Изучение механизма изомеризационной рециклизации методом молекулярной механики

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.

Табл. 1. Раскрытые интермедиаты рециклизации; приведены энтальпии образования (ккал/моль) для X=H и X=COCH3.

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 G0), 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.

Бельский И. Ф., Дорофеенко Г. Н., Простаков Н. С., Шерстюк В. П., Чумаков Ю. И. Гетероциклы в органическом синтезе. Киев: Техника, 1970. С. 108.

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.omsu.omskreg.ru/