Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 6
1.1. Направления превращений илидов серы 6
1.1.1. Реакция Кори-Чайковского 6
1.1.2. Перегруппировки сульфониевых илидов 15
1.1.2.1. Перегруппировка Стивенса 16
1.1.2.2. [2,3]-Сигматропная перегруппировка 18
1.1.2.3. Перегруппировка Соммле-Хаузера 19
1.1.2.4. 1,5-Перегруппировки кетоилидов серы 19
1.1.2.5. Термические реакции сульфониевых илидов 20
1.1.2.6. Необычные превращения сульфониевых илидов 21
1.1.2.7. Взаимодействия сульфониевых илидов с электрофилами 23
1.1.3. Протекание реакции Виттига в случае илидов серы 25
1.1.4. Новая реакция циклизации имидозамещенных кетоилидов серы по типу реакции Виттига 26
1.2. Реакция Виттига в случае илидов фосфора 31
1.2.1. Реакция циклизации NjN-ацилзащищенных кетоилидов фосфора 34
1.2.2. Достоверность исследования свойств илидов расчетными методами 35
1.2.3. Факторы, влияющие на протекание реакции Виттига 36
2. Обсуждение результатов 42
2.1. Особенности структуры илидов серы и продуктов их реакций 42
2.1.1. Выбор квантово-химического приближения для расчета геометрических параметров 43
2.1.2. Влияние имидной группы на особенности строения илидов серы 45
2.1.3. Влияние заместителя в Р-положении на особенности строения илидов 52
2.1.4. Влияние заместителей в малеимидном фрагменте на строение сульфониевых кетоилидов 54
2.1.5. Строение продуктов трансформаций сульфониевых кетоилидов 56
2.2. Влияние особенностей строения М,Ы-ацилзащищенных кетоилидов серы на термодинамическую предпочтительность превращений 71
2.2.1. Уточнение метода расчета термодинамической предпочтительности направлений трансформаций М,Ы-ацилзащищенных сульфониевых илидов 72
2.2.2. Влияние структуры илидов серы на термодинамические предпочтительности реакций их циклизации 74
2.2.3. Влияние строения илидов серы на термодинамическую предпочтительность новой реакции внутримолекулярной циклизации и образования линейных продуктов 79
2.3. Исследование кинетических параметров и особенностей трансформаций малеимидзамещенных сульфониевых кетоилидов 83
2.3.1. Особенности строения интермедиатов и переходных состояний исследуемых реакций 84
2.3.2. Реакционные пути циклизации N-малеилзащищенных илидов серы 90
3. Экспериментальная часть 95
3.1. Оптимизация строения 95
3.1.1. Расчет HESSIAN-a 96
3.1.2. Расчет равновесного строения основных состояний с использованием метода последовательного приближения 98
3.1.3. Расчет равновесного строения переходных состояний с использованием метода последовательного приближения 99
3.2. Конформационный анализ 100
3.3. Расчет полной энергии 101
3.4. Расчет энтальпии реакций 102
3.5. Расчет термических зависимостей свободных энергий реакций 102
3.6. Учет влияния растворителя 103
Выводы 104
- Реакция Виттига в случае илидов фосфора
- Влияние особенностей строения М,Ы-ацилзащищенных кетоилидов серы на термодинамическую предпочтительность превращений
- Исследование кинетических параметров и особенностей трансформаций малеимидзамещенных сульфониевых кетоилидов
- Конформационный анализ
Введение к работе
Разработка методов получения синтетических аналогов природных соединений, проявляющих высокую фармакологическую активность, традиционно является одной из важнейших задач химии. Значительное число таких соединений содержит в своей структуре гетероциклические фрагменты. Поэтому поиск новых и удобных способов синтеза гетероциклических соединений и уточнение механизмов их образования является актуальной задачей.
Одним из методов формирования гетероциклических структур является использование илидов серы и фосфора. В отличие от фосфониевых илидов, превращения илидов серы гораздо более разнообразны и наряду с характерной реакцией Кори-Чайковского включают различные перегруппировки, например Стивенса, Соммле-Хаузера, [2,3]- или [1,5]-сигматропную перегруппировку. При этом взаимодействие сульфониевых илидов с карбонильными соединениями по реакции Виттига подобно илидам фосфора нехарактерно.
Экспериментальными исследованиями установлено, что некоторые N,N-ацилзащищенные кетостабилизированные р-алкилзамещенные илиды серы вступают в неизвестную ранее реакцию внутримолекулярной циклизации с образованием производных метилтиопирролизиндионов с высоким выходом. Образующиеся соединения представляют значительный практический интерес, поскольку являются синтетическими аналогами алкалоидов, проявляющих противоопухолевую, антиконвульсивную или седативную активность.
Строение образующихся продуктов позволяет рассматривать эту реакцию циклизации как аналог реакции Виттига, а основным отличием является сохранение тиометильного фрагмента. При этом реакции Виттига и Кори-Чайковского для указанных илидов не реализуются вовсе, а конкурирующими превращениями являются формирование кетобензоата и линейного сульфида. Причины такого необычного поведения Ы,М-ацилзащищенных илидов серы до сих пор не изучены. Предполагается, что ключевую роль в определении характера образующихся продуктов играют особенности строения кетоилидов, в частности природа NjN-ацильной группы и наличие заместителя в Р-положении илида.
Поэтому целью данной работы являлось изучение методами квантовой химии особенностей механизма циклизации Т^Ы-ацилзащищенных илидов и влияния их строения на предпочтительность того или иного направления превращений.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 гг.»; Научной программой Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы»; при финансовой поддержке Госконтракта №02.438.11.7003 (Федеральное агентство по науке и инновациям РФ) от 19.08.2005.
Реакция Виттига в случае илидов фосфора
Реакция Виттига [107] является широко применяемым способом образования двойной углерод-углеродной связи путем взаимодействия карбонильной группы и фосфониевых илидов. Изучению этой реакции посвящено наибольшее количество теоретических и практических работ, касающихся химии илидов в целом [108-116]. Наиболее изученными и применяемыми в органическом синтезе являются межмолекулярные реакции Виттига, для которых рассматривается несколько механизмов, в том числе и для объяснения наблюдаемой стереоселективности [117, 118]. Особое внимание было уделено в случае фенил-Р-замещенных нестабилизированных илидов ввиду наиболее частого их применения. Предложено несколько постадийных механизмов, включающих такие интермедиа, как ковалентные оксафосфетаны, ионные бетаины или спин-спаренные бирадикалы [37, 117, 118]. Общепринятая модель реакции Виттига [37] включает согласованное одношаговое асинхронное циклоприсоединение илида к альдегиду с формированием оксафосфетана, протекающим через четырехцентровое переходное состояние с ранним образованием связи углерод-углерод, в котором илидный углерод атакует карбонильную группу. Z-оксафосфеганы Б-оксафосфстаны Первый образующийся оксафосфетан имеет аксиальную (апикальную, а) связь Р-О и подвергается псевдовращению с приобретением у продуктов конформации с аксиальной связью Р-С. В результате псевдовращения атом кислорода занимает экваториальное (ё) положение геометрии тригональной бипирамиды, образующейся у атома фосфора. Стоит отметить, что апикальные связи в тригонально-бипирамидальной системе гипервалентного фосфора имеют несколько большую длину и, следовательно, являются менее прочными по сравнению с экваториальной связью. При этом геометрия всех экспериментально описанных оксафосфетанов [37, 50, 119, 120] соответствует правилу апикофильности, согласно которому более электроотрицательный атом кислорода занимает апикальное положение [121].
Исследования механизма реакции Виттига методами квантовой химии показали большую устойчивость первого оксафосфетана и малые величины активационных барьеров обратимого псевдовращения [122, 123]. На данный момент подтверждено существование оксафосфетанов методом ЯМР-спектроскопии Р и признано, что 1,2-оксафосфетаны являются главными интермедиатами в ряде реакций Виттига нестабилизированных фосфониевых илидов и алкенов или кетонов [37, 50, 119]. Также имеются экспериментальные доказательства образования бетаинов [114, 118, 124], которые, видимо, находятся в равновесии с циклическими ковалентными оксафосфетанами. Явление «солевого эффекта» ионом лития обусловлено стабилизацией им данных цвиттер-ионов вплоть до остановки реакции [115]. Для исследования механизмов олефинирования илидами проводилась непрямая реакция Виттига посредством выделения 1,2-гидрофосфониевой соли и последующей обработки основанием [125]. Данная реакция приводит к тем же стереоизомерам олефинов, что и в случае соответствующей прямой реакции Виттига алифатического альдегида и нестабилизированного илида, что подтверждает существование пути от бетаина к 1,2-оксафосфетану, хотя в механизме, предложенному Ведежсом [37], предполагается отсутствие цвиттер-ионного интермедиата. трео-бетаин Z-оксафосфетан R эритро-бетаин Е-оксафосфетан Теоретические исследования реакции Виттига привели доказательства в поддержку приведенного на рисунке механизма, граничащего с двухстадийным [122, 123]. В теоретической работе [122], посвященной изучению особенностей механизма реакции Виттига для нестабилизированного (МезР=СН-СНз), полустабилизированного (Ме3Р=СН-С=СН) и стабилизированного (Ме3Р=СН-C=N) илидов фосфора, описываются результаты расчетов модельных реакций фосфоранов с ацетальдегидом. Данные реакции, согласно расчетам, протекают в три стадии: образование оксафосфетана, его псевдовращение и разложение. Как экспериментальные, так и теоретические исследования показали, что реакционные профили нестабилизированных и стабилизированных типов илидов существенны различны [20, 122, 123]. В первом случае более быстрым является образование оксафосфетанов, и стадией, определяющей суммарную скорость реакции, оказывается разложение оксафосфетанов, тогда как для стабилизированных илидов образование оксафосфетана — наиболее медленный процесс [122, 123]. Разложение второго оксафосфетана происходит одностадийно.
В соответствующем переходном состоянии разрыв связи Р-С оказывается более легким по сравнению с разрывом связи С-0 [122, 123, 126]. При этом было показано, что бетаиновые структуры, образующиеся при разложении второго оксафосфетана, являются не интермедиатами, а переходными состояниями. Легкость разложения оксафосфетана из стабилизированного илида, видимо, может объясняться делокализацией заряда карбаниона в переходном состоянии электроноакцепторной группой [122]. 1.2.1. Реакция циклизации 1Ч,1Ч-ацилзащищенных кетоилидов фосфора Исследованы [130] особенности протекания реакции Виттига в зависимости от строения фосфониевых илидов 109-113, изоэлектронных илидам серы, подвергающихся новой реакции циклизации. Было показано, что в данном случае образование целевых пирролизиндионов 114-118 по реакции Виттига зависит не только от строения фосфониевых илидов, но и условий реакции. Р-Алкилзамещенные илиды 110 и 111 обладают большей реакционной способностью по сравнению с незамещенным аналогом 109. Так, илиды 110 и 111 не удалось выделить в индивидуальном состоянии, поскольку они уже при получении подвергаются циклизации по реакции Виттига с выходом 60%. Илид 109, который можно достаточно легко получить в чистом виде, образует соответствующий гетероцикл 114 с 56%-ным выходом. Показано, что большое влияние на протекание реакции оказывает структура N,N-au,mibHOH группы. Циклизация N-фталилзащищенных илидов 109-111 протекает в течение 12 часов при кипячении в толуоле в отсутствие катализатора с выходом до 60%. В свою очередь, превращения 1,2,3,6-тетрагидрофталимидо- 112 и сукцинимидзамещенного 113 илидов фосфора происходят при более длительном кипячении (200 часов) и при добавлении каталитических количеств, бензойной кислоты с выходами 28% и 19% соответственно [130]. Стоит отметить, что для 4-метил-1,2,3,6-тетрагидрофталимидо- 75 и сукцинимидзамещенного 74 кетоилидов серы продукты реакции внутримолекулярной циклизации также не были обнаружены, что подтверждает зависимость предпочтительности циклизации от строения имидного фрагмента [101, 105].
Влияние особенностей строения М,Ы-ацилзащищенных кетоилидов серы на термодинамическую предпочтительность превращений
Экспериментальные исследования показывают, что выход продуктов реакции внутримолекулярной циклизации Ы,Ы-ацилзащищенных кетоилидов серы значительно увеличивается с ростом температуры [100, 101, 104, 106]. Подобная зависимость выхода метилтиопирролизиндионов от температуры позволяет предполагать, что исследуемая реакция циклизации протекает в условиях термодинамического контроля. В общем случае для рассматриваемых Ы,Ы-ацилзащищенных сульфониевых илидов возможна преимущественная трансформация по пяти направлениям. Однако в соответствии с экспериментальными данными, для рассмотренных илидов серы превалирующими направлениями являются реакции, приводящие к образованию метилтиопирролизиндионов, кетобензоатов или линейных сульфидов [103]. Поэтому при изучении влияния особенностей строения илидов на превалирующие направления их превращений особое внимание было уделено данным реакциям. Также были изучены причины, определяющие отсутствие продуктов реакции Виттига и Кори-Чайковского в случае рассматриваемых сульфониевых кетоилидов. Для определения предпочтительного направления превращений кетоилидов с использованием различных приближений были рассчитаны свободные энергии Гиббса реакций илидов по схемам IA -IE и их зависимость от температуры. При квантово-химическом исследовании часто возникает ситуация, когда метод, достаточно хорошо описывающий геометрию исследуемого соединения, посредственно передает его термодинамические характеристики [141, 142]. Для решения этой проблемы нередко приходится проводить комбинированные расчеты, когда равновесные геометрические конфигурации находят в одном приближении, а термодинамические параметры определяют другим методом. С целью выбора квантово-химического метода, адекватно описывающего термодинамические параметры реакций с точки зрения соответствия эксперименту, для изучаемых превращений сульфониевых илидов 57, 71 были рассчитаны свободные энергии Гиббса реакций и их зависимость от температуры. Расчеты проводили в приближениях RHF/3-21G(d), B3LYP/6-31G(d,p), MP2(fc)/6-31G(d,p), MP2/6-31G(d,p)//MP2(fc)/6-31G(d5p) и MP2(fc)/6-31+G(d,p)// MP2(fc)/6-31G(d,p).
Результаты сравнительного анализа расчетных свободных энергий Гиббса реакций, протекающих по схемам IА - IЕ (рис. 1) при различных температурах, представлены в табл. 10. Судя по расчетным данным, приближения MP2(fc)/6-31 G(d,p) и B3LYP/6-31G(d,p) наилучшим образом воспроизводят экспериментально наблюдаемые результаты для превращений илидов 57 и 71. Действительно, свободная энергия Гиббса реакции / А уменьшается с повышением температуры, и в случае илида 57 выше 110 С становится наименьшей по сравнению с остальными реакциями. Такое соотношение свободных энергий Гиббса указывает на предпочтительность циклизации алкилзамещенного илида 57 при повышенных температурах, а илид 71 преимущественно трансформируется в линейные продукты 81 и 86 (рис. 1). Использование приближения MP2(full)/6-31 G(d,p)//MP2(fc)/6-31 G(d,p)) вместо метода MP2(fc)/6-31 G(d,p) при расчете свободных энергий Гиббса реакций сульфониевых илидов 57 и 71 не дает значительных преимуществ. Зависимости свободных энергий Гиббса от температуры, найденные в приближении RHF/3-21G(d), хуже соответствуют наблюдаемым экспериментальным данным. В этом случае для илида 57 образование продукта циклизации 61 должно превалировать при температурах выше 200 С. Тем не менее, данное приближение хорошо описывает относительные значения свободных энергий реакций внутримолекулярной циклизации, приводящих к продуктам схожего строения. При использовании этого метода показана как меньшая термодинамическая выгодность циклизации илида 71 по сравнению с (3-метилзамещенным аналогом 57, так и незначительная предпочтительность реакций Виттига и Кори-Чайковского. В связи с большим вкладом в структуру сульфониевого илида именно илидной (более 80%), а не иленовой формы (рис. 4), включение диффузных sp-орбиталей в базисный набор могло привести к некоторому улучшению модели. Однако результаты расчетов свободных энергий Гиббса реакций превращений илидов 57, 71, найденные в приближении MP2(fc)/6-31+G(d,p)//MP2(fc)/6-31G(d,p), плохо согласуются с экспериментальными данными. В этом случае превалирующим направлением илида 57 становится образование линейного сульфида 123, а преимущественное образования продукта циклизации 61 должно наблюдаться лишь при 200 С, что не соответствует действительности. Для илида 71, наоборот, наиболее предпочтительной является реакция циклизации по схеме / А, а не формирование линейных продуктов 81, 86 по схемам I D и I Е, что также противоречит наблюдаемым экспериментальным данным. Интересно отметить, что вне зависимости от используемого приближения данные расчетов показывают, что трансформации илидов 57, 71 по реакциям Виттига (схема I В) и Кори-Чайковского, указанной в схеме / С, являются наименее вероятными. При этом образование оксиранов по сравнению с реакцией Виттига является более предпочтительным, что согласуется с известными квантово-химическими [122, 126] и экспериментальными данными [6, 7, 20].
Судя по расчетным данным (табл. 10), приближения MP2(fc)/6-31 G(d,p) и B3LYP/6-31G(d,p) наилучшим образом воспроизводят экспериментально наблюдаемые результаты для превращений илидов 57, 71, при этом образование метилтиопирролизиндионов 61, 76 по схеме IА при повышении температуры становится преимущественным. 2.2.2. Влияние структуры илидов серы на термодинамические предпочтительности реакций их циклизации Анализ строения продуктов реакций Т\[,М-ацилзащищенных сульфониевых илидов показывает, что они разделяются на две группы - Очевидно, что механизмы реакций циклизации по схемам ІА-ІС имеют много общего, однако в условиях эксперимента образование продуктов реакций Виттига и Кори-Чайковского не наблюдается. Причины такого избирательного превращения рассматриваемых илидов серы не вполне понятны. В этой связи проведен сравнительный анализ зависимостей свободных энергий Гиббса реакций циклизации от температуры и строения сульфониевых илидов. Полученные в приближении RHF/3-21G(d) результаты исследования влияния NjN-ацильных групп на поведение кетоилидов 125-131 приведены в табл. 11. По результатам расчетов свободной энергии Гиббса реакций обнаружено, что наиболее характерные для илидов реакции Виттига [107-112] и Кори-Чаковского [5-7, 20] по схемам ІВ и! С независимо от строения NjN-ацильной группы являются термодинамически менее выгодными по сравнению с реакцией циклизации по схеме / А, что соответствует экспериментальным данным о поведении 1Ч,1Ч-ацилзащищенных сульфониевых илидов [103]. Таким образом, образование метилтиопирролизиндионов обусловлено наибольшей термодинамической предпочтительностью. Как следует из табл. 11, для рассмотренных илидов независимо от структуры имидной группы повышение температуры на 175 С приводит к уменьшению свободных энергий Гиббса реакций циклизации в среднем на 25 кДж/моль. Строение имидной группы мало влияет на свободные энергии Гиббса реакций циклизации илидов 125-127, 129-131. Исключение составляет илид 128 с глутаримидным фрагментом, для которого свободные энергии Гиббса реакций циклизации значительно ниже (в среднем на 35 кДж/моль) по сравнению с илидами, содержащими другие имидогруппы. Для изучения влияния стерических и электронных эффектов заместителя в Р-положении на протекание реакций циклизации, с использованием приближения RHF/3-21G(d) рассчитаны зависимости свободных энергий Гиббса циклизации (схемы IА -1С на рис. 14) илидов 131-136 от температуры. Результаты расчетов представлены в табл. 12.
Исследование кинетических параметров и особенностей трансформаций малеимидзамещенных сульфониевых кетоилидов
Согласно рассмотренным схемам превращений, трансформации илидов включают образование продуктов линейного или циклического строения. При этом гетероциклические соединения, образующиеся в результате изучаемых реакций циклизации Ы -ацилзащищенных сульфониевых кетоилидов, имеют большое значение в ряду биологически активных веществ [38, 143]. Однако из возможных вариантов внутримолекулярной циклизации реализуется только реакция, приводящая к метилтиопирролизиндионам. Расчетные данные объясняют это термодинамической предпочтительностью, которая, однако, не является единственным фактором, определяющим превалирующее направление превращений. Поэтому для исследования возможности вовлечения N,N-ацилзащищенных кетоилидов серы в реакции Виттига и Кори-Чайковского изучены особенности механизма их циклизации по различным направлениям. В этой связи в приближении B3LYP/6-31G(d,p) было проведено исследование особенностей механизмов реакций циклизации сульфониевых илидов 131 и 132, приводящих к образованию пирролизиндионов и их метилтио- и эпоксипроизводных, и влияние алкильного заместителя в Р-положении илида на геометрические и термохимические параметры интермедиатов и переходных состояний рассматриваемых реакций циклизации. Согласно литературным данным [20, 37, 100, 122, 123, 126], превращения илидов с образованием оксиранов 172, 194 по реакции Кори-Чайковского, пирролизиндионов 165, 189 по Виттигу и метилтиопроизводных 157, 158 по новой реакции циклизации осуществляются по схемам, приведенным на рис. 21. Судя по результатам экспериментальных исследований [139], новая реакция циклизации оптически активных М,1Ч-ацилзащищенных кетоилидов серы является случаем асимметрического синтеза метилтиопирролизиндионов за счет сохранения хиральности Р-углеродного атома. При этом в ходе реакции циклизации возможно образование стереоизомерных интермедиатов и переходных состояний, отличающихся цис или /77/7я«с-конфигурацией алкильной группы и аниона кислорода относительно плоскости образующегося цикла. Для всех найденных переходных состояний и интермедиатов рассматриваемых реакций внутримолекулярной циклизации илида 131 более предпочтительной оказывается z/иоконфигурация Р-метильной группы и аниона кислорода (рис. 22).
Например, найденная разница свободных энергий Гиббса стереоизомеров транс-бетаинов 208, являющихся интермедиатами реакции Кори-Чайковского, составила 9 кДж/моль. В случае стереоизомеров переходного состояния 215, приводящих к гош-бетаину 210, z/wc-конфигурация алкильной группы и аниона кислорода оказывается на 16 кДж/моль более выгодной по сравнению с трансконфигурацией. Невыгодность транс-положения указанных групп, видимо, обусловлено стерическим взаимодействием между алкильным заместителем в р-положении и кетогруппой имидного фрагмента. Ключевой стадией, определяющей направление превращений илидов, является образование транс- 207, 208 или гош-бетаинов 209, 210. Очевидно, что переход указанных типов бетаинов друг в друга за счет свободного вращения в данном случае невозможен, поскольку образующаяся циклическая система является жесткой. Взаимопревращение гош- и транс-бетаина осуществляется лишь через обратную реакцию образования сульфониевого илида (рис. 23). Циклизация илидов серы 131,132 по реакции Кори-Чайковского Метод B3LYP/6-31G(d,p) позволяет определить строение только переходных состояний 217 и 218. Структуры как промежуточных трансбетаинов 207 и 208, так и переходных состояний их образования 217, 218 и разложения 219, 220 были определены лишь с использованием приближений RHF/6-31G(d,p) и MP2(fc)/6-31G(d,p). В связи с этим термические зависимости свободных энергий Гиббса элементарных стадий реакции Кори-Чайковского были рассчитаны комбинированным способом. Полные энергии участников данной реакции были вычислены методом MP2(fc)/6-31 G(d,p), а колебательная задача решалась в приближении RHF/6-31 G(d,p). При образовании эпоксидов 172 и 194, как и следовало ожидать, происходит сокращение расстояния между взаимодействующими атомами углерода С5 и Си. Так, в случае р-метилзамещенного илида 131, переходного состояния 218, транс-бетаина 208, переходного состояния 220 и оксирана 172 вычисленные методом MP2(fc)/6-31G(d,p) значения указанного межатомного расстояния равны 3,202; 1,900; 1,599; 1,529 и 1,472 А соответственно. Для производных незамещенного илида 132 характерны близкие расчетные значения указанного межатомного расстояния, за исключением самого илида. Данное расстояние в молекуле незамещенного илида 132 в том же приближении равно 3,390 А, и, видимо, наибольшее влияние алкильный заместитель оказывает на первую стадию реакции циклизации. Другие рассматриваемые пути трансформации илидов серы при протекании внутримолекулярной циклизации включают образование гош-бетаинов 209 и 210, дальнейшее разложение которых может осуществляться двумя способами. Реакция Виттига (рис. 25), согласно литературным данным, протекает через стадию псевдовращения с переходными состояниями 221 и 222. Далее из молекул оксатиетанов 211 и 212 через переходные состояния 223 и 224 отщепляется диметилсульфоксид с образованием соответствующих олефинов 165 и 189. электронная пара атома серы занимает исключительно экваториальное положение. Межатомное расстояние С5-С14 в молекуле незамещенного илида 132 в приближении B3LYP/6-31G(d,p) равно 3,552 А, а в случае илида 131 оно составляет 3,342 А, и, по-видимому, наибольшее влияние алкильный заместитель оказывает на первую стадию реакции циклизации. В ходе реакции Виттига значение расстояния С5-С14 хоть и меняется, но его расчетные величины не зависят от наличия алкильного заместителя в 0-положении.
При переходе от переходного состояния 216 к гош-бетаину 209, структуре 221, оксатиетану 211, переходному состоянию 223 и пирролизидиндиону 189 значения межатомного расстояния C5-Ci4 равны 1,751; 1,571; 1,539; 1,477; 1,459 и 1,357 А соответственно. Расчетные длины связи Si6-07 для гош-бетаинов 209 и 210 равны 3,064 А, что существенно превышает среднее значение длины одинарной связи S-O. Расстояние между атомами Si6 и Си в интермедиатах 211, 212 составляет 2,431 А, что также превышает длину одинарной связи S-C (порядка 1.81 А). В результате псевдовращения апикальный атом кислорода становится экваториальным, а илидный атом углерода, наоборот, принимает апикальную ориентацию. При этом длина связи S16-O7 уменьшается, a C14-S16 увеличивается. Так, в структурах 210, 222 и 212, согласно данным приближения B3LYP/6-31G(d,p), расстояние S16-O7 составляет соответственно 2,379, 1,957 и 1,653 А. В свою очередь, длина связи C14-S16 ДЛЯ указанных структур принимает значения 1,837, 1,931 и 2,536 А соответственно. По-видимому, природа заместителя R не оказывает влияния на эту стадию, поскольку приведенные расчетные значения длин связей характерны и для незамещенных производных 209, 221 и 211. Далее происходит разложение оксатиетанов через переходные состояния 223 и 224, структуры которых оказываются малочувствительными к наличию метильной группы в Р-положении, поскольку для них межатомные расстояния С5-О7, 07-Si6 и Si6-Ci4 равны 1,612, 1,640 и 2,527 А соответственно. Согласно полученным данным, величины активационных барьеров большинства стадий изучаемых реакций циклизации не зависят от температуры и природы заместителя в Р-положении. Исключениями являются переходные состояния 215-218, для которых увеличение температуры на 175 С приводит к росту значений свободной энергии активации в среднем на 10 кДж/моль. При введении метильной группы в р-положение илида значения активационных барьеров переходных состояний 215 и 218 снижаются на 12 и 8 кДж/моль соответственно по сравнению со свободной энергией незамещенных аналогов 216 и 217. Расчетные значения свободных энергий Гиббса переходных состояний, интермедиатов и продуктов рассматриваемых реакций внутримолекулярной циклизации относительно илидов 131 и 132 приведены на рис. 27 и 28. В настоящее время в литературе нет данных относительно величин активационных барьеров реакции Кори-Чайковского для кетоилидов серы.
Конформационный анализ
При изучении свободных энергий Гиббса реакций требуется использовать термохимические параметры наиболее устойчивых конформеров молекулы (глобальных минимумов). При проведении первоначального конформационного анализа в приближении RHF/3-21G(d) изучалась зависимость энергии молекул от значений соответствующих торсионных углов при свободном вращении молекулы вокруг одинарных связей. Первоначально находили равновесную геометрическую конфигурацию одного из предполагаемых конформеров соединения. Полученную устойчивую структуру из файла xl.gms вставляли в файл x2.dat с тем же набором ключевых слов, что и в файле xl.dat. Далее в Z-матрице файла x2.dat изменяли один из торсионных углов с шагом 30 или 60 в зависимости от гибридизации атомов, между которыми происходит свободное вращение, и проводили оптимизацию геометрии. Если полученная равновесная геометрическая конфигурация обладала значительно более высоким значением полной энергии по сравнению с другими, то структуры с данным торсионным углом далее не рассматривались ввиду их малой вероятности. Из нескольких возможных структур исследуемых соединений выбирались наиболее выгодные, которые далее были использованы для проведения конформационного анализа в более точных приближениях. Для этого строение конформеров с небольшой энергетической разностью была использована в качестве исходных структур. При нахождении равновесного строения использовались следующие серии последовательных расчетов: RHF/3-21G(d) - B3LYP/6-31G(d,p) и B3LYP/6-31G(d,p) - MP2(fc)/6-31G(d,p). При поиске равновесных геометрических конфигураций сульфониевых илидов и их продуктов, замещенных различными группами, в качестве исходных использовались найденные наиболее устойчивые конформеры структурных аналогов. В необходимых случаях по аналогии изучались зависимости энергии соединений от торсионных углов при вращении заместителей. 3.3. Расчет полной энергии Вычисление полной энергии в неэмпирических методах с использованием геометрий, найденных в MP2(fc)/6-31G(d,p), проводилось в следующих приближениях: МР2/6-31 G(d,p), MP2(fc)/6-31+G(d,p) и MP2/6-31+G(d,p). Для этого во входном файле x.dat в группе $CONTRL указывается ключевое слово: RUNTYP=ENERGY.
При проведении расчетов в приближении МР2 во входном файле x.dat в группе $CONTRL указывается ключевое слово MPLEVL=2. Для проведения расчетов полной энергии в приближении MP2/6-31G(d,p), учитывающей электроны остова внутренних оболочек, добавлялось в группу $МР2 ключевое слово NCORE=0. В случае включения в базисный набор диффузной орбитали для «тяжелых» атомов в группу $BASIS добавлялось ключевое слово DIFFSP=.T. Значение полной энергии (Е) приводятся в атомных единицах измерения (1 а.е. = 1 Хартри = 2626 кДж/моль) и находится в выходном файле x.gms: TOTAL ENERGY = -75.5859597564 3.4. Расчет энтальпии реакций Энтальпия реакций (в кДж/моль) рассчитывалась по уравнению: AHr298 = (AEr) 2626 + ArZPE Значение энергии нулевых колебаний (ZPE) приводится в различных единицах измерения и находится в выходном файле x.gms, например: THE HARMONIC ZERO POINT ENERGY IS (SCALED BY 1.000) 0.021774 Hartree/molecule 4778.738054 cm -l/molecule 13.663111 kcal/mol 57.166458 kJ/mol 3.5. Расчет термических зависимостей свободных энергий реакций Свободные энергии реакций находятся по уравнению Гиббса: А г- 298_Лтт298 т Л С 298 „„„ AGr =АНГ - Т ДЬГ , где AGr298 - свободная энергия Гиббса реакции, кДж/моль АНГ298 - энтальпия реакции, кДж/моль ASr298 - энтропия реакции, Дж/моль-К. Для расчета свободных энергий Гиббса реакций и перевода всех единиц измерения в кДж/моль применяется конечное уравнение: AG298r = (AEr) 2626 + AZPEr - (T AS298r)/l 000 По умолчанию значения ZPE и энтропия вычисляются для стандартных условий (при давлении 760 мм рт.ст. или Р = 1.01325Е+05 PASCAL и 298 К) и не являются откалиброванными (SCALE FACTOR = 1). Следовательно, для точного описания необходимо величины энергии нулевых колебаний и энтропии умножать на соответствующий поправочный множитель, значение которого зависит от применяемого приближения [149]. С целью исследований термических зависимостей свободных энергий Гиббса реакций необходимо найти зависимость энтропии соединений от температуры. Для этого при расчете Hessian-a задаются требуемые значения температур, например: Полученные значения энтропии при заданной температуре находятся после строки типа: Далее необходимо использовать полную (в строке TOTAL) энтропию в соответствии с используемыми единицами измерения, поскольку в gms-файле приводятся величины в Дж/моль-К или кал/моль-К. 3.6. Учет влияния растворителя Учет влияния растворителя методом РСМ [150-152] проводили в приближении B3LYP/6-31G(d,p). Для этого во входной файл x.dat вставляется равновесное строение молекул исследуемых соединений, найденное в приближении B3LYP/6-31G(d,p) в газофазных условиях, и проводится оптимизация по пункту 2.1.2. с введением группы $РСМ: Проведение расчетов в среде толуола проводился для наибольшего соответствия экспериментальным условиям.
Для учета неспецифической сольватации необходимо брать значения полной свободной энергии, которая приводится в атомных единицах или ккал/моль, например: 1. Квантово-химическими методами в различных приближениях исследованы особенности строения и превращений кетостабилизированных М,№ацилзащищенных Р-замещенных сульфониевых илидов. Показано, что приближения B3LYP/6-31G(d,p) и MP2(fc)/6-31G(d,p) наиболее адекватно описывают геометрические параметры и предпочтительные направления превращений исследуемых сульфониевых илидов с точки зрения соответствия экспериментальным данным о строении и реакционной способности илидов. 2. Природа и наличие заместителя в р-положении илида оказывает значительно большее влияние на изменения строения кетоилидов серы, чем М,К-ацильный фрагмент. Введение заместителя в Р-положение способствует протеканию реакции циклизации за счет сближения реагирующих в ходе циклизации углеродных атомов и увеличения устойчивости конформеров с синклинальной ориентацией атома азота имидогруппы и илидного атома углерода. 3. Сравнением расчетных значений свободных энергий Гиббса исследуемых реакций установлено, что превалирование реакции циклизации кетоилидов над образованием продуктов линейного строения может быть достигнуто за счет введения алкильной группы в Р-положении илидов, увеличения температуры и ароматичного характера цикла ]М,М-ацильной группы. Предпочтительность формирования ациклических продуктов мало зависит от температуры, а реакции Кори-Чайковского и Виттига в случае 1 Г,№ацилзащищенных илидов серы являются термодинамически не выгодными. Найденные соотношения свободных энергий Гиббса рассмотренных реакций на качественном уровне хорошо согласуются с результатами экспериментальных исследований. 4. Судя по результатам исследований механизма реакций циклизации, проведенным в приближениях B3LYP/6-31G(d,p) и MP2(fc)/6-31G(d,p), наличие метильного заместителя в р-положении илида снижает величины энергии активации образования промежуточных бетаинов. Температура и учет сольватации методом РСМ не влияют на значения активационных барьеров.
