Катализируемое основаниями Льюиса 1,3-диполярное циклоприсоединение диазосоединений к C=C связи. Теоретическое изучение тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

@@46094ЬУ На правах рукописи

САМАРКИНА АЛЕКСАНДРА БОРИСОВНА

КАТАЛИЗИРУЕМОЕ ОСНОВАНИЯМИ ЛЬЮИСА 1,3-ДИПОЛЯРНОЕ ЦИКЛОПРИСОЕДИНЕНИЕ ДИАЗОСОЕДИНЕНИЙ К С=С СВЯЗИ. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ.

02.00.04 - Физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

з о СЕН 2010

Уфа-2010

004609469

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук «Институт органической химии Уфимского научного центра РАН»

Научный руководитель:

доктор химических паук, профессор

Хурсан Сергей Леонидович

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, старший научный сотрудник Кузнецов Валерий Владимирович ИФМК УНЦ РАН кандидат химических наук, старший научный сотрудник Грабовсккй Станислав Анатольевич ИОХ УНЦ РАН

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Институт нефтехимии и катализа РАН

Защита состоится "30" сентября 2010 г. в 14й часов на заседании диссертационного совета Д 212.013.10 при Башкирском Государственном Университете по адресу: 450074, Башкортостан, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32, химический факультет, ком. 305. Телефон (347) 272-63-70, факс: (347) 273-67-78. E-mail: rector@bsu.bashedu.iu

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Башкирского Государственного Университета

Автореферат разослан "29" августа 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор химических наук, профессор

Ю. А. Прочухан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время реакции 1,3-ДИполярного циклоприсоединения диазосоединений к С=С связи широко применяются в синтетической органической химии для получения разнообразных пятичленных гетероциклических систем, которые используются в промышленности и медицине. Пиразолины и их производные проявляют высокую и разнообразную физиологическую активность, например противоопухолевую, психотропную, противовирусную, сосудорасширяющую.

В 1950-1960-е годы произошло резкое увеличение публикаций, посвященных этим реакциям. Это обусловило необходимость обобщения полученных результатов и стимулировало исследования, в том числе теоретические, механизма реакций [3+2]-циклоприсоединения. Начало теоретическому изучению циклоприсоединения было положено Вудвордом и Хоффманом, разработавшими теорию перициклических процессов, а также Хьюсгеном и Файерстоуном, которые опубликовали серию работ об исследовании механизма реакций [3+2]-циклоприсоединения.

Варьирование условий проведения реакции существенно влияет на регио- и стереоселективносгь протекания реакции, выход целевых продуктов. Изучение каталитического [3+2]-циклоприсоединения ограничивается рассмотрением влияния металлорганических катализаторов на протекание реакций циклоприсоединения. В последнее время экспериментально показано, что органические кислоты и основания Льюиса также оказывают каталитическое действие на протекание реакций [3+2]-циклоирисоединения диазоалканов к олефинам. Однако механизм действия органических катализаторов остается невыясненным. Изучение эффекта оснований Льюиса на скорость и региоселективность реакции [3+2]-циклоприсоединения экспериментальными методами затруднено сложностью процесса и сравнительно слабыми взаимодействиями катализатора и реагентов. Поэтому теоретическое исследование механизма влияния оснований Льюиса на взаимодействие диазоэфиров с непредельными соединениями является актуальным.

Новым шагом в современной теоретической органической химии стала трактовка реакционной способности в рамках теории жестких и мягких кислот и оснований (ЖМКО), основанная на вычислении ключевых индексов с помощью концептуальной теории функционала плотности (ЭРТ). Расширение области применения этого подхода является актуальной научной задачей. В настоящей работе, насколько нам известно, впервые исследованы возможности теории ЖМКО-ОРТ при описании каталитического влияния основания Льюиса, взятого в виде активной добавки или растворителя, на скорость и региоселективность [3+2]-циклоприсоединения диазоэфиров к олефинам.

Работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ Учреждения Российской академии наук Институт органической химии У1Щ РАН по теме: "Разработка новых подходов к построению азот- и кислородсодержащих гетероциклических структур" (номер государственной регистрации 0120.0500680) при финансовой поддержке Программы №1 ОХНМ РАН "Теоретическое и экспериментальное изучение природы химической связи и механизмов важнейших химических реакций и процессов".

Цель работы. Целью настоящей работы является исследование основных закономерностей катализируемого основаниями Льюиса 1,3-диполярного циклоприсоединения диазосоединений к С=С-связи, объяснение специфического влияния оснований Льюиса на реакционную способность диазоалканов и соединений с кратной С=С-связью в реакциях 1,3-диполярного циклоприсоединения.

Задачи исследования. Достижение цели исследования включает в себя решение следующих задач:

- создание квантово-химической модели, адекватно описывающей известные экспериментальные закономерности протекания реакций циклоприсоединения диазосоединений к С=С-связи;

- учет влияния растворителя на физико-химические характеристики реагентов и переходных состояний;

- выбор теоретической модели для анализа специфического и неспецифического действия оснований Льюиса на реакционную способность исходных соединений;

- выявление основных факторов, определяющих скорость и региоселективность протекания реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения диазосоединений к С,=С-связи.

Научная новизна и практическая значимость. С помощью квантово-химических методов исследовано влияние катализаторов (органических оснований Льюиса) на протекание реакций циклоприсоединения метилдиазоацетата (МДА) к метиловому эфиру акриловой кислоты (МА) и бутену-1.

На качественном уровне с помощью теории граничных молекулярных орбиталей (ГМО) показано, что доминирующий вклад в ускорение реакций циклоприсоединения диазосоединений к С=С связи вносит специфическое взаимодействие оснований Льюиса и реагентов. Влияние основания Льюиса как растворителя практически не сказывается на скорости протекания реакции.

Для количественной оценки эффективности катализатора впервые была использована теория жестких и мягких кислот и оснований. С помощью теории ЖМКО показано, что сольватирующий эффект основания Льюиса (ОЛ) изменяет глобальные

реакционные индексы (химический потенциал, жесткость) реагентов, что сказывается на эффективности их взаимодействия друг с другом. В меньшей степени изменяются локальные величины, что свидетельствует о слабом влиянии ОЛ на региоселективность исследуемой реакции.

Теория ЖМКО, являющаяся сравнительно простым и удобным методом исследования реакционной способности, в применении к моделям, учитывающим специфические взаимодействия реагентов и основания Льюиса, характеризуется рядом особенностей. Во-первых, адекватное вычисление глобальных индексов реакционной способности соединений требует контроля строения молекулярных орбиталей, вовлеченных в переход электрона. Во-вторых, пренебрежение изменением (за счет взаимодействия «реагент — ОЛ») эффективного числа валентных электронов для реакции [3+2]-циклоприсоедипения ие является оправданным, поскольку при этом теория ЖМКО становится неспособной объяснить экспериментально наблюдаемый каталитический эффект.

Основные положения выносимые на защиту. Создание теоретической модели для исследования влияния катализатора (на примере основания Льюиса) на протекание реакции диазоэфиров с непредельными соединениями. Применение теории ЖМКО-ОРТ для описания реакционной способности с учетом влияния растворителя. Результаты теоретического моделирования, согласно которым 1,3-диполярное циклолрисоедннение диазосоединений к С=С связи протекает по согласованному механизму. За счет специфической сольватации растворитель (основание Льюиса) изменяет электронные свойства реагирующих веществ, способствуя протеканию реакции.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 130 страницах и состоит из введения, литературного обзора (глава 1), методической части (глава 2), обсуждения результатов (глава 3), выводов, списка литературы. Список цитируемой литературы включает 123 наименования.

Апробация работы. Результаты работы доложены Международной научно-технической конференции «Китайско-российское научно-техническое сотрудничество. Наука-образование-инновации» (г. Харбин-Санья, КНР, 2008 г.), Всероссийской молодежной конференции по математической и квантовой химии (г. Уфа, 2008 г.), Международной конференции «Новые направления в химии гетероциклических соединений (г. Кисловодск, 2009 г.), Международной научно-технической конференции «Китайско-российское научно-техническое сотрудничество. Наука- образование-инновации» (г. Урумчи, КНР, 2009 г.), Всероссийской конференции «КСОС-2009» (г. Москва, 2009 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, и тезисы 5 докладов на Международных и Всероссийских конференциях.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Литературный обзор. Реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения диазосоединений к непредельным соединениям является одним из удобных методов синтеза пиразолинов. В настоящее время достаточно подробно изучены как экспериментальные, так и теоретические закономерности протекания реакций циклоприсоединения. Большое количество работ посвящено исследованию возможных механизмов протекания реакций циклоприсоединения и возможности использования различных качественных и количественных теорий для оценки взаимной реакционной способности соединений в реакциях циклоприсоединения. Экспериментально подробно изучен и теоретически обоснован катализ реакций циклоприсоединения кислотами Льюиса. Однако основной катализ реакций 1,3-диполярного циклоприсоединения практически не изучен.

Глава 2. Методическая часть. Квантово-химичсские расчеты выполнены с помощью программы GAUSSIAN-03. Оптимизацию строения исходных веществ и сольватных кластеров проводили в рамках теории функционала плотности, DFT, с использованием гибридного функционала B3LYP и валентно-расщепленного базисного набора 6-31G с включением поляризационных функций d-типа для неводородных атомов. Учитывая физическую неопределенность молекулярных орбиталей в рамках теории функционала плотности, энергию граничных молекулярных орбиталей находили с помощью метода HF//B3LYP/6-31G(d). Для определения параметров молекул в рамках теории жестких и мягких кислот и оснований (ЖМКО) проводили единичные расчеты с помощью методов: B3LYP/6-31 G(d), B3LYP/6-311++G(d, р) и локального функционала РВЕ, используя базисный набор aug-cc-pVTZ, с оптимальным строением молекул, найденным в приближении B3LYP/6-31G(d). Расчет локальных индексов реакционной способности проводили с помощью метода MP2/6-31G(d), используя электронную заселенность г-го атома, которую определяли методом Мерца и Коллмана.

Для оценки влияния ОЛ на протекание исследуемых реакций использовали три подхода:

1. Континуальная модель- учет неспецифической сольватации, с использованием модели поляризованного континуума РСМ.

2. Дискретная модель - учет специфической сольватации. Изучали сольватные кластеры, состоящие из одной молекулы реагента и нескольких молекул ОЛ, соединенных посредством водородной связи. При построении сольватных кластеров исходили из предположения, что ОЛ образует с исходными веществами классические водородные связи. Так, в метилакрилате (МА), в образования водородных связей участвуют атомы кислорода сложноэфирной группы. В метилдиазоацетате (МДА), кроме атомов кислорода водородную связь с метанолом могут образовывать также атомы азота. Для бутена-1 (Ви) возможны слабые взаимодействия 0---Н, С—Н—О, а также координация молекулы метанола по кратной связи.

3. Обобщенная модель - совместный учет неспецифической и специфической сольватации (модель 1 + модель 2).

Глава 3. Обсуждение полученных результатов. Реакции 1,3-днполярного циклоприсоединения протекают с первоначальным образованием двух конформационных изомеров ЛЯ-пиразолина (цис и транс) с дальнейшей самопроизвольной миграцией атома водорода и образованием УЯ-пиразолина.

N2CHC02Me + ^^С02Ме

Ме02СЦ/"\^С02Ме Ме02С,,../\^С02Ме Ме02С^/'\^_С02Ме

N=N + N=14 " Ы-Ы

цис транс К 1Н-пиразолип

Экспериментально было изучено влияние оснований Льюиса на выходы реакции циклоприсоединения МДА к метилакрилату (табл. 1) в стандартных условиях (1 час, 60°С, ОЛ 5 мольных %). Установлено, что в выбранных условиях наибольший каталитический эффект проявляют К- и Р-содержатцие основания Льюиса. Однако зависимости активности катализатора от какого-либо одного параметра растворителя найдено не было.

Анализ экспериментальных данных свидетельствует о каталитическом действии ОЛ в реакциях 1,3-диполярного циклоприсоединения диазосоединений к олефинам. Однако остается непонятной от чего зависит активность катализатора в данных реакциях, что является актуальной задачей для теоретического изучения.

Объектами теоретического исследования по наличию экспериментальных данных выбраны: диазометан (ДМ) и метилдиазоацетат, бутен-1 и метилакрилат. Каталитическое действие оснований Льюиса (ОЛ) изучалось на примере метанола, пиридина и триметиламина.

Таблица 1. Влияние природы катализатора на выход пиразолинов, мольное соотношение олефиндиазоеоединение 1:1 + 5 мол.% катализатора, (= 1 час,Т = 60°С

Катализатор Выход пиразолинов, %

цис транс 1Н-пиразолин

(ВиО)зВ 23 31 -

Пиридин - - 74

Е13]Ч - - 75

Ме2МС,,П5 8 - 75

2-Метилпиридин - - 61

МеОН - - 60

НОСН2СН2ОН 19 25 10

РЬзР - - 67

(>'-РгО)3Р - - 84

Для получения надежных результатов, прежде всего, необходимо адекватно выбрать метод расчета, что было сделано на примере модельных реакций 1,3-диполярного циклоприсоединения диазометана к бутену-1 и метилакрилату (табл. 2). Для рассматриваемых реакций использовали предэкспоненциальный множитель, равный 1[>А = 6.5 (М"'с"'). С использованием этой величины и известных констант скорости вычислили энергии активации, представленные в последней строке таблицы 2.

Таблица 2. Энергии активации реакции (Е,щТ, кДж/моль) циклоприсоединения диазометана (ДМ) к бутену-1 (Ви) и метилакрилату (МА).

Ш/ ДМ + Ви ДМ + МА /б-з1С(а) ДМ + Ви ДМ + МА

3-2Ш 119.2 102.4 ВЗЬУР 76.3 46.1

6-310 143.4 107.0 ВЗР\У91 68.7 36.6

6-3 Ю(й) 154.2 114.6 ССБ 75.7 44.2

6-ЗШ((1,р) 155.7 116.5 ски 344.1 382.4

6-31Ш(4р) 163.7 122.2 МР2 29.4 -2.7

6-31Ю(2<1,р) 167.7 124.7 МР4//МР2 48.1 17.2

б-31Ю(заг,2р)* 165.7 - СС50(Т)//СС0 62.5 35.3

6-311-К}((1,р)* 161.5 - (2СКО(Т)//СКО 66.9 40.8

б-ЗП-нкадр)* 161.3 - СЕО^сс) 103.1 85.2

эксперимент 67.6 53.9 РВЕ 58.7 43.4

* - расчет без учета энергии нулевых колебаний

При ЗИОЛНЗС зависимости вычисленных Ь<а£Т от величины базисного набора видно, что, начиная с базиса 6-31 изменение значения энергии активации лежит в пределах, допустимых для погрешности эксперимента. Кроме того, использование данного базисного набора требует меньших временных затрат по сравнению с более сложными базисными наборами. Хорошее соответствие между экспериментом и расчетом наблюдается для методов функционала плотности (ВЗЬУР, ВЗРШ91 и РВЕ). Методы расчета ССЯО(Т)//ССП/ и (ЗСКО(Т)//СКО/ хорошо воспроизводят экспериментальные значения Еакт, но требуют существенно больших временных затрат. Поэтому дм проведения дальнейших расчетов среди методов, учитывающих электронную корреляцию, были выбраны методы гибридного ВЗЬУР и локального РВЕ функционалов с валентно-расщепленным базисным набором 6-31 С((1).

Моделирование пекаталитического 1,3-диполярного циклоприсоедивенпя. При взаимодействии диазосоединений с олефинами возможно образование двух региоизомерных продуктов - 3,5- и 4,5-дизамещенных пиразолинов.

I . иЛ 74

ч \

Н Я

Ик

= Н, АсО; И = Е1, СООМе Н

Для двух возможных направлений реакции проведен термодинамический и кинетический анализ образования пространственных изомеров. Для определения кинетически более выгодного гштравления реакции локализованы переходные состояния исследуемых реакций и определена энергия активации: £акт = Нтз - Найдено, что

термодинамически и кинетически более выгодным является направление I (табл. 3).

Таблица 3. В31ЛТ/6-ЗШ(с1) энергии активации и тепловые эффекты (кДж/моль) 1,3-диполярного циклопрнсоединения

Реакция Направление I Направление II

Еэкт АН" Еаю- ЛП°

ДМ + Ви 76.3 -130.0 80.4 -121.2

МДА + Ви цис- 90.0 -96.0 92.7 -81.2

транс- 93.4 -94.4 96.7 -85.2

ДМ + МА 46.1 -143.9 50.4 -118.6

МДА + МА цис- 73.7 -114.8 89.0 -68.4

транс- 68.7 -113.3 79.7 -84.5

Исследование механизма [3+2]-циклоприсоединения. Для получения надежных результатов необходимо адекватно воспроизвести механизм реакции циклоприсоединения. Одним из способов получения информации о реагирующей системе является процедура ЩС. На рисунке 1 представлены графические зависимости изменения энергии системы вдоль "координаты реакции" циклоприсоединения МДА к олефинам.

координата реакции

координата реакции

Рисунок 1. Исследование синхронности протекания реакции 1,3-дилолярного циклоприсоединения МДА к Ви (а) и МА(Л), результаты ШС-расчетов.

Характер изменения энергии реагирующих систем показывает, что изучаемые реакции протекают по согласованному механизму циклоприсоединения, для них характерно одно переходное состояние. Для оценки синхронности механизма реакций циклоприсоединения рассчитано "относительное удлинение" связей С-С и С-И (рис. 2):

8г = ■

• 100%.

относительное удлинение связей, участвующих а реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения

относительное удлинение связей, участвующих в реакции 1,3-д и полярного циклоприсоединения

Рисунок 2. Анализ синхронности протекаиия реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения МДА к бугену-1 (а) и МА(Ь).

Проведенный IRC-анализ позволяет сделать вывод, что реакция 1,3-диполярного циклоприеоединения МДА к бутену-J протекает по согласованному синхронному механизму, тогда как реакция МДА + МА - по согласованному несинхронному механизму циклоприеоединения.

Изложенные выше результаты относятся к реакциям циклоприеоединения, протекающим в газовой фазе. Из экспериментальных данных известно, что большое влияние на протекание изучаемых реакций циклоприеоединения оказывает природа растворителя (OJI). Для изучения механизма действия оснований Льюиса в реакциях 1,3-диполярного циклоприеоединения диазосоединений к олефинам изучали обе составляющие сольватационного эффекта- неспецифическую и специфическую сольватацию. Учет неспецифической сольватации проводился с помощью модели поляризованного континуума РСМ. Найдено, что учет влияния оснований Льюиса как поляризованной среды, не оказывает влияния на ахтивационные барьеры исследуемых реакций, т.е. необходим учет специфического взаимодействия реагентов и оснований Льюиса. Моделируя возможные сольватные кластеры реагентов с основаниями Льюиса, учитывали специфическое влияние оснований Льюиса на протекание реакций циклоприеоединения. При построении сольвятных кластеров исходили из предположения, что соединения образуют между собой классические водородные связи. Для упрощения расчетов не рассматривались сольватные структуры, в которых молекулы основания Льюиса оказывались связанными между собой. Сольватные кластеры, используемые для дальнейших исследований, представлены на рис. 3.

Показано, что простой и естественный подход оценки специфического влияния растворителя на реакционную способность реагентов по величине энергии активации в наших модельных условиях неприменим. Хотя для реакции циклоприеоединения МДА к МА с учетом специфических взаимодействий реагентов с метанолом было локализовано переходное состояние и рассчитана энергия активации реакции как разность полных энергий сольватированных переходного состояния и продуктов: Еакт = HjfM — 2 Щ™ьв, рассчитанная величина энергии активации этой реакции составила невероятные ~300 кДж/моль (ср. с данными табл. 3)! Проблема вычисления Еакт, связана, прежде всего, с достаточно небольшим количеством ОЛ (метанола) в ближайшем окружении реагирующих веществ, т.е. с существенным упрощением модели сольватного окружения реагентов. Теоретически данная проблема может быть решена значительным увеличением числа молекул ОЛ в ближайшем окружении реагентов, но, к сожалению, недостаток вычислительных ресурсов делает невозможным построение более сложных сольватных кластеров и применение высокоточных методов расчета, что требует использования

альтернативных методов анализа. Для решения поставленной цели теоретического исследования выбраны теория граничных молекулярных орбиталей (ГМО) и теория жестких и мягких кислот и оснований (ЖМКО).

К

гзаг '9*2

в

V Л *

4 'V V

гли ф

«г 2.164 *- \ (а)МДА

у* X

аХ^

I ™

ь а,.

*

,>Н8

* 1»

1.970

V МИ

*

МА

* ■*

ч

® V

4 У' "X *гЯЕ Ч МЗЕ

т

©

(Ь)МДА

МА

1

т

2653.

4. . 2.53) »

■у.. . т *

1191 ■ ■ 2.768

V ^ ^ Ь 4 *

^ . 2 .458

-V * >

г.еез

2 ,

А'

к

-

Ви

2797 4.

« 4

Ви

? '2.823

...у,. ., "

у® у

700

* * % Ви

(с) МДА МА

Рисунок 3. Строение сольватных кластеров "реагент: ОЛ", длины связей указаны в ангстремах, а - метанол, Ь - пиридин, с — триметиламин.

Теория граничных молекулярных орбиталей. В теории граничных молекулярных орбиталей взаимодействие двух соединений определяется перекрыванием граничных орбиталей. Возможно два типа перекрывания граничных молекулярных орбиталей (1 и 2), которые и стабилизируют переходное состояние (рис. 4).

NLUMO

О о о,»

N-N=CH

и О §

S U

'"О О"

homo С)

0

n—

1

-

О

f О О (j

LUMO

(2)

Рисунок 4. Взаимодействия между: (/) HOMO олефина и МШМОдиазосоединения; (2) LUMO олефина и НОМОдиазосоединения.

В таблице 4 представлены величины разностей энергий граничных молекулярных орбиталей. Для исследуемых реакций циклоприсоединення найдена зависимость величины активационного барьера от разности энергий граничных молекулярных орбиталей — чем меньше Ле, тем ниже акшвационный барьер реакции (табл. 4).

Найденная зависимость позволяет в рамках теории ГМО на качественном уровне оценить действие растворителя, как для моделей неспецифической сольватации, так и для моделей, учитывающих специфические взаимодействия реагентов с растворителем.

Таблица 4. Разность HF//B3LYP/6-31G(d) энергий граничных МО (eV) реагентов и геометрические параметры переходных состояний (B3LYP/6-31G(d), ангстремы и градусы).

Реакция Aei Де2 СС С N RiCH-N-N Еакт

ДМ + Ви 0.538 0.510 2.240 2.406 144.1 76.3

МДА + Ви 0.467 0.534 2.244 2.235 139.5 93.4

ДМ + МА 0.574 0.433 2.170 2.524 148.5 46.1

МДА + МА 0.504 0.458 2.140 2.384 143.2 68.7

Ае) = Е,1,ьими(а, СН1Ч2) - £ними(КСН=СН2); ДЕ2 = £ьими(11СН=СН2) - £ними(Я, СНШ).

Энергии граничных молекулярных орбиталей и их разность в соответствии со всеми примененными моделями сольватации представлены в таблице 5. Как видно из таблицы, учет сольватации (как метанола, так и бензола) в рамках континуальной модели оказывает незначительное влияние на энергию граничных молекулярных орбиталей. При учете сольватации в рамках дискретной и обобщенной моделей сольватации, в случае рассмотрения специфических взаимодействий реагентов с метанолом, энергия НОМО-орбиталей возрастает, а энергия ЬиМО-орбитали уменьшается. При учете специфических

и

взаимодействий пиридина и триметиламина найдена обратная тенденция в изменении энергий граничных молекулярных орбиталей - энергия НОМО-орбиталей уменьшается, а энергия ШМО-орбитали возрастает. Причем, отмеченное влияние сольватации ОЛ и реагентов на энергии граничных молекулярных орбиталей существенно, как для полярных соединений (МДА и МА), так и дня Ви.

Таблица 5. Разность энергий граничных молекулярных орбиталей (е, Хартри) в соответствии с использованными моделями сольватации в присутствии различных оснований Льюиса, ШУ/ВЗЬУР/б-З10((1) расчет.

Модель сольватации Растворитель МДА + Ви МДА + МА

4Е[ ДЕ2 Де1 Д£2

- - 0.467 0.534 0.504 0.458

Континуальная С6Н6 0.467 0.534 0.504 0.456

СН3ОН 0.466 0.532 0.502 0.452

Дискретная СНзОН 0.453 0.529 0.501 0.442

С5Н5К 0.458 0.534 0.493 0.454

(СНз)зЫ 0.462 0.528 0.498 0.448

Обобщенная СНзОН + С6Н6 0.456 0.526 0.493 0.445

СНзОН + СНзОН 0.462 0.521 0.498 0.444

С5Н5К + СбНб 0.459 0.534 0,494 0.444

(СНз)зК + СбНб 0.465 0.526 0.499 0.448

Учет сольватации ОЛ в рамках всех рассмотренных моделей сольватации не изменяет соотношения разности энергий граничных молекулярных орбиталей для 1 п 2 типов взаимодействия. Хотя реакции МДА + Ви и МДА + МА относятся к различным группам по классификации Сустмана, влияние сольватации на разность энергий ГМО в обоих случаях небольшое. На качественном уровне можно утверждать, что сольватация, в первую очередь специфическая, увеличивает скорость реакции по сравнению с газовой фазой, что отражается в уменьшении Де.

Применение теории ГМО к рассматриваемым процессам 1,3-диполярного циклоприсоединения позволяет сделать вывод о доминирующем влиянии химического взаимодействия ОЛ с реагентами. За счет сольватации изменяются энергии ГО, уменьшается разность энергий ГМО, что способствует увеличению скорости реакции.

Теория ГМО может применяться только для качественных оценок изменения реакционной способности, найденная зависимость величины активационного барьера от

разности энергий граничных молекулярных орбитапей не может обеспечить количественных оценок изменения реакционной способности диазосоединений и олефинов в присутствии ОЛ.

Теория жестких и мягких кислот и оснований. Для количественных оценок влияния растворителя на скорость протекания реакции была использована теория ЖМКО.

Основными характеристиками молекулы в рамках теории ЖМКО являются глобальные индексы реакционной способности - электронный химический потенциал (р), жесткость (ц) и мягкость (5). Для определения /г, 7, 5 прежде всего необходимо надежно определить электронные параметры молекулы - потенциал ионизации 1Р и сродство к электрону ЕЛ. 1Р и ЕЛ могут быть найдены по теорема Купманса через энергии молекулярных орбиталей.

1РКоортап = ~£НОМО> ^Коортап = ~£ШМО (1)

Для ОРТ-методов характерен общий недостаток - отсутствие физического смысла орбиталей как состояния электрона в многоэлектронной системе. Как следствие, вычисляемые энергии граничных молекулярных орбиталей, а, следовательно, и потенциалы ионизации, характеризуются систематической погрешностью, называемой дефектом Купманса, ДК. Тем не менее, при известном ДК методы ИИТ позволяют получать результаты, прекрасно согласующиеся с экспериментальными данными.

С целью определения ДК для исследуемых соединений исследован тестовый набор соединений с известными потенциалами ионизации, для которого построены зависимости ДК от числа валентных электронов пте в исследуемом соединении. Найденные зависимости описаны трехпараметровым эмпирическим уравнением:

= ГО

а = 1.85 еУ, Ь = 47.7, с = 45.3, Я2 = 0.7 - РВЕ

С помощью этого уравнения для МДА, бутена-1 и МА найдены величины ДК, составляющие 3.28, 3.68, 3.38 еУ соответственно. Таким образом, для любой модели сольватации потенциал ионизации рассчитывали в виде суммы:

/Я = -£„0И0+ДК, (3)

где энергии верхней занятой молекулярной орбитали реагентов (рис. 4) определяли для конкретной сольватной модели.

Вычисленное через энергию ШМО-орбитали, сродство к электрону еще менее надежно, особенно в случае положительного сродства молекулы к электрону. Для качественного вычисления сродства к электрону использовали уравнение:

ЕА = -(£ШМо + £Номо) ~ 1Р

В таблице 6 представлены величины потенциалов ионизации и сродства к электрону, вычисленные по уравнениям 3 и 4,

Таблица 6. Энергетические характеристики соединений; PBE/a.ug-cc-pVTZ расчет, все величины выражены в еУ.

Модель сольватации Растворитель МДА Ви МА

1Р 1ЕА /Р Г ЕЛ 1Р ЕЛ

- - 9.40 -1.27 9.95 -2.85 10.50 -0.93

Континуальная СбНб 9.37 -1.28 9.94 -2.87 10.50 -0.93

Дискретная СНзОН 9.79 -0.73 10.26 -2.46 10.98 -0.20

С5Н5Ы 8.87 -1.69 9.45 -3.27 9.94 -1.40

8.91 -1.68 9.59 -3.19 10.15 -1.19

Обобщенная СНзОН + С6Н6 9.71 -0.81 10.24 -2.50 10.95 -0.33

С;Н5К + СбНб 8.96 -1.59 9.57 -3.12 10.08 -1.26

(СН3)3К + С6Н6 8.88 -1.67 9.67 -3.12 10.18 -1.17

Эксперимент - - - 9.55 9.19; 10.72

Таблица 7. Глобальные индексы реакционной способности (¡л, г] в еУ; £ в еУ1) по данным PBE/aug-ccpVTZ расчетов

Модель сольватации Растворитель МДА Ви МА

М п 5102 1 5102 И V Х-Ю2

- - -4.07 5.34 9.37 -3.55 6.40 7.81 -4.79 5.71 8.75

Континуальная СбНб -4.04 5.33 9.39 -3.53 6.40 7.81 -4.79 5.72 8.75

Дискретная СНзОН -4.53 5.26 9.50 -3.90 6.36 7.86 -5.39 5.59 8.94

СзНзИ -3.59 5.28 9.46 -3.09 6.36 7.86 -4.27 5.67 8.82

(СНз)зТЧ -3.61 5.30 9.44 -3.20 6.39 7.83 -4.48 5.67 8.82

Обобщенная СНзОН + СбНб -4.45 5.26 9.51 -3.87 6.37 7.85 -5.31 5.64 8.87

С5Н3К + СбНб -3.69 5.27 9.48 -3.09 6.36 7.86 -4.41 5.67 8.82

(СНз)зК + СбНб -3.60 5.28 9.48 -3.27 6.40 7.82 -4.51 5.67 8.81

Сильное влияние на величины ]Р и ЕЛ оказывает учет химического взаимодействия растворителя и реагентов в рамках дискретной модели сольватации. Метанол, образуя, в основном, СНзО-Н—О связи, действует как кислота Льюиса, и для дискретной модели сольватации наблюдаются максимальные значения потенциала ионизации и сродства к электрону. Пиридин и триметиламин по сравнению с моделью без учета сольватации,

наоборот, уменьшают значения 1Р и ЕА, которые оказываются минимальными дня дискретной модели сольватации. Отмеченные закономерности выполняются как для полярных соединений (метилдиазоацетата и метилакрилата), так и для бутена-1.

С. помощью 1Р и ЕА найдены глобальные дескрипторы реакционной способности исследуемых соединений (уравнения 5 - 7), представленные в таблице 7.

7р+еа .„

Д =--— (5)

1Р-ВЛ ,,ч

V = —7- (6)

£ = - (7)

Анализ данных таблицы 7 показывает, что переход от модели без учета сольватации к континуальной модели практически не изменяет значения глобальных индексов реакционной способности. Сильное влияние на величины »/, .У оказывает дискретная модель сольватации. Переход от дискретной к обобщенной модели сольватации практически не изменяет величины у., г], .У. Такое изменение индексов реакционной способности показывает, что растворители оказывают каталитическое действие на протекание изучаемых реакций 1,3-диполярного циклоприсоединения. Действительно, согласно экспериментальным данным существенное ускорение реакции образования пиразолинов по механизму [3+2]-циклоприсоединения наблюдается уже при добавлении небольших количеств растворителя (5 мольных %) в реакционную систему.

В рамках теория ЖМКО энергия взаимодействующей системы находится по уравнению В:

с _ г , р _ 1 0*1-Иг)" 1 * т

где Я - эффективное число валентных электронов, которые участвуют во взаимодействии.

Для модели без учета сольватации и континуальной модели параметр X определяли по уравнению^! = - £?=1

Для дискретной и обобщенной модели сольватации мы предлагаем определять X как сумму:

¿а = + ^ст ~ Д1"1 Дискретной модели, где - "эффективное число валентных электронов" для модели без учета сольватации, Х^ — слагаемое, учитывающее перенос заряда с участием растворителя.

Хд = Хс + Я'ст - для обобщенной модели, Хс "эффективное число валентных электронов" для континуальной модели.

В таблице 8 представлены значения энергии взаимодействия и эффективного числа валентных электронов, по всем рассматриваемым сольватационным моделям.

Таблица 8. Энергия взаимодействия (кДж/моль), эффективное число валентных электронов Я, и отношение констант ¿„Д„, результаты РВЕ/аи^'-ссрУТ2 расчетов.

Модель сольватации Растворитель МДА+Ви МДА+МА

Я Е-, „г К/к, Я г К/к,

- - 0.051 -8.2 - 0.068 -11.4 -

Континуальная С6Н6 0.057 -8.8 1.24 0.082 -13.3 2.04

Дискретная СНзОН 0.106 -16.4 7.9 0.187 -27.7 367

0.145 -21.3 112 0.136 -20.0 22.4

(СНз)зК 0.211 -30.2 28600 0.193 -28.9 555

Обобщенная СН3ОН+СбНб 0.140 -20.8 95.6 0.226 -33.0 24700

С5Н5.\'С6№, 0.154 -22.3 162 0.154 -22.6 57.6

(СН3):№С6Н6 0.218 -30.8 35300 0.208 -31.0 11900

Наблюдается увеличение | Е1пС | по сравнению с газовой фазой для каждой модели, обеих реакций и всех растворителей. По данным таблицы также видно, что при усложнении модели сольватации происходит увеличение параметра Я. При этом, обе составляющие сольватационного эффекта— и специфическая, и неспецифическая — вызывают рост параметра Я. Таким образом, для ускорения реакций [3+2]-циклоприсоединения комплексообразование растворителей с реагентами играет главенствующую роль, за счет невалентных взаимодействий растворители изменяют электронные свойства исходных реагентов, благоприятствуя протеканию реакции, однако пренебрежение влиянием растворителя как поляризованного континуума будет вносить заметную ошибку в результаты вычислений и поэтому не является оправданным.

Количественно влияние растворителей на скорость реакций 1,3-диполярного циклоприсоединения оценивали по отношению констант скоростей реакции, предполагая постоянство предэкспоненциалыюго множителя в уравнении Аррениуса для всех используемых моделей:

кт , А£тц 17 = ехР(-~)

К/К - отношение констант скорости реакции с учетом сольватации и в газовой фазе.

Интересно сопоставить полученные данные с экспериментом. К сожалению, прямых кинетических измерений реакции МДА + Ви (или МА) не проводилось. Экспериментально показано, что замена растворителя бензола на пиридин (триметиламин) или добавление в реакционную систему незначительных (~ 5 мол.%)

количеств оснований Льюиса увеличивает выход 1Н- пиразолинов в реакции метилдиазоацетата с метилакрцлатом с 26 (11 + 15) до ~ 75 процентов:

С02Ме С02Ме

мда + ма 1 час, бо°д у—( -„ г-(

ЗН-пиразолин Ш-пиразолин

Поскольку реакцию проводили в стандартных условиях, увеличение выхода продукта является косвенным свидетельством увеличения скорости реакции. Используя рассчитанную для газовой фазы энергию активации 68.7 кДж/моль и предэкспоненциальный множитель 1цА = 6.5, находим при 333 К константу скорости реакции к = 5.3-10"5 л/моль-с. Начальные концентрации реагентов составляли примерно 1.2 моль/л. Отсюда нетрудно найти время 26%-ного превращения реагентов, равное 1.5 часа, что близко к времени реакции. В таблице 9 представлено изменение времени полупревращения реакции для всех моделей сольватации в присутствии различных оснований Льюиса.

Таблица 9. Константы скорости (л моль^с"1) и время полупревращения (час) для реакций мда + Ви (или ма) для всех моделей сольватации и для различных оснований Льюиса.

Модель сольватации Растворитель МДА + Ви МДА + МА

що1. т1/2 Т1/2

- - 0.7-10"8 4-104 0.5-10"4 4.4

Континуальная С6Н6 0.9-10"8 3-Ю4 0.1-10"1 2.2

Дискретная СНзОН 5.6-10"8 4-10' 1.910"2 ю-2

С5Н5Х 7.9 10'' 3-10" 1.2-10"1 0.2

(СН,^ 2.0-10"5 11 2.9-10"2 ю-2

Обобщенная СНзОН+ С6Н6 7.7-10"8 3-102 1.3-10"' 2-Ю-'

С5Н5Н + С6Н6 1.1-10"" 2-Ю2 3.0-10"2 8-10"2

(СНз^ + СбНб 2.5-10"1 9 6.3-1 о-2 4-10°

Из таблицы 9 по отношениям констант скоростей реакции к„/к„ видно, что все модели, учитывающие специфическую сольватацию, предсказывают существенное увеличение скорости исследуемых реакций циклоприсоединения по сравнению с газовой фазой. Из отношения констант, полученного в рамках дискретной и обобщенной модели сольватации, видно, что для данных реакций существенное значение имеет специфическая сольватация. Наименьший каталитический эффект на протекание реакции МДА + Ви

оказывает метанол, в то время как на скорость реакции МДА + МА действие этого растворителя оказывается более существенным. Сольватация реагентов с пиридином, наоборот, более эффективна для реакции МДА + Ви. Наиболее универсальным катализатором реакций [3+2]-циклоприсоединения, для реакций МДА как с полярными олефинами, так и с неполярными, по результатам проведенных расчетов является триметиламин. Для обобщенной модели сольватации данные закономерности также соблюдаются.

Все рассматриваемые растворители уменьшают время полупревращяшя изучаемых реакций циклоприсоединения. Видно, что наиболее эффективным катализатором данных реакций является триметиламин, для реакции МДА + МА уменьшается примерно в 1000 раз. Для реакции МДА + Ви действие этого катализатора также существенно, Цр уменьшается примерно в 4000 раз, но как видно из сравнения констант скорости реакции метилдиазоацетата с олефинами, полученных для различных моделей сольватации реакция МДА + МА протекает примерно в 104 раз быстрее по сравнению с реакцией МДА + Ви.

Чтобы оценить влияние оснований Льюиса на региоселективность протекания реакций циклоприсоединения диазосоединений к С=С связи в рамках теории ЖМКО рассчитаны характеристики реакционного центра— функции Фукуи (/) и локальные мягкости атомов л- (табл. 10), непосредственно участвующих в реакции. При вычислении локальных характеристик реакционного центра необходимо учитывать тип атаки на диполь, который определяется исходя из разницы электронных химических потенциалов р. По данным табл. 7 видно, что циклоприсоединение Ви (диполярофил) к МДА (диполь) протекает по типу нуклеофильной атаки на диполь: //мдл < цви для всех ОЛ в рамках всех рассмотренных моделей сольватации. При взаимодействии МДА с МА, наоборот, ^мда ^ //ма. и, следовательно, для данной реакции реализуется нейтральная или слабо выраженная электрофильная атака на диполь.

= для нуклеофильной атаки (9)

/¡. = [д^) -^<(N-1)] для электрофильной атаки (10)

= —----для нейтральной атаки (11)

Локальная мягкость атома определяется по уравнению: 5 =/£.

Согласно положениям теории ЖМКО, чем больше мягкость атома, тем большей реакционной способностью он обладает. Видно, что вне зависимое™ от типа атаки на диполь в олефинах большей реакционной способностью обладает терминальный атом углерода, в МДА большей реакционной способностью обладает атом С.

Таблица 10. Локальные мягкости атомов реакционного центра для обобщенной модели сольватации, результаты МР2/6-ЗЮ(11) расчетов.

н,с=сн

Растворитель МДА Ви МА

СШ СШ СН СН2 СН СН2

5* / + + / /

- 0.0674 0.0430 0.0341 0.0396 0.0126 0.0485 0.0056 0.0237

С6Н6а 0.0690 0.0435 0.0342 0.0406 0.0127 0.0504 0.0072 0.0226

СНзОН 0 0.0714 0.0461 0.0329 0.0389 0.0030 0.0590 -0.0068 0.0221

С5Н5№ 0.0832 0.0404 0.0346 0.0205 0.0072 -0.0101 0.0055 0.0141

(СН,)3ЫЬ 0.0843 0.0491 0.0330 0.0383 0.0131 0.0461 -0.014 0.0228

СНзОН + СбНб 0.0723 0.0467 0.0332 0.0399 0.0047 0.0586 -0.0025 0.0195

СзН^ + СбНй 0.0832 0.0404 0.0357 0.0201 0.0057 -0.0084 0.0067 0.0143

(СНз)зК + СбНб 0.0841 0.0491 0.0352 0.0415 0.0122 0.0492 -0.0025 0.0152

- континуальная модель, - дискретная модель сольватации.

Результаты табл. /О, позволяют рассчитать параметр региоселективности Д (чем он меньше, тем вероятнее данное направление реакции) и оценить возможность протекания реакций циклоприсоединения по различным направлениям. В случае нуклеофильного циклоприсоединения А рассчитывается по уравнениям:

Д,= - 4яг)2 + - (12)

Ьц= (.¡¡сн ~ *сн)2 + ~ ¡¡съ)2 (13)

Параметры Д представлены в таблице 11. Из данных таблицы 11 следует, что учет неспецифического влияния среды (бензол) практически не оказывает влияния на соотношение параметров региоселективности. Специфические взаимодействия реагентов с ОЛ способствуют более вероятному протеканию реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения по I направлению, что соответствует экспериментальным данным.

Таблица 11. Оценка действия оснований Льюиса на региоселективность (Д-103) протекания исследуемых реакций 1,3-диполярного циклоприсоединения.

не/ ПС/

нгс=а1 нс=с112

я

направление I каправлсиис II

Модель сольватации Основание Льюиса МДА + Ви МДА + МА

Д1 Д[с А[ Дн

— - 0.8 3.2 1.5 1.7

Континуальная СбНб 0.8 3.4 1.6 1.6

Дискретная СНзОН 1.1 5.4 2.7 3.1

С5Н5Х 9.5 7.8 0.9 1.3

(СНз)зТС 1.9 5.2 3.4 5.4

Обобщенная СНзОН+ С6Н6 1.0 5.2 2.5 2.8

С^ЪЫ + СбНб 9.3 7.9 0.9 1.2

(СНз)зМ+ С6Нб 1.8 5.4 3.) 3.4

Учет специфического взаимодействия реагентов и пиридина для реакции МДА + Ви свидетельствует о предпочтительном протекании реакции по II направлению. Отсутствие экспериментальных данных для этой реакции не позволяет оценить достоверность полученных результатов.

ВЫВОДЫ

1. Разработана теоретическая модель для изучения влияния основания Льюиса на реакцию [3+2]-циклоприсоединсния диазосоединений к непредельным соединениям на примере реакции метилдиазоацетата с бутеном-1 (электронодонорный заместитель у кратной связи) и метиловым эфиром акриловой кислоты (электроноакцепторный заместитель) в присутствии оснований Льюиса - метанола, триметидамина и пиридина. Основными характеристиками модели являются: сравнительно экономичный квантово-химмческий метод (В31ЛТ/ или РВЕ/6-ЗЮ((1)), обязательный учет комплексообразования основания Льюиса и реагентов (в работе рассмотрены кластеры реагент:ОЛ состава 1:3), применение теории жестких и мягких кислот и оснований для количественной оценки влияния основания Льюиса, определение ключевых дескрипторов теории ЖМКО (потенциала ионизации и сродства к электрону) по орбитальным энергиям с учетом поправки- дефекта Купманса, а также вычисление эффективного числа валентных

электронов с учетом переноса электронной плотности от растворителя на реакционный центр.

2. Реакция циклоприсоединения диазоэфира к непредельным соединениям протекает по согласованному механизму, синхронность процесса определяется природой реагирующих веществ: синхронный для взаимодействия метилдиазоацетата с бутеном-1 и несинхронный - с метилакрилатом. Циклоприсоединение к метнлакрилату протекает значительно быстрее, соответствующие значения энергий активации без учета влияния растворителя равны 68.7 (МА) и 90.0 (бутен-1) кДж/моль. И кинетически, и термодинамически более вероятным продуктом циклоприсоединения является соответствующий 3,5-дизамещенный пиразолин: разница в энергиях активации для двух направлений циклоприсоединения составляет 2.7 (бутен-1) и 11 кДж/моль (МА).

3. Взаимодействие реагентов с основаниями Льюиса (триметиламин, пиридин) осуществляется за счет С-Н...К (донор электронной плотности- ОЛ) или С-Н...0 водородных связей, если донором выступает реагент - диазоэфнр или метилакрилат. При комплексообразовании с участниками реакции, метанол выступает и как донор (атом О), и как акцептор (атом Н) электронной плотности.

4. Для изучения реакционной способности реагентов в условиях катализа основаниями Льюиса использованы теории граничных молекулярных орбиталей и ЖМКО. Качественный анализ в рамках теории ГМО свидетельствует, что взаимодействию МДА + Ви и МДА + МА отвечают различные типы перекрывания граничных орбиталей, т.е. различные механизмы протекания реакций по классификации Сустмана. Влияние сольватации на разность энергий ГМО (Ае) в обоих случаях небольшое, максимальное изменение Ае наблюдается при учете специфических взаимодействий реагентов с основаниями Льюиса. В полном согласии с этими выводами находятся результаты, полученные в рамках теории ЖМКО. В частности, анализ влияния ОЛ на энергетически характеристики (1Р и ЕЛ), а также глобальные индексы реакционной способности реагентов (ц, 5) ~ показал, что максимальное изменение данных величин наблюдается при учете комплексообразовання реагентов с ОЛ.

5. Специфическое взаимодействие реагентов с основаниями Льюиса является определяющим фактором для ускорения реакций циклоприсоединения диазосоединений к С=С связи, масштаб эффекта достигает четырех порядков по сравнению со скоростью реакции в инертном растворителе (бензол). Природа влияния заключается в переносе электронной плотности от основания Льюиса на реакционный центр, который в рамках теории ЖМКО характеризуется величиной эффективного числа валентных электронов. На

селективность протекания реакции и увеличение выхода 3,5-дизамещенного пиразолина основания Льюиса оказывают значительно меньший эффект.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Самаркина А.Б., Хурсан С.Л. Влияние природы диазосоедннешш и олефинов на протекание реакций 1,3-диполярного циклоприсоединения // Вестник Башкирского ун-та. -2008.-№3(1).-С.780-784.

2. Самаркина А.Б., Хурсан С.Л. Каталитическое влияние пиридина на протекание реакций 1,3-диполярного циклоприсоединения метилдиазоацетата к метилакрилату и бутепу-1 // Баш. хим. журнал. — 2010. - №1. С.55-60.

3. Khursan S.L., Samarkina A.B. Effect of methanol on the regioselectivity and reaction rate of 1,3-dipolar cycloaddition of methyldiazoacetate to methyl acrylate and butene-1 // Journal of Molecular Structure. Theory and Computation in Chemistry (THEOCHEM). 2010, ASAP article, available on-line 14 August 2010, DOT: 10.10I6/j.theochem.2010.08.003.

4. Самаркина А.Б., Ложкин C.C., Хурсан С.Л. О синхронности реакций 1,3-диполярного циклоприсоединения метилдиазоацетата к метилакрилату и бутсну-1 // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Китайско-российское научно-техническое сотрудничество. Наука-образование-инновации "- Харбин-Санья. КНР.-2008. С.64.

5. Самаркина А.Б., Хурсан С.Л. Влияние природы реагентов на орбитальные эффекты 1,3-диполярного циклоприсоединения к олефинам // Тезисы докладов Всероссийской молодежной конференции по математической и квантовойхимии-Уфа,- 2008. С.58.

6. Самаркина А.Б., Хурсан С.Л. Оценка каталитической активности метанола в реакциях 1,3-диполярного циклоприсоединения метилдиазоацетата к алкенам // Тезисы докладов Международной конференции "Новые направления в химии гетероциклических соединений" - Кисловодск. 2009. С 523.

7. Самаркина А.Б., Хурсан С.Л. Оценка каталитического действия пиридина в реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения метилдиазоацетата к С=С связи // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Китайско-российское научно-техническое сотрудничество. Наука-образование-инновации"- Урумчи. КНР.-2009. С.57.

8. Самаркина А.Б., Хурсан С.Л. Оценка каталитической активности оснований Льюиса в реакциях 1,3-диполярного циклоприсоединения метилдиазоацетата к алкенам// Тезисы докладов Всероссийской конференции по органической химии "RCOC"- Москва.-2009. С.370.

Опечатано в типографии ГОУ ВПО «Башгосмедуниверсигег РОЗДРАВА» Лицензия №0177 от 10.06.96г. Подписано в печать 24.08.2010 г. Тираж 130 экз. Заказ № 693. 450000, г.Уфа, ул. Ленина, 3

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Общие сведения о реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения диазосоединений к олефинам.

1.2Влияние условий эксперимента на протекание реакций 1,3- 11 диполярного циклоприсоединения.

1.2.1 Влияние природы реагирующих веществ.

1.2.2 Влияние растворителя на протекание реакций 1,3-диполярного 12' циклоприсоединения.

1.2.3 Влияние катализатора на реакции, 1,3-диполярного 14 циклоприсоединения.

1.3 Получение пиразолинов.

1.4Теоретические основы реакций 1,3-диполярного циклоприсоединения.

1.4.1 Основные типы механизмов реакций циклоприсоединения.

1.4.2 Классификация реакций циклоприсоединения по типу 25 взаимодействия граничных молекулярных орбиталей.

1.4.2.1 Описание эффекта заместителя в рамках концепции ГМО.

1.4.2.2 Влияние катализатора на энергии ГМО.

1.4.3 Теория жестких и мягких кислот и оснований.

1.5 Методы расчета, использующиеся при изучении реакций [3+2]- 35 циклоприсоединения.

1.6 Квантово-химические исследования механизма реакций 1,3- 38 диполярного циклоприсоединения.

В настоящее время реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения диазосоединений к C=G связи широко применяются в синтетической органической химии для получения разнообразных пятичленных гетероциклических систем, которые используются в промышленности и медицине. Пиразолины и их производные проявляют высокую и разнообразную физиологическую активность, например противоопухолевую, психотропную, противовирусную, сосудорасширяющую.

В 1950-1960-е годы произошло резкое увеличение публикаций, посвященных-этим реакциям. Это обусловило необходимость обобщения полученных результатов и стимулировало исследования; в том: числе теоретические, механизма реакций [3+2]-циклоприсоединения. Начало теоретическому изучению циклоприсоединения было положено Вудвордом и Хоффманом, разработавшими теорию перициклических процессов, а также Хьюсгеном и Файерстоуном, которые опубликовали серию работ об исследовании механизма реакций [3+2]-циклоприсоединения.

Варьирование условий проведения реакции существенно влияет на регио- и стереоселективность протекания реакции, выход целевых продуктов. Изучение каталитического [3+2]-циклоприсоединения ограничивается рассмотрением влияния металл органических катализаторов на протекание реакций циклоприсоединения. В последнее время экспериментально показано, что органические кислоты и основания Льюиса также оказывают каталитическое действие на протекание реакций [3+2]-циклоприсоединения диазоалканов к олефинам. Однако механизм действия органических катализаторов остается невыясненным. Изучение эффекта оснований Льюиса на скорость и региоселективность реакции [3+2]-циклоприсоединения экспериментальными методами затруднено сложностью процесса и сравнительно слабыми взаимодействиями катализатора и реагентов. Поэтому теоретическое исследование механизма влияния оснований Льюиса на взаимодействие диазоэфиров с непредельными соединениями является актуальным.

Новым шагом в современной теоретической органической химии стала трактовка реакционной способности в рамках теории жестких и мягких кислот и оснований (ЖМКО), основанная на вычислении ключевых индексов с помощью концептуальной теории функционала плотности (DFT). Расширение области применения этого подхода является актуальной научной задачей. В настоящей работе, насколько нам известно, впервые исследованы возможности теории жмко-dft при описании каталитического влияния основания Льюиса, взятого в виде активной добавки или растворителя, на скорость и региоселективность [3+2]-циклоприсоединения диазоэфиров к олефинам.

Работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ Учреждения Российской академии наук Институт органической химии УНЦ РАН по теме: "Разработка новых подходов к построению азот- и кислородсодержащих гетероциклических структур" (номер государственной регистрации 0120.0500680) при финансовой поддержке Программы №1 ОХНМ РАН "Теоретическое и экспериментальное изучение природы химической связи и механизмов важнейших химических реакций и процессов".

Целью настоящей работы является исследование основных закономерностей катализируемого основаниями Льюиса 1,3-диполярного щжл ©присоединения диазосоединений к С=С-связи, объяснение специфического влияния оснований Льюиса на реакционную способность, диазоалканов и соединений с кратной ОС-связыо в реакциях 1,3-диполярного циклоприсоединения.

Достижение цели исследования включает в себя решение следующих задач:

- создание квантово-химической модели, адекватно описывающей известные экспериментальные закономерности протекания реакций цикл опр ис «единения диазосоединений к С=С-связи;

- учет влияния растворителя на физико-химические характеристики реагентов и переходных состояний;

- выбор теоретической модели для анализа специфического и неспецифического действия оснований Льюиса на реакционную способность исходных соединений;

- выявление основных факторов, определяющих скорость и региоселективность протекания реакций 1,3-диполярного циклоприсоединения диазосоединений к С=С-связи.

выводы

1. Разработана теоретическая модель для изучения влияния основания Льюиса на реакцию [3+2]-циклоприсоединения диазосоединений к непредельным соединениям на примере реакции метилдиазоацетата с бутеном-1 (электронодонорный заместитель у кратной связи) и метиловым эфиром акриловой кислоты (электроноакцепторный заместитель) в присутствии оснований Льюиса - метанола, триметиламина и пиридина. Основными характеристиками модели являются: сравнительно экономичный квантово-химический метод (B3LYP/ или РВЕ/6-3 lG(d)), обязательный учет комплексообразования основания Льюиса и реагентов (в работе рассмотрены кластеры реагент:ОЛ состава 1:3), применение теории жестких и мягких кислот и оснований для количественной оценки влияния основания Льюиса, определение ключевых дескрипторов теории ЖМКО (потенциала ионизации и сродства к электрону) по орбитальным энергиям с учетом поправки— дефекта Купманса, а также вычисление эффективного числа валентных электронов с учетом переноса электронной плотности от растворителя на реакционный центр.

2. Реакция циклоприсоединения диазоэфира к непредельным соединениям протекает по согласованному механизму, синхронность процесса определяется природой реагирующих веществ: синхронный для взаимодействия метилдиазоацетата с бутеном-1 и несинхронный— с метилакрилатом. Циклоприсоединение к метилакрилату протекает значительно быстрее, соответствующие значения энергий активации без учета влияния растворителя равны 68.7 (МА) и 90.0 (бутен-1) кДж/моль. И кинетически, и термодинамически более вероятным продуктом циклоприсоединения является соответствующий 3,5-дизамещенный пиразолин: разница в энергиях активации для двух направлений циклоприсоединения составляет 2.7 (бутен-1) и 11 кДж/моль (МА).

3. Взаимодействие реагентов с основаниями Льюиса (триметиламин, пиридин) осуществляется за счет C-H.N (донор электронной плотности- ОЛ) или C-H.0 водородных связей, если донором выступает реагент— диазоэфир или метил акр ил ат. При комплексообразовании с участниками реакции, метанол выступает и как донор (атом О), и как акцептор (атом Н) электронной плотности.

4. Для изучения реакционной способности реагентов в условиях катализа основаниями Льюиса использованы теории граничных молекулярных орбиталей и ЖМКО. Качественный анализ в рамках теории ГМО свидетельствует, что взаимодействию МДА + Bu и МДА + МА отвечают различные типы перекрывания граничных орбиталей, т.е. различные механизмы протекания реакций по классификации Сустмана. Влияние сольватации на разность энергий ГМО (As) в обоих случаях небольшое, максимальное изменение Де наблюдается при учете специфических взаимодействий реагентов с основаниями Льюиса. В полном согласии с этими выводами находятся результаты, полученные в рамках теории ЖМКО. В частности, анализ влияния ОЛ на энергетически характеристики (IP и ЕА), а также глобальные индексы реакционной способности реагентов (/л, rj, S) — показал, что максимальное изменение данных величин наблюдается при учете комплексообразования реагентов с ОЛ.

5. Специфическое взаимодействие реагентов с основаниями Льюиса является определяющим фактором для ускорения реакций циклоприсоединения диазосоединений к С=С связи, масштаб эффекта достигает четырех порядков по сравнению со скоростью реакции в инертном растворителе (бензол). Природа влияния заключается в переносе электронной плотности от основания Льюиса на реакционный центр, который в рамках теории ЖМКО характеризуется величиной1 эффективного числа валентных электронов. На селективность протекания реакции и увеличение выхода 3,5-дизамещенного пиразолина основания Льюиса оказывают значительно меньший эффект.

1.7. Заключение

Анализ литературных данных показал, что качественные теории, традиционно применяемые в органической химии (прежде всего теория граничных молекулярных орбиталей) успешно применяются для анализа и интерпретации экспериментальных данных, и, в ряде случаев, позволяют выбрать оптимальные условия проведения реакции. Поскольку реакционная способность соединения зависит от совокупности различных факторов (природы заместителей, растворителя, наличия или отсутствия катализатора), то, зная состав и энергию граничных молекулярных орбиталей, можно сделать выводы о влиянии этих факторов на протекание реакции. Безусловно, такой подход является сильно упрощенным вследствие неучета таких факторов как стерические эффекты заместителя и природа переходного состояния. В случаях, когда теория граничных молекулярных орбиталей оказывается неспособной объяснить влияние различных факторов на протекание реакции, требуется более детальное исследование механизма процесса. Кроме того, теория граничных молекулярных орбиталей применима к реакциям, протекающим, как правило, по синхронному механизму и подчиняющимся орбитальному контролю. В случае сильно асинхронного механизма реакция (3+2)-циклоприсоединения приобретает признаки нуклеофильности, в данном случае существенными становятся зарядовые факторы. . .

Также, одним из факторов, определяющих реакционную способность, является природа растворителя. Так, например, для реакций, протекающих по ступенчатому механизму, через образование сильнополярного переходного состояния, ускорение реакции циклоприсоединения наблюдается при использовании полярных растворителей.

Механизм процесса определяет также регио- и стереоселективиость реакции циклоприсоединения. Например, введение электронакцепторной группы в молекулу диполярофила ведет к предпочтительному образованию ор/ио-изомера, а электронакцепторные заместители обуславливают мета-селективность.

Результаты качественных теоретических оценок в рамках теории граничных молекулярных орбиталей позволяют планировать условия эксперимента (катализаторы, растворители, заместители) с целью проведения селективного синтеза.

В последнее время большое распростронение для теоретического изучения реакций (3+2)- циклоприсоединения получила теория жестких и мягких кислот и оснований, которая позволяет получить количественные оценки изменения взаимной реакционной способности реагентов при варьировании условий эксперимента. В большинстве работ, использующих данную теорию для теоретических оценок, рассмотрено влияние природы реагентов и неспецифического влияния растворителя на скорость и регио-селективность протекания реакций (3+2)-циклоприсоединения.

Изучение каталитического (3+2)-циклоприсоединения ограничивается рассмотрением влияния металлорганических катализаторов на протекание реакций циклоприсоединения. Вместе с тем, достаточное число экспериментальных данных свидетельствует о каталитическом действии органических кислот и оснований Льюиса в реакциях циклоприсоединения диазоалканов к олефинам. Существенное увеличение скорости и регио-селективности протекания реакции в присутствии подобных катализаторов делает перспективным анализ роли и механизма действия кислот и оснований Льюиса. Несомненно, важной задачей теоретического исследования является поиск корреляции между природой катализатора и скоростью протекания реакции.

Глава 2. Методическая часть.

2.1. Квантово-химические методы исследования и использованные приближения

Квантово-химические расчеты выполняли с помощью программы GAUSSIAN-03 [99]. Оптимизацию строения исходных веществ и сольватных кластеров проводили в рамках теории функционала плотности, DFT, с использованием гибридного функционала B3LYP [ЮО] и валентно-расщепленного базисного набора 6-31G с включением поляризационных функций d-типа для неводородных атомов. Тип стационарных точек на поверхности потенциальной энергии устанавливали расчетом матрицы Гессе (колебательная задача) по числу мнимых частот колебаний (0 — для минимумов на ППЭ и 1 - для седповых точек).

Учитывая физическую неопределенность МО в рамках теории функционала плотности, энергию граничных молекулярных орбиталей находили с помощью метода HF//B3LYP/6-31G(d).

Для определения параметров молекул в рамках теории ЖМКО проводили единичные расчеты с помощью методов: B3LYP/6-31G(d), B3LYP/6-311++G(d, р) и локального функционала РВЕ [101], используя базисный набор aug-cc-pVTZ, с оптимальным строением молекул, найденным в приближении B3LYP/6~31G(d). При расчете энергии со ль в атир ов анных комплексов ошибку суперпозиции базисного набора BSSE находили методом противовесов в рамках используемых приближений. Расчет локальных индексов реакционной способности проводили с помощью метода МР2/6-31G(d), используя электронную заселенность /-го атома, которую определяли методом Мерца и Коллмана [102,103].

Учет неспецифического влияния растворителя на энергетические параметры исследуемых соединений осуществляли с помощью модели поляризованного континуума РСМ [104].

Для оценки влияния OJI на протекание исследуемых реакций использовали три подхода:

1. Континуальная модель — учет неспецифической сольватации, с использованием модели поляризованного континуума РСМ [104].

2. Дискретная модель — учет специфической сольватации. Изучали сольватные кластеры, состоящие из одной молекулы реагента и нескольких молекул ОЛ, соединенных посредством водородной связи При построении сольватных кластеров исходили из предположения, что ОЛ образует с исходными веществами классические водородные связи. Так, в МА, в образовании водородных связей участвуют атомы кислорода сложноэфирной группы. В МДА, кроме атомов кислорода водородную связь с метанолом могут образовывать также атомы азота. Для Ви возможны слабые взаимодействия О—Н, G—Н—О, а также координация молекулы метанола по кратной связи.

3. Обобщенная модель — совместный учет неспецифической и специфической сольватации (модель 1 + модель 2).

2.2.Методология теории ГМО.

Согласно концепции граничных молекулярных орбиталей[31,32] протекание химических реакций определяется взаимодействием высшей занятой и низшей свободной молекулярной орбитали (HOMO и LUMO соответственно). Для расчета энергии граничных молекулярных орбиталей использовали метод Хартри-Фока и оптимальное строение соединения, найденное в приближении B3LYP/6-31G(d). Об изменении эффективности взаимодействия реагентов при использовании различных моделей сольватации судили по разнице энергий граничных молекулярных орбиталей: Ае{ = 5s(i)lumo - 8e(2)HOMO, и Де2 = 5е(2)шмо - 5е(1)Номо1

С помощью найденных величин Aei и Де2 классифицировали исследуемые реакции по Сустману [31,32].

1 Надстрочный индекс (1) относится к диполю - диазосоединению, а (2) к диполярофилу - олефину

2.3. Методология теории ЖМКО.

2.3.1. Определение глобальных индексов реакционной способности.

Ключевые характеристики молекулы в теории ЖМКО - электронный химический потенциал /л и глобальная жесткость rj системы (уравнения 2—1 и 2-2) определяются как первая и вторая производная Е[р] по числу электронов N при постоянном v(r): = (2-2)

Другой глобальный дескриптор химического соединения - мягкость — равен:

5=i с-3)

Величины /л и т/ рассчитывали по уравнениям:

V = ^ (2-5) где IP и ЕА потенциал ионизации и сродство к электрону, соответственно. Последние могут быть вычислены по приближению конечных разностей как разность полных энергий между нейтральной системой и катион- и анион-радикалом, соответственно, т.е.:

IP = EtotaiCN - 1) - EtotaiW, ЕА = Etotal№ - Etotal(N + 1) (2-6) Для корректного описания потенциала ионизации и сродства к электрону учитывали сольватацию электрона в метаноле и бензоле, величину Esolv(e) принимали равной 1.98 и 1.11 эВ [105,106].

Энергию взаимодействия находили, используя уравнение 1-7:

1 0*i-/*2)2 1

Е. ^ --'(-I-)

1Ш 2 (iii+ Чг) 4 V51+S2y

Параметр X находили как разность сумм электронных плотностей атомов реакционного центра в переходном состоянии и в изолированных соединениях по уравнениям 1-9: я — vp neq —vp ЛА — A=1 PAi z,j=1 PAi

2.3.2. Локальные индексы реакционной способности и региоселективность протекания реакций.

В случае исследуемого(3+2)-цишюприсоединения, с четырьмя локальными реакционными центрами i,j, к, I региоселективность реакции оценивали с помощью параметра А, предложенного в работе [92]:

Направление I предпочтительно, когда А/ < Ая

При других типах переноса электрона индексы при атомах /, j, к, I в уравнениях (2—8, 2-9) заменяются в соответствии с уравнениями (1-13).

С*-С/ 2

Д/= Oi- - sk+y + (sr - sl+) 2

Д//= Or - Sl+Y + Or ~ Sk+)

2-7)

2-8)

Глава 3. Обсуяедение полученных результатов

Пир аз о лины представляют интерес для фармакологии [107-109] и являются синтонами в синтезе биологически важных азотсодержащих гетероциклических соединений (например, производных пиразола [110, 111], пирролидина [112,113], пиримидина [10,12]).

Среди многочисленных методов синтеза пиразолинов реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения диазосоединений к С=С-связи принадлежит одно из ведущих мест [116,112], причем изменение полярности растворителя и применение катализаторов могут существенно влиять на выход и селективность данного процесса. Так, применение широкого ряда кислот Льюиса в качестве катализатора реакции диазоэфиров или диазометана с а,Р-ненасыщенными карбонильными соединениями позволяет с высокой селективностью получать пиразолины [12,112-117] и пиразолы [110]. Однако в литературе встречаются лишь единичные примеры реакций 1,3-диполярного циклоприсоединения, катализируемых N-содержащими основаниями Льюиса [14,15,116,117], присутствие которых позволяет селективно получать 1#-пиразолины и практически полностью исключает побочные реакции [12,13].

Реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения протекают с первоначальным образованием двух конформационных изомеров ЗН-пиразолина (цис и транс) с дальнейшей самопроизвольной миграцией атома водорода и образованием 7#-пиразолина.

В лаборатории металлоорганического синтеза и катализа ИОХ УНЦ РАН получены результаты, показывающие сильную зависимость скорости

N2CHR + цис транс

1Н-пиразолин реакции циклоприсоединения, выхода и стереоселективности продуктов от природы реагирующих веществ и растворителя.

3.1. Влияние различных факторов на выход пиразолинов 3.1.1 Влияние растворителя

Ранее показано, что изменение полярности растворителя оказывает существенное влияние на селективность и скорость реакции циклоприсоединения диазосоединений к олефинам. На примере реакции циклоприсоединения МДА к МА изучено влияние различных растворителей на выход пиразолинов.

N2CHC02Me + <^С02Ме

С02Ме Ме02С,.

N=N цис

N=N транс

MeOiC-^^y^COjMe N—N

Н 1Н-пиразолин

1. R. Huisgen. J. Org. Chem. Mechanismof 1,3-dipolarcycloadditions. Reply. // J. Org. Chem. 1968. - Vol. 33. -No. 9. -P. 2291-2297.

2. R. Huisgen. 1,3-Dipolar cycloadditions. 76. Concerted nature of 1,3-dipolar cycloadditions and the question of diradical intermediates. // J. Org. Chem. 1976. -Vol. 41.-No. 3.-P. 403-419.

3. R. A. Firestone. Mechanism of 1,3-dipolar cycloadditions. // J. Org. Chem. -1968. Vol. 33. -No. 9. -P. 2285-2290.

4. R. A. Firestone. The diradical mechanism for 1,3-dipolar cycloadditions and related thermal pericyclic reactions // Tetrahedron- 1977.-Vol. 33.- No. 23.- P. 3009-3039.

5. R. A. Firestone. Applications of the Linnett electronic theory to organic chemistry. Part 1П. Linnett structures for 1,3-dipoles and for the diradical intermediates in 1,3-dipolar cycloadditions. // J. Chem. Soc. A. -1970. 1570-1575.

6. R. Huisgen, J. Koszinowitski, A. Ohta, R. Schiffler. Cycloadditionen der Diazoalkane an 1-Alkene. //Angew. Chem. 1980. - V.92-P.198-199.

7. J. Geittner, R. Huisgen, R. Sustman. Kinetics of 1,3-dipolar cycloaddition reactions of diazomethane; a correlation with homo-lumo energies. //Tetrahedron Lett. -1977.-P.881-883.

8. A. Padwa. 1,3-Dipolal Cycloaddition Chemistry. Wiley, New York, 1984

9. Т. Капо, T. Hashimoto, K. Maraoka. Enantioselective 1,3-dipolar cycloaddition reaction between diazoacetatesand a-substituted acroleins: total synthesis of Manzacidin A. //J. Am. Chem. Soc. 2006. - Vol. 128. -No. 7. -P. 2174-2175.

10. S. Kanemasa, T. Kanai. Lewis acid-catalyzed enantioselective 1,3-dipolar cycloadditions of diazoalkane: chiral ligand/achiral auxiliary cooperative chirality control. //J. Am. Chem. Soc. 2000. - Vol. 122. - No. 43. - P. 10710-10711.

11. J.L.G. Ruano, M.T. Peromingo, M. Alonso, A. Fraile, M.R. Martin, A. Tito. 1,3-Dipolar cycloadditions of diazoalkaiies to activated sulfoxides: influence of Lewis acids. //J. Org. Chem. -2005. Vol. 70. - No. 22. -No.43. - P. 8942-8947.

12. M.P. Sibi, L.M. Stanley, T. Soeta. Enantioselective 1,3-dipolar cycloadditions of diazoacetates with electron-deficient olefins. // Org. Lett. 2007. - Vol. 9. - No. 8. -P 1553-1556.

13. M.P. Doyle, M.R. Colsman, R.L. Dorow. Effective methods for the syntheses of 2-pyrazolines and pyrazoles from diazocarbonyl compounds. // J.Heterocycl. Chem. -1983. Vol. 20. - No. 4. - P. 943-946.

14. M.P. Doyle, R.L. Dorow, W.H. Tamblyn. Cyclopropanation of a,(3-unsaturated carbonyl compounds and nitriles with diazo compounds. The nature of the involvement of transition-metal promoters. // J. Org. Chem. 1982. - Vol. 47. -No. 21. - P. 40594068.

15. S.I. Al-Khaffaf, M. Shanshal. A new synthesis of 2- and 4-cyclopropyl pyridine. //J. Prakt. Chem. 1983. -Bd. 325. -H. 3. -S. 517-520.

16. J.-J. Wang, J.-Z. Li, D. Gryko, Y.K. Shim. Synthesis of chlorins linked with pyrazoline by 1,3-dipolar diazomethane cycloaddition reaction. // Bull. Korean Chem. Soc. -2006. Vol. 27. -No. 7. -P. 1083-1085.

17. W.-M. Chen. Synthetic studies on Erythromycin derivatives: reactivity of the C12-21 Alkene. // Molecules. 2006. - Vol. 11. -No. 1. -P. 121-129.

18. R. Takagi, M. Nakamura, M. Hashizume, S. Kojima, K. Ohkata. Stereoselective cyclopropanation of 3-aryl-2-phosphonoacrylatesinduced by the (-)-8-phenylmenthylgroup as a chiral auxiliary. // Tetrahedron Lett. 2001. - Vol. 42. - No. 34. - P. 58915895.

19. H.C. Гулюкина, A.B. Варакута, И.П. Белецкая. Синтез 1-арилциклопропилфосфонатов. //Изв. АН, Сер.хим. -2007. — No. 9. С. 1820-1826.

20. V. Padmavathi, M.R. Sarma, R. ReddyT.V., D.B. Reddy. Studies on reactivity of bisolefmic diketo sulfides/sulfones. // Synth. Commun. 2003. - Vol. 33. - No. 22. - P. 3879-3889.

21. V. Padmavathi, M.R. Sarma, A. Padmaja, D.B. Reddy. 2-Pyrazolines from 1,3 -dipolar cycloaddition of diazomethane to arylsulfonylethenes. // J. Heterocyclic Chem. -2003.-Vol. 40.-No. 5.-P. 933-937.

22. А.П. Молчанов, A.H. Лихолай,Р.Р. Костиков. Реакции алифатических диазосоединений: III. Реакции этилдиазоацетата с 1,3-диарилпропенонами. // Журн. орган.химии. 2001. - Т. 37. - Вып. 11. - С. 1593-1597.

23. А.П. Молчанов, А.В. Степаков, P.P. Костиков. Реакции алифатических диазосоединений: V. Реакция метилдиазоацетата с имидами итаконовой кислоты. //Журн. орган.химии. 2002. - Т. 38. - Вып. 2. - С. 286-289.

24. А. П. Молчанов, А. В. Степаков, Р. Р. Костиков. Реакции алифатических диазосоединений. Взаимодействие эфиров диазоуксусной кислоты с малеинимидами. //Журн. орган.химии. 2000.-Т. Зб.-Вып. 8. - С. 1175-1179.

25. К. В. Wiberg. Application of the pople-santry-segal CNDO method to the cyclopropylcarbinyl and cyclobutyl cation and to bicyclobutane. // Tetrahedron. -1968. Vol. 24. — No. 3. - P. 1083-1096.

26. A. Moyano, M. A. Pericas, E. Valenti. A theoretical study on the mechanism of the thermal and the acid-catalyzed decarboxylation of 2-oxetanones (.beta.-lactones). // J. Org. Chem. 1989. - Vol. 54. -No. 3. -P. 573-582.

27. R. Sustman. A simple model for substituent effects in cycloaddition reactions. I. 1,3-dipolar cycloadditions. //Tetrahedron Lett.Vol. 12. No. 29. - P. 2717-2720.

28. R. Sustman. A simple model for substituent effects in cycloaddition reactions. II. The diels-alder reaction. //Tetrahedron Lett.Vol. 12. No. 29. - P. 2721-2724.

29. M. JI. Кузнецов. Теоретические исследования реакций 3+2.-циклоприсоединения. //Успехи химии. -2006. -Vol. 75. No. 11. - P. 1045-1073.

30. R. G. Pearson. Hard and Soft Acids and Bases. // J. Am. Chem. Soc. 1963. Vol. 85.-No. 22.-P. 3533-3539.

31. R. G. Pearson. Hard and soft acids and bases, HSAB, part П: Underlying theories. //J. Chem. Educ. 1968. -Vol. 45. -No. 10. -P. 643-648.

32. P. K. Chattaraj, H. Lee, R. G. Parr. HSAB principle. // J. Am. Chem. Soc. -1991.-Vol. 113.-No. 5.-P. 1855-1856.

33. R. G.Parr, P. K. Chattaraj. Principle of maximum hardness. // J. Am. Chem. Soc. -1991. -Vol. 113. -No. 5. -P. 1854-1855.

34. J. L. Gazquez. The Hard and Soft Acids 'and Bases Principle. //J. Phys. Chem. A. -1997. -Vol. 101. -No. 26. -P. 4657-4659.39: Parr, R, G.; J. L. Gazquez. Hardness functional. // J. Phys. Chem. -1993. -Vol. 97.-No. 16.-P. 3939-3940.

35. F. Mendez, J. L. Gazquez. Chemical Reactivity of Enolate Ions: The Local Hard and Soft Acids and Bases Principle Viewpoint. // J. Am. Chem. Soc. -1994.— Vol.116.-No. 20.-P. 9298-9301.

36. Gazquez, J. L.; Mendez, F. J. The Hard and Soft Acids and Bases Principle: An Atoms in Molecules Viewpoint. // Phys. Chem. 1994. -Vol.98. -No. 17. -P. 4591 -4593.*

37. F. Mendez, J. Tamariz, P. Geerlings. 1,3-Dipolar Cycloaddition Reactions: A DFT and HSAB Principle Theoretical Model. // J. Phys.Chem. A. -1998. Vol.102. -No. 31.-P. 6292-6296.

38. K. R. S. Chandrakumar, S. Pal. A Systematic Study on the Reactivity of Lewis Acid-Base Complexes through the Local Hard-Soft Acid-Base Principle. //J. Phys. Chem. A. -2002. Vol. 106. -No. 48. -P.11775-11781.

39. K. R. S. Chandrakumar, S. Pal. Study of Local Hard-Soft Acid-Base Principle to Multiple-Site Interactions. //J. Phys. Chem. A. -2002. Vol. 106. - No. 23. - P. 57375744.

40. K. R. S. Chandrakumar, S. Pal. Study of Local Hard-Soft Acid-Base Principle: Effects of Basis Set, Electron Correlation, and the Electron Partitioning Method.// J. Phys. Chem. A. -2003. -Vol. 107. No. 30. - P. 5755-5762.

41. A. Ponti, G. Molteni. Uncommon aqueous media for nitrilimine cycloadditions.II.y Computational study of the effect of water on reaction rate. // New J. Chem. 2002. -Vol. 26 -No. 10 -P. 1346-1351

42. A. Ponti. DFT-Based Regioselectivity Criteria for Cycloaddition Reactions. //J. Phys. Chem. A. -2000. -Vol. 104. No. 39. - P. 8843-8846.

43. B. S. Jursic. Cycloaddition extrusion reactions in the preparation of pyrroles. A DFT-AM1 theoretical study. // J. Mol. Struct. (THEOCHEM).- 1996. Vol. 365 - No: l.-P. 55-61.

44. N. T. Anli, G. Frison, A. Solladie-Cavallo, P. Metzner. Some difficulties encountered with AMI and PM3 calculations. //Tetrahedron. -1997. Vol. 54. - No. 422.-P. 12841-12852.

45. M. L. Kuznetsov, A. J. L. Pombeiro. Theoretical study of redox induced isomerizations, structure and bonding of nitrile, isocyanide and carbonyl complexes of rhenium.//! Chem. Soc., Dalton Trans. 2003. -Vol. 4. - P. 738-747.

46. R. Lopez, D. Suarez, T. L. Sordo, M. F. Ruiz-Lopez. Theoretical Study of the 2+2. Cycloaddition of Thioketenes with Imines to form p-Thiolactams. //Chem. Eur. J. -1998. -Vol. 4. -No. 2. -P. 328-334.

47. D. C. Fang, H. M. Li. Ab initio studies on topological analysis and substituent effects of reactions between ketenimine and olefin.// J. Mol. Struct. (THEOCHEM).— 2000.-Vol. 528-No. l.-P. 111-119.

48. D. C. Fang, Z. F. Xu, X. Y. Fu. Ab initio studies on the mechanism of cycloaddition reactions of isocyanates and ethylene.// J. Mol. Struct. (THEOCHEM).-1995.-Vol. 333-No. l.-P. 159-163.

49. D. C. Fang, X. Y. Fu. Catalytic and substituent effects on cycloaddition reactions between isocyanates and aldehydes.// J. Mol. Struct. (THEOCHEM).- 1999. Vol. 459 -No. l.-P. 15-21

50. J. J. Blavins, P. B. Karadakov, D. L. Cooper. Modern Valence-Bond Description of Chemical Reaction Mechanisms: The 1,3-Dipolar Addition of Diazomethane to Ethene. //J. Org. Chem. -2001. Vol. 66-No. 12. -P. 4285-4292.

51. D. Zhang, R. Y. Zhang. Mechanism of OH Formation from Ozonolysis of Isoprene: A Quantum-Chemical Study. // J. Am. Chem. Soc. -2002. Vol. 124. - No. 11.-P. 2692-4153.

52. S. Y., Ham, D. M. Birney. Further ab initio studies on the reactivity of nitrosoketene. //Tetrahedron Lett. -1997. Vol. 38. - No. 34. - P. 5925-5928.

53. V. P. Ananikov. Competing nature of intramolecular 4 + 2., and [3 + 2] cycloaddition reactions: a theoretical study. //J. Phys. Org. Chem. -2003. Vol. 4. -No. 48. -P.253-263.

54. O. Wiest. Density functional theory studies of the methanol radical cation hypersurface.// J. Mol. Struct. (THEOCHEM).- 1996. Vol. 368 - No. 27. - P. 39-48.

55. V. Hrouda, P. Carsky, M. Ingr, Z. Chval, G. N. Sastry, T. Bally.The C4H6«+ Potential Energy Surface. 2. The Reaction of Ethylene Radical Cation with Acetylene. //J. Phys. Chem. A. -1998. -Vol. 102. No. 46. - P. 9297-9307.

56. N. L. Ma, B. J. Smith, L. Radom. The energy difference between formaldehyde and hydroxymethylene radical cations: failure of unrestricted (UMP2) and restricted (RMP2) Moller—Plesset procedures.//Chem. Phys. Lett. 1992.- Vol. 39 - No. 5. - P. 386-394

57. J. J. Blavins, P. B. Karadakov, D. L. Cooper. //J. Phys. Chem. A. -2003. -Vol. 107.-No. 31.-P. 2548-6120.

58. M. F. Hendrickx. C. Vinkier. 1,3-Cycloaddition of Ozone to Ethylene, Benzene, and Phenol: A Comparative ab Initio Study.//! Phys. Chem. A. -2003. -Vol. 107. -No. 38.-P. 7574-7580:

59. M. T. Nguyen, A. K. Chandra, S. Sakai, K. Morokuma. Another Look at the Mechanism of the Concerted 1,3-Dipolar Cycloaddition of Fulminic Acid to Acetylene.//J. Org. Chem. 1999. - Vol. 64 - No. 1. - P. 65-69.

60. S. M. Bachrach, J. С. Jilbert. The Reaction of Cyclopentyne with Ethene: Concerted vs Stepwise Mechanism? //J. Org. Chem. 2004. - Vol. 69 - No. 19. - P. 6357-6364.

61. R. Sustmann, W. Sicking, R. Huisgen. Thioformaldehyde S-Methylide and Thioacetone S-Methylide: An Ab Initio MO Study of Structure and Cycloaddition

62. Reactivity.//Chem. Eur. J. -2003. -Vol. 10. No. 2. - P. 2245-2255.

63. K. N. Houk, J. Sims, R. E. Duke Jr., R. W. Strozier,J. K. George. Frontier molecular orbitals of 1,3 dipoles and dipolarophiles. // J. Am. Chem. Soc. 1973. -Vol. 95. - No. 43. - P. 7287-7301.

64. K. N. Houk, J. Sims, C. R. Watts, L. J. Luskus. Origin of reactivity, regioselectivity, and periselectivity in 1,3-dipolar cycloadditions. // J. Am. Chem. Soc. — 1973. Vol. 95. - No. 43. - P. 7301-7315.

65. T. Jikyo, J. Schatz, G. Maas. Reactivity of heterophospholes toward 1,3-dipolar cycloaddition of diazo compounds an FMO analysis.// J. Phys. Org. Chem. - 2003. -Vol. 16.-No. 8.-P. 504-512.

66. A. F. Jalbout, Z. Jiang, H. Abou-Rachid, N. N. Benkaddour. On the 1,3-dipolar cycloaddition reactions of indenone with N-N-C dipoles: density functional theory calculations. // Spectrochim Acta A. 2004. -Vol. 60. - No. 3. - P. 603-609.

67. S. Bashkaran, J. Vasu, R. Prasad, K. Kodukulla, G. K. Trivedi, J. Chandrasekhar. 1,3-Dipolar cycloaddition reaction of a,p-unsaturated esters and lactones with diazomethane. //Tetrahedron. 1996. - Vol. 52. - No. 12. -P. 4515-4526.

68. M. J. Wei, D. C. Fang, R. Z. Liu. Theoretical Studies on Cycloaddition Reactions between l-Aza-2-azoniaallene Cation and Olefins. //J. Org. Chem. 2002. - Vol. 67 -No. 21.-P. 7432-7438.

69. Q. R. Wang, M. Altalib, J. C. Jochims. On the Reaction of l-Aza-2-azoniaallene Salts with Acetylenes. // Chem. Ber. -1994. Vol. 127 - No. 3. - P. 541-547.

70. M. J. Wei, D. C. Fang, R. Z. Liu.Theoretical Studies on Cycloaddition Reactions between l-Aza-2-azoniaallene Cations and Isocyanates. // Eur. J. Org. Chem. -2004. -Vol. 2004-No. 19. P. 4070-4076.

71. K. Kavitha, P. Venuvanalingam. 1,3-Dipolar additions involving allenes: A density functional study of concerted and stepwise mechanisms. //J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2. 2002. - Vol. 12 - P. 2130-2139.

72. R. J. Crawford,D. M. Cameron, H. Tokunaga. Thermolysis of Some 4-Alkylidene-1 -pyrazolines. // Can. J. Chem. 1994. - Vol. 52 - P. 4025-4032.

73. H. Y. Liao, M. D. Su, W. S. Chung, S. Y. Chu. Density functional study of the relative reactivity in the concerted 1,3-dipolar cycloaddition of nitrile ylide to disubstituted ethylenes. // Int. J. Quantum Chem. 2001. - Vol. 83 - No. 6. - P. 318323.

74. С. I. Williams, M. A. Whitehead, B. J. Jean-Claude. A semi-empirical and ab initio study of diazoazole cycloaddition reactions with ethyne, ynamine, and cyanoethyne. //J. Mol. Struct. (THEOCHEM).- 1999. Vol. 491 -No. 1. -P. 103-121.

75. L. Nyulaszi, P. Varnai, W. Eisfeld, M. Regitz. Regioselectivity in cycloaddition reaction between phosphaacetylene and diazomethane: An ab initio study. // J. Comput. Chem. -1997. Vol. 18. -No. 5. -P. 609-616.

76. A. Ponti, G. Molteni. DFT-Based Quantitative Prediction of Regioselectivity: Cycloaddition of Nitrilimines to Methyl Propiolate. //J. Org. Chem. 2001. - Vol. 66 -No. 15.-P. 5252-5255.

77. G. Molteni, A. Ponti. Assessment of mechanistic hypotheses of 1,3-dipolar cycloaddition of (arylsulfonyl)allene to nitrilimines by DFT reactivity indices. //Tetrahedron. -2003. Vol. 59. - No. 28. - P. 5225-5229.

78. G. Krajsovszky, A. Gaal, N. Haider, P. Matyus. 1,3-Dipolar cycloaddition reaction of 5-substituted pyridazinones with nitrile imines: synthesis of pyrazolo3,4-d.pyridazines. // J. Mol. Struct. (THEOCHEM).- 2000. Vol. 528 - No. 1. - P. 13-18.

79. R. A. Firestone. Orientation in the 1,3-dipolar cycloaddition of diazomethane with alkylethylenes. // Tetrahedron Lett. 1980. -Vol. 21. -No. 23. -P. 2209-2212.

80. C. Cativiela, M. D. Diaz-de-Villegas, J. L. Garcia, A. I. Jimenez. 1,3-Dipolar cycloaddition of diazomethane to chiral azlactones. Experimental and theoretical. //Tetrahedron. -1997. Vol. 53. - No. 12. - P. 4479-4486.

81. A. D. Becke. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange. //J. Chem. Phys. -1993. -Vol. 98. -No. 10. -P. 5648-5652.

82. J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof. Generalized Gradient Approximation Made Simple. //Phys. Rev. Lett. -1996. -Vol. 77. -No. 18. -P. 3865-3868.

83. U. C. Singh, P. A. Collman. An approach to computing electrostatic charges for molecules/Я. Comput. Chem. -1984. -Vol. 2. -No. 18. -P. 129-145.

84. В. H. Besler, К. M. Merz, Jr., P. A. Collman. Atomic charges derived from semiempirical methods. //J. Comput. Chem. -1990. Vol. 11. -No. 4. - P. 431-438.

85. M. Cossi, V. Barone, R. Cammi, J. Tomassi. Ab initio study of solvated molecules: a new implementation of the polarizable continuum model. // Chem. Phys. Lett. -1996. Vol. 255. -No. 3. -P. 327-335.

86. А. К. Пикаев, Современная радиаг(ионная химия: радиолиз газов и жидкостей. М.: Наука, 1986г., 440 с.

87. R. A. Marasas, Т. Iyoda, J. R. Miller. Benzene radical in equilibrium with solvated electrons. // J. Phys. Chem. A. -2003. Vol. 107. - No. 3. - P. 2033-2038.

88. X. Zhang, X. Li, G.f. Allan, T. Sbriscia, O. Linton, S.G. Lundeen, Z. Sui. Design, Synthesis, and in Vivo SAR of a Novel Series of Pyrazolines as Potent

89. Selective Androgen Receptor Modulators. // J. Med. Chem. 2007. - vol. 50. - No. 16. -P. 3857-3869.

90. R.V. Padmavathi, B.J. Mohan; D. R. C. Venkata. Bischalcones synthons for a new class of bis(heterocycles). //New J. Chem. - 2004. - vol. 28. - No. 12. - P. 14791483.

91. A. Otto, B. Ziemer, Y. Liebscher. Optically active spirocyclopropyllactones and 3-aminopyrrolidones via stereoselective diazoalkane cycloaddition at alkilidenlactones. // Synthesis. 1999. - Vol. 1999. -No. 6. -P. 965-972.

92. A. Padwa, W.H. Pearson. The Chemistry of Heterocyclic Compounds, Vol. 59: Synthetic Applications of 1,3-Dipolar Cycloaddition Chemistry Toward Heterocycles and Natural Products. P., Ed. A. Padwa, John Wiley & Sons: New York, 2002.

93. J.L.G. Ruano, M.T. Peromingo, M. Alonso, A. Fraile, M.R. Martin, A. Tito. 1,3-Dipolar cycloadditions of diazoalkanes to activated sulfoxides: influence of Lewis acids. // J. Org. Chem. 2005. - Vol. 70. - No. 22. -No.43. - P. 8942-8947.

94. P.R. Krishna, E.R. Sekhar, F. Mongin. Lewis acid- and/or Lewis base-catalyzed 3+2. cycloaddition reaction: synthesis of pyrazoles and pyrazolines. // Tetrahedron Lett. -2008.-Vol. 49. No. 48. - P. 6768-6772.

95. C.B. Moore. Vibration-Rotation Spectrum of the Perpendicular Bending Modes of CH2N2. //J. Chem. Phys. -1963. Vol. 39. -No. 7. -P. 1884-1894.

96. B. L Crawford, W. H Fletcher. Infrared Spectra of CH2N2 and CD2N2. // J. Chem. Phys. -1951. Vol. 19. -No. 4. -P. 406-410.

97. А. И. Китайгородский и др., Строение Органического Вещества: Данные Структурных Исследований, 1971—1973. М.: «Наука», 1982г., 510 с.

98. E.V. Avzianova, Р.А. Ariya. Temperature-dependent kinetic study for ozonolysis of selected tropospheric alkenes. // Int J. Chem. Kinet. -2002. -Vol. 34. No. 12. - P. 678-684.

99. K. Fukui, "The path of chemical-reactions The IRC approach," Acc. Chem. Res. - 1981. -Vol.14 - No. 5 - P. 363-368.

100. Ю. В. Чижов, "Молекулярная фотоэлектронная спектроскопия и расчеты методом теории функционала плотности ^-комплексов хрома и железа". дис.д-ра физ-мат наук. Санкт-Пет. 2009. Санкт-Петербургский гос. Университет, 2009. 337 с.

101. В. И. Вовна. Электронная Структура Органических Соединений по Данным Фотоэлектронной Спектроскопии, М.:«Наука», 1991г., 247с.

102. D. J. Tozer, F. De Profit. Computation of the hardness and the problem of negative electron affinities in DensityFunctional Theory.//J. Phys. Chem. A. 2005. -Vol. 109. -No. 4. -P. 8923-8929.