Содержание к диссертации
Введение
1. Экспериментальные и теоретические методы исследования термодинамики внутримолекулярной водородной связи: обзор литературы 13
1.1. Дефиниция водородной связи, её природа и критерии образования 13
1.2. Экспериментальные методы исследования термодинамики внутримолекулярной водородной связи 15
1.2.1. Общие замечания 15
1.2.2. Инфракрасная спектроскопия 15
1.2.3. Метод конкурирующих равновесий 20
1.2.4. Фемтосекундная инфракрасная спектроскопия фотонного эха 25
1.2.5. Ямр спектроскопия как метод исследования внутримолекулярной водородной связи 26
1.2.6. Калориметрия 27
1.2.7. Газожидкостная хроматография 30
1.2.8. Бумажная хроматография 36
1.2.9. Силовая атомная микроскопия 37
1.2.10. Заключение к разделу 1.2 37
1.3. Теоретические (квантовохимические) методы 38
1.3.1. Полу эмпирические методы 38
1.3.2. Неэмпирические (ав initio) методы 41
1.3.3. Методы, основанные на теории функционала плотности (dft) 48
1.3.4. Совместное использование методов ав initio и dft 51
1.3.5. Заключение к разделу 1.3 57
2. Краткая характеристика методов исследования 59
2.1. Полуэмпирические методы квантовой химии 59
2.2. Ав initio расчёты (метод хартри - фока, hf) 61
2.3. Методы теории функционала плотности (dft) 64
2.4. Анализ натуральных связевых орбиталей (nbo) 68
2.5. Учёт сольватационных эффектов 68
2.5.1. Общие замечания. метод самосогласованного реактивного поля (scrf). модели онзагера и поляризуемого континуума (рсм) 68
2.5.2. Учёт суперпозиционной погрешности базисного набора (bsse) 70
2.6. Локализация переходного состояния 71
2.7. Метод внутренней координаты реакции (irq 71
3. Квантовохимическая оценка протолитических свойств тиофенолов 73
4. Оценка энтальпии внутримолекулярной водородной связи методами mndo/h, i-mndo, mndo/hb, mndo/m 93
5. Влияние внутримолекулярной водородной связи на геометрические параметры и основные колебательные моды органических молекул с плоским квазициклом 97
6. Влияние внутримолекулярной водородной связи на электронное строение молекул с планарным квазициклом 112
7. 8-гидроксихинолин и 8-меркаптохинолин: исследование электронной структуры молекул, внутримолекулярной водородной связи, таутомерии, протонного переноса методами теории функционала плотности 121
7.1. 8-гидроксихинолин 121
7.1.1. Введение 121
7.1.2. Результаты и обсуждение 122
7.1.2.1. Газовая фаза 122
7.1.2.1.1 Относительная устойчивость ротамеров и таутомеров 8-гидроксихинолина 122
7.1.2.1.2. Анализ геометрии молекул, полученной по данным методов b3lyp и mpw1k 124
7.1.2.1.3. Барьеры вращения и таутомеризации при однопротонном переносе 125
7.1.2.1.4. Дипольные моменты и зарядовое распределение по малликену 126
7.1.2.1.5. nbo-aha лиз 127
7.1.2.2. Эффекты растворителя 132
7.1.2.2.1. Относительная устойчивость ротамеров и таутомеров в различных растворителях 132
7.1.2.2.2. Анализ геометрии в различных средах 135
7.1.2.2.3. Барьеры вращения и таутомеризации при переносе одного протона 135
7.1.3. Заключение к разделу 7.1 137
7.2. 8-меркаптохинолин 138
7.2.1. Введение 138
7.2.2. Обсуждение результатов 140
7.2.2.1. Барьеры вращения и реакция таутомеризации 140
7.2.2.1.1. Геометрия и ик спектр 140
7.2.2.1.2. Относительная устойчивость таутомеров и ротамеров 8-меркаптохинолина 143
7.2.2.1.3. Реакционные барьеры 147
7.2.2.1.4. Распределение зарядов по малликену и дипольные моменты 149
7.2.2.1.5. nbo-анализ 152
7.2.2.2. Таутомеризация с содействием воды (water- assisted tautomerization) 155
7.2.2.2.1. Структура и энергии таутомеров 155
7.2.2.2.2. nbo-анализ 162
7.2.3. Заключение к разделу 7.2 165
общее заключение и дальнейшие перспективы 168
- Экспериментальные методы исследования термодинамики внутримолекулярной водородной связи
- Неэмпирические (ав initio) методы
- Анализ натуральных связевых орбиталей (nbo)
- Влияние внутримолекулярной водородной связи на электронное строение молекул с планарным квазициклом
Введение к работе
Актуальность работы. Температуры кипения и плавления, давление пара, растворимость, молярный объем, плотность, теплота смешения, теплопроводность и тепловое расширение, вязкость, поверхностное натяжение, диэлектрическая постоянная и диэлектрические потери, дипольный момент, электропроводность, сегнетоэлектрические свойства, диамагнитная восприимчивость, ионизация, молярная рефракция, показатель преломления, другие оптические свойства, спектры, кислотно-основные, таутомерные, аналитические свойства, реакционная способность, биологическая активность химических соединений зависят от наличия внутримолекулярной водородной связи (ВВС) и её термодинамических параметров [1-12]. Ещё профессор И.С. Мус-тафин отметил влияние ВВС на чувствительность аналитических реакций. Соотношение между энергетикой разрыва ВВС и хелатообразования в значительной степени обусловливает аналитический сигнал. Для направленного синтеза веществ важна квантовохимическая оценка энергии ВВС, её влияния на электронную структуру и колебания атомов в молекуле. В свою очередь колебательный спектр - ключ к пониманию реакционной способности. При этом для экспрессного априорного прогноза целесообразно применять полуэмпирические методы квантовой химии, а для изучения тонких деталей электронного строения - методы ab initio и DFT.
Удачными модельными объектами для изучения роли ВВС являются органические молекулы с планарным квазициклом. Они широко распространены и играют важнейшую роль в химии, являются перспективными строительными блоками для конструирования супрамолекулярных структур со специфическими рецепторными свойствами. Для планарно-квази-циклических систем можно выделить в чистом виде влияние ВВС на термодинамику, электронное строение, колебательные спектры соединений. Обычно при изучении ВВС в качестве объектов сравнения используют изомеры без ВВС. Но такие соединения существенно отличаются по свойствам от изомеров с ВВС. В случае же многих молекул с плоским квазициклом можно применять более адекватный эталон - конформер, в котором нет ВВС, а все другие специфические взаимодействия - те же, что и в молекуле с ВВС. Сочетание ВВС с планарным квазициклом характерно для многих практически важных аналитических реагентов: 1,3-дикетонов, фенолкарбо-новых кислот трифенилметанового ряда, гидроксихинонов, соединений ряда хромотроповой кислоты, оржо-амино- и орто-гидроксиазосоединений, нит-розофенолов, нитрозонафтолов, 8-халькогенонафталинов и др. [13-17]. Ниже представлены типичные примеры.
нзсч хсьь /:н3
Хромазурол S н3а /Снг сн3
I II ск ..о
H03S^ ^^ ^^ "S03H Хромотроповая кислота
4-(2-Пиридилазо)резорцин
2-Нитрозо-1 -нафтол
1 -Нитрозо-2-нафтол
8-Гидроксихинолин 8-Меркаптохинолин
Известно, что прочность водородной связи зависит от кислотных свойств протонодонора [18].
Среди протонодопорных групп, участвующих в образовании ВВС, в том числе с планарным квазициклом, важное место занимает сульфгидриль-ная (SH). Например, она входит в состав молекулы 8-меркаптохинолина -важнейшего аналитического реагента, образующего с катионами металлов малорастворимые в воде, но хорошо растворимые в органических растворителях хелаты [17]. Протолитические свойства меркаптосоединений в значительной степени обусловливают их химическое поведение. В случае замещённых 8-меркаптохинолинов, тиосалициловой кислоты и других соединений подвижность сульфгидрильного протона влияет на прочность ВВС, таутомерию, аналитические и другие характеристики веществ [17, 19, 20].
Модельными веществами для изучения кислотно-основных свойств различных ароматических и гетероароматических тиолов могут служить тиофенолы.
Тио фенол (бензолтиол, меркаптобензол, фенил мер каптан, фенилтиол) СбН55Н и его производные имеют и самостоятельное значение, помимо причастности к проблеме ВВС. Они находят применение в синтезе лекарственных препаратов, пестицидов, красителей, полимеров, ингибиторов радикаль- ных реакций, стабилизаторов и других добавок к синтетическим каучукам [21].
Реакционная способность тиофенолов в различных химических реакциях зависит от кислотно-основных свойств названных тиолов [19, 20].
Таким образом, среди соединений, молекулы которых включают пло ский хелатный квазицикл с ВВС, важное место занимают серу содержащие (тиофенолы, 8-меркаптохинолин и его производные). Атом серы, находясь в Ф третьем периоде Периодической системы, располагает й*-орбиталями. Однако полуэмпирические методы MNDO, AMI, РМЗ не учитывают й*-орбитали в явном виде. Поэтому корректное описание энергетики водородной связи в молекулах с d-орбиталями полуэмпирическими методами возможно в том случае, если эти методы правильно описывают тенденцию изменения прото- литических свойств в ряду веществ сходного строения. Кислотно-основные свойства тиофенолов важны также в связи с изучением реакционной способ ности различных веществ в различных реакциях. В частности, нуклеофиль- 4Ь ность тиолят-анионов зависит от их основности [19, 20]. Необходимо обос- новать корректность применения полуэмпиричсеких методов для оценки термодинамических функций водородной связи в сераорганических молекулах и заодно найти возможность простой теоретической оценки кислотности тиофенолов.
Наличие ВВС служит предпосылкой протекания реакций перемещения протона от одного электронодонорного центра к другому. Поэтому одним из ^ приоритетов является квантовохимическое рассмотрение последовательно- сти реакций: внутримолекулярного вращения, приводящего к обмену между водородносвязанным и эталонным конформерами, и таутомеризации. Типичными соединениями для такого исследования могут быть ценные для практики 8-гидроксихинолин и 8-меркаптохинолин.
Цель работы - выяснение тенденций влияния внутримолекулярной водородной связи на электронное строение и колебательные спектры органических соединений с планарным квазициклом, установление закономерностей реакционной способности 8-гидроксихинолина и 8-меркаптохинолина в процессах внутримолекулярного протонного переноса.
Достижение поставленной цели включает решение следующих задач: - нахождение количественных соотношений, связывающих величины рКа тиофенолов со сродством к протону (РА) и другими параметрами элек тронной структуры молекул, выявление дифференциального влияния водно- этанольных сред на протолитические свойства бензолтиолов; jjj, - расчёт энтальпии образования ВВС методами MNDO/H, I-MNDO, MNDO/HB, MNDO/M и установление адекватности названных методов проблеме полуколичественной оценки энергетики ВВС; выяснение влияния ВВС на колебательные моды ароматических молекул с плоским квазициклом; изучение влияния ВВС на электронное строение молекул с планар-ным квазициклом; - исследование водородного связывания, барьеров внутреннего враще- Щ ния и таутомеризации 8-гидроксихинолина и 8-меркаптохинолина в газовой фазе и в различных средах методами теории функционала плотности (DFT); - DFT-изучение таутомеризации 8-меркаптохинолина с содействием воды.
Научная новизна. Выведены количественные соотношения для апри орного прогноза протолитических свойств тиофенолов. Предложен и на при мере бензолтиолов апробирован подход к оценке дифференциального влия- ^ ния растворителей на кислотно-основные свойства. Показана возможность полуколичественной оценки энтальпии ВВС в органических молекулах с планарным квазициклом методами MNDO/H, I-MNDO, MNDO/HB, MNDO/M. Выяснены тонкие детали влияния ВВС на колебательные спектры ряда молекул с плоским квазициклом. Установлены закономерности влияния ВВС в соединениях указанного типа на электронное строение молекул. На высоком уровне теории обоснованы вопросы о ВВС, внутреннем вращении, таутомерии 8-гидроксихинолина и 8-меркаптохинолина в газовой фазе и раз- личных средах. Показано, что участие молекулы воды, несколько затрудняя кинетику цвиттеризации 8-меркаптохинолина, в то же время делает реакцию термодинамически более выгодной по сравнению с переносом одного протона.
Практическое значение работы заключается в нахождении корреляций, открывающих путь к направленному синтезу тиофенолов с заданными кислотно-основными свойствами, в выдвинутой методологии оценки дифференциального вклада среды в протолитические свойства, в обосновании возможности простой пол у количественной полуэмпирической оценки энтальпии ВВС, в детализации влияния ВВС на колебательные спектры и электронное строение молекул, в выявлении тенденций влияния растворителя на энергию ВВС, барьеры внутреннего вращения и таутомеризации, энергию таутомеризации типичных молекул с ВВС.
В ходе проведённых исследований оценены практически важные физико-химические характеристики: геометрия и дипольные моменты молекул, значения теплоты и свободной энергии образования и сродства к протону, энтальпии ВВС, энергии таутомеризации и комплексообразования, барьеров внутреннего вращения и таутомеризации, а также частоты в ИК спектрах.
На типичных примерах 8-гидроксихинолина и 8-меркаптохинолина создана калибровочная мини-база данных (benchmark) для оценки энергии ВВС, энергий таутомеризации, комплексообразования, барьеров вращения и таутомеризации, геометрии и дипольных моментов молекул.
На защиту выносятся: количественные соотношения для оценки значений рКа соединений ряда тиофенола и результаты обоснования дифференциального вклада водно-этанольных сред с различным содержанием этанола на кислотность тиофенолов; результаты расчёта энтальпии ВВС в системах с планарным квазициклом специально параметризованными полуэмпирическими методами квантовой химии; закономерности изменения колебательных спектров молекул с пла-нарным квазициклом при образовании ВВС; тенденции влияния ВВС на распределение электронной плотности в молекулах с плоским квази циклом; результаты DFT-исследования электронной структуры, энергии ВВС, барьеров вращения связи гетероатом - протон, образующей ВВС, энергий и барьеров таутомеризации 8-гидроксихинолина и 8-меркаптохинолина, а так-
Ф же влияния среды на названные характеристики; - результаты исследования процесса концертного синхронного перено са двух протонов при таутомеризации 8-меркаптохинолина с содействием воды.
Апробация работы. Результаты диссертации доложены и обсуждены на Международных конференциях студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-2000" и "Ломоносов-2002" (Москва, 2000, 2002), Молодежной научной школе по органической химии (Екатеринбург, 2000), 'Ш Международной конференции молодых учёных и студентов "Актуальные проблемы современной науки" (Самара, 2000), Всероссийской конференции молодых учёных "Актуальные проблемы электрохимической технологии" (Саратов, 2000), Международной школе для молодых учёных и студентов по оптике, лазерной физике и биофизике и семинаре по спектроскопии и молекулярному моделированию (Саратов, 2000), VI конференции "Аналитика Сибири и Дальнего Востока - 2000" (Новосибирск, 2000), Международном сим- * позиуме "Компьютерное обеспечение химических исследований" (Москва,
2001), III и IV Всероссийских конференциях молодых учёных "Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии" (Саратов, 2001, 2003), XIV конференции-семинаре "Горизонты в исследовании водородной связи" (Турин, Италия, 2001), Поволжской конференции по аналитической химии (Казань, 2001), III Черкесовских чтениях "Проблемы аналитической химии" (Саратов, 2002), 6-ом Всемирном конгрессе по теоретической химии WATOC02 (Лугано, Швейцария, 2003), Всероссийской конференции "Ана- литика России", посвященной 100-летию со дня рождения академика И.П. Алимарина (Москва, 2004), II Российской школы-конференции "Молекулярное моделирование в химии, биологии и медицине" (Саратов, 2004), на отчётных конференциях кафедры аналитической химии и химической экологии СГУ.
Был выигран грант Швейцарского Национального Научного Фонда на участие в 6-ом Всемирном конгрессе по теоретической химии (6th World
,_ Congress of Theoretically Oriented Chemists - WATOC'02. Theory, Computation and Information Science in Chemistry, Biochemistry and Materials Science. Lugano, Switzerland, 4-9 August, 2002).
Публикации. Содержание работы опубликовано в 9 статьях и 18 тезисах докладов.
Личный вклад соискателя. Данные компьютерного эксперимента, представленные в диссертационной работе, получены автором лично или при его личном участии. Постановка задач, обзор литературы, интерпретация и % обсуждение результатов осуществлялись при непосредственном личном уча- стии диссертанта под руководством научного руководителя.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения выводов, списка литературы, включающего 273 наименования, и приложения. Работа изложена на 202 страницах, содержит 20 рисунков и 41 таблицу. В каждой главе автореферата и параграфе диссертации принята своя нумерация химических соединений и математических уравнений.
Экспериментальные методы исследования термодинамики внутримолекулярной водородной связи
Для исследования водородной связи применяются любые методы, которые дают однозначную зависимость между измеряемым свойством и силой водородной связи. Все их можно разделить на два класса: неспектроскопические и спектроскопические [23]. Наибольшее значение приобрели спектроскопические методы, к которым относятся ИК-, КР-, ЯМР- и ЯКР-спектроскопия. Наибольшее значение для определения термодинамики водородной связи приобрели методы ИК- и ЯМР-спектроскопии. Метод ЯМР-спектроскопии появился позднее ИК-спектроскопии, но успешно с ним конкурирует. Однако ввиду того, что техника ИК-спектроскопии применяется гораздо более длительное время, то основная масса информации по водородной связи получена этим методом [2, 3]. К неспектроскопическим методам относятся калориметрия [24], газожидкостная [25], бумажная хроматография [26, 27], силовая атомная микроскопия [28]. ИК-спектроскопия изучает колебательные спектры молекул. Частота колебаний Х-Н зависит от массы атомов и силовой постоянной для данной химической связи. Вступление лёгкого атома Н в водородную связь с элек-тронодонорной группой D приводит к изменению частоты колебания связи Х-Н. Именно частота этого валентного колебания несет в себе самую богатую и точную информацию о водородной связи, в которую может вступать атом Н [29]. Реакция (1) образования водородной связи, между молекулами (или молекулярными фрагментами, если водородная связь внутримолекулярная) Х-Н и D-Y, как известно, процесс равновесный: Эта реакция идёт с высокой скоростью и практически с нулевой энергией активации. В общем случае при образовании водородной связи в растворе присутствуют два вида молекул Х-Н: "свободные" молекулы, не участвующие в водородной связи, и "связанные" молекулы, т.е. вступившие в во- щ дородную связь. Этим двум видам молекул соответствуют две частоты ва- лентного колебания группы Х-Н, которым в ИК-спектре будут соответствовать две полосы поглощения: vc - "свободная" полоса, отвечающая "свободным" молекулам Х-Н, и - "связанная" полоса, отвечающая молекулам X-Н, связанным водородной связью с D-Y. (Термины "свободный" и "связанный" берутся в кавычки, так как в общем случае в растворе следует учитывать влияние окружающих молекул). Реакция (1) может осуществляться как в отсутствие, так и в присутствии растворителя.
Для спектроскопического изу- Р чения водородной связи чаще всего эта реакция проводится в растворителе, который прозрачен (не поглощает) в области проявления полос поглащения vc и ні [30]. Вещества, содержащие водород несвязанные гидроксильные группы, в разбавленных растворах в тетрахлориде углерода имеют полосу поглощения, смещённую относительно полосы несвязанной ОН-группы на 40-100 см-1 (область 3520-3570 см_ї). Интенсивность и ширина полосы близки к соответ- Щ ствующим параметрам полос несвязанных групп. Изменение температуры растворов практически не приводит к изменению полос. Повышение концентрации вещества, содержащего внутримолекулярную Н-связь, приводит к образованию межмолекулярных водородных связей, о чём может свидетельствовать появление широкой полосы поглощения со стороны низких частот. Повышение температуры концентрированного раствора проявляется в спектре аналогично разбавлению. В поведении спектров растворов имеются особенности, которые позволяют различать внутри- и межмолекулярную водородные связи. Внутримолекулярная водородная связь, как и соответствующие полосы в спектре, сохраняются даже при самых низких концентрациях. Наоборот, межмолекулярные ассоциаты при малых концентрациях в инертных растворителях отсутствуют [1]. В реакции (1) соединение Н-Х является электроноакцептором, а веществ D-Y электронодонором. Для внутримолекулярной водородной связи запишем: где А и D - электронакцепторная и электронодонорная группа соответственно. Эта реакция характеризуется константой равновесия К: энтальпией АН: где Т\иТ2- температура в шкале Кельвина, R - газовая постоянная, Кт и Кт - константы равновесия при Т\ и Тг\ а также свободной энергией AG и энтропией AS: Разница в частотах двух полос поглощения А у = vc- Иь называемая сдвигом частоты, является одной из важнейших спектроскопических характеристик водородной связи. Было замечено, что чем больше сдвиг частоты Av, тем прочнее водородная связь. В широком интервале изменения Avсвязь между A v и АН не линейная, а слабоизогнутая и описывается квадратичным уравнением: Помимо сдвига частоты Av, для описания водородной связи использу- ется целый ряд других спектроскопических характеристик. К ним относятся полуширина Av\a и интенсивность полосы поглощения. Для полосы поглощения Vj( полуширина и интенсивность тем больше по сравнению с соответствующими характеристиками для полосы vc, чем сильнее водородная связь. Полуширина полосы Д V\n связана линейной зависимостью со сдвигом частот Д v, а следовательно, и с другими характеристиками молекулы. Тем не менее величина Дц/2 как характеристика водородной связи не столь важна, как сдвиг частоты Д к, а играет лишь вспомогательную роль [4]. Интенсивность полосы поглощения имеет исключительно большое значение для характеристики водородной связи.
Она может быть выражена двумя способами: 1) Как интенсивность в максимуме полосы поглощения, выражаемая в единицах коэффициента поглощения. 2) Как интегральная интенсивность В всей полосы поглощения, вычисляемая по формуле: Величина В полосы VH связана с АН водородной связи соотношением: где АВ - приращение интегральной интенсивности полосы в жидкости по сравнению с газом, определяемое по формуле АВ = АВЖ - АВг. Однако интенсивность полосы в максимуме значительно чаще используется для экспериментального определения АН водородной связи. Для внутримолекулярной Н-связи АН может быть определена с использованием интенсивности двух полос vc и vH по формуле: Здесь А\ и Аг - оптические плотности полос vc и vH, измеренные при температурах Т\ и Г2 (при одной толщине поглощающего слоя). Формула (10) действительна в том случае, если молярные коэффициенты поглощения є для полос vc и vH не изменяются с температурой. Это требование выполняется в большинстве случаев [1]. Однако в ряде случаев коэффициенты поглощения изменяются с температурой. Тогда формула принимает вид: т т где Ля1 и Лэд2 - оптическая плотность той же полосы в условиях, когда равновесие между "связанной" и "свободной" формами молекулы целиком смещено в сторону "связанной" формы. Величина А получается при экстраполяции линейной обратно пропорциональной зависимости между А, измеренной при vc и Уц, до пересечения с осью, на которой отложена при VH [1, 3]. Автор работы [31] предложил следующее соотношение между энергией водородной связи и усилением интенсивности -ДЯ = 0.0053Д/1/2, где A!V2 = /] - I]Jel6 - разность квадратных корней из интенсивности полосы v{A - Н) для связанных в Н-комплекс и свободных молекул АН {-АН выра- жена в ккал/моль, I - в см -моль на одну А-Н-связь). Представленная выше пропорциональность охватывает широкий круг систем и интервал энергий. При рассмотрении трёхатомной модели X-H—Z без я-электронов в соответствии с экспериментальными данными показывает, что энергия образования водородной связи приблизительно пропорциональна относительному смещению полосы валентного колебания группы Х-Н, то есть k v0 Для определения Е по вышеприведённому уравнению необходимо знать величину к. Она принимает определённое постоянное значение для данного типа водородной связи в ряду сходных соединений. Численно это значение можно определить из опытных данных.
Неэмпирические (ав initio) методы
На сегодняшний день выполнено большое число работ, посвященных исследованию электронной структуры и реакционной способности молекул с ВВС методами ah initio и DFT, При этом в тех случаях, когда конформации молекул с ВВС и без неё различаются другими (кроме ВВС) специфическими взаимодействиями (квазизицикл с ВВС непланарен), энергия ВВС оценивается не по разности энергий двух конформеров, а отдельно рассчитываются взаимодействия между парами несвязанных атомов для серии конформеров. щ. Обсудим избранные представительные примеры теоретического изуче- ния энергетики ВВС в различных молекулах. Особо отметим работу [70], важную с методологической точки зрения, в которой предложен метод для оценки энергии внутримолекулярных водо родных мостиков, использующий барьеры вращения донорных и/или акцеп торных групп. Процедура успешно протестирована на выборке, включающей различные молекулы, содержащие мостики ОН 0, 0-H" Hal, 0-H N, N- Н" 0, N-H—N и 0-H "S. Сравнение полученных результатов с данными классического метода (Д между открытыми и хелатньгми конформерами) демонстрирует надёжность развитого подхода. Неудача отмечается только для мостиков S- На основе совместного электронографического и ab initio исследования определена молекулярная структура 2,5-дигидрокситерефталевого альдегида [71]. Методом MP2/6-31G(d) установлено строение молекулы 4,6-дигидроксиизофталевого альдегида. В обеих молекулах констатировано значительное внутримолекулярное водородное связывание, проявляющееся в изменениях расстояний 0" Н, О"0 интервалах и структурными изменениями в остальной части молекул. Эти изменения согласуются с представлениями о мезомерном содействии образованию ВВС, и объясняются резонансным образования водородной связи. Водородная связь несколько прочнее в 4,6-дигидроксиизофталевом альдегиде по сравнению с 2,5-дигидрокси-терефталевым альдегидом, и это различие может быть связано с различием во взаимном расположении взаимодействующих формильной и гидроксиль-ной групп в этих молекулах. Для ряда 2-И-гидроксибензолов получена поверхность потенциальной энергии внутримолекулярного переноса протона (ВПП) в основном и возбужденном состояниях.
Авторы работы установили, что ВПП в этом типе соединений сильно зависит от расстояний между кислородными атомами, которые образуют ВВС. Кривые ВПП в основном состоянии для названных соединений содержат единственный минимум, отвечающий нормальной (енольной) форме. Кривые ВПП в возбуждённом состоянии также содержат единственный минимум, расположенный, однако, в области кетоформы. Отсутствует корреляция силы ВВС с барьером передачи протона. Энергия возбужденного синглета 1(п,7Г ) для изученных соединений сильно зависит от мезомерного эффекта заместителя R. Таким образом, это состояние представляет собой первый возбужденный синглет только в случае производных с заместителями R, почти не проявляющими мезомерного эффекта. Процессы ВПП в возбуждённом состоянии - это процессы типа переноса протона, даже в тех случаях, когда конечная форма не имеет элементов цвиттерионного строения. Полученные данные согласуются с результатами фото физических экспериментов [72]. С применением аЪ initio расчётов на различных / ( {Г" "-н уровнях теории вплоть до MP2/6-31+G(d,p) изучена V """Н ВВС в нейтральных, катионных и анионных формах ис-урокановой [ )-3-(19Н-имидазол-49(59)-ил)пропеновой] кислоты [73]. Энергии ВВС оценивались прежде всего для установления близких к линейным зависимостей между энергиями ВВС модифицированных цис-урокановых кислот и малликеновскими порядками водородных связей - электронные плотности в критических точках водородных связей обнаруживают более слабую корреляцию с энергиями ВВС по сравнению с порядками связей - и затем эта зависимость для оценки энергий ВВС в самих цис-урокановых кислотах. Этот метод дает высокие ( 2,86 ккал/моль) энергии ВВС для нейтральных и катионных форм г/ис-урокановой кислоты и очень высокие ( 5.71 ккал/моль) - для анионных в газовой фазе. Влияние сольватации на ВВС в wc-урокановой кислоте учитывалось как с помощью оптимизации супермолекулы вода - кислота методом MP2/6-31G(d), так и расчётами в приближении реактивного поля методом HF/6-31G(d) SCI-PCM (модель самосогласованного изоплотностного поляризованного континуума). Изменения энергии ВВС под влиянием сольватации достигают 7.1 ккал/моль. В водном растворе ВВС в структурах, протонированных по имидазольному фрагменту, ослабевает, в то время как формах, протонированных по карбок-силатной группе, становится более прочной. Сольватация не изменяет оптимальной конформации г/ш урокановой кислоты от водородносвязанной закрытой к открытой. Супермолекулярные и SCI-PCM расчёты дают согласованные изменения прочности ВВС в водном растворе. По-видимому, включения 1-3 молекул воды в непосредственной близости к ВВС достаточно для демонстрации большинства сольватационных эффектов по отношению к ВВС. Показано, что полуэмпирический метод AMI пригоден для нахождения начального расположения молекул воды при ab initio расчётах. Исследована адекватность г/мс-урокановой кислоты как соединения, моделирующего водородной связывание His-Asp в каталитической триаде серинпротеаз. В газовой фазе ВВС в анионной г/ис-урокановой кислоте является низкобарьерной, в отличие от ВВС в нейтральном соединении. В водном растворе, согласно HF/6-31G(d) SCI-PCM расчётам, ВВС как в нейтральной, так и в анионной, ис-урокановых кислотах является низкобарьерной.
Анионная цис-урокановая кислота предложена в качестве экспериментальной модели исходного состояния, а нейтральное соединение - конечного состояния переноса протона в системе His-Asp каталитической триады. В соответствии с ab initio теорией электронной структуры молекул, базирующейся на методе CASPT2 многочастичной теории возмущений, рассчитана функция потенциальной энергии Si (рр ) состояния вдоль пути реакции для внутримолекулярного процесса переноса протона в возбужденном состоянии салициловой кислоты [74]. Метод CIS, включающий однократно возбужденные конфигурации, использован для построения минимально-энергетического пути реакции на синглетной поверхности потенциальной энергии. Результаты показывают особую важность включения динамических электронных корреляционных эффектов процедуру вычисления функций потенциальной энергии фотохимических реакций. Рассчитанные длины волн абсорбции и эмиссии находятся в превосходном согласии с экспериментом. Расчёты предсказывают единственный минимум на S рр поверхности, а не два (енол и кетон) минимума, найденные в результате предыдущих полуэм пирических расчётов. Минимум возбужденного состояния соответствует сдвигу атома водорода только приблизительно на 0.15 А вдоль связи ОН по отношению к равновесному положению в основном состоянии. Таким обра зом, фотофизика салициловой кислоты лучше описывается как процесс коле бательной релаксации возбужденного состояния, чем как перенос атома во дорода. Обнаружено, в наибольший вклад в стоксов сдвиг флуоресценции Л вносит перегруппировка Н-хелатного квазицикла. Посредством ab initio МО расчётов изучено внутримолекулярное связывание F" H в 2-фторфеноле, 2,6-дифтор феноле и 2,3,5,6-тетрафторгидрохиноне. Оптимизация геометрии (MP2/6-31G(d,p)) привела к двум планарным локальным минимумам на поверхности потенциальной энергии, характризующимся различными ориентациями гидроксильного водорода [75]. В конформерах, в которых гидроксильный атом водорода направлен в сторону фтора, расчёты показывают наличие слабой ВВС. Харак-терные изменения пространственных параметров проявляются в удлинении связи C-F, участвующей в водородном связывании, на 0.01 А, в удлинении связи О-Н на 0.003 А, в уменьшении валентного угла С-О-Н на 1, и в наклоне связей C-F и С-0 друг к другу, по сравнению с геометрией родоначальных молекул. Водородные связи укорачиваются в ряду 2-фторфенол 2,6-дифторфенол 2,3,5,6-тетрафторгидрохинон (Сгь) 2,3,5,6-тетрафторгидро-хинон (Сгу), что подразумевает возрастание прочности водородных связей в $ противоположном направлении.
Анализ натуральных связевых орбиталей (nbo)
Важную информацию о характере распределения электронной плотности в молекулах, об участии отдельных фрагментов молекул в её делокализа-ции, в том числе в ходе реакций, даёт анализ натуральных связевых орбита-лей (NBO). Нами NBO-анализ проводился на уровне теории B3LYP/6-311++G(d,p) с помощью программы NBO 3.1 в пакете Gaussian 98W [121]. В своём большинстве органические реакции протекают в жидкой среде. Сильное влияние на электронное строение молекул и реакционную способность веществ оказывают молекулы растворителя. Среда влияет на барьеры и термодинамику образования ВВС. Для описания взаимодействия сольват - сольвент необходимо рас см от- реть природу вкладов [100]. Общую энергию отдельно взятой растворённой молекулы можно представить как сумму Еш = Es + ESi где Eg - энергия изолированной молекулы, Es - энергия сольватации, которая является суммой трёх вкладов: Es — Ее + Ed + Ес. В данном выражении Ее - электростатическая составляющая энергии взаимодействия собственных и наведённых электрических моментов молекулы с диэлектрическим континуумом растворителя, Ed -дисперсионная составляющая, учитывающая ван-дер-ваальсово взаимодействие растворённой молекулы с растворителем, Ес - кавитационная энергия (равна работе образования полости внутри растворителя, в которой размещается растворённая молекула). Для случаев неполярных растворителей и относительно неполярных растворённых молекул Е5 обычно определяется суммой Ес и Ed, и, поскольку эти составляющие имеют противоположные знаки, Es оказывается всегда меньше Ес. При увеличении полярности растворителя резко возрастает роль Ее, которая начинает практически полностью определять Es. Расчёт Ее зачастую проводится в рамках теории реактивного поля Он-загера: Е„ = -mER, где т = }л + аЕц - сумма собственного и наведённого ди-польных моментов системы, ER - так называемое реактивное поле, наведённое молекулами растворителя. При изучении 8-гидроксихинолина и 8-меркаптохинолина эффекты среды прослежены в ходе оптимизации геометрии с помощью метода самосогласованного реактивного поля (SCRF) [122] для растворителей с различными значениями диэлектрической постоянной. Применена модель поляризуемого континуума (РСМ) [123].
При этом подходе молекула растворённого вещества, трактуемая квантовохимически, помещается в полость, окружённую растворителем, рассматриваемым как континуум, характеризуемый своим объёмным свойством (диэлектрической постоянной). Использована стандартная процедура РСМ-расчётов энергий сольватации, исходящая из 60 начальных кубиков на атомную сферу; применялась также модель UAHF с набором атомных радиусов по Полингу [124]. Упомянутый теоретический уро- вень не включает рассмотрение специфических взаимодействий растворитель - растворённое вещество. Получаемые значения энергий сольватации отвечают электростатическим вкладам, играющим, однако, решающую роль в реакциях таутомеризации [125]. Специфическое взаимодействие 8-меркаптохинолина с растворителем (вода) рассмотрено на уровнях теории: B3LYP/6-311++G(d,p), MPW1K/6-3I+G(2d,2p), BH&HLYP/6-3U++G(d,p), G96LYP/6-311++G(d,p). Энергия образования комплексов, содержащих воду, рассчитывались как разность энергий молекул комплекса 8-МХ-НгО и двух отдельных молекул 8-МХ и Н20. С помощью метода SCRF [122] оптимизированы структуры и рассчитаны энергии молекул 8-меркаптохинолина и комплекса 8-меркаптохинолин-Н20 при различных значениях диэлектрической постоянной. Частоты рассчитывались для основных и переходных состояний. В модели Онзагера [126] радиус молекулярной системы растворённого вещества рассчитывался из объёма молекулы для структуры, оптимизированной в газовой фазе. Использовалась также модель поляризуемого континуума (РСМ) [123], аналогично тому, как это сделано для 8-гидроксихинолина. При энергетических оценках (раздел 2.5.1) большое значение имеет суперпозиционная погрешность базисного набора (BSSE). Она учитывалась по балансирующей (counterpoise) коррекционной схеме Бойса и Бернарди [127]: BSSE = [(А)АВ + (В)дв] - [ДА)А + ЦВ)В], где (А)Ав И (В)АВ - энергии изолированных молекул А и В, рассчитанные с полным базисным набором комплекса AB при равенстве нулю зарядов виртуальных атомов, пространственное расположение которых совпадает с таковым в комплексе AB, а Е(А)А и (В)В - энергии отдельных молекул А и В с их собственными базисными наборами. Переходные состояния находили квазиньютоновским методом синхронного транзита путём поиска седловой точки первого порядка между начальной и конечной структурами (STQN) [128]. Для всех переходных состояний устанавливалось наличие мнимых частот [129], и дальнейшее обоснование переходных состояний достигалось расчётом внутренней координаты реакции (IRC) [130], приводящим к соответствующим энергетическим минимумам. Задача нахождения строгой теоретической модели, в рамках которой вписывалось бы рассмотренное полуэмпирическое представление о пути химической реакции, была решена Фукуи [131]. Им было введено понятие внутренней координаты реакции (Intrinsic Reaction Coordinate, IRC), определённой как классическая траектория движения по поверхности потенциальной энергии, которая проходит через седловую точку переходного состояния и отвечает бесконечно медленному сползанию с этой точки в долины реагентов и продуктов. Данная трактовка удовлетворяет классическим уравнениям движения где H - классический гамильтониан; Р,- - момент импульса, соответствующий координате qt. Если координатную систему выбрать таким образом, чтобы кинетическая энергия Т могла быть выражена в форме то указанная траектория совпадает с путём наискорейшего спуска с точки переходного состояния [132]. Условие 17) выполняется для масс-взвешенных координат = тУ2д( с декартовыми координатами qt{x, у, z). От-сюда вытекает размерность ВКР (мол. масса атома) нм и необходимость определять её как минимальный энергетический путь реакции на масс-взвешенной поверхности потенциальной энергии. Интегрируя уравнения (16) при условии РІі = 0 в каждой точке (условие бесконечно малой скорости движения по мнимально-энергетическому пути реакции, определяемого IRC) или применяя некоторые другие приёмы, позволяющие экономить машинное время, вычисляют IRC (приращения #,). Начальной точкой IRC служит седловая точка переходного состояния, которая должна быть найдена независимым способом.
Поскольку градиент энергии в этой точке равен нулю, исходное направление IRC нельзя получить решением уравнений (16), однако оно точно соответствует в этой точке направлению нормального колебания с отрицательной силовой постоянной, то есть направлению переходного вектора. Цель настоящего раздела работы - квантовохимический расчёт сродства к протону (РА) тиофенолят-иона и его замещённых в сопоставлении с величинами рКа тиофенолов, измеренными в водно-ацетоновых, водно-этанольных, метанол ьных растворах, а также установление количественных соотношений рКа vs РА и оценка на этой основе дифференциального вклада сред в протолитические свойства. Ранее в результате исследований научной группы профессора А.Н. Панкратова установлена корректность воспроизведения методами MNDO, AMI и РМЗ важнейших термодинамических, кинетических и молекулярных характеристик [133-158], электроотрицательности, индуктивных и мезомер-ных параметров атомных групп [157, 159, 160] в рядах неорганических, органических, элементорганических и координационных соединениях разных классов. При этом из названных только схема РМЗ дает хорошие результаты по теплотам образования нитросоединений [57, 134] и диметилсульфона [134]. Среди объектов настоящего исследования имеются вещества, молекулы которых содержат группы N02 и SO2. Поэтому нами выбран именно метод РМЗ [56, 57]. С его помощью мы рассчитали теплоты образования (ДЯД энтропии ($), свободные энергии образования (AGJ) серии тиофенолов и анионов, образующихся при их диссоциации, а для электронейтральных молекул - также дипольные моменты (/л). Расчёты проводили в формализме ограниченного метода Хартри - Фока (RHF) [99] по программе из пакета МОР АС [99, 161] с полной оптимизацией геометрии (процедура Бройдена - Флетчера - Гольдфарба - Шанно [106]), применяя алгоритм быстрой минимизации по Тилу [162]. Предварительную оптимизацию осуществляли методом молекулярной механики (процедура ММХ) [163] по программе комплекса PCMODEL [163]. При квантовохими-ческих расчётах задавали условие, чтобы норма градиента не превышала 0.02 ккал/(моль А).
Влияние внутримолекулярной водородной связи на электронное строение молекул с планарным квазициклом
В предыдущей главе нами рассмотрено влияние ВВС на колебательные моды. Колебания ядер в молекуле опосредованы через электронно-ядерные взаимодействия. Поэтому сведения о нормальных колебаниях несут информацию об электронном строении молекул. Однако чтобы получить прямую информацию о влиянии ВВС на электронную структуру молекул, целесообразно изучить перераспределение электронной плотности в молекулах при образовании ВВС. Используя в качестве эталонов (объектов сравнения) конформеры, отличающиеся поворотом связи Х-Н на 180 по сравнению с ротамерами, для которых характерно образование водородносвязанного квазицикла, мы исследовали влияние ВВС на электронное строение молекул с планарным квазициклом, а также соответствующие пара -изомеры. Для замещённых анилина последние служили единственно возможными эталонами. В остальных случаях закономерности влияния ВВС на электронную структуру установлены в основном на основе сравнения с более адекватными эталонами - ротамерами. Результаты, обсуждаемые в настоящей главе, получены ab initio методом HF/6-31 lG(d,p) [58, 99]. Названный уровень теории достаточен для обзора тенденции перераспределения электронной плотности при образовании ВВС в ряду соединений. Объектами исследования (рис. 7) в настоящей главе служили: 1. Малоновый диальдегид (I) и ацетилацетон (II) в енольной форме, тиамалоновыи альдегид (III) в тиоенольной форме. 2. Производные анилина 2-XC6H4NH2: 2-аминобензальдегид (IV, X = СНО), 2-аминобензойная (антраниловая) кислота (V, X = СООН), 2-аминобензоат-анион (VI, X = СОО ), 2-нитрозоанилин (VII, X = N0), 2- из нитроанилин (VIII, X = NO2), 2-аминофенол (IX, X = ОН), 2-метоксианилин (орто-анизидин) (X, X = ОСНз), 2-аминотиофенол (XI, X = SH), 2-метилмеркаптоанилин (XII, X = SCH3), 2-фторанилин (XIII, X = F), 2-хлоранилин (XIV, X = С1), 2-броманилин (XV, X = Вг). 3. Производные фенола 2-ХС6Н4ОН; 2-гидроксибензойный (салициловый) альдегид (XVI, X = СНО), 2-гидроксибензойная (салициловая) кислота (XVII, X = СООН), салицилат-анион (XVIII, X = СОО"), 2-нитрозофенол (XIX, X = NO), 2-нитрофенол (XX, X = NO2), 1,2-дигидроксибензол (пирокатехин) (XXI, X = ОН), 2-метоксифенол (гваякол) (XXII, X ОСН3), 2-гидрокситиофенол (ХХШ, X = SH), 2-метилмеркаптофенол (XXIV, X = SCH3), 2-фторфенол (XXV, X = F), 2-хлофенол (XXVI, X = С1), 2-бромфенол (XXVII, Х = Вг). 4. Производные тиофенола 2-ХСбН48Н: 2-меркаптобензойный (тиоса-лициловый) альдегид (XXVTII, X = СНО), 2-меркаптобензойная (тиосалици-ловая) кислота (XXIX, X = СООН), тиосалицилат-анион (XXX, X = СОО"), 2-нитрозотиофенол (XXXI, X = N0), 2-нитротиофенол (XXXII, X = N02), 2-метокситиофенол (ХХХШ, X = ОСНз), 1,2-димеркаптобензол (дитиокатехин) (XXXIV, X = SH), 2-метилмеркаптотиофенол (XXXV, X = SCH3), 2-фтортиофенол (XXXVI, X = F), 2-хлортиофенол (XXXVII, X = С1), 2-бротиофенол (XXXVIII, X = Вг).
Заряды на атомах молекулярных систем I-XLI, а также эталонных объектов - других конформеров молекул и соответствующих пара-изомеров, получены в рамках анализа орбитальных заселённостей по Малликену [58, 99]. Электронное распределение в молекуле определяет её дипольный момент. Поэтому корректность результатов наших квантовохимических расчётов подтверждается хорошим воспроизведением экспериментальных ди-польных моментов молекул исследуемых и эталонных веществ (таблица 20; рис. 8). Даже для столь своеобразно построенного соединения, как трополон XLI, рассчитанное нами значение момента диполя 3.608 D согласуется с величиной 3.71 D, измеренной вторым методом Дебая в бензоле при 25 С с экстраполяцией данных к бесконечному разведению [172]. Анализ полученных результатов позволил нам сформулировать следующие тенденции влияния ВВС на электронное строение молекул. 1. В молекулах 2-нитроанилина XVIII, 2-метоксианилина X, 2- аминофенола XIV и 2-метоксифенола (гваякола) XXII ВВС приводит к пере носу электронной плотности между непосредственными участниками связы вания, то есть от подвижного атома водорода к протоноакцепторному атому кислорода. К этой же группе соединений можно отнести 2- метилмеркаптотиофенол XXIV, в молекуле которого при образовании ВВС на 0.074 уменьшается заряд на протоноакцепторном атоме серы по сравне нию с конформером без ВВС. 2. В системах I, II, IV-VII, XV-XXI, XXV-XXVII, XLI при образова нии ВВС происходит локальное электронное перераспределение в квазицик- ле. При этом, аналогично п. I, электронная плотность переносится от атома водорода к акцепторному атому-участнику ВВС. Исключение составляет 2-фторфенол XXV, в молекуле которого заряд на подвижном атоме водорода при образовании ВВС практически не изменяется, однако отрицательный заряд на атоме фтора возрастает на 0.021 (6.84 %). В молекуле енольной формы малонового альдегида I при возникновении ВВС значительно увеличивается отрицательный заряд на карбонильном атоме кислорода. Образование ВВС в молекулах 2-аминобенз альдегида IV, 2-аминбензойной кислоты V, 2-аминобензоат-аниона VI, 2-нитрозоанилина VII и 2-нитрозофенола XIX сопровождается перетеканием электронной плотности от NH-протона к атому аминного азота и кислорода, а также от атома углерода (азота нитрозогруппы) к атому кислорода внутри карбонильной (кар-боксилатной) группы или нитрозогруппы.
При возникновении ВВС в 2-броманилине XV на 0.068 (11.7 %) уменьшается отрицательный заряд на атоме азота (по сравнению с лорд-изомером). Аналогично в 2-хлорфеноле XXVI отрицательный заряд на атоме хлора возрастает на 0.041 (83.7 %); на близкую величину (0.036; 13.9 %) увеличивается отрицательный заряд на связанном с хлором углеродном атоме (по сравнению с конформером без ВВС). В молекуле 2-бромфенола XXVII при переходе от конформера без ВВС к водородносвязанному ротамеру отрицательный заряд на атоме брома увеличивается на 0.039 (433 %). В молекулах XVI-XVIII, XX, XXXIX-XLI наблюдается перенос электронной плотности от атома водорода, участвующего в ВВС, к обоим гетероатомам (атому, несущему указанный протон, и атому - протоноакцептору ВВС). При этом для салицилового альдегида XVI характерно увеличение положительного заряда на атоме углерода альдегидной группы и отрицательного заряда на углеродном атоме, связанном с ней. В салициловой кислоте XVII при образовании ВВС имеют место поляризация связи С=0 и возрастание отрицательного заряда на атоме углерода, связанным с карбоксильной группой. Салицилат-анион XVIII характеризуется поляризацией связей кар- боксилатной группы при возникновении ВВС; увеличивается положительный заряд на углеродном атоме в мясо-положении к ОН-группе и отрицательный заряд - на С-атоме, связанном с группой СОО . В случае 2-нитрофенола XX общее для п. 2 тенденция перераспределения электронной плотности в квазицикле не затрагивает атома углерода, к которому присоединена гидроксильная группа. В молекуле пирокатехина XXI при образовании ВВС отмечается возрастание отрицательного заряда на протоноакцеп-торном атоме кислорода на 0.060 (13.8 %). Для 8-гидроксихинолина XXXIX основное изменение электронного распределения затрагивает атом азота, отрицательный заряд которого при образовании ВВС возрастает на 24.0 %. В молекуле 8-меркаптохинолина XL наиболее заметно перераспределение электронной плотности в пределах SH-группы согласно п. 3. 3. Если ВВС образуется с участием связи S-H в молекулах III, XXIII, XXVHI-XXXII, XXXVII, XXXVIII то при этом электронная плотность в ос новном переносится внутри группы S-H от атома водорода к атому серы. В случае 2-гидрокситиофенола XXIII последнее справедливо также в отношении ВВС 0-H" S. Вероятно, такой характер электронного перераспределения в серу содержащих молекулах в значительной степени обусловлено высокой степенью поляризуемости атома серы, мягкостью донорного центра как основания Льюиса [18, 182]. Наряду с отмеченной общей тенденцией, можно указать на частные особенности для некоторых соединений. Так, в тиосалицилат-анионе XXX при образовании ВВС имеет место перераспределение зарядов в карбоксилатной группе.
