Ab initio моделирование S-N перегруппировки Кляйзена в азинах и азолах
Автор: Фролов Алексей Людвикович, Ким Дмитрий Гымнанович
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Химия @vestnik-susu-chemistry
Рубрика: Органическая химия
Статья в выпуске: 31 (207), 2010 года.
Бесплатный доступ
Проведено квантовохимическое моделирование перегруппировки Кляйзена S-аллилзамещенных азинов и азолов. Исследовано геометрическое строение переходных комплексов. Произведена оценка кинетических и термодинамических факторов протекания реакций. Построены регрессионные модели, описывающие энергию активации и разницу в энергиях продуктов и реагентов.
Перегруппировка кляйзена, аллилтиоазолы, аллилтиоази-ны, моделирование реакций, метод внутренней координаты реакции, метод гонзалеса-шлегеля
Короткий адрес: https://sciup.org/147160169
IDR: 147160169
Текст обзорной статьи Ab initio моделирование S-N перегруппировки Кляйзена в азинах и азолах
Перегруппировка Кляйзена (рис. 1), протекающая в циклических соединениях, имеет большое значение в органическом синтезе, прежде всего для удобного получения 2-аллилфенолов, 2-аллилтиофенолов и продуктов их циклизации [1]. Различают амино-, окси- и тио-перегруппировку Кляйзена. Кроме того, при наличии гетероатома, например, азота возможно протекание большого количества перегруппировок.
В настоящее время известно много работ по тио-перегруппировке Кляйзена в присутствие катализаторов [2, 3]. Экспериментально доказано, что превращения подобного типа также могут протекать в аллилтиопроизводных азолов и бензазолов при нагревании без использования катализаторов [4]. Для шестичленных гетероциклических систем экспериментальные данные недостаточны и неоднозначны. Исследования особенностей механизма их перегруппировки имеют фундаментальное значение для современной органической химии.
Рис. 1. Общая схема S-N перегруппировки Кляйзена
В качестве объектов исследования были выбраны аллилтиозамещенные различных классов органических соединений (рис. 2), для которых на основе экспериментальных данных известно, [4] будет ли протекать перегруппировка Кляйзена S-N типа при нагревании или нет. Среди объектов исследования имеются как пяти- (4-7), так и шестичленные (1-3, 8-10) гетероциклические системы, для которых термодинамическое равновесие S-N перегруппировки Кляйзена смещено в разные стороны.
б
Me
S \ АП
2a:Ri=R2=H; 2b: R^H, R2=CH3; 2c: Ri=CH3, R2=H; 2d: R,=R2=CH3;
3a: R3=H; 3b: R3=CH3; 4a:X=NH; 4b: X=NCH3; 4c: X=0; 4d: X=S.
Рис. 2. Структуры рассмотренных S-аллилзамещенных гетероциклических соединений
Методы исследования
Для анализа механизма перегруппировки Кляйзена, были найдены соответствующие энергетические профили перехода реагентов в продукты через переходное состояние. Вначале была предположена структура переходного комплекса, геометрия которого затем была оптимизирована методом «восхождения» по поверхности потенциальной энергии вдоль мнимой колебательной моды, соответствующей изменению положения реагирующих атомов. Связь найденных переходных состояний с минимумами на ППЭ, соответствующими структурам исходных веществ и продуктов реакции, подтверждены спуском по координате реакции по методу Гонзалеса-Шлегеля [5]. Для всех полученных стационарных точек найдено число отрицательных собственных значений матрицы Гессе. Все неэмпирические расчеты выполнены в рамках теории функционала плотности (B3LYP) с базисом 6-31++G** с помощью программного пакета Firefly [6].
Обсуждение результатов
Геометрические параметры переходных комплексов различных соединений отличаются не значительно (табл. 1). В отличие от перегруппировки S-С типа [2], реакции образования
Рис. 3. Структура переходного комплекса перегруппировки соединения За
N-аллилпроизводных протекают в одну стадию из-за отсутствия заместителей при атоме азота. Аллильный фрагмент смещен относительно плоскости пиримидинового кольца, образуя шестичленный цикл в искаженной конформации «кресло», что соответствует классическим представлениям [7]. Присутствие заместителя рядом с реагирующим атомом азота приводит к небольшому отдалению аллильной группы в переходных комплексах и увеличению торсионных углов а и /3 (рис. 3), что приводит к смещению аллильной группы в сторону от плоскости пиримидинового цикла. Так, например, при введении метильной группы в соединение 2а торсионные углы увеличиваются в среднем на 6,5°. Среднее значение торсионных углов a и /3 по всем соединениям - 46° и 43,5° соответст- венно. Среднее расстояние аллильного фрагмента до атома S составляет 2,43 А, до атома N - 1,98 А.
Следует обратить внимание на то, что в переходных комплексах шестичленных гетероциклических систем в большинстве случаях длины контактов C-N и С-S немного меньше, чем у пятичленных, что может свидетельствовать о меньшей прочности последних, а, значит, и большей склонности к перегруппировки.
Таблица 1 Торсионные углы а,р и длины контактов между реагирующими атомами C-N и C-S
|
Соединение |
о, ° |
d(C-N), А |
d(C-S), А |
|
|
1 |
44,2 |
37,6 |
1,91 |
2,35 |
|
2а |
40,2 |
38,0 |
1,90 |
2,40 |
|
2Ь |
38,8 |
36,9 |
1,90 |
2,39 |
|
2с |
45,1 |
43,7 |
1,90 |
2,43 |
|
2d |
44,3 |
43,2 |
1,89 |
2,42 |
|
За |
45,0 |
42,8 |
2,03 |
2,46 |
|
ЗЬ |
49,9 |
47,3 |
2,02 |
2,50 |
|
4а |
48,2 |
46,7 |
2,05 |
2,46 |
|
4Ь |
48,9 |
47,5 |
2,05 |
2,45 |
|
4с |
45,3 |
44,8 |
2,04 |
2,49 |
|
4d |
49,3 |
46,6 |
2,02 |
2,50 |
|
5 |
47,6 |
43,8 |
2,02 |
2,43 |
|
6 |
48,8 |
46,8 |
2,06 |
2,43 |
|
7 |
45,7 |
45,4 |
2,05 |
2,48 |
|
8 |
49,8 |
46,9 |
1,94 |
2,43 |
|
9 |
46,9 |
40,8 |
1,96 |
2,37 |
|
10 |
44,0 |
40,7 |
1,98 |
2,40 |
Для всех соединений выборки были рассчитаны полные энергии стационарных точек, энергии активации и разность энергий продуктов реакции и исходных веществ с учетом энергии нулевых колебаний. Из табл. 2 видно, что учет энергии нулевых колебаний вносит существенный вклад в значения энергий, причем в случае соединений ЗЬ и 9 ее учет приводит к качественному изменению направления протекания реакции.
Таблица 2 Активационные барьеры реакции S- (EaS
|
Соединение |
Р КДж/ J-'aS? 'моль |
1 моль |
Р КДж/ ^aS(ZPE)> 'моль |
Р КДж/ — -kaNCZPEb ' моль |
ДР КДЖ/ ^S-N? 'моль |
Теор. |
Эксп. |
|
1 |
146,35 |
132,67 |
145,62 |
126,95 |
18,67 |
S |
S |
|
2а |
156,64 |
119,43 |
155,19 |
114,87 |
40,33 |
S |
S |
|
2Ь |
156,74 |
121,88 |
155,25 |
116,71 |
38,54 |
S |
S |
|
2с |
167,19 |
116,41 |
167,15 |
111,49 |
55,66 |
S |
S |
|
2d |
167,32 |
118,52 |
167,91 |
114,33 |
53,58 |
S |
S |
|
За |
125,21 |
144,93 |
124,02 |
138,59 |
-14,57 |
N |
S |
|
ЗЬ |
135,61 |
140,10 |
134,22 |
131,71 |
2,52 |
S |
S |
|
4а |
113,79 |
153,36 |
112,66 |
146,93 |
-34,26 |
N |
N |
|
4Ь |
112,00 |
155,04 |
110,88 |
149,43 |
-38,56 |
N |
N |
|
4с |
119,54 |
141,17 |
117,99 |
135,52 |
-17,53 |
N |
N |
|
4d |
125,97 |
142,04 |
124,40 |
135,79 |
-11,39 |
N |
N |
|
5 |
115,10 |
147,37 |
113,84 |
142,08 |
-28,23 |
N |
N |
|
6 |
98,69 |
156,43 |
98,16 |
150,52 |
-52,36 |
N |
N |
|
7 |
108,01 |
144,72 |
106,89 |
139,47 |
-32,57 |
N |
N |
|
8 |
149,13 |
136,37 |
148,98 |
129,67 |
19,32 |
S |
S |
|
9 |
139,68 |
142,01 |
139,26 |
135,92 |
3,34 |
S |
S |
|
10 |
138,60 |
146,14 |
137,93 |
140,75 |
-2,82 |
N |
S |
Расчет показывает, что равновесие перегруппировки Кляйзена гетероциклических соединений, в которых в реакции участвуют атомы шестичленного кольца, преимущественно смещено в сторону образования S-замещенных, тогда как реакции пятичленных систем приводят к N-замещенным. Это практически полностью согласуется с экспериментальными данными.
aEn, а.е.
0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,18 0,20 дЕ№ а.е.
Рис. 4. Корреляция энергии активации и энергетического эффекта реакции с разницей между энергиями граничных орбиталей М-замещенных
Еа(ГО)= ^Соль
Рис. 5. Корреляция энергии активации и энергетического эффекта реакции с рассчитанными значениями, исходя из энергий граничных орбиталей продуктов и реагентов
Для более полного понимания механизма перегруппировки Кляйзена в рассматриваемых соединениях был проведен поиск регрессионных уравнений зависимости энергии активации и энергетического эффекта реакции перехода S-> N от геометрических, зарядовых и орбитальных характеристик реагентов и продуктов. Были найдены уравнения от одного и двух факторов. Наибольший коэффициент корреляции в моделях от одного фактора (рис. 4) соответствует зависимости от разницы между энергиями граничных орбиталей N-аллилпроизводных (aEn). Чем больше ВЗМО и НСМО расходятся в значениях, тем менее вероятна перегруппировка N-замещенного, а значит выше вероятность превращения S-замещенного и ниже значения Еа и Es_N.
Качество двухфакторной модели ненамного лучше (рис. 5). При этом независимыми переменными, дополнительно к величине ДЕМ, выступают разница между ВЗМО и НСМО и энергия ВЗМО S-аллилпроизводных. Исходя из уравнения видно, что при увеличении энергии ВЗМО активационный барьер снижается, что, очевидно, связано с уменьшением разницы в энергиях ВЗМО и НСМО. Все это позволяет утверждать, что скорость и равновесие перегруппировки Кляйзена в рассматриваемых соединениях связаны с орбитальными характеристиками реагентов и продуктов.
Список литературы Ab initio моделирование S-N перегруппировки Кляйзена в азинах и азолах
- Органические реакции/под ред. А.Я. Берлина. -М.: Изд-во иностр. лит., 1950. -532 с.
- Shauman, E. Sulfur-mediated rearrangements II//Topics in current chemistry. -Springer, 2007. -Vol. 275.-265 p.
- Mizutani, M. Palladium-cataliyzed polyhetero-claisen rearrangement of 2-(allylthio)pyrimidin-4(3H)-ones/M. Mizutani, Y. Sanemitsu//J. Org. Chem. -1985. -Vol. 50. -P. 764-768.
- Кривожейко, К.М. Новый случай Кляйзеновской перегруппировки/К.М. Кривожейко, А.В. Ельцов//Журн. орган, химии. -1968. -Т. 4. -С. 1114.
- Gonzales, С. An improved algorithm for reaction path following/C. Gonzales, H.B. Schlegel//J. Chem. Phys. -1989. -Vol. 90. -P. 2154-2161.
- Granovsky, A. A. Firefly version 7.I.G. -http://classic.chem.msu.su/gran/firefly/index.html
- http://-http://classic.chem.msu.su/gran/firefly/index.html>.
- Krishna, C. Majumdar The thio-Claisen rearrangement 1980-2001/C. Majumdar Krishna, Subhojit Ghosh, Manish Ghosh//Tetraherdon. -2003. -Vol. 59. -P. 7251-7271.
