Квантово-химическое изучение механизмов реакций присоединения нитробензофуроксанов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

На правах рукописи

005045638

Стегленко Дмитрий Владимирович

КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМОВ РЕАКЦИИ ПРИСОЕДИНЕНИЯ НИТРОБЕНЗОФУРОКСАНОВ

02.00.04 - физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

- 7 И10 г! 2012

Ростов-на-Дону - 2012

005045638

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте физической и органической химии Южного федерального университета.

Научный руководитель: кандидат химических наук, доцент

Клецкпй Михаил Ефимович

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

кафедры физической и коллоидной химии Южного федерального университета Луков Владимир Викторович

кандидат химических наук, старший научный сотрудник Южного научного центра РАН Левчепков Сергей Иванович

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН (ИОХ РАН)

Защита состоится «28» июня 2012 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.208.14 при Южном федеральном университете по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 194/2, Научно-исследовательский институт физической и органической химии, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в зональной научной библиотеке Южного федерального университета по адресу: 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан « ^ » мая 20'2 года. Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.208.14,

Доктор химических наук

Морковник А.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одними из наиболее успешных синтетических подходов, направленных на получение новых карбо- и гетероциклов, являются интенсивно изучаемые в последние годы реакции полярного циклоприсоединения с участием высоко электронодефицитных нейтральных гетероароматических электрофилов.

Недавнее количественное определение электрофилыюй активности ряда подобных систем1 показало, что, например, динитробензофуроксан (ДНБФ) по электрофилыюй силе значительно превосходит катионы 2,4-динитрофенилдиазония и тропилия. В результате за динитробензофуроксаном и его производными в отечественной2 и зарубежной3 литературе закрепился термин «суперэлектрофилы».

Известно3, что одним из факторов, ответственных за их суперэлектрофильные свойства, является низкая ароматичность карбоцикла. Вследствие этого, такие системы могут не только вступать в реакции нуклеофильного присоединения и замещения, но и участвовать в процессах [2+4] циклоприсоединения как с нормальными электронными требованиями (НЭТ) в качестве алкенов, так и с обращенными электронными требованиями (ОЭТ) в качестве гетеродненов.

К настоящему времени движущие силы реакционной способности Ы-оксидов нитробензоксадиазолов и механизмы реакций циклоприсоединения остаются мало исследованными. Поэтому прогноз реакционной модели на основе надежных дескрипторов реакционной способности, а также детальное квантово-химпческое изучение механизмов реакций с их участием, будет способствовать выявлению более тесных связей между суперэлектрофильностыо и перициклической активностью и, следовательно, более глубокому пониманию механизмов реакций с участием таких систем.

Цель работы. Главной целью работы было систематическое квантовохимическое ОРТ- и аЪ тШо (с учетом теории возмущений Меллера-Плессета) исследование реакций полярного циклоприсоединения к л- дефицитным ароматическим электрофилам N02 М02

N гг^Ц^Ч

О I 1° I' II Г Г.М

-о-и^У^ -о-нЬг

0-м ° ь-м О-М

ДНВО НБДФ НБФ НФТП

(динитробензофуроксан) (нитробензодифуроксан) (нитробенэофуроксан) (нитрофуроксанотераэолопирицин)

высокоактивных диенов и алкенов:

О НзСО-Л^ОЭКСНзЬ ОО

ЦП дД инден

(цикпопентадиен) Сдиен Данишевского")

При этом решались следующие задачи: 1) установление влияния степени полярности реагирующих систем на механизм реакции циклоприсоединения в целом; 2) выявление

1 Мауг Н., Kempf В., Ofial A.R. л-Nucleophilicity т Carbon-Carbon Bond-Forming Reactions // Accounts of Chemical Research, 2003, Vol. 36(1), P. 66-77.

2 2. Хмельницкий Л.И., Новиков С.С., Годовикова Т.Н. Л'шп/я фуроксапов. Реакции и применение. N1.: Наука, 1996. 430 с.

3 Buncel Е., Terrier F. Assessing the Superetectrophilic Dimension Through tr-Complexalion, S.yir ami Diels-AUer reactivity// Organic & Biomolecular Chemistry, 2010. Vol. 8(10), P. 2285-2308.

\

факторов, определяющих предпочтительность конкурирующих ОЭТ [4+2]4 - и НЭТ [2+4]4 -процессов циклоприсоединения и термодинамическую стабильность соответствующих циклоаддуктов; 3) поиск структурных факторов, управляющих формированием и устойчивостью цвиттерионных а- комплексов.

Цель работы достигалась в результате анализа глобальных и локальных дескрипторов реакционной способности, детального изучения механизмов указанных взаимодействий как в газовой фазе, так и в растворах, и сопоставления полученных расчетных и экспериментальных данных.

Научная новизна. В представленной работе впервые систематически с помощью ОРТ и аЪ тШо расчетов (в газовой фазе и растворах) изучен механизм важнейших полярных реакций циклоприсоединения. Детально исследованы их минимальноэнергетические пути; впервые обнаружены ранее неизвестные предреакционные комплексы, во всех случаях предшествующие формированию ковалентных связей.

Показано, что при переходе от газовой фазы к раствору последовательность отдельных стадий реакций циклоприсоединения сохраняется. Для всех нитробензоксадиазолов впервые выявлен постадийный путь циклоприсоединения, который ведет вначале к образованию ОЭТ [4+2] циклоаддукта (циклопентадиен реагирует как алкен), и лишь затем в результате 3,3- сигматропной перегруппировки к НЭТ [2+4] циклоаддукту.

Впервые систематически проведено сопоставление энергетических характеристик минимально-энергетических путей реакций (МЭПР) и индексов реакционной способности Парра. Установлено, что как активационные, так и термодинамические характеристики изученных реакций хорошо коррелируют с количественными параметрами полярности реагирующих систем.

Для реакции циклоприсоединения дД к НБДФ впервые установлен постадийный механизм. С помощью ВЗЬУР/б-310* расчетов было показано, что на одной из стадий реакции формируется цвиттернонный интермедиат, который впоследствии замыкается в соответствующие диастереомерные [2+4] циклоаддукты. По данным расчетов, циклоприсоединение дД к НБДФ является одним из самых быстро протекающих процессов для бензофуроксановых суперэлектрофилов. Образование важнейших интермедиатов, обнаруженных нами в ходе квантово-химических расчетов ППЭ реакций циклоприсоединения, было экспериментально доказано методами низкотемпературного ЯМР мониторинга. Только для системы ДНБФ/инден весь процесс протекает в одну стадию, где конечным продуктом реакции является исключительно ОЭТ [4+2]-цнклоаддукт. Для всех других систем также впервые был выявлен постадийный механизм полярного циклоприсоедиенения.

Практическая значимость. Изученные в диссертационной работе системы позволяют расширить представления о реакционной способности широко исследуемых в настоящее время производных нитробензофуроксанов, проявляющих широкий спектр биологической активности и представляющих интерес для медицинской химии. Фуроксаны

4 Здесь и далее реакции циклоприсоединения, в которых суперэлектрофил выступает в качестве алкена, будут обозначаться как [2+4], а реакции, в которых он реагирует как гетеродиен - как [4+2] процессы.

являются экзогенными источниками оксида азота NO, играющего ключевую роль в регуляции важнейших метаболических процессов 5 б.

Классификация исследуемых систем в единой шкале электрофильности выявляет фундаментальную связь между степенью полярности реакции и ее механизмом, что позволяет с высокой степенью достоверности прогнозировать механизмы и стереохимические результаты реакций с участием нитробензофуроксанов.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на международных конференциях по теоретической и экспериментальной химии (г. Караганда, 2006 г.), на конференциях студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН (Ростов-на-Дону, 2007, 2008 г.г.), международных семинарах по магнитному резонансу (спектроскопия и томография, Ростов-на-Дону, 2008 г.) и международных конференциях по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов для изучения окружающей среды (Ростов-на-Дону, 2009 г.).

Основное содержание диссертации опубликовано в 4 статьях в российских и зарубежных журналах и 7 тезисах докладов.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора (глава 1), экспериментальной части (глава 2) и обсуждения результатов (глава 3), выводов и библиографии. Объем диссертации - 123 стр., включая 19 таблиц и 48 рисунков. Библиография насчитывает 175 ссылок.

Работа выполнялась в соответствии с планами НИР НИИ ФОХ ЮФУ, при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 07-03-92173-НЦНИ_а), Министерства образования и науки Российской Федерации (проект АВЦП РНП ВШ 3.7.11) и Президента Российской Федерации (проект НШ-3233.2010.3). Квантово-химические расчеты проводились с использованием суперкомпьютерного центра НИИ ФОХ ЮФУ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Классификация изучаемых систем в рамках единой шкалы электрофильности и оценка их степени полярности

В последнее время для классификации диенов и диенофилов используется единая шкала индексов электрофильности м, предложенная Парром7. В соответствии с этой моделью, полярная природа реакций ДА может быть оценена из разности До) индексов глобальных электрофильностей двух реагентов, где высокие значения индекса к> характеризуют систему как сильный электрофил, а низкие значения ю характерны для нуклеофилов. Так, можно ожидать, что реакция, включающая диен и диенофил, расположенные в разных концах шкалы со, будут протекать по высокополярному механизму и, возможно, даже с преобладанием чисто ионной реакции ДА. Аналогично реакция, которой соответствует малое значение Аса, должна быть прототипом неполярного процесса. На рис. 1 приведены значения индекса и для различных систем, способных участвовать в реакциях полярного циклоприсоединения.

5 Cerecetto H., Porcal W. Pharmacological Properlies of Furoxans and Benzofuroxans: Recent Developments II Mini Reviews in Medicinal Chemistry, 2005. Vol. 5(1), P. 57-71.

6 Григорьев H.Б., Граник В.Г. Оксид азота (NO): Новый путь к поиску лекарств. М.: Вузовская книга, 2004. 360с.

' Parr R.G., Szentpály L., Liu S. Eleclrophilicity Index II Journal of the American Chemical Society, 1999. Vol. 121(9), P. 1922-1924.

"О-,

N; /,

O'N НБФ

и =4.15

О

Цп

N

N*

"°-N* I, O'N

НБДФ

ш = 4.80

О

О" Цп

м = 0.83

-nN ' О

"°-N*' Il

O'N Цп

НФТП m = 0 83

o) = 5.13

Дм = 3.32

V

-O-I

К' Il

O-N

N

0 N*

O"

(H3C)3Si-0

До) = 3.97

CH,

Дш = 4.30

V

НБДФ

со = 4.80

дД

(диен Данишеаского) о) = 0.64

J.0

Дш = 4.16

"O-NТ

b'N О" ДНБФ ш = 5.46

Дю = 4.54

СО

инден

m = 0.92

Рисунок 1. Индексы глобальной электрофильности ю и полярность изучаемых реакций, оцененная как До (все значения указаны в эВ).

Оценим и сравним теперь степень полярности, как Дш, в системах НБФ/Цп, НБДФ/Цп, НБДФ/дД, НФТП/Цп и ДНБФ/инден. Так, величина Дш, демонстрируемая системой НБФ/Цп, составляет 3.32 эВ, для системы НБДФ/Цп величина Дю = 3.97 эВ, а в системах НБДФ/дД, НФТП/Цп и ДНБФ/инден эти показатели равны 4.16 эВ, 4.30 эВ, и 4.54 эВ, соответственно. Таким образом, в случае НБФ, как наименее электрофильной системы,можно утверждать, исходя из величины Дш, что реакция будет являться прототипом неполярного процесса циклоприсоединения. В то же время, реакции циклоприсоединения для остальных систем можно охарактеризовать как высокополярные.

Высокополярный характер, предсказываемый значениями индекса электрофильности ш для реакций ДА с участием ДНБФ, НФТП, НБДФ и НБФ как электрофилов с одной стороны и Цп, дД и инден с другой, предполагает, что региохимия направленного циклоприсоединения полностью определяется значениями индексов локальной электрофильности и нуклеофильности сц* и tût".

О 0 09

10 31 1'20ГрЦ10 40 4JJ0 45

07,O'N021 О-

0.36 0.23

0.13/- , \\

(H3C)3Si—о

СНз

0 05< 0.20

О 02 -' МО

Цп дД инден

Рисунок 2. Локальные дескрипторы реакционной способности исследуемых «суперэлектрофилов» - сок+ и нуклеофилов - (все значения указаны в эВ).

Из определения индекса шк следует, что энергетически наиболее выгодным процессом будет являться взаимодействие с атомом субстрата, обладающим наиболее высоким значением индекса электрофилыюсти <вк+ для случая нуклеофилыюй атаки и индекса нуклеофильности юк" для случая электрофилыюй атаки. При этом высокая асимметрия в распределении индексов шк подразумевает также и высокую степень асинхронности и асимметричности в соответствующих переходных состояниях процессов формирования связей.

Как следует из данных, представленных на рис. 2, наиболее сильное взаимодействие в системе НБФ/Цп, следует ожидать для атомов С7(шк+ = 0.82) и С1(юк" = 0.28), а в системе НБДФ/Цп для атомов С5(сок+ = 1.08) и С1(о)к" = 0.28), а также для атомов С4(шк+ = 1.05) и С1(шк" = 0.28) в системе НФТП/Цп. В случае реакции НБДФ/диен Данишевского наиболее сильно будут взаимодействовать атомы С5(юк+ = 1.08) и С4(щк" = 0.26). При этом для системы ДНБФ/инден можно ожидать два канала реакции, поскольку ДНБФ содержит два нитроэтиленовых фрагмента. Однако распределение индексов локальной реакционной способности показывает, что наиболее сильное взаимодействие должно реализовываться между атомами C7(cok+ = 1.20) и С2(шк" = 0.25).

Асимметрия в распределении индексов юк в нитроэтиленовом фрагменте благоприятствует двухцентровому взаимодействию, что отвечает случаю стандартной SNAr атаки с возможным образованием стабильных а- комплексов. Уменьшение асимметрии распределения юк в нитроэтиленовом фрагменте (но с сохранением общей высокой степени активации относительно других структурных фрагментов) будет способствовать увеличению перициклической активности как за счет уменьшения асимметричности соответствующих переходных состояний (четырехцентровое взаимодействие), так и за счет дополнительного ощутимого энергетического выигрыша при циклизации соответствующих цвиттерионных интермедиатов.

2.1 Взаимодействие НБДФ и циклопептадиена

Ранее было установлено, что взаимодействие НБДФ с Цп приводит к образованию [2+4] циклоаддукта8. Данные *Н и 13С ЯМР-спектроскопии, а также РСЛ показали, что экспериментально выделяемый продукт является результатом НЭТ процесса циклоприсоединения (нитроэтиленовый фрагмент НБДФ выступает в качестве диенофила). При этом сама реакция циклоприсоединения является высоко диастереоселективной и приводит к образованию исключительно эндо [2+4] циклоаддукта. Кроме того, последующее изучение реакционной способности НБДФ9 показало, что для этой системы, в отличие от ДНБФ, не свойственно образование анионных а- комплексов. Для выявления деталей механизма взаимодействия НБДФ и Цп мы предприняли B3LYP/6-31G* расчеты.

Результаты DFT расчета для газовой фазы показали, что взаимодействие НБДФ и Цп, ведущее к термодинамически стабильному и экспериментально выделяемому эндо [2+4] аддукту 4, протекает в три этапа: 1) предварительное образование молекулярного предреакционного jr-комплекса (ПРК 1) с переносом заряда; 2) прохождение через

Kurbatov S.V., Goumont R., Marrot J., Terrier F. The nilrooleftnic behavior of 4-nHrobenzodifuroxan. Tetrahedron Letters, 2004. Vol. 45(5), P. 1037-1041.

Kurbatov S.V., Goumont R., Lakhdar S., Marrot J., Terrier F. 4-Nitrobenzodifuroxan: a highly reactive nitroolefm in Dieh-Alder reactions. Tetrahedron, 2005. Vol. 61(34), P. 8167-8176.

высокоасинхронное переходное состояние ПС 6 с последующим образованием эндо [4+2] циклоаддукта 3; 3) перегруппировка 3 в эндо [2+4] циклоаддукт 4 через переходное состояние ПС 7, схема 1.

Схема 1

ПРК 5

2 экзо [2+4] циклоаддукт

Исследование МЭПР между НБДФ и Цп, начинающегося в предреакционном комплексе (ПРК 1), позволило определить геометрические характеристики переходного состояния ПС 6, относящегося к атаке Цп нитроолефинового фрагмента НБДФ. Активационный барьер данного процесса, который ведет к образованию эндо [4+2] циклоаддукта 3, составляет 12.3 ккал/моль.

Расчеты показали, что переходное состояние ПС 7 соответствует перегруппировке 3 в 4 по механизму [3,3] сигматропного сдвига. Активационный барьер для данного процесса в газовой фазе довольно высок и составляет 27.0 ккал/моль.

Рисунок 3. Энергетический профиль реакции НБДФ/Цп. Сплошная линия соответствует газофазному процессу, пунктирная - процессу в дихлорметане.

Получив расчетные данные о глубоком минимуме, отвечающем на ППЭ интермедиату, мы попытались зафиксировать его образование методом ЯМР. Смешивание в ампуле ЯМР эквивалентных количеств ДНБФ и Цп и последующий мониторинг реакционной смеси показал, что в растворе отчетливо фиксируются сигналы как структуры 3, так и 4. Преобладающие первоначально после смешивания (10 мин.) по интенсивности сигналы 3 в течение нескольких часов исчезают, а концентрация 4, соответственно, вырастает. Рассчитанный по данным ЯМР спектроскопии барьер перехода 3 —► 4 составляет 26 ккал/моль.10

Мы уточнили относительную стабильность как двух цнклоаддуктов 3 и 4, так и всех стационарных точек, обнаруженных ранее, проведя дополнительные расчеты методом HF/6-31G*. Расчеты ab initio показали, что циклоаддукт 4 на самом деле стабильнее, чем 3, на 5.1 ккал/моль, что полностью согласуется с экспериментальными данными. В то же время, результаты по относительной стабильности всех остальных структур на качественном уровне остались аналогичными тем, что были получены с помощью расчетов DFT. Кроме того, следует отметить очень хорошее соответствие между данными РСА и геометрическими характеристиками эндо [2+4] циклоаддукта 4, полученными из B3LYP/6-31G* расчета (рис. 4).

Рисунок 4. Геометрические характеристики эндо [2+4] аддукта 4 согласно B3LYP/6-31G* расчетам (я) и данным РСА" (А). Длины связей указаны в ангстремах, валентные углы в градусах.

Известное эмпирическое правило Альдера утверждает, что реакция, в которой реализуется эндо ориентация в паре диенофил/днен, характеризуется более низким энергетическим барьером, чем реакция с экзо ориентацией реагентов. Чтобы подтвердить предпочтительность атаки Цп в эндо ориентации, были проведены расчеты, моделирующие подход Цп в экзо ориентации относительно группы NO2 в молекуле НБДФ. Полученные данные показывают, что на начальной стадии формируется предреакционный комплекс ПРК 2 с энергией стабилизации 3.1 ккал/моль.

Далее было обнаружено переходное состояние ПС 8, которое соответствует непосредственному образованию экзо [2+4] циклоаддукта 5 (рис. 3). Интересно, что

10 ЯМР эксперимент выполнен A.B. Татаровым. " РСА проведен в ИНЭОС РАН.

(Я)

(ft)

активационный барьер такого полярного циклоприсоединения равен 15.1 ккал/моль, что, как и ожидалось, на 2.8 ккал/моль больше, чем аналогичный процесс, ведущий к образованию [4+2] аддукта 3. Последний результат принципиально важен для оценки корректности проведенных нами расчетов. Если бы в действительности процесс циклоприсоединения протекал не постадийно, как следует из проведенных нами расчетов, а синхронно, как стандартная реакция [2+4] циклоприсоединения, то результатом мог бы быть только продукт экзо присоединения 5, а не экспериментально выделенный эндо продукт 4.

Расчеты в дихлорметане не обнаружили каких-либо заметных изменений, как в энергиях, так и в геометрических параметрах найденных стационарных точек, за исключением ощутимой стабилизации полярных переходных состояний. Однако, в целом схема реакции, установленная для газовой фазы, остается неизменной.

Итак, проведенные расчеты показали, что реакция циклоприсоединения Цп к НБДФ протекает с относительно низкими активационными барьерами и характеризуется высокоасинхронными переходными состояниями, а конечным продуктом реакции является НЭТ [2+4] циклоаддукт. Все эти факты согласуются с высокой полярностью, оцененной как Дсо, и распределением tot в нитроэтиленовом фрагменте НБДФ.

2.2 Система НБДФ/днен Данншевского 2.2.1 Взаимодействие НБДФ и цис- диен Данншевского

Предыдущее исследование показало, что реакция взаимодействия НБДФ и Цп протекает как высокополярный процесс. Сама реакция циклоприсоединения является концертной, асинхронной и вначале развивается как ОЭТ процесс ([4+2]- циклоаддукт), а завершается экспериментально выделяемым НЭТ [2+4] циклоаддуктом. Все эти процессы протекают не через цвитгерионный интермедиат, а через полярные переходные состояния.

В этой связи возникают вопросы: 1) можно ли провести реакцию циклоприсоединения через термодинамически устойчивый интермедиат; 2) какое влияние окажет переход к дД (высоко л- избыточному диену, содержащему я- донорные метокси- и силилокси- группы) на тип перициклической активности (НЭТ или ОЭТ) ?

Схема 2

O-N'

2 1 О"

Ч Ч

CK

о.

м*4

;Ö

N

О

'1*

О"

N

"МеО ■ ß

cN

N*

О'

МеО

ПРК 9

osiMe3 12

эндо [2*4]циклоаддукт

НБДФ

(Me)3Si—О

ДД

Me,SiO'

OSiMe3 13

экю [2+4]циклоадцукт

Эту возможность, очевидно, может представить полярное циклоприсоединение с экстремальными донорно-акцепторными характерами обоих партнеров, например, как в случае взаимодействия дЦ и НБДФ. Мы провели квантово-химическое исследование механизма этого взаимодействия с помощью метода DFT, схема 2.

По данным расчетов в базисе B3LYP/6-31G* образование каждого из двух аддуктов (12 и 13) может протекать по двум трехстадийным каналам. Первая стадия соответствует формированию метастабильных молекулярных комплексов по типу комплексов с переносом заряда (КПЗ), обозначенных как ПРК 9 и ПРК 10. В ацетонитриле ПРК 9 и ПРК 10 стабилизированы на 1.6 и 3.7 ккал/моль соответственно.

Различная взаимная ориентация реагентов в ПРК 9 и ПРК 10 сохраняется и на второй стадии, когда каждая из систем трансформируется в структуры ПС 14 и ПС 16 соответственно. Активационные барьеры таких процессов достаточно низкие и составляют 3.1 и 4.0 ккал/моль.

Градиентный спуск вдоль переходного вектора в направлении продуктов реакции выявил два минимума на ППЭ, которые в дальнейшем были охарактеризованы как цвиттерионные интермедиаты Л„„,„ 11а и А„,„ lib. Обе структуры на самом деле являются различными конформациями одного и того же цвитгериона. Энергия стабилизации интермедиатов 11а и lib, согласно данным расчетов в ацетонитриле, составляет 14.2 ккал/моль и 12.5 ккал/моль соответственно.

Детальное изучение ППЭ обнаружило соответствующие переходные состояния ПС 15 и ПС 17, которые принадлежат МЭПР внутримолекулярной циклизации цвиттерионов А,„„„ 11а и Аза0 lib в эндо [2+4] и экзо [2+4] циклоаддукты 12 и 13. Энергии активации для этих процессов составляют всего 5.5 ккал/моль и 3.9 ккал/моль.

Рисунок 5. Энергетический профиль конкурирующих путей реакции взаимодействия цкс дД и НБДФ в ацетонитриле.

Наши расчеты подтвердили, что структу ры ПС 15 и ПС 17 принадлежат одному МЭП, ведущему к образованию структур эидо [2+4] и экзо [2+4] цилоаддуктов 12 и 13. Энергия стабилизации 12 и 13 составляют 23.6 ккал/моль и 23.0 ккал/моль соответственно. На рис. 5 представлен энергетический профиль ППЭ для взаимодействия г/ис дД с НБДФ, приводящего как к эндо, так п экзо продуктам.

Как видно из значений относительных энергий в ацетонитриле, приведенных на рис. 5, оба [2+4] циклоаддукта 12 и 13 имеют близкую термодинамическую стабильность. При этом эндо аддукт 12 является несколько более стабильным, чем экю аддукт 13 (на величину порядка 1.0 ккал/моль).

Проведенное нами экспериментальное изучение данной реакции показало, что при взаимодействии образуется смесь двух диастереомерных [2+4] аддуктов 12 и 13, которые были охарактеризованы в ацетонитриле с помощью ЯМР 'Н анализа при температуре -40°С. При этом спектр ЯМР 'Н, зарегистрированный сразу после смешения эквимолярных количеств реактивов в ампуле ЯМР-спектрометра, обнаружил присутствие двух сигналов в соотношении 1:1, которые были отнесены к образованию эндо [2+4] циклоаддукта 12 и его экзо диастереомера 13. С течением времени происходило постепенное исчезновение одной группы сигналов с одновременным усилением сигналов другой группы.

В свете полученных экспериментальных и расчетных данных возникает вопрос: «Может ли дополнительный канал реакции оказывать заметное влияние на процесс перегруппировки 13 в 12?» Согласно ВЗЬУР/б-ЗЮ* расчетам в ацетонитриле в действительности существует возможность двухстадийной перегруппировки интермедиата Аэио ПЬ в А„„и 11а через другую цвитгерионный конформер меньшей стабильности (Аго, 11с), см. также обратимый процесс на схеме 2.

11Ь 11с 11а

На рис. 6 представлен энергетический профиль перегруппировки: Ажм lib —► Аго, 11с —> АтМ 11а.

ЛГ, ккал/моль ПС 18

А мл> 11а

Рисунок 6. Энергетический профиль процесса изомеризации А„.,„ lib -> А„„ 11с -» А,,,,,,, 11а в ацетонитриле.

Расчеты показали, что изомеризация AJK30 lib в термодинамически более стабильный цвиттерион Л3,„>„ lia протекает в две стадии. Первая стадия отвечает вращению вокруг связи С5-С10 через переходное состояние ПС 18, в результате чего образуется изомерный интермедиат Л,,„ 11с. Па второй стадии происходит вращение части диенового фрагмента вокруг связи С9-С10 через переходное состояние ПС 19 с последующим образованием интермедиата Л „„,„ 11а (рис. 6). Становится очевидным, таким образом, что единственный эндо аддукт 12, выделяемый экспериментально в конце постадийной реакции циклоприсоединения, получается в результате низкобарьерной двухстадийноп перегруппировки llb—> lia.

2.2.2 Взаимодействие НБДФ и транс- диен Данишевского

Мы учли также возможность участия в реакции циклоприсоединения транс-конформера дД. Как показано на схеме 3 и рис. 7, расчеты обнаружили два различных пути реакции, исходящие из предреакционных комплексов ПРК 20 и ПРК 21, которые формально соответствуют экзо и эндо сближению реагентов.

Схема 3

0-N*

О"

ОМе

23

[4+2]циклоаддукт

ОМе

24

[4»2]циклоаддукт

-О ПС 28

P-N*

0,N

MeO ?

MeO 7 9 OSiMe,

в

11b

МеО 7 22Ь

Вжзо

Энергии стабилизации предреакционных донорно-акцепторных комплексов ПРК 20 и ПРК 21 равны 2.6 ккал/моль и 4.1 ккал/моль соответственно. Нами были найдены также переходные состояния, в которые трансформируются предреакционные комплексы ПРК 20 и ПРК 21, - структуры ПС 25 и ПС 28.

В целом, начальную стадию данной реакции можно рассматривать как процесс нуклеофилыюй атаки диеном Данишевского молекулы НБДФ с четко выраженным

двухцентровым взаимодействием. Активационный барьер данных стадий составляет 4.8 ккал/моль и 5.4 ккал/моль соответственно (ПС 25 и ПС 28).

Градиентный спуск из точек ПС 25 и ПС 28 вдоль переходного вектора в направлении продуктов реакции выявил структуры, являющиеся локальными минимумами (цвиттерионные интермедиа™ В„А) 22а и ВЭкзо 22Ь). Стабилизация энергии для данных структур составляет 10.0 ккал/моль и 8.1 ккал/моль соответственно.

Как видно из данных расчетов (рис. 7), в результате серии внутримолекулярных превращений уже образовавшихся аддуктов в реакции взаимодействия НБДФ и транс- дД процесс неизбежно приводит либо к энергетически неустойчивой системе Аэкзо 11Ь (энергия активации лимитирующей стадии 20.1 ккал/моль), либо к наиболее стабильному эндо- [2+4] циклоаддукту 12 (в серии низкобарьерных превращений).

ПС 29 12.0

ДЕ. ккал/моль

Рисунок 7. Энергетический профиль для конкурирующих каналов в реакции взаимодействия между транс дД и НБДФ в ацетонитриле.

Итак, изучение реакции циклоприсоединения дД к НБДФ показало, что увеличение полярности Аса в результате электронной модификации нуклеофила ведет к ощутимому снижению активационных барьеров и росту термодинамической стабильности соответствующих циклоаддуктов, а усиление асимметрии распределения юк в нуклеофиле способствует стабилизации цвиттерионных интермедиатов. При этом конечным продуктом реакции оказывается НЭТ [2+4] циклоаддукт, что полностью согласуется с прогнозом, сделанным на основе индексов локальной электрофильности.

НБДФ + дД

ОБМе-, 12

эндо р*4]цикпоаддукт

V I:

(Г

>

Препаративно выделенным в реакции НБДФ и дД является соединение 31, образующееся в результате гидролиза эндо [2+4] аддукта 1212. Рассчитанное в работе строение 31 подтверждено методами ЯМР и РСЛ.

2.3 Взаимодействие НБФ и циклопентадиена

Предшествующие исследования (реакции в системах НБДФ/Цп и НБДФ/дД) показали, что усиление асимметрии распределения индексов ведет к усилению двухцентрового взаимодействия и, как следствие, к изменению механизма от концертного асинхронного к ионному постадийночу.

Однако возникает закономерный вопрос: «Существует ли корреляция между характером активации нитроэтиленового фрагмента и типом перициклической активности (НЭТ или ОЭТ)?». Представляется интересным также выяснить, как повлияет такая вариация свойств электрофила на перициклическую реакционную способность. Для этого мы рассмотрели реакцию, где в качестве диена был выбран Цп, а варьирование активности нитроэтиленового фрагмента и степени полярности осуществлялись путем модификации электрофила (схема 4).

Схема 4

Nq пс 37.

N*

оф

N*

О'

•а,

Цп

ПРК

32

Н

'0-N4 и 0-N 34

эндо[4+2]циклоаддукт

эндо[2+4] циклоаддукт

НБФ

0

ПРК 33

Газофазные ВЗЬУР/б-ЗЮ* расчеты показали, что для взаимодействия НБФ и Цп существует два реакционных канала, обусловленные двумя взаимными ориентациями диенового фрагмента Цп относительно нитроэтиленового фрагмента НБФ. Так, в первом случае молекула Цп начинает атаку НБФ в эндо ориентации, а во втором диеновый фрагмент Цп имеет экзо ориентацию относительно гетеродиеновой системы НБФ.

Согласно расчетам, эндо взаимодействие начинается с формирования предреакционного комплекса ПРК 32 и включает две кинетических стадии, к которым относятся переходные состояния ПС 37 и ПС 38 рис. 8.

По расчетам, не существует прямого пути реакции образования эндо [2+4] циклоаддукта 35 из исходных реагентов. Вместо этого эндо [2+4] циклоаддукт 35 образуется из эндо [4+2] циклоаддукта 34 через переходное состояние ПС 38. Механизм трансформации 34 —> 35 соответствует [3,3] сигматропной перегруппировке Кляйзена с энергией активации равной 25.5 ккап/моль, а энергия стабилизации образующегося эндо [2+4] циклоаддукта 35

,г Синтез соединения 31 был выполнен A.B. Татаровым. РСА проведен в ИНЭОС РАН.

15

равна 4.2 ккал/моль. B3LYP/6-31G* расчеты неверно воспроизводят относительную стабильность циклоаддуктов 34 и 35. Так ab initio расчеты методом HF/6-31G* показали, что циклоаддукт 34 на самом деле стабильнее, чем 35 на 1.8 ккал/моль.

В случае экзо ориентации реакция развивается из ГТРК 33, который в дальнейшем трансформируется в ПС 39. Этот процесс осуществляется в одну кинетическую стадию через соответствующее переходное состояние ПС 39 с энергетическим барьером в 19.8 ккал/моль. Рассчитанный энергетический профиль реакции представлен на рис. 8.

Рисунок 8. Энергетический профиль реакции [4+2] циклоприсоединения (правая полуось) и [2+4] циклоприсоединения (левая полуось). Сплошные линии относятся к расчетам в газовой фазе, пунктирные к расчетам в дихлорметане.

Учет эффектов сольватации (СН2С12) приводит во всех случаях к понижению энергетических барьеров (рис. 8).

Проведенные нами расчеты показали, что уменьшение полярности реакции в результате модификации электрофила ведет к росту активационных барьеров и снижению термодинамической стабильности соответствующих циклоаддуктов (снижение перициклической активности), а уменьшение разницы локальной электрофильности у атомов 08 и С6 ведет к стабилизации ОЭТ [4+2] циклоаддукта и дестабилизации НЭТ [2+4] циклоаддукта по сравнению с реакцией НБДФ/Цп.

2.4 Взаимодействие НФТП и циклопентадпена

Исследование реакций взаимодействия в системах НБДФ/Цп и НБФ/Цп показывает, что снижение степени полярности приводит к росту активационных барьеров и уменьшению термодинамической стабильности соответствующих циклоаддуктов, в то время как обратный процесс вместе с высокой асимметрией распределения индексов приводит одновременно к усилению как перициклической, так и суперэлектрофильной реакционной спсобности (НБДФ/дД).

В этом контексте естественным представляется вопрос: «Возможно ли достичь ионных (постадийных) реакций циклоприсоединения только лишь за счет высокой полярности взаимодействующих реагентов?». Действуя в этом направлении, мы изучили реакцию взаимодействия между Цп как исходным диеном и новой суперэлектрофильной системой как НФТП, схема 5.

Схема 5

Ю

а

42

эндо [4+2]циклоаддукт

— Н4' |

И

20'М,

4}

эндо [2+4[ циклоаддукт

НФТП

иг

ПРК

41 экзо [2*4] циклоаддукт

Как показывают ВЗЬУР/б-ЗЮ* расчеты, реакция взаимодействия Цп и НФТП начинается с образования предреакционного донорно-акцепторного комплекса ПРК 40, энергия стабилизации которого в газовой фазе составляет 3.3 ккал/моль.

На второй стадии процесса предреакционный комплекс трансформируется в многоцентровое переходное состояние ПС 45. Величина энергии активации первой стадии процесса в газовой фазе составляет 11.3 ккал/моль. Расчеты показывают что, МЭПР, проходящий через ПС 45, ведет к образованию термодинамически устойчивого эндо [4+2] циклоаддукта 42, энергия стабилизации которого составляет 16.3 ккал/моль.

Прямого пути образования эндо [2+4] циклоаддукта 43 из исходных реагентов не существует. Данный процесс развивается по аналогии со взаимодействиями в системах НБДФ/Цп и НБФ/Цп, где соответствующий конечный [2+4] циклоаддукт накапливается лишь в результате перегруппировки предшествующего ему [4+2] циклоаддукта.

' ДЕ, ккал/моль

ПС 47

ПС 46

44 -о-м^ жзо [2+4] циклоаддукт

„ "'•М-Н'" 42

_________

'О-мЛ Ь-н

■зндо [2+4] циклоаддукт

циклоаддукт

Рисунок 9. Энергетический профиль реакции [4+2] циклоприсоединения (правая полуось) и [2+4] циклоприсоединения (левая полуось). Сплошные линии относятся к расчетам в газовой фазе, пунктирные к расчетам в хлороформе.

В DFT-расчетах эндо [4+2] циклоаддукт 42 оказывается стабильнее, чем эндо [2+4] циклоаддукт 43, на 0.4 ккал/моль, однако, по данным наших ab initio HF/6-31G* расчетов, эндо [2+4] циклоаддукт 43 становится стабильнее эндо [4+2] циклоаддукта 42 на 7.1 ккал/моль.

Кроме того, в газовой фазе энергетический уровень ПС 47 (экзо ориентация Цп), лежащего на пути реакции образования это циклоаддукта 44, на 2.5 ккал/моль выше, чем ПС 45 и составляет 13.8 ккал/моль.

Учет эффектов сольватации приводит во всех случаях к понижению энергетических барьеров (рис. 9).

Результаты данного исследования показывают, что изученная реакция проходит как концертный асинхронный процесс циклоприсоединения Цп к НФТП, и характеризуется наименьшими активационными барьерами и наибольшей термодинамической стабильностью соответствующих циклоаддуктов (наивысшая перициклическая активность) по сравнению с реакциями в системах НБФ/Цп и НБДФ/Цп. Кроме того термодинамическая стабильность НЭТ [2+4] циклоаддукта относительно ОЭТ [4+2] циклоаддукта в данном случае максимальна по сравнению с аналогичными циклоаддуктами в случае реакций НБФ/Цп и НБДФ/Цп.

2.5 Взаимодействие ДНБФ н нндена

Известно, что ДНБФ демонстрирует высокую суперэлектрофильную реакционную способность, что проявляется в формировании стабильных о-комплексов даже со слабыми нейтральными С-нуклеофилами13. В работе14 впервые была исследована реакция между ДНБФ и инденом, и препаративно выделен Ф. Террье и сотр. [4+2] циклоаддукт 52.

Полученные результаты оказались неожиданными, поскольку аналогичная реакция с изоэлектронным индолом приводит к образованию очень стабильного С-С о-комплекса 48. Исходя из исключительной электрофилыюсги ДНБФ (экстремальное значение Дсо в этой паре реагентов, см. стр. 6), авторы14 предложили для индена механизм реакции, где в качестве одной из стадий на координате реакции рассматривалось формирование цвитгерионного а-комплекса 49.

0,N

Последующие исследования показали, что помимо суперэлектрофильной активности, ДНБФ способен проявлять высокую активность в реакциях ДА как с НЭТ15, так и с ОЭТ16.

11 Temer F., Halle J.C., Simonnin MP., Pouet M.J. Nonconventional eleclrophilic heteroaromatic substitutions: ring

vs. silk-chain reactivity of 2,¡-dimethyl five-membered ring heterocycles toward electron-deficient amniotics // The

Journal of Organic Chemistry, 1984. Vol. 49(23), P. 4363-4367.

MacCormack P., Halle J.C., Pouet M.J., Terrier F. Unusual structure in Meisenheimer complex formation from the highly electrophihc 4.6-dinitrobemofuroxan U The Journal of Organic Chemistry, 1988. Vol. 53(18), P. 4407-4409.

Halle J.C., Vichard D„ Pouet M. J., Terrier F. A New Cycloaddition Process Involving Nitro Croup Participation in Polynitroaromatic Chemistry // The Journal of Organic Chemistry, 1997. Vol. 62(21), P. 7178-7182.

Вся совокупность экспериментальных данных показывает, что реакции циклоприсоединения с участием ДНБФ протекают как высокополярные процессы, что подтверждается высоким индексом электрофильности (5.46 эВ) в рамках шкалы ш.

Целью нашего теоретического исследования было исследование других возможных каналов взаимодействия ДНБФ с инденом и обнаружение метастабильных структур, не выявленных препаративно.

Схема 6

О- . 0-

зидо [2+4] циклоаддукт

ДНБФ

f^y^N ПС 57

экзо [2+4) циклоаддукт

В газовой фазе реакция развивается из ПРК 50 по МЭПР, проходящему через переходное состояние ПС 55. Величина энергии активации для этой стадии составляет 14.0 ккап/моль. Градиентный спуск из ПС 55 в направлении продуктов реакции ведет к структуре, отвечающей минимуму на ППЭ, [4+2] циклоаддукту 52, энергия стабилизации которого равна 9.7 ккал/моль.

Также мы изучили возможность перехода эндо [4+2] циклоаддукта 52 в эндо [2+4] циклоаддукт 53 посредством [3,3] сигматропной перегруппировки Кляйзена. Было установлено, что такой процесс осуществляется через переходное состояние ПС 56, причем, энергия активации достаточно высока и составляет 31.8 ккал/моль. В целом процесс можно охарактеризовать как высокобарьерный, эндотермический, с энергией дестабилизации циклоаддукта 53 на величину 30.1 ккал/моль. Возможное объяснение такого результата состоит в том, что в процессе перегруппировки [4+2] циклоаддукта 52 в [2+4] циклоаддукт 53, происходит потеря ароматичности бензольного ядра индена, что сильно дестабилизирует систему.

Таким образом, и кинетически, и термодинамически, по данным расчетов, наиболее выгоден путь, приводящий к продукту 52, что полностью согласуется как с данными по распределению индексов Фукуи в ДНБФ и индене, так и с данными эксперимента. Сама же реакция циклоприсоединения индена к ДНБФ развивается не как постадийный процесс через биполярный а-комплекс 49, а как концертное полярное [4+2] - циклоприсоединение, то есть

16 Sepulcri P., Halle J.C., Goumont R., Riou D., Terrier F. Competitive and Consecutive Inverse and Normal Electron Demand Cycloadditions in the Reaction of 4,6-Dinitrobenzofuroxan with Cyclopentadiene // The Journal of Organic Chemistry, 1999. Vol. 64(25), P. 9254-9257.

как реакция ДА с ОЭТ. При этом структуры типа 49 вообще не соответствуют минимумам ППЭ. Рассчитанные энергетические профили реакции представлены на рис. 10.

Рисунок 10. Энергетический профиль газофазной реакции циклоприсоединения ДНБФ к индену по данным ВЗЬУР/б-ЗЮ*- расчетов. Сплошная линия относятся к расчетам в газовой фазе, пунктирная к расчетам в дихлорметане.

Учет эффектов сольватации приводит в общем случае к понижению энергетических барьеров. Так, в дихлорметане для реакции индена и ДНБФ энергетический уровень переходного состояния 55 понижается на 2.8 ккал/моль, а [4+2]-циклоаддукт 52 дополнительно стабилизируется - на 1,7 ккал/моль, однако энергия стабилизации ПРК 50 при этом уменьшается на 2.3 ккал/моль. Таким образом, энергетический эффект рассматриваемой реакции, величина энергии активации и природа стационарных точек в целом практически не меняются при переходе от газовой фазы к дихлорметану.

Изучение реакции циклоприсоединения индена к ДНБФ показывает, что этот процесс, несмотря на самую высокую полярность среди всех изученных, реализуется как концертное высоко асинхронное циклоприсоединение в одну кинетическую стадию, где конечным продуктом реакции является ОЭТ [4+2] циклоаддукт. При этом структуре цвитгерионного интермедиата локальный минимум на ППЭ не соответствует. Кроме того, индексы локальной электрофильности позволили корректно определить как кинетические, так и термодинамические характеристики МЭПР, отвечающих различным региоизомерным [4+2] циклоаддуктам.

выводы

1. Квантово-хнмическими DFT и ab initio (с учетом теории возмущений) расчетами в газовой фазе и растворителях показано, что в реакциях взаимодействия НБФ/циклопентадиен (Цп), НФТП/Цп, НБДФ/Цп, НБДФ/диен Данишевского, ДНБФ/инден на начальной стадии формируются предреакционные комплексы, являющиеся по своей природе комплексами с переносом заряда, с частичным переносом заряда со связывающей л-орбитали диеновой системы на а- разрыхляющую орбиталь диенофила.

2. Установлено, что величины активационных барьеров всех рассматриваемых процессов и их тепловые эффекты хорошо коррелируют с полярностью реагирующих систем, рассчитываемой как разность индексов глобальной электрофилыюсти. Кроме того, региоселективность, наблюдаемая в реакциях полярного циклоприсоединения, может быть корректно предсказана на основе распределения индексов локальной электрофилыюсти.

3. Исследование МЭПР показало, что во всех случаях на второй стадии реакции развиваются по пути ОЭТ [4+2] циклоприсоединения, приводящему к [4+2] циклоаддуктам. Экспериментально выделяемые [2+4] циклоаддукты образуются в результате следующей на третьей стадии 3,3- сигматропной перегруппировки Кляйзена.

4. Впервые обнаружено, что реакция полярного циклоприсоединения диена Данишевского к НБДФ протекает как постадийная, с промежуточным формированием с- комплекса, (цвиттерионного интермедиата). Во всех иных рассмотренных реагирующих системах устойчивые а- комплексы не образуются.

5. В случае бициклических ароматических диенов типа индена потеря ароматичности может вносить существенный вклад в термодинамическую стабильность соответствующих [2+4] циклоаддуктов и, как следствие, влиять на конечный продукт реакции.

6. Показано, что в случае близкой термодинамической стабильности соответствующих [4+2] и [2+4] циклоаддуктов необходимо провести дополнительные ab initio (HF и МР2) расчеты для надежного сопоставления энергетических эффектов.

7. Учет эффектов сольватации в рамках модели поляризуемого континуума во всех случаях ведет к понижению активационных барьеров. При этом максимальный эффект стабилизации достигается в случае постадийной реакции, в то время как последовательность стадий реакции как в газе, так и в растворителе остается неизменной.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Steglenko D.V., Kletsky М.Е., Kurbatov S.V., Tatarov A.V., Minkin V.l., Goumont R., Terrier F. A theoretical and experimental study of the polar Diels-Âlder cycloaddition о/ cyclopentadiene with nitroben:odifuroxan //Journal of Physical Organic Chemistry, 2009 Vol. 22, № 4, P. 298-307.

2. Стегленко Д.В., Клецкий ME., Курбатов C.B., Татаров A.B., Минкин В.И., Гумон Р., Террье Ф. Механизм присоединения нового ароматического электрофила нитробензофуроксана к циклопентадиену И Известия Академии наук. Серия химическая, 2009. №8, С. 1602-1608.

3. Татаров A.B., Курбатов C.B., Стегленко Д.В., Клецкий М.Е. Аргширование хромено[3,2-Ь]индолизина ароматическими супер-электрофилами // Химия Гетероциклических Соединений, 2010. С. 467-468.

4. Sfeglenko D.V., Kletsky M.E., Kurbatov S.V., Tatarov A.V., Minkin V.l., Goumont R., Terrier F. The Stepwise Diels-Alder Reaction of 4-Nitrobenzodifuroxan with Danishefsky's Diene // Chemistry - A European Journal, 2011. Vol. 17(27), P. 7592-7604.

5. Стегленко Д.В., Негодаев И.В., Клецкий M.E. Теоретическое исследование механизма реакции циклоприсоединения нитробензодифуроксана к циклопентадиену II Материалы III международной конференции по теоретической и экспериментальной химии. Караганда, 2006. С. 183 - 186.

6. Стегленко Д.В., Копаев A.B. Квантовохимическое изучение региоселективности полярного циклоприсоединения индена к 4,6-динитробензофуроксану // Тезисы III Конференции студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН. Ростов-на-Дону, 2007. С. 86.

7. Стегленко Д.В. Теоретическое изучение механизма взаимодействия нитробензодифуроксана с диеном Данишевского // Тезисы IV Конференции студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН. Ростов-на-Дону, 2008. С. 84.

8. Стегленко Д.В., Клецкий М.Е. Теоретическое изучение механизма взаимодействия циклопентадиена с тетразолсодержащими суперэлектрофилами // Тезисы IX Международного семинара по магнитному резонансу (спектроскопия и томография). Ростов-на-Дону, 2008. С. 133.

9. Стегленко Д.В., Клецкий М.Е., Морозов П.Г., Курбатов C.B., Татаров A.B., Минкин В.И., Goumont R., Terrier F. Реакции полярного циклоприсоединения к нитробензодифуроксану // Тезисы IX Международного семинара по магнитному резонансу (спектроскопия и томография). Ростов-на-Дону, 2008. С. 14.

10. Стегленко Д.В. Теоретическое изучение механизма взаимодействия циклопентадиена с нитробензодифуразаном и его производными II Тезисы V Конференции студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН. Ростов-на-Дону, 2009. С. 79.

11. Стегленко Д.В., Клецкий М.Е. Неожиданный механизм реакции присоединения диена Данишевского к нитробензодифуроксану // Тезисы V Международной конференции по новым технологиям п приложениям современных физико-химических методов для изучения окружающей среды. Ростов-на-Дону 2009. С. 82-83.

Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Формат 60x84/16. Объем 1,0 уч.-изд.-л. Заказ № 2697. Тираж 120 экз. Отпечатано в КМЦ «КОПИЦЕНТР» 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Суворова, 19, тел. 247-34-88

Введение.

1 Механизм реакций циклоприсоединения (литературный обзор).^

1.1 Механизм реакций Дильса-Альдера.

1.1.1 Концертная реакция 1,3-бутадиена с этиленом.

1.1.2 Постадийная реакция 1,3-бутадиена с этиленом.^

1.2 Индексы реакционной способности.^

1.2.1 Индексы электрофильности Парра.^

1.2.2 Индексы локальной реакционной способности Фукуи.

1.2.3 Шкала электрофильности для реакций Дильса-Альдера.

1.3.1 Реакции Дильса-Альдера с нормальными электронными ^ требован иям и.

1.3.2 Реакции Дильса-Альдера с обращенными электронными ^ требован иям и.

1.3.3 Реакции Дильса-Альдера, катализируемые кислотами Льюиса.

1.4 Перенос заряда в реакциях Дильса-Альдера.

1.5 Экспериментальные данные о суперэлектрофильной реакционной ^ способности нитрозамещенных бензофуроксанов.

1.5.1ДНБФ и Цп; АНБФ и Цп.

1.5.2 НБДФ и Цп.

1.5.3 Образование стабильных а- комплексов.

2 Методика квантово-химических расчетов.

3 Результаты расчетов (обсуждение).^

3.1 Анализ дескрипторов реакционной способности изучаемых систем.

3.2 Реакция между НБДФ и Цп.

3.3 Реакция между НБДФ и диеном Данишевского.

3.3.1 Взаимодействие НБДФ/цис-диен Данишевского.

3.3.2 Взаимодействие НБДФ/транс-диен Данишевского.

3.4 Реакция между НБФ и Цп.

3.5 Реакция между НФТП и Цп.

3.6 Реакция между ДНБФ и инденом.

Выводы.НО

Список цитируемых источников.Н

Интерес к изучению электрофильной реакционной способности ароматических ядер, активированных присутствием электроноакцепторных групп, не спадает со времен работ Баннетта, посвященных нуклеофильному ароматическому замещению типа 8мдг [1-4].

С открытием исключительной реакционной способности 1 Отг-электронных гетероциклов типа нитро- замещенных бензоксадиазолов и их Ы- оксидов, понятие «ароматический электрофил» приобрело совершенно другое измерение. Такие системы способны реагировать даже с электронейтральными нуклеофилами, образуя стабильные а- аддукты. Например, динитробензофуроксан (4,6-динитробензоксадиазол-1-оксид, ДНБФ) реагирует с водой (схема 1), образуя о-комплекс 1, в 1010 раз термодинамически более стабильный, чем его 1,3,5-тринитробензольный аналог, для образования которого требуется добавление ОН"

Исключительная электрофильность нитрозамещенных бензофуроксанов позволила расширить также область а-комплексообразования с нуклеофилами, абсолютно инертными к тринитробензолу. Ароматические соединения типа фенолов, анилинов, азулена или гетероароматических пирролов или индолов (схема 2) легко реагируют с ДНБФ, образуя очень стабильные углеродные о-комплексы типа 2 [6].

5].

Схема 1

ДНБФ

Схема 2

О-М

О-М 2

ДНБФ

Недавнее количественное определение реакционной способности с помощью «универсальной» шкалы электрофильности Майера [7] показало, что обсуждаемые системы, в рамках этой шкалы, несмотря на электронейтральность, являются электрофилами более мощными, чем катионы 4-нитро- и 2,4-динитрофенилдиазония или тропилия. Именно из этого обстоятельства и следует термин «суперэлектрофилы» [5, 8, 9].

Было установлено, что одним из факторов, ответственных за суперэлектрофильность, является слабая ароматичность карбоциклов [10]. В силу этого двойные нитроактивированные связи рассматриваемых суперэлектрофилов могут быть вовлечены в реакции Дильса-Альдера с различными диеновыми фрагментами (с образованием соответствующих моно- и ди- аддуктов 3 и 4) - в процесс очень чувствительный к электрофильности карбоцикла (схема 3).

Схема 3 н,С п("ОЬм+' h X-N

R = СН3, Н За: X = О, п = 1 4а: X = О, п = 1

ЗЬ: X = О, п = 0 4b: X = О, п = О

Зс: X = S, п = 0 4с: X = S, п = 0

3d: X = Se, п = 0 4d: X = Se, n = О

Различные грани реакционной способности нитробензоксадиазолов и их N-оксидов оставались до настоящего времени мало исследованными, а систематическое сравнительное изучение механизмов суперэлектрофильной и перициклической реакционной способности практически не проводилось.

Целью данной диссертационной работы является квантовохимическое DFT-и ab initio исследование механизмов реакций полярного циклоприсоединения активных диенов к к- дефицитным ароматическим электрофилам. В качестве объектов исследования были выбраны следующие реакции взаимодействия: нитробензофуроксана (НБФ) с циклопентадиеном (Цп), нитробензодифуроксана (НБДФ) и Цп, нитрофуроксанотетрозолопиридина (НФТП) и Цп, НБДФ и диена Данишевского (дД), динитробензофуроксана (ДНБФ) и индена.