Квантово-хімічне дослідження механізмів реакцій утворення та розкриття епоксидного циклу

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМ. В.Н. КаразІна

КВАНТОВО-ХІМІЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ МЕХАНІЗМІВ РЕАКЦІЙ УТВОРЕННЯ ТА РОЗКРИТТЯ ЕПОКСИДНОГО ЦИКЛУ

02.00.03 - органічна хімія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора хімічних наук

ОКОВИТИЙ Сергій Іванович

Харків - 2006

Дисертацією є рукопис

олефін аліциклічний епоксидний регіохімічний

Робота виконана в Дніпропетровському національному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор хімічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Кас'ян Лілія Іванівна, Дніпропетровський національний університет, професор кафедри органічної хімії.

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, старший науковий співробітник Шишкін Олег Валерійович НТК “Інститут монокристалів” НАН України, перший заступник генерального директора з наукової роботи;

доктор хімічних наук, професор Висоцький Юрій Борисович Донецький національний технічний університет, Міністерство освіти і науки України, завідувач кафедри фізичної і органічної хімії;

доктор хімічних наук, старший науковий співробітник Кузьмін Віктор Євгенович Фізико-хімічний інститут ім. А.В. Богатського НАН України, завідувач лабораторії теоретичної хімії.

Провідна установа: Інститут фізико-органічної хімії і вуглехімії ім. Л.М. Литвиненка НАН України, відділ дослідження радикальних процесів м. Донецьк.

Захист відбудеться “29” вересня 2006 р. об 11 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.14 Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, площа Свободи, 4, ауд. 7-80

З дисертацією можна ознайомитися в Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна (61077, м. Харків, площа Свободи, 4)

Автореферат розісланий “8” червня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 64.051.14, кандидат хімічних наук Панченко В.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність дослідження. Епоксидні сполуки утворюються в біологічних об'єктах за участю ферментних систем, а в лабораторних і промислових умовах - з використанням доступних окисників, основними з яких є органічні пероксикислоти. Ця група сполук має високу реакційну здатність до різноманітних нуклеофільних реагентів - амінів, води, спиртів тощо. Трансформація епоксидів, як і їх утворення, сьогодні розглядаються як моделі важливих біологічних процесів, пов'язаних, зокрема, із проблемою канцерогенезу. Реакції епоксидування і трансформації епоксидів є проміжними стадіями в синтезі ряду природних сполук та їх аналогів. У зв'язку з цим дослідження механізмів утворення епоксидних сполук та їх перетворень, а також розробка нових підходів до ідентифікації сполук із використанням квантово-хімічних розрахунків спектральних параметрів становить безперечний інтерес.

Існуючі експериментальні методи базуються на дослідженні тільки початкового й кінцевого станів окремих стадій процесу. Через це вони дозволяють лише опосередковано формувати уявлення про повний шлях реакції. Єдиним джерелом інформації про геометричні й енергетичні характеристики структур, що відповідають критичним точкам на поверхні потенційної енергії (ППЕ) реакцій, включаючи вихідні речовини, інтермедіати, перехідні стани (ПС) й продукти хімічних перетворень, є квантово-хімічні розрахунки. До сьогодні у фаховій літературі не було даних про дослідження механізму реакції епоксидування олефінів пероксикислотами за допомогою квантово-хімічних методів, здатних коректно описувати структури з бірадикальним характером хвильової функції. Це не дозволяло розв'язати суперечку, що триває вже кілька десятиліть і стосується характеру перехідного стану реакції. Невивченим залишалося і питання впливу специфічної сольватації на механізм розкриття епоксидного циклу в різних середовищах.

Однією з необхідних умов успішного дослідження механізму реакції є встановлення структури отриманих сполук. Для вирішення цього завдання найчастіше використовується спектроскопія ЯМР, однак у деяких випадках досить важко а то й неможливо ідентифікувати структури синтезованих сполук, виходячи тільки з аналізу експериментальних спектрів ЯМР. Значною мірою розв'язати цю проблему дозволяють квантово-хімічні розрахунки величин хімічних зсувів ядер у спектрах ЯМР і подальше зіставлення одержаних результатів з експериментальними даними. У зв'язку з цим розробка ефективних методів розрахунку магнітних властивостей молекул і систематичне дослідження можливостей різних неемпіричних наближень при розрахунку величин хімічних зсувів ядер є одним з актуальних завдань теоретичної хімії.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконано в межах держбюджетних тем, затверджених Головним управлінням науки Міністерства освіти і науки України “Епоксидні сполуки. Теоретичне дослідження і розробка методів синтезу практично корисних сполук на їх основі” (затверджена 1.01.1998 р., № держреєстрації 0198U003754), “Розробка підходів до синтезу біологічно активних похідних доступних епоксидних сполук. Експериментальне і теоретичне дослідження” (затверджена 1.01.2001 р., № держреєстрації 0101U001528) і “Карбо- і гетероциклічні сполуки. Структура і реакційна здатність” (затверджена 1.01.2004 р., № держреєстрації 0104U000476). Автор виконав дослідження, пов'язані з теоретичним вивченням механізмів утворення й розкриття епоксидного циклу, у відповідності до затверджених планів держбюджетних тем.

Мета роботи - розробити підходи до вивчення механізмів реакцій епоксидування олефінів пероксикислотами і трансформації епоксидних сполук за участю нуклеофільних реагентів, встановити стерео- і регіохімічні закономірності перебігу реакцій, що дозволяє прогнозувати хімічну поведінку олефінів та епоксидів, у першу чергу, сполук аліциклічного ряду.

Комплексне дослідження означеної проблеми вимагало розв'язання таких завдань:

1. Вибрати методи і розрахункові схеми, які дозволяють коректно описувати механізми названих реакцій, у тому числі враховувати можливість утворення бірадикальних перехідних станів.

2. Проаналізувати вплив структури реагентів, природи й орієнтації замісників, а також характеру середовища на перебіг реакцій епоксидування і розкриття епоксидного циклу.

3. Програмно реалізувати нові ефективні неемпіричні підходи для розрахунку електричних і магнітних молекулярних властивостей другого порядку (поляризовності та магнітної сприйнятливості).

4. Ідентифікувати стереоізомерні олефіни й епоксиди аліциклічного ряду шляхом порівняння експериментальних спектрів ЯМР із величинами хімічних зсувів ядер, розрахованих за допомогою розроблених нами фізично адаптованих для розрахунку магнітних властивостей наборів базисних функцій.

Об'єкт дослідження - механізми замикання й розкриття епоксидного циклу в ряду аліциклічних сполук.

Предмет дослідження - поверхні потенційної енергії реакцій, структура, напруженість і параметри спектрів ЯМР молекул олефінів та епоксидів аліциклічного ряду.

Методи дослідження - для розрахунку хвильової функції та геометричних параметрів сполук і перехідних станів реакцій були використані наближення багатоконфігураційного самоузгодженого поля, Хартрі-Фока, Мьоллера-Плессета, метод функціоналу густини і напівемпіричні методи АМ1 і РМ3; величини хімічних зсувів розраховані методами “градієнтно-інваріантних атомних орбіталей” і “безперервного ряду трансформацій початку відліку” із використанням стандартних і фізично адаптованих для розрахунку магнітних властивостей наборів базисних функцій; вплив розчинника враховувався методом континууму, який поляризується, та з використанням супермолекулярного наближення.

Наукова новизна отриманих результатів. За допомогою неемпіричних квантово-хімічних методів уперше встановлено, що реакція епоксидування олефінів пероксикислотами протікає за двостадійним бірадикальним механізмом. На відміну від синхронного механізму, розвинутого раніше на підставі розрахунків із використанням обмежених за спіном варіантів однодетермінантних методів, запропонований нами механізм дозволив пояснити відсутність очікуваних продуктів при епоксидуванні циклопропену і його похідних.

Розвинуто концепцію зв'язку напруженості циклоалкенів та епоксициклоалканів з їх реакційною здатністю. Встановлено, що реакційна здатність циклоолефінів визначається не напруженістю молекули субстрату, а зміною названого параметру в ході реакції. Показано вирішальну роль стеричного фактору в реакціях стереоізомерних епоксинорборнанів.

Встановлено регіоспецифічність реакції лужного метанолізу стереоізомерних монозаміщених епоксициклогексанів. На підставі аналізу розподілу густини електронів в молекулах епоксидів, а також ППЕ реакцій епоксидів з метанолом підтверджено вирішальну роль конформаційного фактора в протіканні реакції.

Уперше отримано кількісні дані, що пояснюють ?-направляючий ефект триметилсилільної групи в реакції лужного метанолізу триметилсилілоксирану.

На прикладі епоксициклоалканів та спіроепоксидів уперше показано можливість реалізації різних механізмів їх кислотного метанолізу в залежності від структури аліциклічного фрагмента, який примикає до епоксидного циклу.

Уперше показано, що основною причиною більш легкої гетероциклізації ендо-5-заміщених сечовин ряду норборнену в порівнянні з амідами є утворення в перехідних станах реакцій епоксидування сечовин додаткового водневого зв'язку між атомом Оксигену карбонільної групи кислоти-активатора й атомом Гідрогену групи NH, віддаленої від каркасного фрагмента.

У результаті детального дослідження поверхні потенційної енергії лактонізації амідокислот епоксинорборнанового ряду встановлено, що хемоселективна за карбоксильною групою циклізація амідокислот протікає за двостадійним механізмом з попереднім переносом протона карбоксильної групи до атома Оксигену амідної групи.

Розроблені фізично адаптовані для розрахунку магнітних властивостей набори базисних функцій 6-31G## (I) і 6-31G## (II) апробовано для розрахунку величин хімічних зсувів ядер 17О, 13С і 1Н циклічних ненасичених і епоксидних сполук. Уперше встановлено характер магнітно-анізотропного впливу епоксидного циклу на магнітне екранування ядер 1Н.

Встановлено стереохімічний склад продуктів реакції епоксидування біциклічних олефінів, що включає сполуки як із жорсткими каркасами, так і з конформаційно рухливими аліциклічними фрагментами. Виявлено вирішальний вплив характеру й орієнтації замісника в норборненовому каркасі на реакційну здатність і стереохімію реакції епоксидування біциклічних олефінів.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені розрахункові моделі для аналізу поверхонь потенційної енергії реакцій епоксидування олефінів пероксикислотами і метанолізу епоксидів придатні для прогнозування швидкості, а також регіо- і стереохімічних результатів хімічних перетворень.

Створений і скомпільований у вигляді пакету програм POLMAG-3 програмний код, у якому реалізований метод урахування залежності вихідного базисного набору АО від параметра збурення, може бути використаний для розрахунку електричних і магнітних властивостей молекул широкого ряду хімічних сполук. Пакет програм POLMAG-3, адаптований до операційних систем UNIX і WINDOWS, пройшов тестування в комп'ютерному центрі дослідження структури молекул і міжмолекулярних взаємодій Джексонського державного університету (США).

Процедура, запропонована для побудови фізично адаптованого для розрахунків магнітних властивостей базисного набору АО, дозволяє визначити кількість і функціональну форму додаткових поляризаційних і дифузних функцій, врахування яких необхідне для одержання прийнятних значень магнітних властивостей молекул.

На основі запропонованого базисного набору АО для різних класів органічних сполук визначено найбільш ефективні методи розрахунку значень хімічних зсувів ядер 17О, 13С і 1Н в спектрах ЯМР; показано ефективність використаного в роботі підходу з комбінованого дослідження спектрів моно- і диепоксидів, що дозволило встановити стереохімію та ідентифікувати структуру продуктів епоксидування циклічних алкенів і дієнів пероксикислотами.

Реалізований нами підхід з комплексного дослідження механізмів реакцій, що включає квантово-хімічний аналіз поверхні потенційної енергії й ідентифікацію отриманих сполук на підставі спектрів ЯМР може бути використаний при вивченні механізмів будь-яких хімічних реакцій.

Особистий внесок здобувача. Формулювання наукового напрямку, основних концепцій і цілей дисертації, підходів і методів, планування і постановка завдань, вибір об'єктів дослідження, інтерпретація та узагальнення результатів виконані самостійно. Обговорення результатів ряду теоретичних й експериментальних досліджень виконано разом з науковим консультантом проф., д.х.н. Л.І. Кас'ян. Ідея методу врахування залежності орбітальних коефіцієнтів і базисних функцій від параметра збурення, розроблена проф. д.ф.-м.н. В.В. Россіхіним і к.ф.-м.н. Е.О. Воронковим, була реалізована в пакеті програм POLMAG-3. Використані під час обговорення результатів експериментальні дані отримані к.х.н. А.О. Кас'яном, к.х.н. Р.Г. Гапоновою, к.х.н. О.А. Голодаєвою і к.х.н. М.Ф. Сеферовою. У проведенні квантово-хімічних розрахунків брали участь О.Л. Платіцина (п. 3.1, 3.3), О.А. Савельєва (п. 4.2-4.4) і к.х.н. Л.К. Святенко (розділ 6), у якої здобувач був науковим керівником дисертаційної роботи.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи представлені на таких конференціях: Конференції “Спектроскопія біологічних молекул: сучасні тенденції” (Мадрид, Іспанія, 1997), I Міжнародній конференції “Конверсія й екологія” (Дніпропетровськ, 1997), Українській і Міжнародній конференціях з хімії нітрогенвмісних сполук (Харків, 1997, 2003), 4-ому Міжнародному конгресі з фундаментальних і прикладних аспектів фізичної хімії (Белград, Югославія, 1998), XVIII-XX Українських конференціях з органічної хімії (Дніпропетровськ, 1998, Львів, 2001, Одеса, 2004), Міжнародній конференції “Активація алканів і хімія каркасних сполук” (Київ, 1998), 5-ому Міжнародному конгресі теоретично орієнтованих хіміків (Лондон, Великобританія, 1999), VIII-XII Міжнародних конференціях “Сучасні тенденції в комп'ютерній хімії” (Віксбург, 1999 -2001; Джексон, 2002 - 2005, США), 1-ій Всеросійській конференції з хімії гетероциклів пам'яті А.Н. Коста (Суздаль, Росія, 2000), II-IV Школах з комп'ютерної хімії (Алабама, США, 2002, 2003, 2004), IX Міжнародній науковій конференції “Хімія і технологія каркасних сполук” (Волгоград, Росія, 2001), 5-ій Фоковській школі з квантової і комп'ютерної хімії (Великий Новгород, 2002), Конференції “Оксиген- та сульфурвмісні гетероцикли” (Черноголовка, Росія, 2003), 1-ому Міжнародному симпозіумі “Методи і застосування комп'ютерної хімії” (Харків, 2005).

Публікації. Результати дисертації викладені в 37 публікаціях (2 монографіях, 3 оглядах і 32 статтях), із них 32 в наукових фахових виданнях.

Обсяг і структура дисертації. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаної літератури і додатків. Загальний обсяг дисертації - 324 сторінки. Дисертація містить 53 рисунки (39 сторінок), 70 таблиць (58 сторінок), 3 додатки (13 сторінок) і список використаної літератури, що включає 355 найменувань (37 сторінок).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, показано зв'язок роботи з науковими програмами і темами, сформульовано цілі й завдання дослідження, визначено наукову новизну і практичне значення, наведені дані про апробацію результатів і публікації за темою дисертації.

РОЗДІЛ 1. Квантово-хімічне дослідження механізмів утворення і трансформації епоксидних сполук (огляд літератури)

У першому розділі узагальнені результати квантово-хімічного дослідження механізмів утворення і розкриття епоксидного циклу, особливостей структури й розподілу густини електронів у молекулах оксиранів і їх протонованих формах, а також впливу характеру середовища, природи атакуючого нуклеофілу і замісника біля епоксидного циклу на механізми реакцій трансформації епоксидних сполук. Сформульовано низку проблем, що знайшли розв'язання у дисертації. Вони полягають у наступному.

1. Незважаючи на те, що механізм реакції епоксидування олефінів пероксикислотами активно досліджується, і дотепер залишається невирішеним ряд протиріч між експериментальними даними і “загальноприйнятим” одностадійним механізмом реакції, який включає стан із закритою електронною оболонкою. Ці протиріччя не можуть бути вирішені в рамках обмежених за спіном однодетермінантних наближень, тому механізм реакції необхідно детально вивчити з використанням багатодетермінантних, а також необмежених за спіном однодетермінантних наближень.

2. Теоретичне дослідження механізмів трансформації оксиранів в основному відноситься до дослідження реакцій епоксидних похідних моно- і дизаміщених ациклічних олефінів. Оскільки введення аліциклічного фрагменту може значно впливати на реакційну здатність епоксидного циклу, а також враховуючи широкий спектр практичного застосування аліциклічних епоксидів, актуальним є систематичний аналіз впливу структури аліциклічного фрагменту на реакційну здатність, а також хемо-, регіо- і стереоселективність трансформації епоксициклоалканів і спіро-епоксидів у лужному й кислому середовищах за допомогою квантово-хімічних методів.

3. При дослідженні впливу розчинника на механізм трансформації епоксидних сполук зазвичай використовується макроскопічне наближення, що дозволяє отримати надійні результати для реакцій, у яких спостерігається лише неспецифічна сольватація. Оскільки трансформація епоксидних сполук в основному проходить у полярних протонних розчинниках, здатних до специфічної сольватації реагентів, механізми цих перетворень необхідно додатково досліджувати в супермолекулярному наближенні.

4. У літературі практично відсутні роботи, спрямовані на розвиток систематичних підходів до квантово-хімічного дослідження спектральних параметрів епоксидних сполук. Вивчення магнітно-анізотропного впливу епоксидного циклу на магнітне екранування ядер і розробка ефективної схеми розрахунку параметрів спектрів ЯМР на наш погляд дозволить значно полегшити вирішення такої важливої задачі органічної хімії, як ідентифікація сполук шляхом прямого порівняння експериментального спектра з розрахованими спектрами можливих сполук-кандидатів.

РОЗДІЛ 2. Квантово-хімічне дослідження механізму реакції епоксидування олефінів пероксикислотами

У даному розділі наведено результати дослідження механізму реакції епоксидування олефінів пероксикислотами. Для реакцій пероксимурашиної кислоти з етиленом і циклопропеном проведений повний аналіз ППЕ, який включає локалізацію всіх критичних точок і розрахунок внутрішньої координати реакції (ВКР), а також вивчено можливість різних квантово-хімічних наближень при дослідженні механізму епоксидування. Обрані для повного аналізу ППЕ об'єкти реакції дозволили нам досліджувати як механізм типової реакції епоксидування, так і реакції пероксикислот з олефінами ряду циклопропену, які приводять до утворення спряжених ациклічних карбонільних сполук.

Підрозділ 2.1 присвячений детальному аналізу ППЕ реакції пероксимурашиної кислоти з етиленом за допомогою методу багатоконфігураційної взаємодії (CASSCF) і необмежених за спіном методів зв'язаних кластерів і квадратичної конфігураційної взаємодії (UCCSD, UQCISD). Встановлено, що реакція протікає за двостадійним бірадикальним механізмом.

Швидкість реакції визначає перша стадія, на якій відбувається розрив зв'язку О1-О2 у молекулі пероксикислоти й утворення одного зв'язку епоксидного циклу С1-О1 (ПС 2.1). Аналіз хвильової функції несиметричного бірадикального перехідного стану цієї стадії показав значний внесок нединамічної кореляції, що свідчить про некоректність проведених раніше досліджень механізму реакції епоксидування олефінів пероксикислотами з використанням обмежених за спіном варіантів однодетермінантних наближень. На другій стадії реакції відбувається перенос протону до атома Оксигену карбонільної групи пероксикислоти й утворення другого зв'язку С-О епоксидного циклу. Локалізований у наближенні UBHandHLYP/6-31G(d) перехідний стан (2.1) має структуру й характер хвильової функції, близькі до аналогічних параметрів, отриманих у наближеннях UCCSD/6-31G(d) і UQCISD/6-31G(d) (табл. 2.1). Встановлено, що для точного розрахунку величин енергії активації необхідно використовувати методи багатоконфігураційного самоузгодженого поля. Величини кінетичних ізотопних ефектів, розраховані в наближеннях CASSCF(10,10)/6-31G(d) і UQCISD/6-31G(d), знаходяться у відповідності до експериментальних даних.

Альтернативним наближенням, що не вимагає настільки великих витрат машинного часу, може виступати необмежений за спіном варіант функціоналу BHandHLYP, використання якого після спін-корекції енергії дозволяє отримати близькі до методу MCQDPT2 величини активаційних бар'єрів реакції взаємодії олефінів з пероксикислотами (табл. 2.2).

Таблиця 2.1 Геометричні параметри перехідного стану (2.1) реакції етилену з пероксимурашиною кислотою (A, град.)

У підрозділі 2.2 вивчено механізми трансформації епоксициклопропану і взаємодії циклопропену з пероксимурашиною кислотою. Епоксициклопропан (2.2) та його похідні розглядалися як інтермедіати у різних реакціях. Однак, незважаючи на велику кількість спроб, дані про виділення або хоча б спектральне визначення епоксициклопропанів і дотепер у літературі відсутні. Квантово-хімічне дослідження ППЕ трансформації епоксиду (2.2) в акролеїн (2.3) методами UMP2, UQCISD і CASSCF з використанням набору базисних функцій 6-31G(d) показало наявність двох шляхів реакції (рис. 2.1). Перший відповідає асинхронній узгодженій трансформації з попереднім розривом зв'язку С2-О епоксидного циклу в бірадикальному перехідному стані (2.4). Другий шлях включає двостадійне перетворення з розривом на першій стадії реакції зв'язку С1-С3 й утворенням бірадикального інтермедіату (2.6), що трансформується в акролеїн (2.3) через перехідний стан (2.7) з низьким активаційним бар'єром. Порівняння величин активаційних бар'єрів узгодженого й неузгодженого механізмів свідчить на користь реалізації першого шляху реакції.

Слід зазначити, що і цей шлях характеризується досить високим значенням енергії активації що дозволяє зробити висновок про термодинамічну стабільність епоксициклопропану (2.2).

Таблиця 2.2 Значення енергії активації стадії переносу оксигену в реакції етилену з пероксимурашиною кислотою, кДж/моль

Рис. 2.1 Схема фрагментації епоксициклопропану (2.2) в акролеїн (2.3) і величини відповідних активаційних бар'єрів (кДж/моль), розраховані в наближенні UQCISD(T)/6-311++G(d,p)//UQCISD/6-31G(d)

Аналіз ППЕ реакції циклопропену з пероксимурашиною кислотою, виконаний у наближеннях CASSCF(10,10)/6-31G(d), UQCISD/6-31G(d), UMP4/6-31G(d) і UBHandHLYP/6-31G(d), свідчить про відсутність симетричного перехідного стану, який відповідає узгодженому механізму реакції, що збігається з отриманими нами результатами дослідження реакції епоксидування етилену.

Отримані результати свідчать про двостадійність цього процесу (рис. 2.2). Перша стадія реакції (перенос атома Оксигену) протікає через несиметричний перехідний стан (2.9). Розрахунок методом ВКР показав, що перехідний стан (2.9) зв'язує між собою два мінімуми, які відповідають вихідному міжмолекулярному комплексу (2.8) й інтермедіату (2.10), тобто на першій стадії реакції відбувається розрив зв'язку O1-O2 й утворення одного нового зв'язку (C1-O2). Перехідний стан другої стадії реакції (2.11) характеризується значним зменшенням відстані H…O3, незначним збільшенням довжин зв'язків O1-H і C1-C3 і зменшенням зв'язків C1-C2 і C2-C3 порівняно з інтермедіатом (2.10). Вектор, який відповідає уявному коливанню перехідного стану (2.11), свідчить про те, що перенос протона на цій стадії супроводжується розкриттям циклопропанового кільця (розривом зв'язку C1-C3), а не замиканням епоксидного циклу з утворенням зв'язку C2-O1. Оптимізація геометрії уздовж цього перехідного вектора приводить до утворення міжмолекулярного комплексу (2.12).

Аналіз заселеності натуральних орбіталей, а також значень оператора спінового ангулярного моменту і спінової густини на атомах структур, котрі відповідають стаціонарним точкам (2.8 - 2.12), свідчить про те, що передреакційний комплекс (2.8) і міжмолекулярний комплекс (2.12) характеризуються однодетермінантною хвильовою функцією із закритою електронною оболонкою. Перехідні стани (2.9, 2.11) й інтермедіат (2.10), навпаки, мають відкриту електронну оболонку і багатоконфігураційний характер хвильової функції.

Рис. 2.2 Схема реакції циклопропену з пероксимурашиною кислотою й величини відповідних активаційних бар'єрів (кДж/моль), розраховані в наближенні MCQDPT2(12,12)/6-31G(d)//CASSCF(10,10)/6-31G(d)

Таким чином, детальний аналіз ППЕ взаємодії циклопропену з пероксимурашиною кислотою показав, що в даній реакції, на відміну від традиційних реакцій епоксидування, не відбувається утворення епоксидної сполуки, чим і пояснюється відсутність фактів виділення або спектрального визначення в ході реакції епоксициклопропану чи його похідних.

У підрозділі 2.3 проаналізовано зміну різних видів напруження, що виникає в ході реакції епоксидування олефінів (2.13 - 2.19), а також вивчено ППЕ відповідних реакцій з використанням наближення UBHandHLYP/6-31G(d). Відповідно до розрахунку, реакційна здатність олефінів збільшується в ряду 2.14 < 2.13 < 2.17 < 2.15< 2.16< 2.19 < 2.18, який узгоджується з експериментально встановленим рядом. Розраховані перехідні стани є несиметричними структурами з бірадикальним характером хвильової функції.

Наявність кореляції між енергією ВЗМО і величинами активаційних бар'єрів (G) (ЕВЗМО = _6.96640.0747 - 0.00730.0001G, R=0.9599, SD=0.0368, N=7) підтверджує що в ході реакції відбувається взаємодія між ВЗМО олефіну і НВМО пероксикислоти. Порівняння реакційної здатності олефінів (2.13 - 2.19) з енергією напруження молекул (Ен), розрахованою методом молекулярної механіки ММХ, показало відсутність кореляції для всього ряду сполук. У зв'язку з цим був проведений детальний аналіз зміни енергії напруження (Ен) при трансформації олефінів у відповідні епоксиди. Між величинами G, розрахованими в наближенні UBHandHLYP/6-31G(d) і зміною Ен спостерігається задовільна в кількісному плані кореляція (G = 85.012.52 + 0.790.13Ен, R=0.9416, SD=5.81, N=7). Як можна було очікувати, кореляція між G та окремими складовими сумарної стеричної енергії відсутня, що свідчить про складний характер впливу напруженості циклоолефінів на їх реакційну здатність.

Підрозділ 2.4 включає обговорення результатів квантово-хімічного дослідження стерео- та регіохімічних особливостей епоксидування олефінів аліциклічного ряду. Аналіз структури перехідних станів, локалізованих на ППЕ реакцій пероксимурашиної кислоти з норборненом (2.20) і його син-7-заміщеними похідними (2.21 - 2.23), дозволив виявити вирішальний вплив характеру замісника на стереохімічний результат реакції (рис. 2.3). Введення в сьоме положення метильної групи чи атома Хлору призводить внаслідок Ван-дер-Ваальсової взаємодії між атомами замісника й атомом Гідрогену пероксикислоти до значного підвищення величини активаційного бар'єру екзо-атаки пероксикислоти в порівнянні з епоксидуванням незаміщеного норборнену, у результаті чого змінюється стереохімія реакції й утворюється переважно син-7-метил- і син-7-хлор-ендо-епоксинорборнан. Значна стабілізуюча взаємодія за рахунок утворення водневих зв'язків між атомами гідроксильної групи в перехідних станах у випадку спирту (2.23) призводить до того, що екзо-підхід пероксидислоти є значно вигіднішим порівняно з реакцією утворення ендо-епоксиду.

Аналіз ППЕ реакції пероксиоцтової кислоти з дициклопентадієном (2.24) і 2-метиленбіцикло[2.2.1]гептаном (2.26) свідчить, що основний внесок, який визначає природу екзо-селективності реакції епоксидування, робить деформація жорсткого каркасного фрагмента циклоалкенів.

Порівняння величин активаційних бар'єрів, розрахованих у наближенні UBHandHLYP/6-31G(d) для реакцій пероксиоцтової кислоти з заміщеними циклогексенами (2.29 - 2.31), свідчить про збільшення реакційної здатності циклоалкенів у ряду 2.29>2.31>2.30. У випадку циклоалкенів (2.29, 2.31) реакції утворення цис- і транс-епоксидів характеризуються близькими значеннями розрахованих активаційних бар'єрів, епоксидування 1-карбметоксициклогекс-3-єну (2.30) приводить до співвідношення цис- і транс-епоксидів, яке дорівнює 30:70 й добре узгоджується зі встановленою експериментально транс-стереоселективністю цієї реакції.

РОЗДІЛ 3. Вплив характеру середовища на механізми розкриття епоксидного циклу

У цьому розділі наведені результати дослідження впливу характеру середовища на механізм реакції метанолізу оксиранів, а також регіохімічні особливості метанолізу епоксициклоалканів і зв'язок напруженості епоксидів з їх реакційною здатністю. Особлива увага приділена побудові супермолекулярної моделі, яка дозволяє коректно враховувати вплив сольватаційних ефектів, а також вивченню реакційної здатності широкого ряду аліциклічних епоксидів.

Перехідний стан реакції оксирану з метокси-аніоном у газовій фазі (3.1) відповідає трансоїдному розкриттю епоксидного циклу за SN2-подібним механізмом. Хвильова функція структури (3.1) синглетно- і триплетно-стабільна, що дає можливість вважати коректним використання однодетермінантних методів (підрозділ 3.1). Геометричні параметри (ПС 3.1) та величини активаційного бар'єру реакції, розраховані в наближенні B3LYP/6-31+G(d), знаходяться у відповідності до аналогічних параметрів, розрахованих з використанням методів МР2 і QCISD (рис. 3.1). Напівемпіричний метод РМ3 суттєво завищує величину G порівняно з неемпіричними методами, однак всі названі методи дозволяють одержати близькі величини геометричних параметрів (ПС 3.1).

Рис. 3.1 Структура перехідних станів (3.1, 3.2) (A, град.), розрахованих у наближеннях B3LYP/6-31+G(d), MP2/6-31+G(d) (значення наведені в круглих дужках), QCISD/6-31+G(d) (у квадратних дужках) і РМ3 (значення підкреслені), а також величини відповідних активаційних бар'єрів (кДж/моль)

Аналіз сольватаційних ефектів, що виявляються в ході реакції лужного метанолізу оксирану в метанолі з використанням супермолекулярного наближення, показав, що перша сольватна оболонка перехідного стану реакції метокси-аніону з оксираном повинна включати чотири молекули метанолу, три з яких зв'язані з метокси-аніоном і одна - з атомом Оксигену епоксидного циклу. Додаткове врахування поляризуючого впливу метанолу в макроскопічному наближенні за методикою COSMO приводить до незначного зниження енергії активації (рис. 3.1).

З метою одержання нових даних про причину аномального ?-розкриття епоксидного циклу в молекулах алкілсилілоксиранів нами проведене квантово-хімічне дослідження механізму лужного метанолізу триметилсилілоксирану (3.3) (підрозділ 3.2). Для вивчення співвідношення між стеричним і стереоелектронним факторами у визначенні напрямку перебігу реакції було розглянуто також регіохімію лужного метанолізу трет-бутилоксирану (3.4), молекула якого включає замісник, близький за об'ємом до триметилсилільної групи. Розраховані значення енергії активації (табл. 3.1) відповідають експериментально встановленій регіохімії розкриття епоксидного циклу.

Таблиця 3.1 Значення енергії активації реакцій лужного метанолізу епоксидів (3.3, 3.4), розраховані в наближенні B3LYP/6-31+G* (кДж/моль)

Аналіз методом NBO свідчить, що у випадку перехідного стану ?-розкриття триметилсилілоксирану (3.5) неподілені пари електронів атома О2 взаємодіють з орбіталями *(Si-C), що приводить до значної (на 47.45 кДж/моль) стабілізації перехідного стану. У випадку інших перехідних станів така взаємодія орбіталей відсутня. Слід зазначити, що ?-ефект триметилсилільної групи, розрахований як різниця енергій активації для епоксидів (3.3, 3.4), знаходиться у відповідності до величини, отриманої нами в результаті NBO аналізу перехідних станів.

Підрозділ 3.3 присвячений дослідженню зв'язку структури і напруженості оксиранів (3.6 -3.13) з розподілом густини електронів у молекулах та їх реакційною здатністю. Показано, що збільшення енергії напруження епоксидів приводить до росту значень ЕНВМО. У випадку епоксидів (3.7-3.9, 3.12) значення ЕНВМО знаходяться у відповідності до даних кінетичних досліджень, але результати розрахунку ЕНВМО не відбивають деяких особливостей реакцій метанолізу окису гексену-1 (3.13) і стереоізомерних епоксинорборнанів (3.10, 3.11). Ці особливості, очевидно, пов'язані зі значним внеском стеричного фактору в протікання реакції, тому для коректного опису хімічної поведінки оксиранів необхідно проводити детальне дослідження механізму реакції, що включає локалізацію перехідних станів, а також моделювання умов реакції, зокрема, внеску розчинника в перебіг процесу.

Величини ?G, розраховані в наближеннях B3LYP/6-31+G(d) і PM3 для реакцій у газовій фазі, знаходяться у відповідності до енергії напруження і визначеними раніше [Л.І.Кас'ян, 1984] величинами логарифмів констант швидкостей лужного метанолізу епоксидів (3.7 - 3.9, 3.12). Незважаючи на кореляцію розрахованих величин енергії активації з логарифмами відносних констант швидкостей відповідних реакцій, абсолютні величини ?G, розраховані для реакції в газовій фазі, істотно занижені в наближенні B3LYP/6-31+G(d) і завищені в розрахунках методом РМ3, про що свідчить порівняння розрахованих величин констант швидкостей лужного метанолізу епоксициклогексану з експериментальною величиною [2.90 10-7 л/(мольс)]. Урахування специфічної сольватації за допомогою запропонованої нами моделі (рис. 3.2) дозволяє покращити кореляцію розрахованих величин ?G з логарифмами констант швидкостей, розрахована при цьому в наближенні B3LYP/6-31+G(d) величина константи швидкості знаходиться у відповідності до експериментальних значень (табл. 3.2). Використання супермолекулярного наближення дозволяє зробити правильні передбачення про реакційну здатність стереоізомерних епоксинорборнанів (3.10, 3.11). Активаційний бар'єр реакції ендо-епоксиду (3.10) нижчий порівняно з екзо-ізомером (3.11) на 36.78 і 12.34 кДж/моль у наближеннях B3LYP/6-31+G(d) і РМ3 відповідно. Вирішальну роль у визначенні реакційної здатності епоксинорборнанів відіграє, ймовірно, стеричний фактор, який може бути адекватно описаний за допомогою супермолекулярного наближення, оскільки задані в явному вигляді молекули розчинника моделюють реальний об'єм сольватованого метокси-аніону.

Рис. 3.2 Структура перехідних станів реакції метанолізу епоксинорборнанів (3.10, 3.11), розрахованих у супермолекулярному наближенні, а також величини відповідних активаційних бар'єрів (кДж/моль)

Таблиця 3.2 Величини констант абсолютних швидкостей реакції лужного метанолізу епоксициклогексану (3.8), л/(мольс) і параметри рівняння лінійної регресії lnkвідн = а ?G + b

Теоретичне дослідження альтернативних шляхів модельної реакції лужного метанолізу епоксициклогексану в газовій фазі (підрозділ 3.4) показало перевагу транс-диаксіальної атаки метокси-аніону по атому С1, що передбачає м'який конформаційний перехід напівкрісельної конформації епоксиду в конформацію крісла продукту реакції. Несприятлива атака по альтернативному центру С2 приводить до енергетично менш вигідної асиметричної конформації човна (рис. 3.3).

Рис. 3.3 Схема альтернативних шляхів лужного метанолізу епоксициклогексану і величини активаційних бар'єрів (кДж/моль)

Значення G реакцій лужного метанолізу епоксидів (3.14 - 3.16), розраховані методом РМ3 у супермолекулярному наближенні, узгоджуються зі встановленою експериментально регіоспецифічністю дослідженої реакції. Відповідність різниці теплот утворення первинних продуктів атаки метанолу по обох атомах Карбону епоксидного циклу для конформерів з екваторіальним розташуванням замісника з величинами G свідчить про вирішальний внесок конформаціного фактора при визначенні регіохімії розкриття епоксидного циклу в цьому ряді.

Дослідження хемоселективності, та стерео- і регіохімічних особливостей метанолізу диепоксиду (2.25) (підрозділ 3.5) підтверджують переважне регіо- і стереоселективне перетворення диепоксиду по епоксициклопентановому фрагменту, що визначається в основному стеричною перевагою атаки нуклеофілу по найбільш віддаленому від біциклічного фрагмента атома Карбону епоксидного циклу. Порівняння розрахованих величин G реакції метанолізу диепоксиду (2.25) з аналогічними параметрами для епоксициклопентану й екзо-епоксинорборнану свідчить про те, що об'єднання двох епоксициклоалканових фрагментів у молекулі диепоксиду призводить до більш ефективного екранування ендо-області трициклічного каркаса.

Підрозділ 3.6 присвячений дослідженню зв'язку напруженості оксиранів (2.27, 2.28, 3.17 - 3.22) з електронною будовою і реакційною здатністю, вивченню механізму метанолізу епоксидного циклу в газовій фазі й у розчині. Відповідно до розрахунку (метод РМ3) епоксиди (2.27, 2.28, 3.17 - 3.22) характеризуються практично однаковими величинами порядків зв'язків С-О і зарядів на атомах Карбону епоксидного циклу. З цього можна зробити висновок про те, що електронний фактор для даного ряду епоксидів, так само як і епоксициклоалканів, не є визначальним у реакційній здатності спірооксиранів. Розходження у швидкості лужного метанолізу спіроепоксидів і регіохімія реакції на наш погляд пов'язані зі значним внеском стеричного фактора у ході реакції.

Співставлення величин активаційних бар'єрів реакції лужного метанолізу спірооксиранів (2.27, 2.28, 3.17 - 3.22) у газовій фазі з логарифмами експериментальних значень констант швидкостей [Л.І.Кас'ян, 1988] не виявило кореляції цих величин, що на нашу думку пов'язано з недооцінкою стеричного фактора, роль якого значно підвищується в ході реакції епоксидів із сольватованим метокси-аніоном. Відповідно до розрахунку в супермолекулярному наближенні, у ряді конформаційно рухливих спірооксиранів (3.19 - 3.21) більшою реакційною здатністю характеризуються конформери з псевдоекваторіальним розташуванням метиленової групи (конформери А). Різниця величин активаційних бар'єрів лужного метанолізу конформерів (3.19А, 3.19В), розрахована методом РМ3 (10.00 кДж/моль) знаходиться у відповідності до аналогічного параметра, розрахованого у наближенні B3LYP/6-31+G(d) (7.41 кДж/моль), що підтверджує коректність використання методу РМ3 при дослідженні даної реакції. При цьому для епоксидів (2.27, 2.28, 3.17, 3.18 3.20) спостерігається задовільна кореляція розрахованих у супермолекулярному наближенні методом РМ3 значень ?Н і логарифмів експериментальних величин kвідн

lnkвідн = -16.864.64 ?Н + 163.947.52, r=0.903, n=5.

На сьогодні накопичено великий експериментальний матеріал, який свідчить про значне підвищення реакційної здатності епоксидних сполук у присутності електрофільних каталізаторів. Поряд зі збільшенням швидкості реакцій, у ряді випадків активація епоксидного циклу призводить до зміни стерео- і регіохіміїпроцесів та утворення продуктів перегрупувань оксиранів (карбонільних сполук і алілових спиртів). Для одержання нових даних про механізми трансформації епоксидних сполук у кислому середовищі нами проведено квантово-хімічне дослідження ППЕ кислотного метанолізу епоксициклогексану (3.8), епоксиметиленциклогексану (3.20) і стереоізомерних епоксинорборнанів (3.10, 3.11) (підрозділ 3.7). Розрахунок проводили в наближенні B3LYP/6-31+G(d) для системи “протонований епоксид - метанол”.

Обраний ряд епоксидів дозволив вивчити всю гаму перетворень оксиранів у кислому середовищі завдяки реалізації різних шляхів трансформації сполук. У випадку епоксициклогексану (3.8) розкриття оксиранового циклу за SN2 механізмом, що перебігає через перехідний стан (3.23), характеризується значно меншою величиною G в порівнянні з альтернативним напрямком реакції за SN1-механізмом (перехідний стан 3.24), що узгоджується із експериментально встановленим фактом відсутності карбонільних сполук і алілових спиртів як продуктів реакції.

Порівняння величин G кислотного метанолізу епоксиметиленциклогексану (3.19), що перебігає по первинному і третинному атомах Карбону (перехідні стани 3.25, 3.26), свідчить про перевагу розкриття епоксидного циклу в цій сполуці всупереч правилу Красуського. Мономолекулярне розкриття епоксидного циклу, що протікає через перехідний стан (3.27) з утворенням третинного карбкатіону, характеризується невисоким значенням енергії активації (32.01 кДж/моль). Серед можливих напрямків трансформації останнього найбільш енергетично вигідним є гідридний зсув (перехідний стан 3.28), у результаті якого утворюється алільний спирт (1-гідроксиметилциклогексен).