WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

ЦИВОВ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ 2,1-БЕНЗИЗОКСАЗОЛОВ В УСЛОВИЯХ РЕАКЦИИ НУКЛЕОФИЛЬНОГО АРОМАТИЧЕСКОГО ЗАМЕЩЕНИЯ ВОДОРОДА

02.00.03 – органическая химия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук

Москва - 2012

Работа выполнена на кафедре органической и биологической химии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова»

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:
доктор химических наук, профессор
Орлов Владимир Юрьевич

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой органической и биологической химии ФГБОУ ВПО «Тульский государственный педагогический университет имени Л.Н.Толстого»
Атрощенко Юрий Михайлович

доктор химических наук, профессор, профессор кафедры органической химии ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный технический университет»

Плахтинский Владимир Владимирович

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановский государственный университет»

Защита диссертации состоится «__29__» мая 2012 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.139.01 при Московском государственном текстильном университете имени А.Н. Косыгина по адресу: 119071, Москва, ул. Малая Калужская, д. 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования  «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина»

Автореферат разослан « 26 » апреля 2012 года

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.х.н.                                                                                Алексанян К.Г.

ОБЩАЯ  ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Реакции ароматического нуклеофильного замещения водорода являются одним из эффективных методов функционализации и периферийной модификации электронодефицитных аренов. Изучение закономерностей и особенностей механизмов таких реакций является ключом к управлению процессами органического синтеза, лежащими в основе производства органических реагентов многоцелевого назначения: мономеров, красителей, биологически активных веществ и других практически ценных соединений.

В качестве объекта исследования нами выбрано взаимодействие нитроаренов с карбанионами арилацетонитрилов, при котором реализуется нуклеофильное замещение атома водорода в нитросоединениях. Это приводит к образованию широкого ряда продуктов от хиноноксимов до гетероциклов. Примером последних служат 2,1-бензизоксазолы, получаемые при взаимодействии пара-замещенных нитроаренов с арилацетонитрилами и являющееся весьма перспективными полупродуктами многоцелевого назначения. Возможно использование 2,1-бензизоксазолов и их производных соединений в качестве биологически активных веществ, например лекарственных противораковых препаратов, биохимических клеточных рецепторов, активных компонентов при производстве биоиндикаторов.

На сегодняшний день сформировался значительный массив экспериментальных данных по особенностям протекания указанного типа реакций SNArH, однако к текущему моменту их систематизация и интерпретация является недостаточной, что делает невозможным построение полной модели, описывающей закономерности и механизм исследуемого процесса формирования 2,1-бензизоксазолов. Полная информация о механизме процесса, отсутствующая сегодня, должна включать достоверные данные о последовательности стадий реакции, природе лимитирующей стадии исследуемого процесса, электронных, энергетических и геометрических параметрах исходных и конечных структур и переходных состояний. Выявление указанных характеристик, за редким исключением, не поддается прямому экспериментальному определению, и требует комбинированных подходов с привлечением экспериментальных данных и теоретических методов, в частности, квантово-химического моделирования. Полученные при этом результаты позволят сделать заключение о ключевых стадиях процесса и превратить его в высокоэффективный инструмент органического синтеза.

Настоящая работа выполнена в соответствии с программами «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, по направлению «Органическая и элементоорганическая химия. Аналитическая химия органических соединений» по темам «Синтетические возможности функционализации молекулярных карбо-, гетероароматических систем и углеродных наноструктур в жидкой и твердой фазах» ГК № П841, «Квантово-химическое и экспериментальное исследование реакционной способности карбанионов и сигма-комплексов в условиях реакции нуклеофильного замещения водорода в нитроароматических системах» ГК № 14.740.11.1185.

Цель и задачи работы. На основе систематизации экспериментальных и теоретических данных, разработки и верификации модели изучаемого процесса, сделать заключение по особенностям механизма процесса формирования 2,1-бензизоксазолов в реакциях нуклеофильного замещения водорода в нитроароматических системах с учетом влияния параметров среды.

Для ее достижения в работе решались следующие задачи:

  1. Получить набор экспериментальных данных о закономерностях взаимодействия нитроаренов в арилацетонитрилами;
  2. Систематизировать и обобщить экспериментальные данные по основным закономерностям варианта процесса ароматического нуклеофильного замещения водорода (реакций SNArH) - взаимодействия пара-замещенных нитроароматических соединений и арилацетонитрилов;
  3. Построить на основе теоретических и экспериментальных данных модель процесса формирования 2,1-бензизоксазолов как ароматического нуклеофильного замещения водорода в пара-замещенных нитроаренах карбанионами арилацетонитрилов;
  4. Провести квантово-химическое моделирование лимитирующей стадии процесса с целью определения параметров субстрата, реагента, переходных и конечных состояний, закономерностей и природы превращений.
  5. На основе интерпретации экспериментальных данных и данных квантово-химического моделирования определить последовательность стадий реакции, сделать заключение о природе лимитирующей стадии процесса;
  6. Сформулировать рекомендации для синтетических приложений реализации процесса.

Научная новизна. Получены оригинальные данные о закономерностях взаимодействия пара-замещенных нитроаренов с арилацетонитрилами.

Синтезирован ряд гетероароматических соединений - 2,1-бензизоксазолов, в процессах взаимодействия пара-замещенных нитробензолов с арилацетонитрилами.

Впервые проведен систематический анализ имеющихся экспериментальных и квантово-химических данных по закономерностям реакций нуклеофильного замещения водорода в нитроароматических системах, и сделано заключение об особенностях механизма и природе лимитирующей стадии исследуемых процессов.

Проведенное моделирование структур субстрата, реагента и переходных состояний позволило определить энергетические характеристики для всех стадий исследуемого процесса.

С использованием методов квантовой химии осуществлен комплексный анализ реакций ароматического нуклеофильного замещения водорода на примере реакции взаимодействия пара-замещенных нитроаренов с карбанионами арилацетонитрилов, впервые предложена полная модель исследуемого процесса.

На основании полученных расчетных данных, а также на основе выявленной связи между результатами квантово-химического моделирования и экспериментальными синтетическими и кинетическими данными было сделано заключение о природе ключевой (лимитирующей) стадии исследуемого процесса – формировании гетероцикла. Была выполнена процедура верификации, подтвердившая правильность выбранной расчетной модели.

Предложены рекомендации для синтетической реализации процесса.

Практическая значимость. Получен ряд практически ценных гетероароматических соединений. Полученные данные необходимы для повышения предсказуемости управления процессами ароматического нуклеофильного замещения водорода. Приведенные результаты являются базисом эффективных методик получения широкого ряда практически ценных полифункциональных органических веществ, и позволяют расширить области применения процесса.

Положения, выносимые на защиту.

- закономерности и механизм процесса образования 2,1-бензизоксазольных циклов в реакциях нуклеофильного ароматического замещения водорода.

- природа ключевой стадии исследуемого процесса.

- структурные, энергетические и электронные параметры 2,1-бензизоксазо-лов, интермедиатов, переходных состояний, соотношение энергетических барьеров стадий процесса.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены на следующих конференциях: IV и V школа-семинар молодых ученых «Квантово-химические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул» (Иваново, 2009 и 2011), Всероссийская научно-практическая конференция «Принципы зеленой химии и органический синтез» (Ярославль, 2009), 63 и 64 региональные научно-технические конференции студентов, магистрантов и аспирантов ВУЗов (Ярославль, 2010 и 2011), III Международная конференция "Химия гетероциклических соединений" (Москва 2010), Всероссийская научная конференция «Успехи синтеза и комплексообразования» (Москва 2010), ХIV Молодежная конференция по органической химии (Екатеринбург, 2011), научная конференция «Current Topics in Organic Chemistry» (Новосибирск, 2011).

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в четырех статьях в рецензируемых журналах (в том числе 3-х, в журналах рекомендованных ВАК), в 5 материалах докладов и 4 тезисах докладов на конференциях и симпозиумах различных уровней.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, химической и экспериментальной частей, выводов и списка использованной литературы. Работа изложена на 131 странице и содержит 37 схем, 42 рисунка, 19 таблиц, список литературы, включающий 132 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Синтез 2,1-бензизоксазолов из нитросоединений, содержащих различные заместители в пара-положении.

Одним из наиболее перспективных и современных методов синтеза 2,1-бензизоксазолов из пара-замещенных нитроаренов является нуклеофильное замещение водорода карбанионами арилацетонитрилов в спиртовой среде в присутствии щелочей. В настоящем разделе внимание уделено исследованию влияния структуры субстрата и реагента на протекание процесса. Реакция протекает в одноатомных алифатических спиртах в присутствии избытка гидроксида натрия. Установлено, что для осуществления целевой реакции основание необходимо брать как минимум в двукратном избытке, в противном случае преобладают побочные реакции (замещение галогенов и других нуклеофугов, гидролиза цианогруппы и др.).

Согласно данным литературных источников, образование 2,1-бензизоксазолов происходит только из пара-замещенных нитробензолов (Схема 1). При взаимодействии нитробензола, орто- и мета-замещенных нитробензолов с фенилацетонитрилом образуются соединения хиноидной структуры (результат атаки карбаниона в пара-положение к нитрогруппе).

Результаты проведенных синтетических исследований по взаимодействию нитроаренов с арилацетонитрилами в пропаноле-2 в присутствии избытка гидроксида натрия представлены в таблице 1.

               1-12                        13-22                                 23-52

Схема 1.

где X = Cl (1, 23-32), Br (2, 33-35), (3, 36), (4, 37), (5, 38-41), (6, 42), СООН (7, 43,44), (8, 45), CONH2 (9, 46), (10, 47), (11, 48,49), (12, 50).

Ar = Ph (13,23,33,36-38,42,43,45-48,50), 3-Cl-C6H4 (14, 24), 4-Cl-C6H4 (15,25,34,39,44,49),  4-CH3-C6H4 (16, 26), 3-CF3-C6H4 (17, 27), 2-CH3O-C6H4 (18, 28), 4-CH3O-C6H4 (19,29, 40), 3,4-(CH3O)2-C6H3 (20, 30, 41), (21, 31), (22, 32).

Для пара-замещенных нитробензолов характер протекания реакции в значительной степени определяется природой заместителя. Наиболее легко в реакцию вступают пара-хлор-, пара-бромнитробензолы. Несмотря на то, что галогены являются хорошо уходящими группами в реакциях SNAr, в реализованных условиях их замещение их не наблюдается.

Установлено, что введение в пара-положение к нитрогруппе в бензольное кольцо сильных электроноакцепторных групп X = CN, CHO, COCH3, COOCH3, COPh, COOPh, SO2Ph приводит к созданию дополнительных реакционных центров и протеканию побочных процессов (замещение нитрогруппы, нуклеофильное присоединение по карбонильной группе, гидролиз).

Таблица 1. Условия проведения реакции 4-Х-нитробензолов с арилацетонитрилами, выходы 2,1-бензизоксазолов (растворитель: пропанол-2, [нитросоединение] : [арилацетонитрил] : [NaOH] = 1:1.5:6)

4-XC6H4NO2

X

ArCH2CN

Ar

Конеч-ный продукт

Выход

антранила, %

Условия реакции Т, оС/

время, ч

1

2

3

4

5

6

7

1

Cl

13

Ph

23

96.2

20/4

1

Cl

14

3-ClC6H4

24

55.3

20/6

1

Cl

15

4-ClC6H4

25

90.5

20/4

1

Cl

16

4- CH3C6H4

26

68.8

20/10

1

Cl

17

3-CF3C6H4

27

37.2

20/10

1

Cl

18

2- CH3O-C6H4

28

21.1

20/6

1

Cl

19

4- CH3O-C6H4

29

75.1

20/6

1

Cl

20

3,4-(CH3O)2-C6H3

30

73.5

20/6

1

Cl

21

31

32.4

20/6

1

Cl

22

32

56.9

20/6

2

Br

13

Ph

33

91.1

20/4

2

Br

15

4-ClC6H4

34

87.3

20/4

Таблица 1. (продолжение)

1

2

3

4

5

6

7

2

Br

19

4- CH3O-C6H4

35

39.1

20/10

3

Ph

13

Ph

36

39.1

60/20

4

PhO

13

Ph

37

40.2

60/20

5

13

Ph

38

90.5

20/4

5

15

4-ClC6H4

39

88.1

20/4

5

19

4- CH3O-C6H4

40

63.4

20/10

5

20

3,4-(CH3O)2-C6H3

41

67.1

20/20

6

13

Ph

42

87.6

20/4

7

COOH

13

Ph

43

65.6

20/10

7

COOH

15

4-ClC6H4

44

57.3

20/10

8

13

Ph

45

67.6

20/10

9

CONH2

13

Ph

46

55.5

20/6

10

13

Ph

47

52.7

60/20

11

13

Ph

48

53.1

60/20

11

15

4-ClC6H4

49

44.1

60/20

12

13

Ph

50

48.1

60/20

Структура арилацетонитрилов также существенно влияет на направление протекания процесса. Наличие заместителя в орто-положении бензольного кольца в структуре арилацетонитрила также в значительной степени снижает выход целевых антранилов. Вероятнее всего, это связано со стерическими эффектами, осложняющими образование σН-комплекса и последующую циклизацию.

Таким образом, отмечен значительный набор структурных факторов, влияющих на закономерности протекания изучаемого процесса. Формирование инструментов управления этой реакцией требует четкого понимания особенностей механизма и природы ключевой стадии процесса. Изучение указанных аспектов приведено в дальнейших разделах работы.

2. Анализ экспериментальных данных по взаимодействию пара-замещенных нитроаренов с карбанионами арилацетонитрилов.

Анализ результатов исследования процесса взаимодействия пара-замещенных нитроаренов с арилацетонитрилами, имеющихся в некоторых литературных источниках, показал, что ранее на основании интерпретации полученных данных в рамках орбитальной модели взаимодействия было сделано заключение об особенностях природы лимитирующей стадии процесса - полагалось, что лимитирующей стадии процесса соответствует стадия формирования σH-комплексов. Однако, появившиеся позднее экспериментальные данные заставили более критически подойти к представленной ранее модели процесса.

Так, при анализе литературных источников, посвященных исследованию процесса взаимодействия арилацетонитрилов с нитроаренами, не имеющими заместителя в пара-положении, был получен важный экспериментальный результат - обратимость процесса образования арилцианометилен-пара-хинонмонооксимов.

Схема 2.

Это позволило сделать предположение об обратимости стадий процесса взаимодействия арилацетонитрилов с пара-замещенными нитроаренами с участием аналогичных интермедиатов (А)–(C), за исключением последней ассоциативной стадии - циклизации и образования конечных 2,1-бензизоксазолов (Схема 2).

Также, в ходе данной работы нами было проведено исследование возможных вариантов дальнейшего превращения σH-комплексов в продукты реакции с привлечением квантово-химического моделирования. В качестве модельного процесса рассматривали взаимодействие 4-нитрохлорбензола с фенилацетонитрилом, приводящее в конечном итоге к образованию 5-хлор-3-фенил-2,1-бензизоксазола. На основании предложенной схемы дальнейших превращений были рассчитаны квантово-химические характеристики (метод РМ3) гипотетических интермедиатов, конечного продукта в этой реакции и переходных состояний для всех предполагаемых стадий процесса согласно схеме 3.

Схема 3.

Данные по энергетическим параметрам интермедиатов и переходных состояний указанного направления процесса представлены на рисунке 1.

Рис. 1. Энергетическая диаграмма процесса формирования  5-хлор-3-фенил-2,1-бензизоксазола.

В результате проведенного исследования было установлено, что для последней стадии процесса наблюдается резкое увеличение энергии переходных состояний. Это может быть связано с сильной поляризацией рассмотренных структур (отщепление неорганического аниона), которая в реальных условиях в значительной степени нивелируется сольватацией. Однако в целом, сравнение приведенных энергетических характеристик интермедиатов и переходных состояний показывает, что наиболее затрудненным для представленной цепи превращений является стадия циклизации. Следовательно, это противоречит полученным ранее данным о стадии образования σH-комплексов, как о лимитирующей стадии изучаемой реакции.

3. Теоретическая модель исследуемого процесса.

Таким образом, на основании анализа и интерпретации экспериментальных данных, данных литературных источников и исследования закономерностей протекания целевой реакции, в ходе данной работы была установлена следующая теоретическая модель изучаемого процесса (Схема 4):

На первой стадии, молекула фенилацетонитрила переходит в щелочной среде в устойчивый карбанион и далее в этом виде вступает в реакцию с нитробензолом, что приводит к образованию σН-комплекса с зарядом -1.

Вторая стадия – переход атома водорода на нитрогруппу с участием растворителя.

Схема 4.

Третья стадия – переход второго атома водорода на нитрогруппу с одновременным отщеплением воды. При этом образуется ионная форма продукта реакции, которая при взаимодействии арилацетонитрилов с пара-замещенными нитроаренами с последующей циклизацией приводит к формированию 2,1-бензизоксазолов, а при взаимодействии арилацетонитрилов с нитроаренами, не имеющими заместителя в пара-положении к нитрогруппе, приводит к образованию пара-хинонмонооксимов. Тем самым реализуется четвертая стадия, завершающаяся образованием конечных продуктов реакции. Согласно предложенной теоретической модели, эта стадия может являться ключевой (лимитирующей) стадией, ведущей к образованию конечных 2,1-бензизоксазолов.

Таким образом, установление закономерностей протекания стадии циклизации 4, как предполагаемой лимитирующей стадии всего процесса, является весьма важным для понимания процессов формирования 2,1-бензизоксазольных циклов. Один из возможных путей проверки гипотезы о природе лимитирующей стадии, и верификации предложенной теоретической модели - это использование методов квантово-химического моделирования совместно с анализом комплекса имеющихся экспериментальных данных.

4. Влияние пространственной структуры переходного интермедиата на возможность реализации процесса циклизации.

Объектом дальнейшего исследования являлся интермедиат (С), получаемый при взаимодействии фенилацетонитрила с пара-замещенными нитробензолами, и переходящий в конечный продукт - 5-X-3-фенил-2,1-бензизоксазол (D).

Проведенное моделирование возможных устойчивых конфигураций пространственного строения интермедиата (C) показало, что он может существовать в виде четырех стереоизомерных форм (С1), (С2), (С3), (С4) (рис. 2), отличающихся друг от друга расположением группы NO, и взаимным расположением цианогруппы CN и фенильного кольца.

Рис. 2. Стереоизомеры интермедиата (C)

С целью изучения процесса протекания стадии циклизации и реализации формирования 2,1-бензизоксазольного цикла, для стереоизомерных форм (С1)-(С4) проводилось моделирование отрыва цианогруппы. При этом выполнялась оптимизация геометрии и исследование зависимости энергии системы при увеличении длины связи С9-С11 от начального значения 1,4 до 3,5 с шагом 0,1 . Данное исследование выполнялось для модельного соединения (Х=1) с заместителем Cl. Профили ППЭ (поверхностей потенциальной энергии), построенные для всех четырех стереоизомеров (С1) - (С4), представлены на рис. 3.

Рис. 3. Профили ППЭ при увеличении расстояния С9-С11 для стереоизомеров (С1) - (С4). По оси Y – шкала относительных энергий Еотн, (нулевой уровень соответствует конфигурации с минимальной полной энергией).

       В результате проведенного исследования было установлено, что осуществление стадии циклизации в процессе образования 2,1-бензизоксазолов возможно только после формирования стереоизомера (С3) интермедиата (С), в пространственной структуре которого наблюдается максимальное сближение предполагаемых реакционных центров - атомов углерода С9 и кислорода О18.

5. Исследование траектории перехода системы вдоль направления «интермедиат - конечный продукт».

Далее, для исследования направления предполагаемого реакционного пути была выполнена процедура поиска внутренней координаты реакции (IRC, intrinsic reaction coordinate). При этом для структур - предполагаемых переходных состояний были рассчитаны матрицы вторых производных полной энергии по внутренним координатам (матрицы Гесса). В результате были получены значения мнимых частот, соответствующие линейным, вращательным и трансляционным колебаниям моделируемых структур. Согласно методике процедуры поиска IRC, наибольшее по модулю значение мнимой частоты соответствует внутренней координате реакции – т.е. параметру, изменение которого приводит к следованию вдоль пути реакции и переходу от начальных структур к конечным.

Схема 5.

Было показано (см. табл. 2), что наибольшие по модулю значения мнимой частоты во всех полученных гессианах (для исследованных структур с рядом заместителей Х=1-8) соответствуют изменению координаты С9О18, т.е. сближению/удалению предполагаемых реакционных центров – атомов углерода С9 и кислорода О18 (Схема 5). Это подтверждает правильность предполагаемого механизма внутримолекулярной нуклеофильной атаки, происходящей при сближении указанных реакционных центров.

Таблица 2. Наибольшие по модулю значения мнимых частот переходных состояний для структур с заместителями Х=1-8.

X

Мнимая частота, см-1

Соответствие

1

Cl

-535,01

Линейное

колебание вдоль направления С9O18

2

Br

-389,79

3

Ph

-549,37

4

PhO

-499,71

5

-537,02

6

-563,64

7

COOH

-611,39

8

-558,29

Таким образом, проведенное исследование позволило установить механизм реализации перехода системы «интермедиат - конечный продукт» от промежуточных соединений к конечным продуктам реакции, и тем самым подтвердить правильность и обоснованность выбранной модели реакции.

6. Формирование 2,1-бензизоксазольного цикла. Исследование влияния растворителя, и природы заместителя в структуре субстрата на характеристики процесса циклизации.

Согласно принятой методике расчета, для моделирования внутримолекулярной нуклеофильной атаки при формировании 2,1-бензизоксазольных циклов осуществлялось последовательное сближение реакционных центров вдоль направления внутренней координаты реакции, т.е. производилось уменьшение межатомного расстояния С9-О18 от значения 3.0 до 1.3 с шагом 0.1 . При этом были рассмотрены структуры с рядом заместителей Х=1-8.

Было установлено, что при расстояниях С9-О18 1.3-1.5 происходит предполагаемый отрыв цианогруппы C11N12 с последующим образованием 2,1-бензизоксазольного цикла (см. рис. 4).

       

                       а)                                                        б)

Рис. 4. Образование 2,1-бензизоксазольного цикла, соответствует расстоянию  С9-О18 1.3-1.5 . а) - без растворителя, б) - в присутствии 2-х молекул метанола.

Оптимизация геометрии и расчет энергетических параметров исследуемых соединений выполнялись в программе PC GAMESS v. 7.0, с использованием неэмпирического метода расчета (неограниченное приближение Хартри-Фока, UHF) и базисного набора 6-31G(d,p). Визуализация результатов расчета выполнялась с использованием программного пакета ChemCraft, version 1.6. Оптимизация геометрических параметров выбранного интермедиата (С) проводилась с учетом влияния катиона Na+ (рис. 4, атом 19), как в газовой фазе, так и с учетом влияния растворителя. Расчет с учетом влияния положительно заряженного противоиона Na+ соответствует моделированию условий протекания реакции в щелочной реакционной среде. Учет влияния растворителя с использованием 2-х молекул метанола соответствует дискретной сольватационной модели (специфическая сольватация). Согласно данным литературных источников, введение в систему более чем двух молекул растворителя не оказывает существенного влияния на геометрические параметры и электронную структуру моделируемых соединений.

Для рассматриваемых структур были получены профили ППЭ системы интермедиат - конечный продукт, соответствующие уменьшению межатомного расстояния С9-О18. Данные результаты, приведенные в шкале относительных энергий Еотн, представлены на рис. 5 – без учета растворителя, и на рис. 6 – в присутствии двух молекул метанола.

Рис. 5. Профили ППЭ в зависимости от длины связи С9-O18 без учета влияния растворителя

Рис. 6. Профили ППЭ в зависимости от длины связи С9-O18 в присутствии растворителя

Анализ полученных профилей ППЭ показывает, что для галогензамещенных соединений (Х=1,2) значения активационного барьера оказались ниже, чем для структур с заместителями ароматической и диоксолановой природы (Х=3-8), как без учета влияния растворителя (на величину ~300 кДж/моль), так и с учетом влияния растворителя (величина ~100 кДж/моль). Также установлено, что учет влияния растворителя показывает снижение значений барьеров активации в пределах 300-400 кДж/моль, т.е. введение растворителя способствует облегчению процесса циклизации, и дополнительно стабилизирует интермедиаты. Полученные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными, свидетельствующими о том, что протекание процессов формирования 2,1-бензизоксазолов возможно только в среде растворителя.

7. Исследование связи энергетических характеристик процесса с данными кинетических исследований.

Для подтверждения предположения о соответствии между лимитирующей стадией процесса и исследуемой стадией циклизации была изучена связь между эффективными кинетическими параметрами реакции - значениями эффективных констант скорости kэф процесса образования соответствующих 2,1-бензизоксазолов, установленными ранее для структур с рядом заместителей Х=1-8 экспериментальным путем, и расчетными значениями энергетических параметров переходных состояний указанных соединений. Согласно методике проведения исследования, была изучена корреляционная зависимость величин ln kэф от значений энергии переходных состояний Епс, полученными в результате квантово-химического моделирования процесса циклизации. Графики полученных закономерностей представлены на рис. 7 и рис. 8 (без учета и с учетом влияния растворителя).

Рис. 7. Зависимость ln kэф от Епс без учета влияния растворителя

Рис. 8. Зависимость ln kэф от Епс с учетом влияния растворителя

Показано, что наблюдается линейная корреляция между энергетическими характеристиками переходного состояния стадии циклизации, полученными в ходе квантово-химического моделирования в данной работе, и значениями эффективных констант скорости исследуемого процесса. Величина достоверности аппроксимации  R2 составляет 0,936 без учета растворителя, и 0,950 в случае учета растворителя.

Анализ полученных результатов по корреляционной зависимости расчетных и экспериментальных параметров реакции позволяет сделать вывод о том, что именно стадия циклизации в процессах формирования 2,1-бензизоксазольных циклов при взаимодействии пара-замещенных нитробензолов с карбанионом фенилацетонитрила является лимитирующей, и определяющей основные закономерности протекания исследуемого процесса. Данный результат подтверждает предложенное заключение о природе лимитирующей стадии в  реакциях формирования 2,1-бензизоксазолов.

ВЫВОДЫ:

1. Проведено комплексное экспериментальное и теоретическое исследование реакций нуклеофильного ароматического замещения водорода - взаимодействия арилацетонитрилов с пара-замещенными нитробензолами, в результате которого получены данные об общих закономерностях процесса.

2. Синтезирован ряд 2,1-бензизоксазолов на основе реакции взаимодействия пара-замещенных нитробензолов и разнообразных арилацетонитрилов, получены данные для построения модели процесса.

3. На основе собственных экспериментальных и литературных данных предложена теоретическая модель исследуемой реакции, предложена последовательность стадий в процессах образования 2,1-бензизоксазолов.

4. При проведении квантово-химического моделирования стадии циклизации показано, что основным этапом при формировании 2,1-бензизоксазолов является внутримолекулярная нуклеофильная атака, соответствующая сближению реакционных центров и приводящая к последующему отрыву уходящей цианогруппы и замыканию 2,1-бензизоксазольного цикла.

5. Построены профили поверхностей потенциальной энергии, соответствующие указанным процессам формирования 2,1-бензизоксазольных циклов, установлены термодинамические параметры и значения энергетических барьеров процессов образования 2,1-бензизоксазолов.

6. На основании анализа связи расчетных и экспериментальных кинетических данных (построение корреляционной зависимости Епс и логарифмов эффективных констант скорости) подтверждена достоверность вывода о соответствии стадии формирования 2,1-бензизоксазольных циклов и лимитирующей стадии процесса.

7. Показано влияние растворителя на протекание исследуемого процесса в соответствии с выбранной дискретной сольватационной моделью - введение растворителя способствует снижению значений активационных барьеров, и облегчению процесса циклизации. Полученные результаты полностью подтверждаются экспериментальными данными.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ:

Список публикаций в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК

1) Орлов В.Ю., Котов А.Д., Цивов А.В. Закономерности и механизм взаимодействия арилацетонитрилов с нитроаренами // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. 2011, Т. 54, №. 4, С. 6-10

2) Орлов В.Ю., Котов А.Д., Цивов А.В. Андреева К.В. Квантово-химическое моделирование стадии циклизации процесса образования 2,1-бензизоксазолов. // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. 2011, Т. 54, №. 10, С. 41-44

3) Орлов В.Ю., Котов А.Д., Цивов А.В. Андреева К.В. Моделирование процесса образования 2,1-бензизоксазолов с учетом влияния заместителя в структуре субстрата // Башкирский химический журнал. 2011, Т.18, № 3, С. 48-51

Другие публикации

4) Цивов А.В., Котов А.Д., Орлов В.Ю. Квантово-химическое моделирование процесса образования σH - комплексов в реакции взаимодействия пара-нитрохлорбензола с фенилацетонитрилом // Материалы IV-ой школы-семинара «Квантово-химические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул» Иваново, ИГХТУ, 20-22 мая 2009.  С. 122-124

5) Цивов А.В., Котов А.Д., Орлов В.Ю. Квантово-химическое моделирование процесса образования σH - комплексов в реакции взаимодействия пара-нитрохлорбензола с фенилацетонитрилом // Материалы конференции «Принципы зеленой химии и органический синтез», Ярославль, ЯрГУ, 2009. С. 71-74

6) Цивов А.В., Базлов Д.А., Орлов В.Ю. Квантово-химический анализ взаимодействия пара-замещенных нитробензолов с фенилацетонитрилом в реакциях  SnArH // Тезисы докладов 63 региональной научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов ВУЗов. Ярославль, ЯГТУ, 2010. C. 14

7) Цивов А.В., Орлов В.Ю. Анализ закономерностей процесса образования 2,1-бензизоксазолов с использованием методов квантово-химического моделирования // Материалы III Международной конференции "Химия гетероциклических соединений", посвященной 95-летию со дня рождения профессора А.Н. Коста. Москва, МГУ, 2010, С. 214

8) Орлов В.Ю., Котов А.Д., Цивов А.В. Моделирование процесса внутримолекулярного нуклеофильного замещения при образовании 2,1-бензизоксазолов с использованием методов квантовой химии // Вестник ЯрГУ. Серия естественные и технические науки. №2 2010, С. 98-100

9) Цивов А.В. Орлов В.Ю., Котов А.Д., Андреева К.В. Моделирование процесса формирования бензизоксазольного цикла с учетом влияния заместителя в структуре субстрата  // Успехи синтеза и комплексообразования: Тезисы докладов Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной Международному году химии. 18-22 апреля 2011 М.: РУДН, 2011. С. 140

10) Андреева К.В., Цивов А.В. Орлов В.Ю. Исследование закономерностей процесса формирования бензизоксазольного цикла  методами квантовой химии // Тезисы докладов 64 региональной научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов ВУЗов. Ч.1. Ярославль, ЯГТУ, 20 апреля 2011. C. 37

11) Цивов А.В. Орлов В.Ю., Котов А.Д., Андреева К.В. Квантово-химическое изучение процессов формирования бензизоксазольного цикла в условиях реакции внутримолекулярного нуклеофильного замещения водорода // Материалы IV-ой школы-семинара «Квантово-химические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул»: сб. науч. ст. – Иваново, ИвГУ, 2011. С. 244

12) Цивов А.В. Орлов В.Ю., Котов А.Д., Андреева К.В. Влияние структуры субстрата на реакционную способность процесса нуклеофильного ароматического замещения в реакциях образования 2,1-бензизоксазолов. // Материалы XIV молодежной конференции по органической химии – Екатеринбург, 2011, С. 512-514

13) Tsivov A.V., Orlov V.U., Kotov A.D., Andreeva K.V. The influence of substratum structure on the reactivity of nucleophilic aromatic substitution in 2,1-benzisoxazole formation process // Scientific conference “Current Topics in Organic Chemistry” Novosibirsk, 2011, Р. 199

 






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.