Изучение механизма изомеризационной рециклизации методом молекулярной механики
Изучение
механизма изомеризационной рециклизации методом молекулярной механики
Е.Г. Атавин, В.О. Тихоненко, Р.С. Сагитуллин, Омский государственный университет, кафедра органической
химии
1. Введение
В последние годы круг соединений, способных к рециклизации,
расширился за счет производных пиридиниевых солей с цианидными, карбонильными, сложноэфирными
и мостиковыми полиметиленовыми заместителями. Обсуждение полученных результатов
и поиск новых синтетических направлений требуют развития методов теоретического
описания и прогнозирования рециклизации. Это, в свою очередь, невозможно без знания
механизма моделируемой реакции. Ранее на основании эмпирических соображений предлагались
различные механизмы изомеризационной рециклизации, включающие значительное число
вариантов и большое количество неустойчивых интермедиатов. Однако сделать обоснованный
выбор одной из предлагаемых гипотез на основании лишь экспериментальных данных не
удалось. В настоящей работе к обсуждению механизма рециклизации иодметилата -пиколиния и его дикарбонильного
производного привлечены результаты расчетов энтальпий образования интермедиатов
методом молекулярной механики.
2. Интермедиаты рециклизации
В ранних работах первая стадия изомеризационной рециклизации
представлялась как кислотно-основное равновесие с образованием ангидрооснования
(схема 1), что позволило достичь определенных успехов в квантово-химическом описании
рециклизации [1].
Схема 1. Образование ангидрооснования
В дальнейшем, однако, этот механизм был оставлен по следующим
причинам:
Соединения, для которых ангидрооснования легко образуются,
оказались вообще неспособными к рециклизации до тех пор, пока образование ангидрооснования
не было блокировано [2].
Образование и раскрытие цикла ангидрооснования требует
атаки, по крайней мере, двумя гидроксильными группами. Однако в условиях, обеспечивающих
точную эквимолярную замену ионов I- на OH- (взаимодействие с влажной окисью серебра,
с OH-формой ионообменной смолы, электролиз) не наблюдалось замедления образования
раскрытых форм.
В ряде случаев (рециклизация индолизинов, никотерина, раскрытие
пиридинового ядра в солях Цинке и т. д.) образование ангидрооснования в принципе
невозможно.
Разность энтальпий образования ангидрооснования и псевдооснования
составляет 154 ккал/моль, что (даже с учетом энтальпии образования воды) должно
привести к практически полному смещению равновесия в сторону последнего.
В результате нуклеофильной атаки исходной соли (I) возможно
образование двух псевдооснований IIa,b (схема 2):
Схема 2. Образование псевдооснований
К сожалению, количественная оценка возможности протекания
этой стадии в рамках метода молекулярной механики невозможна. Отметим, однако, что
стерические затруднения, связываемые обычно с формой IIb, по-видимому, преувеличены
(см. табл.).
Раскрытие псевдооснований IIa,b может приводить к образованию
двадцати двух таутомерных раскрытых форм (см. табл.). Легко видеть, что их энтальпии
образования (приведенные для конформера, ближайшего к псевдооснованию), весьма различаются.
При условии установления термодинамического равновесия это означает, что относительное
содержание всех раскрытых интермедиатов, за исключением кето-аминных форм с неразрывной
цепью сопряжения, будет исчезающе малым.
Два набора структур таутомерно связаны с двумя псевдооснованиями
IIa,b
3. Рециклизация пирилиевых солей
Не останавливаясь на синтетическом значении рециклизации
пирилиевых солей [2], отметим, что соответствующие раскрытые формы при использовании
в качестве нуклеофильного агента метиламина будут аналогичны интермедиатам рециклизации
иодметилата -пиколиния в
щелочной среде. То есть эти две химическиe системы в области превращений раскрытых
форм в силу принципа микроскопической обратимости должны иметь одинаковую потенциальную
поверхность. И использование пирилиевых солей дает редкую возможность "забросить"
пиридиниевую систему в верхнюю часть потенциальной поверхности не термическим путем,
а за счет внутренней энергии реагентов. Известно, что рециклизация пирилиевых солей
под действием метиламина приводит в мягких условиях к солям -пиколиния, а вторичными аминами - к соответствующим
анилинам. Отсюда следует, что стадии "псевдооснование-раскрытые формы"
и "раскрытые формы-ароматический амин" не могут быть связаны с заметным
активационным барьером даже в отсутствии акцепторных заместителей.
4. Раскрытие псевдооснований
Из двух возможных вариантов раскрытия цикла псевдооснования
- электроциклического и ионного (схема 3)
Схема 3. Электроциклическое (a) и ионное (b) раскрытие
псевдооснования
следует, по-видимому, предпочесть ионный вариант, поскольку:
Образование раскрытых форм никогда не отмечалось для нуклеофилов,
не способных к ионному раскрытию цикла (Cl-, Br-, I-, CN- и т. д.)
Образование енольной формы при электроциклическом раскрытии
является эндотермическим (табл.1) и несамопроизвольным процессом (в пренебрежении
небольшим энтропийным вкладом G0), в то время как образование кетонной формы при ионном
раскрытии - экзотермическим и самопроизвольным процессом. В отсутствии заметных
активационных барьеров нет оснований говорить о несамопроизвольном электроциклическом
раскрытии.
5. Механизмы изомеризационной рециклизации
Перебор всех разумных вариантов взаимных превращений интермедиатов
рециклизации позволил нам выделить два пути реакции, наиболее оптимальных с точки
зрения величины активационного барьера (схема a,b).
Рис. 4. Механизмы изомеризационной рециклизации
Перебор всех разумных вариантов взаимных превращений интермедиатов
рециклизации позволил нам выделить два пути реакции, наиболее оптимальных с точки
зрения величины активационного барьера (схема a,b).
Вариант a предполагает вращение вокруг формально двойной
связи С=С, однако низкая расчетная величина барьера (15,6 ккал/моль), объясняемая
сопряжением с соседней аминогруппой, не препятствует протеканию соответствующего
цис-транс превращения даже при комнатной температуре. Введение двух ацетильных групп
дополнительно уменьшает это значение до 7,8 ккал/моль, что соответствует увеличению
константы скорости соответствующей элементарной стадии реакции примерно в миллион
раз. Вариант b характеризуется существенно большей энергией активации (около 30
ккал/моль на пути от псевдооснования IIb до ароматического амина), однако он предполагает
электроциклическое замыкание цикла и может представлять интерес в ситуациях, когда
альдольно-кротоновая конденсация невозможна.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда
фундаментальных исследований, код 96-03-33389.
Список
литературы
Высоцкий Ю. Б., Земский Б. П., Ступникова Т. В., Сагитуллин
Р. С., Кост А. Н., Швайка О. П. Квантовохимическое описание реакций рециклизации
четвертичных солей пиридиния // ХГС 1979. 11. С. 1496-1500.
Теренин В. И., Румянцев А. Н., Кабанова Е. В. Перегруппировка
Коста-Сагитуллина// Вест. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 1992. Т. 33. 3. С.
203-220.
Для подготовки данной работы были использованы материалы
с сайта http://www.omsu.omskreg.ru/