Енергія молекули в межах «плато» змінюється на 0.8 ккал/моль для 9, та на 0.4 ккал/моль для 11 та 15. В такому разі процес інверсії циклу в молекулах 9, 11 та 15 коректно розглядати як чотирьохетапний процес, де перехід між конформаціями напівкрісло та ванна відбувається зі значними змінами енергії молекули, а перехід між твіст-ванною та ванною в одному разі майже не потребує енергії, а в другому разі супроводжується деяким збільшенням енергії молекули.

Аналіз внутрішньомолекулярних взаємодій в молекулах 9, 11 та 15 показав, що загальна енергія взаємодій екзоциклічного подвійного зв`язку з сусідніми метиленовими групами є різною на кожному етапі шляху інверсії циклу. Зіставлення змін характеру гіперкон`югаційних взаємодій з характером профілю інверсії показало, що всі етапи процесу інверсії, що супроводжуються помітною зміною енергії молекули, співпадають зі зміною різниці між енергією гіперкон`югаційних взаємодій з метиленовими групами С3(Н2) та С5(Н2). В межах «плато» відбувається зміна метиленової групи, енергія гіперкон`югаційних взаємодій з якою є більшою. Це дозволяє припустити, що зміни енергії молекули в процесі інверсії циклу зумовлені в першу чергу класичними факторами, такими як бар`єр обертання навколо зв`язку С-С, відштовхування між атомами водню в конформації ванна та ін. А в області «плато» збільшення енергії молекули за рахунок несприятливих стеричних факторів частково компенсується зменшенням енергії молекули внаслідок зміни енергії гіперкон`югаційних взаємодій.

Вивчення ППЕ для молекули 10 виявило існування додаткового мінімуму, що відповідає конформації ванна (Рис. 4b). Відповідно, процес інверсії циклу має два перехідних стани, в яких цикл знаходиться в симетричних конформаціях твіст-ванна. При цьому профіль інверсії циклу є симетричним і також має сплощений характер в області додаткового мінімуму.

Величини бар`єрів інверсії кільця в 9-11 та 15 дещо менші в порівнянні з циклогексеном і збільшуються в ряду O<S<Se. Це добре погоджується зі зміною енергії взаємодії неподілених електронних пар гетероатому з антизв`язуючими орбіталями зв`язків Csp2-Csp3. Послаблення гіперкон`югаційних взаємодій приводить до збільшення бар`єру інверсії циклу. Найбільше значення бар`єру інверсії виявлено в молекулі 15, де відсутній гетероатом.

Аналогічні залежності були виявлені для молекул 12-14. Характер профілю інверсії циклу в цих молекулах залежить від орієнтації атому водня при гетероатомі. Для ізомерів з транс-орієнтацією атому водня відносно зв`язку С3-С4 на ППЕ виявлено додатковий мінімум, а для ізомерів з цис-орієнтацією - сплощену область навколо конформації ванна. При цьому аналіз енергії гіперкон`югаційних взаємодій показав ті ж особливості, що і в молекулах 9, 11 та 15. «Плато» на ППЕ в 12-14 відповідає області зміни характеру гіперкон`югаційних взаємодій з двома метиленовими групами.

Четвертий розділ «Конформаційний аналіз шестичленних тетрагідро-ароматичних гетероциклів» присвячено аналізу рівноважної геометрії та процесу інверсії циклу в молекулах 28-39.

Заміна метиленової групи гетероатомом приводить до порушення симетрії циклогексеновогу циклу та обумовлює появу додаткових внутрішньомолекулярних стереоелектронних взаємодій за участю неподілених пар гетероатому.

Аналіз конформаційних характеристик молекул 28-30 показав, що в рівноважному стані гетероцикли знаходяться в конформації несиметричне напівкрісло. Збільшення розміру гетероатому в ряду O...S...Se приводить до збільшення несиметричності рівноважної конформації та сплощення фрагменту C=C=X-Csp3. Такі зміни конформації добре узгоджуються зі зменшенням енергії взаємодії між неподіленими електронними парами гетероатомів та р-орбіталлю подвійного зв`яз-ку, оціненої в рамках методу NBO. Таким чином, конфор-мація молекул 28-30 прямо залежить від енергії n-р спря-ження.

Конформаційні особи-вості молекул 31-33 пов`язані з можливістю різної орієн-тації атома водню, зв`язаного з гетероатомом. Взаємо-зв`язок між процесами інвер-сії циклу та конфігурації Ге-тероатому досліджено за до-помогою фрагментів поверх-ні потенційної енергії, побу-дованих в координатах двох торсійних кутів Х-Csp3-Csp3-Csp3 та Csp2-Csp2-Х-H. Так для молекули 31 (Рис. 5) перший з обраних торсійних кутів описує конформацію частково гідрованого циклу, а другий - орієнтацію атома водню групи NH, що визначає конфігурацію атома азоту. Таким чином, побудована ППЕ описує конформацію циклу, конфігурацію атома азоту і співвідношення між ними.

Аналіз ППЕ показав, що для кожної конформації напівкрісло існує дві конформації, які відрізняються конфігурацією атома азоту (Рис. 6). Більш енергетично вигідним (на 0.9 ккал/моль) виявився конформер з пірамідальною конфігурацією азоту 31пір. Бар`єр переходу між пірамідальною і планарною конфігурацією гетероатому становить усього 2.0 ккал/моль. Вивчення спряження в молекулі 31 показало, що планарна конфігурація атома азоту забезпечує умови для більш сильних n-р взаємодій та гіперкон`югаційних взаємодій з сусідньою метиленовою групою, що зумовлює скорочення зв`язків С2-С3 та С3-С4 в порівнянні з пірамідальним конформером. Більша участь неподіленої електронної пари в спряженні з подвійним зв`язком зумовлює також сплощення фрагменту Сsp2-Csp2-N-Csp3 і зсув конформації циклу в сторону софи. Але в конформері з планарною конфігурацією атома азоту 31пл. існує відштовхування між атомом водню при гетероатомі та екваторіальним атомом водню сусідньої метиленової групи. В більш стабільному конформері з пірамідальною конфігурацією азоту такого відштовхування не виявлено. Таким чином, конформація та відносна стабільність двох конформацій напівкрісло з різною конфігурацією атому азота визначаються балансом стеричних та електронних факторів.

Збільшення розміру гетероатому в молекулах 32 та 33 зумовлює існування його тільки в пірамідальній конфігурації. Але орієнтація атома водню відносно площини С6-С1-С2-Х для двох пірамідальних конформерів є різною. Більш енергетично вигідним для молекул 32 та 33 виявився конформер b (Рис. 7). Дослідження ППЕ показало, що бар`єр інверсії гетероатому значно вищий за бар`єр інверсії циклу.

Аналіз внутрішньомолекулярних взаємодій показав, що в конформері b молекул 32 та 33 спостерігається сплощення фрагменту Csp2-Csp2-X-Csp3 за рахунок більшої енергії n-р спряження, внаслідок чого конформація циклу зсувається в сторону софи аналогічно конформеру 31 з планарним атомом азоту. При цьому збільшення розміру гетероатому приводить до більшого сплощення фрагменту Csp2-Csp2-X-Csp3. У випадку конформерів 31пір., 32а та 33а спостерігається зворотна залежність: збільшення розміру гетероатому приводить до зміни конформації в сторону ідеального напівкрісла. Таким чином, для гетероциклів, що містять атоми фосфору та миш`яку, найстабільнішою є конформація деформована софа, тоді як для молекули, що містить азот більш стабільною є конформація напівкрісло з пірамідальним атомом азоту.

Дослідження молекул 34-36, в яких гетероатом та подвійний зв`язок розділені метиленовою групою, показало, що на відміну від 28-30, гетероатом в в-положенні суттєво не впливає на рівноважну геометрію частково гідрованого циклу, який знаходиться в конформації напівкрісло. Для молекул, що містять групи NH, PH, AsH в в-положенні до ендоциклічного подвійного зв`язку, також як для молекул 31-33, для кожної конформації напівкрісло виявлено два мінімуми, що відповідають аксіальній та екваторіальній орієнтаціям атому водню при гетероатомі. В обох конформерах сполук 37-39 гетероатом має пірамідальну конфігурацію (Рис. 8), а більш стабільним (на 0.3-1.47 ккал/моль) виявився конформер з аксіальною оріентацією атому водню. Цикл в обох конформерах 37-39 знаходиться в конформації напівкрісло. Бар`єр інверсії гетероатому в молекулі 37 становить 6.7 ккал/моль і є значно вищим за бар`єр переходу між планарним та пірамідальним конформерами молекули 31. Енергія гіперкон`югаційних взаємодій в конформерах 37 дуже близька, тому можна припустити, що більша стабільність 37а зумовлена стеричними факторами, а саме меншим відштовхуванням між атомом водню NН групи та сусідніми метиленовими групами.

Вивчення шляху інверсії циклу в молекулах 28-39 виявило його залежність від положення гетероатому відносно подвійного зв`язку та від його природи. Для молекул, що містять кисень та азот в б-положенні відносно подвійного зв`язку характерна лише одна сідлова точка на ППЕ та повна втрата сплощеного характеру ППЕ в області перехідного стану (Рис. 9а). Вивчення конформаційних характеристик гетероцик-лу в обох рівноважних кон-формаціях і в сідло-вій точці для молекули 31 показало також, що інверсія циклу не супроводжується інверсією конфігурації атома азоту. Молекули 28 та 31 в сідловій точці знаходяться в конформації ванна, а бар`єр інверсії вищий в порівнянні з циклогексеном. Збільшення розміру гетероатома в молекулах 29, 30 та 32, 33 супроводжується появою на ППЕ додаткового досить неглибокого мінімуму, якому відповідає конформація твіст-ванна (Рис. 9а). Це передбачає існування двох сідлових точок і відповідно двох величин бар`єрів переходу. Процес інверсії циклу в такому разі має чотирьохетапний характер. Слід також відзначити, що конформація циклу в сідлових точках на ППЕ помітно відрізняється: в ПС I молекули 29, 30 та 32, 33 мають конформацію твіст-ванна, а в ПС II - конформацію ванна. Різниця в конформації, видно, зумовлює і різницю в енергії молекули в сідлових точках. Величина бар`єру інверсії зменшується в ряду O...S...Se та N...P...As.

Вивчення процесу інверсії в молекулах 34-39, де гетероатом та подвійний зв`язок розділені метиленовою групою, виявило дуже схожі закономірності (Рис. 9b). Проте для молекул 34 та 37, що мають лише одну сідлову точку, ППЕ в області перехідного стану має сплощений характер, що нагадує «плато», виявлене для циклогексена. Слід також відзначити, що на відміну від молекули 31, процес інверсії циклу в молекулі 37, що містить NH групу в в-положенні до подвійного зв`язку, завжди супроводжується зміною орієнтації атома водню цієї групи. Молекули 34 та 37 в перехідному стані мають конформацію твіст-ванна, а бар`єр інверсії вищий за аналогічну величину в циклогексені. Збільшення розміру гетероатома в молекулах 35, 36 та 38, 39 приводить до появи на ППЕ додаткового мінімуму, в якому молекули мають конформацію ванна. При цьому енергія молекул 35, 36 в додатковому мінімумі не набагато вища, ніж в рівноважному стані (ДЕ = 2.82 ккал/моль для 35 та 0.87 ккал/моль для 36). І зовсім несподівана ситуація виникає для молекули 39: конформація ванна, що відповідає додатковому мінімуму, має енергію на 0.76 ккал/моль меншу, ніж конформація напівкрісло і на 0.50 ккал/моль більшу, ніж конформація деформована софа. Таким чином, конформація напівкрісло для 39 є самою енергетично невигідною. Молекули 35, 36 та 38, 39 в двох сідлових точках мають симетричні конформації твіст-ванна. Проте енергія молекул в цих точках на ППЕ помітно відрізняється, що корелює з різною енергією гіперкон`югаційних взаємодій. Величина бар`єру інверсії систематично зменшується в молекулах 34-39, що добре корелює зі зміною енергії обертання навкруги зв`язку Csp3-X в ациклічних аналогах.

П`ятий розділ дисертації присвячено аналізу внутрішньомолекулярних взаємодій та їх впливу на конформаційну поведінку шестичленних тетрагідроароматичних циклів. В класичній стереохімії рівноважну конформацію циклогексену розглядають як результат протиборства двох груп протилежно спрямованих факторів: кутової напруги внаслідок деформації ендоциклічних валентних кутів при насичених атомах вуглецю, яка виникає у випадку сплощення циклу, та прагнення до загальмованої конформації вздовж зв`язків Csp3-Csp3, з однієї сторони, та 1,2-алільної напруги внаслідок невалентних взаємодій між віцинальними атомами водню вздовж зв`язку Csp2-Csp3, з іншої сторони. Посилити кутову напругу в молекулі і тим самим порушити рівновагу цих факторів можна за допомогою анелування ароматичними циклами, що було зроблено в молекулах 44-50. Розрахунки показали, що анелування дійсно приводить до збільшення кутової напруги, що зумовлює підвищення ступеню складчатості частково гідрованого циклу в молекулах 44-48, але цей ефект досить слабкий. У випадку анелування гетероароматичними циклами ступінь складчатості залежить також від положення гетеро-атому.

Більш помітний вплив має анелування на процес інверсії циклу. Для молекули 44 на ППЕ локалізована сплощена область додаткового мінімуму (Рис. 10), в межах якої конформація частково гідрованого циклу змінюється від твіст-ванни з торсійним кутом Csp3-Csp3-Csp3-Csp3 +16° через ванну до симетричної конформації твіст-ванна з величиною того ж торсійного кута -16° без зміни енергії молекули. Перехід між областю додаткового мінімуму і двома сідловим точками, в яких молекула має конформацію твіст-ванна з досить сильною скрученістю зв`язків С1-С2 та С4-С5 відносно один одного, відбувається з незначними змінами енергії молекули. Конформаційні ж переходи між конформаціями твіст-ванна та напівкрісло відбуваються з помітною зміною енергії молекули. Таким чином, процес інверсії в 44 має п`ять стадій. Для молекул 45, 46 локалізована лише одна сідлова точка, проте область ППЕ навколо неї має дуже сплощений характер, внаслідок чого процес інверсії можна розглядати як трьохстадійний. Величина бар`єрів інверсії в молекулах 45, 46 досить близька до аналогічної величини в циклогексені, а в молекулі 44 - помітно менша. Для молекул 47-50 локалізована лише одна сідлова точка, а вивчення профілю інверсіїї циклу показало відсутність будь-якої сплощеної області ППЕ.

Найбільш зручними для вивчення стеричних ефектів замісників є метильні похідні циклогексена, які в залежності від положення замісника можна розділити на три групи. Аналіз рівноважної геометрії для молекул 55-63 показав, що найбільше порушення симетричності конформації напівкрісло відбувається в молекулі 58, яка має дві метильні групи при одному атомі вуглецю в б-положенні відносно подвійного зв`язку, що пояснюється різким підсиленням 1,2-алільних взаємодій внаслідок заміни атомів водню метильними групами. Замісники в в-положенні відносно ендоциклічного подвійного зв`язку значно менше впливають на рівноважну конформацію циклу.

Вивчення шляху інверсії циклу показало, що характер інверсії циклу і величина бар`єру в молекулі 55 не відрізняється від таких для циклогексену. Поява замісників в б-положенні до подвійного зв`язку (56-59) приводить до повної втрати сплощеного характеру ППЕ в області перехідного стану, внаслідок чого процес інверсії є двоетапним. Молекули 56-59 в сідловій точці знаходяться в конформації ванна, а бар`єр інверсії помітно вищий, ніж в циклогексені.

Детальне вивчення процесу інверсії циклу в молекулах 60-63, що мають замісники в в-положенні до подвійного зв`язку, виявило дуже сплощену область ППЕ в області сідлової точки (Рис. 11). Тому характер ППЕ в області перехідного стану можна розглядати, як «плато», що має дещо порушену форму.

Таким чином, навіть виникнення значної стеричної напруги в молекулі 63 не призводить до зникнення сплощеного характеру ППЕ в районі сідлової точки. Тому можна припустити, що такий незвичний характер профілю інверсії циклогексенового кільця обумовлений не класичними стеричними факторами.

Узагальнюючи всі проведені дослідження процесу інверсії циклу, можна помітити, що незвичний характер ППЕ в області перехідного стану з`являється у випадку наявності незаміщеної метиленової групи в б-положенні до ендоциклічного подвійного зв`язку. В молекулах 55-63 окрім стеричних ефектів замісників можна припустити вплив лише р-у* гіперкон`югаційних взаємодій між р-орбіталлю подвійного зв`язку та псевдо-р-орбіталями незаміщених метиленових груп. Слід відзначити, що гіперкон`югаційні взаємодії приводять до збільшення енергії молекули. Детальний аналіз енергії цих взаємодій в рівноважній геометрії та деяких характерних точках на ППЕ для 1 та 56-60 дозволив припустити, що в циклогексені, його похідних та аналогах з незаміщеною метиленовою групою в б-положенні існують два ефекти, що впливають на профіль інверсії циклу. З однієї сторони, це збільшення енергії при зміні конформації в процесі інверсії.

В області перехідного стану зміна енергії досить невелика при помітних змінах геометричних параметрів. З іншої сторони, відбувається зменшення енергії молекули в області перехідного стану за рахунок зменшення енергії гіперкон`югаційних взаємодій порівняно з рівноважною геометрією. Накладення двох ефектів приводить до сплощення ППЕ в області перехідного стану внаслідок додоаткової стабілізації конформації ванна та твіст-ванна.

ВИСНОВКИ

Комплексні дослідженнях з використанням теоретичних та експериментальних методів виявили загальні закономірності зміни конформаційних характеристик шестичленних тетрагідроароматичних циклів в циклогексені, його похідних та гетероциклічних аналогах та їх взаємозв`язок з тонкими внутрішньомолекулярними взаємодіями.

1. Інверсія циклу в циклогексені є трьохстадійним процесом, що містить перехід між конформаціями напівкрісло та твіст-ванна, який супроводжується значною зміною енергії молекули, та перехід між двома симетричними конформаціями твіст-ванна через проміжну конформацію ванна практично без зміни енергії. Сплощений характер поверхні потенційної енергії в області перехідного стану інверсії циклу дозволяє говорити не про сідлову точку даного процесу, а про множину точок, що утворюють «плато», кожна з яких з фізичної точки зору може розглядатися як сідлова точка на ППЕ.

2. Наявність екзоциклічного подвійного зв`язку або гетероатому в в-положенні відносно до ендоциклічного подвійного зв`язку С=С принципово не змінює сплощений характер поверхні потенційної енергії молекули в області перехідного стану процесу інверсії циклу. При наявності в молекулі гетероатомів третього та четвертого періодів таке сплощення супроводжується утворенням додаткового мінімума на ППЕ, що відповідає конформації ванна або твіст-ванна.

3. Геометричні параметри супряженої системи в похідних циклогексену, що містять екзоциклічний подвійний зв`язок С-гетероатом в б-положенні відносно зв`язку С=С, визначаються балансом між супряженням р-систем подвійних зв`язків та n-у* гіперкон`югаційними взаємодіями з участю неподіленої пари гетероатома та антизв`язуючої орбіталі одинарного зв`язку С-С гетеробутадієнового фрагменту. В той же час ступінь складчатості рівноважної конформації та бар`єр інверсії циклу залежить в першу чергу від сили р-р взаємодій.

4. Інверсія циклу в гетероциклічних аналогах циклогексена, що містять фрагменти NH, PH, AsH, протікає практично незалежно від інверсії пірамідальної конфігурації цих фрагментів. Величина бар`єра інверсії фрагментів PH та AsH набагато перевищує бар`єр інверсії циклу, що робить конфігурацію цих фрагментів майже замороженою.

5. Характер зміни величин бар`єрів інверсії тетрагідроароматичних циклів визначається енергетикою внутрішньомолекулярних р-р, n-р, р-у* та n-у* взаємодій. Послаблення цих взаємодій приводить до зменшення бар`єра інверсії циклу. При цьому за умови відсутності р-р або n-р супряження аналогічний вплив мають гіперкон`югаційні р-у* та n-у* взаємодії, в першу чергу з участю метиленової групи в б-положенні відносно екзоциклічного подвійного зв`язку С=С.

6. Аннелування циклогексену ароматичними циклами по подвійному зв`язку, що зумовлює підсилення кутової напруги, не впливає на конформаційні характеристики тетрагідроароматичного циклу. Характер процесу інверсії циклу залежить від розміру аннелюючого циклу та розташування в ньому гетероатомів.

7. Стеричні ефекти замісників в б-положенні відносно до ендоциклічного подвійного зв`язку приводять до зникнення сплощеного характера ППЕ в області перехідного стану процеса інверсії циклу. Замісники в в-положенні суттєво не впливають на профіль інверсії тетрагідроциклу.

8. Сплощений характер ППЕ в області перехідного стану процесу інверсії циклу визначається гіперкон`югаційними р-у* взаємодіями з участю р-орбіталі ендоциклічного подвійного зв`язку С=С та псевдо-р фрагментарними орбіталями сусідніх метиленових груп. Поява замісників при атомах вуглецю циклогексену в б-положеннях відносно зв`язку С=С приводить до різкого послаблення таких взаємодій та зникненню сплощеного характера поверхні потенційної енергії.

9. Рівноважна конформація шестичленних тетрагідроароматичних циклів є дуже нежорсткою і може легко змінюватися між конформаціями софа та напівкрісло під впливом стеричних ефектів замісників, аннелювання різними циклами та межмолекулярних взаємодій в кристалі.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО В РОБОТАХ

1. Shishkina S. V. Three-stage character of ring inversion in cyclohexene / S. V. Shishkina, O. V. Shishkin, J. Leszczynski // Chem. Phys. Lett. - 2002. - Vol. 354. - P. 428-434.

2. Циклоконденсация 2-аминобензимидазола с димедоном и его арилиденпроизводными / В. В. Липсон, С. М. Десенко, С. В. Шишкина, М. Г. Широбокова, О. В. Шишкин, В. Д. Орлов // Химия гетероцикл.соедин. - 2003. - № 8. - С. 1194-1202.