Квантовохимическое моделирование взаимодействий кетонов с ацетиленами в суперосновной среде KOH/DMSO тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

На правах рукописи

ОРЕЛ Владимир Борисович

квантовохимическое моделирование взаимодействий кетонов с ацетиленами в суперосновной среде КОН/БМвО

Специальность 02.00.04 - физическая химия

1 6 СЕН 2015

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Иркутск - 2015

005562211

005562211

Работа выполнена в лаборатории квантовой химии федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет».

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор

Кобычев Владимир Борисович

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Афонин Андрей Валерьевич, Иркутский институт химии им. Фаворского СО РАН, лаборатория непредельных гетероатомных соединений, главный научный сотрудник (г. Иркутск)

кандидат химических наук, доцент Чиркина Елена Александровна, Ангарская государственная техническая академия, кафедра химии, доцент (г. Ангарск)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Новосибирский институт органической химии им. H.H. Ворожцова СО РАН

Защита диссертации состоится 14 октября 2015 г. в 13 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д '212.074.03 на базе Иркутского государственного университета по адресу: Иркутск, ул. Лермонтова, 126, химический факультет ИГУ, ауд. 430.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке и на сайте Иркутского государственного университета http://www.isu.ru. с авторефератом диссертации на сайте ВАК (http://vak.ed.gov')

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью составителя, заверенные печатью организации, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета по адресу: 664003, г. Иркутск, ул. К. Маркса, 1, ИГУ, химический факультет.

Автореферат разослан 1 сентября 2015 года

Ученый секретарь диссертационного совета д-р хим. наук, профессор

Л.Б. Белых

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Широкое применение суперосновных систем, типичным представителем которых является система гидроксид калия-диметилсульфоксид (КОН/ОМБО), привело к открытию новых возможностей в химии ацетилена. Известно, что ацетилены могут выступать и как электрофилы в реакциях нуклеофилыгого присоединения к тройной связи - винилирования, и как нуклеофилы в реакциях присоединения ацетилена по карбонильной группе - этинилирования. Обе эти стороны реакционной способности ацетиленов особенно ярко проявляются в присутствие супероснований.

Схема 1

2

Этинилирование р1 / к

К1

К2

о + -==— Р3

0 - 30 °с

К0НЯ)М50

60 - 100 °с

н!

к2

,3

Винилирование ^

Двойственность свойств в суперосновном окружении характерна не только для ацетиленов, но и для кетонов (Схема 1): хорошо известна способность кетонов в суперосновных средах вступать в реакцию этинилирования по Фаворскому [А1], однако недавно была открыта реакция винилирования кетонов арилацетиленами, осуществляемая в суперосновных средах при повышенной температуре, с несвойственной для винилирования 100% ¿>стероселективностью [А2, АЗ].

Способность кетонов и ацетиленов попеременно выступать в качестве электрофила и нуклеофила проявляется в разнообразных каскадных сборках, идущих с высокой степенью стереоспецифичности и приводящих к таким сложным системам, как диоксабициклооктаны, родственные феромону фронталину, функционализированные циклопентены, используемые в разработке противоопухолевых препаратов, гексагидроазуленоны -биологически и фармацевтически важные конденсированные бициклические системы.

Несмотря на то, что исследование реакций ацетиленов в суперосновных средах ведется уже несколько десятилетий, установление их механизмов, как и объяснение самой природы катализа супероснованиями, до настоящего времени остается актуальным вопросом. Экспериментальное изучение механизмов реакций в суперосновных средах затруднено вследствие многокомпонентного состава смеси, многостадийности и высоких скоростей химических реакций. Поэтому актуальным оказывается привлечение квантовохимических расчетов высокого уровня, на основе которых с достаточной надежностью может быть сформировано принципиальное

понимание особенностей осуществления ключевых реакций (этинилирования и винилирования), необходимое для описания и успешного прогнозирования синтезов сложных органических систем.

Цель работы - исследование механизмов реакций винилирования и этинилирования кетонов ацетиленами в суперосновной системе КОНЛЭМЗО с использованием современных методов квантовой химии.

В ходе выполнения работы поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследование формирования, строения и термодинамической устойчивости ближайшего сольватного окружения гидроксидов натрия и калия, построение модели суперосновного центра.

2. Сравнение механизмов конкурирующих реакций (этинилирования и винилирования) ацетона с фенилацетиленом в присутствии супероснования.

3. Установление причин необычной £-стереоселективности реакции винилирования кетонов.

4. Исследование активности кетонов различной природы в реакциях винилирования и этинилирования.

5. Сопоставление описаний реакций винилирования и этинилирования, предоставляемых моделями различных уровней сложности, оценка надежности и границ применимости упрощенных моделей.

Научная новизна. Впервые на поверхности потенциальной энергии (ППЭ) комплексов основания с растворителем был проведен поиск глобального минимума и изучена относительная устойчивость моделирующих супероснование комплексов с учетом их сольватации.

Впервые в модели супероснования, включающей в рассмотрение молекулу гидроксида калия и пять молекул растворителя (КОН^ОМБО) в окружении поляризуемого диэлектрика, оценены энтальпии активации и тепловые эффекты всех стадий реакции винилирования и этинилирования ацетона фенилацетиленом.

Показано, что стереоселективность винилирования кетонов фенилацетиленом обусловлена возможностью изомеризации как карбанионных интермедиатов, так и енолят-анионов, образуемых конечными р,у-ненасыщенными кетонами. Рассчитанные энергии активации винилирования для кетонов (ацетона, ацетофенона, 2-метилциклогексанона, пинаколина) находятся в хорошем согласии с экспериментально наблюдаемыми различиями в их реакционной способности.

Продемонстрировано, что в ближайшем сольватном окружении катиона калия элементарные стадии исследуемых реакций осуществляются на удалении от катионного центра, чем и объясняется адекватное описание ключевых стадий реакций этинилирования и винилирования в рамках простейшей анионной модели. Моносольватная модель правильно воспроизводит различия в реакционной способности в ряду родственных соединений при сохранении взаимной ориентации компонентов реакционной системы на всех этапах превращений такой же, как в рамках пентасольватной модели.

Научная и практическая значимость исследования. Результаты моделирования реакций ацетиленов с кетонами в ближайшем сольватном окружении катиона калия предоставляют фундаментальное знание о механизмах реакций винилирования и этинилирования с участием супероснования. Оценки тепловых эффектов и активационных барьеров исследуемых реакций, полученные в рамках методов квантовой химии, хорошо согласуются с экспериментальными закономерностями. Полученные данные о механизмах ключевых процессов с участием супероснований могут быть использованы для описания и прогнозирования синтезов сложных органических систем, а также для объяснения .Е/£-изомерного состава образующихся продуктов.

Выполненный детальный учет суперосновной системы в модели, включающей в рассмотрение гидроксид калия и его ближайшую сольватную оболочку в окружении поляризуемого диэлектрика, позволяет более четко определить границы применимости упрощенных моделей.

Личный вклад автора состоит в выполнении расчетов, анализе и обработке полученных данных, обсуждении и интерпретации полученных результатов, участии в формулировке выводов и подготовке публикаций.

Публикации н апробация работы. Основные результаты диссертационной работы изложены в 16 печатных работах: из них 6 научных статей в журналах из перечня ВАК и тезисы 10 докладов.

Результаты исследований были представлены на: XIV Конференции по органической химии (Екатеринбург, 2011); XXIV и XXV Всероссийском симпозиуме «Современная химическая физика» (Туапсе, 2012, 2013); Кластере конференций по органической химии «ОргХим-2013», Симпозиуме «Химия ацетилена» (Санкт-Петербург, 2013); 14-ой Всероссийской школе-конференции по квантовой и вычислительной химии им. В.А.Фока (Самара, 2014); IX Международной конференции молодых ученых по химии «Менделеев-2015» (Санкт-Петербург, 2015); 15-ой Всероссийской школе-конференции по квантовой и вычислительной химии им. В.А.Фока (Владивосток, 2015) Работа выполнена в рамках госбюджетных тем:

- № 01200803057 «Исследование строения, свойств и реакционной способности молекул в основном и возбужденном состояниях в рамках неэмпирических методов квантовой химии» ФГБОУ «ИГУ»

- №01201256009 «Разработка и применение неэмпирических методов и моделей квантовой химии для исследования строения, свойств и реакционной способности молекул в основном и возбужденном состояниях» ФГБОУ «ИГУ»

- задание №2014/51 Минобрнауки России (код проекта 206) на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части государственного задания.

Данное исследование поддержано грантами:

- РФФИ № 09-03-00618 «Механизмы реакций нуклеофильного присоединения к тройной связи в суперосновных средах»;

- РФФИ № 12-03-00912-а «Квантовохимическое моделирование регио- и стереоспецифических реакций ацетиленов»;

- РФФИ№ 15-03-03880-а «Квантовая химия каскадных основно-катапитических реакций ацетиленов»

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов и списка использованных литературных источников. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков и 24 таблицы в тексте. Список цитируемой литературы включает 126 наименований.

Основное содержание работы

В первой главе собраны и обобщены литературные данные о реакциях этинилирования и винилирования кетонов в присутствие оснований.

Рассмотрены основные экспериментальные условия осуществления классической реакции этинилирования по Фаворскому, охарактеризованы используемые в этой реакции основания и растворители, описаны предполагаемые схемы механизма реакции этинилирования [А4, А5] и подтверждающие их теоретические расчеты [А6, А7]. Отмечается [А4], что, наряду с применением гидроксида калия в реакции этинилирования, с успехом были использованы такие сильные основания как, например, гидроксиды Ш>, амиды щелочных и щелочноземельных металлов, алкоголяты, а также четвертичные аммониевые ионообменные смолы. Помимо диэтилового эфира, в котором впервые А.Е. Фаворским была осуществлена реакция этинилирования, успешно использовались иные растворители, главным образом повышающие растворимость ацетилена и его монозамещенных производных, среди них тетрогидрофуран [А4], диметилформамид [А4, А5], Л-метилпирролидон [А4, А5] и диметилсульфоксид [А1].

Показано, что универсальный и эффективный подход к синтезу ацетиленовых спиртов удалось разработать благодаря применению суперосновных систем. В работе кратко описана концепция суперосновности введенная Б.А. Трофимовым [А8]. Представлены экспериментальные данные, которые показывают, что под действием супероснований в реакцию этинилирования удается сравнительно легко (при комнатной температуре и атмосферном давлении) вовлечь алифатические и алициклические кетоны. Например, под действием системы КОНЛЖБО в течение 1,5-2 часов получают третичные ацетиленовые спирты с количественным выходом до 98%, при этом количество используемой щелочи составляет 0,8 - 3 моля на 1 моль исходного кетона [А1]. Рассмотрены экспериментальные условия осуществления обратной реакции Фаворского: подчеркивается [А4], что обыкновенно для осуществления этой реакции требуются повышенные температуры (100 - 120°С), что хорошо согласуется с высокой устойчивостью алкоголятов ацетиленовых спиртов, формирующихся в суперосновных средах [А7].

Представлены известные экспериментальные данные о реакции вииилирования кетонов. Отмечается возможность осуществления реакции при повышенных температурах (100°С), в условиях диссоциации ацетиленовых спиртов. Собрана и проанализирована информация о реакционной способности различных кетонов. Более активными в реакции вииилирования оказываются алкиларилкетоны, выходы целевых продуктов оказываются практически количественными и составляют 61 - 84%, в то время как выходы вииилирования алифатических и циклоалифатических кетонов с применением системы KOH/DMSO едва достигают 10 - 20%. Хороших выходов удается достичь с введением в суперосновную систему KOH/DMSO третьего компонента — трет-бутапола [A3]. Рассмотрено влияние природы основания на выходы и стереоселективность реакции вииилирования кетонов [А2].

Имеющиеся литературные данные позволяют сформулировать основные проблемы, для решения которых возможно (или необходимо) использовать моделирование в рамках методов квантовой химии: выявление факторов, определяющих направление реакции кетонов с ацетиленами, и установление механизмов, определяющих стереоселективность вииилирования кетонов.

Вторая глава посвящена описанию способов учета эффектов растворителя в рамках кластерных, континуальных и кластерно-континуальных подходов. Обозначены достоинства и недостатки этих подходов, среди представленных континуальных моделей в качестве используемой в работе обозначена широко используемая в последнее время модель поляризуемого диэлектрического континуума (Polarizable continuum method, PCM). Отмечается возможность учета растворителя как в явном виде, так и с использованием современного метода эффективных потенциалов фрагментов (Effective fragment potential, EFP).

Проведено апробирование схемы ONIOM для расчета систем с включением сольватной оболочки в расчет, а также различных способов построения полости в рамках континуальной модели РСМ. Обоснован выбор комбинированного метода МР2/6-31 l++G**//B3LYP/6-31+G* для поиска стационарных точек на ППЭ и определения их относительных энергий.

Приведены и кратко охарактеризованы некоторые методы поиска глобальных минимумов, в частности, используемый в работе метод Coalescence Kick [А.9]. Описана методика поиска глобального минимума в рамках этого подхода, которая заключается в генерировании большого числа случайных структур, из после оптимизации в рамках низкоуровневого расчета, выбираются те, которые лежат в диапазоне энергий 10-20 ккал/моль для последующей оптимизации в рамках надежного высокоуровневого неэмпирического метода расчета.

Проанализированы используемые ранее для квантовохимического исследования механизмов реакций модели суперосновного окружения -простейшая анионная модель, в которой предполагается существование сольватированных анионных нуклеофилов, и моносольватная модель, в

которой супероснование моделировали моносольватными комплексами КОН DMSO).

В главе 3 представлены результаты исследования методами квантовой химии механизмов реакций кетонов с ацетиленами в суперосновной среде.

Исследовано ближайшее сольватное окружение комплексов KOH-5DMSO и NaOH-4DMSO, термодинамическая устойчивость этих комплексов с учетом сольватации в рамках модели РСМ. Энтальпии образования насыщенных комплексов KOH-5DMSO и NaOH-4DMSO относительно изолированных молекул щелочи и DMSO составляют Д#= -34,9 ккал/моль и Д#=-30,9 ккал/моль, соответственно. Существенный вклад в устойчивость комплексов вносит связывающее взаимодействие молекул DMSO друг с другом, которое рассчитывалось по формуле АЕ = £(DMSO„) - k£(DMSO) и в насыщенных комплексах составляет-5,0 ккал/моль и -9,0 ккал/моль.

КОН 5DMSO

NaOH-4DMSO

NaOH-4DMSO

(Coalescence Kick)

Рисунок 1 - Ближайшее сольватное окружение гидроксидов калия и натрия

На ППЭ комплекса NaOH-4DMSO проведен поиск глобального минимума, получено, что известный ранее комплекс NaOH-4DMSO отличается по энергии от глобального минимума, лишь на 1,0 ккал/моль, при этом важные геометрические характеристики комплекса (главным образом, межатомное расстояние i?(Na-OH)) остаются неизменными. Различия в строении связаны только с изменением торсионного угла ZSONaO от 44,7° в ранее найденном комплексе до 104,1° в глобальном минимуме (рис. 1).

Можно ожидать, что найденная ранее структура пентасольватного комплекса гидроксида калия KOH-5DMSO (рис. 1), которая имеет псевдооктаэдрическое строение, также близка к глобальному минимуму по энергетическим и структурным характеристикам, и построенная на основе найденного локального минимума пентасольватная модель суперосновной системы предоставляет адекватное описание супероснования.

Рассмотрены сечения ППЭ реакций винилирования и этинилирования ацетона фенилацетиленом с включением в расчет комплексов супероснования KOH-5DMSO.

Квантовохимическое исследование стадии образования фенилэтинида калия 1 показывает, что молекула фенилацетилена свободно встраивается в

насыщенное пентасольватное окружение комплекса КОН-бОМБО, а затем без активационного барьера отдает протон гидроксид-иону. Понижение энтальпии системы при образовании комплекса фенилэтинида калия 1 (рис. 2) составляет Д# = -13,3 ккал/моль. Молекула ацетона образует с 1 устойчивый комплекс РЬС3С К+-5БМ80Н20СНзС0СНз 2 (рис. 2) с энергией связывания 4,9 ккал/моль.

Рисунок 2 - Строение комплекса фенилэтинида калия 1, предреакционного комплекса этинилирования 2 и 2-метил-4-фенилбут-3-ин-2-олята калия 3

Нуклеофильное присоединение фенилэтинид-иона по карбонильному атому молекулы ацетона в предреакционном комплексе 2 приводит к образованию 2-метил-4-фенилбут-3-ин-2-олята калия 3 (рис 2) е понижением энтальпии системы на 24,6 ккал/моль, относительно исходных комплекса 1 и молекулы ацетона. В пентасольватном комплексе 2 такое превращение связано с небольшим активационным барьером ДЯ* = 5,9 ккал/моль, что хорошо согласуется с экспериментально наблюдаемым образованием ацетиленовых алкоголятов уже при низких температурах (0 - 20°С).

Выделение конечного продукта РЬСзС-С(СН3)2-ОН требует протонирования образующегося алкоголята, однако в комплексе 3 и в объеме реакционной смеси отсутствуют доноры протонов с кислотностью, превышающей кислотность 2-метил-4-фенилбут-3-инола-2. Расчеты показывают, что протонирование 2-метил-4-фенилбут-3-ин-2-олята, присутствующей в сольватном окружении комплекса 3, молекулой воды термодинамически невыгодно и требует повышения энтальпии системы на 6,5 ккал/моль. Таким образом, реакция этинилирования завершается на стадии формирования соответствующего алкоголята калия, а супероснование в ходе этой реакции расходуется в эквимольных количествах и не может быть регенерировано. В экспериментальных условиях реакционную смесь действительно обрабатывают большими количествами воды, часто с добавлением подкисляющего агента [А1], что приводит к разрушению исходной суперосновной системы.

1

2

3

В отличие от фенилацетилена, который при координации по гидроксильной группе КОН мгновенно отдает протон, депротонирование ацетона осуществляется несколько иначе. Первоначально формируется слабосвязанный (Д# = -3,1 ккал/моль) предреакционный комплекс 4 (рис.3). Осуществляемый в комплексе 4 перенос протона от метильной группы молекулы ацетона к гидроксид-иону сопряжен с некоторым, хотя и небольшим, активационным барьером АН* = 1,0 ккал/моль и приводит к образованию комплекса енолята калия 5 (рис. 3). В результате такого превращения достигается значительное понижение энтальпии системы, которое составляет АН = -14,5 ккал/моль относительно комплекса 4.

4 5 6

Рисунок 3 - Строение комплексов ацетона с КОН 50М80 4, енолята калия 5 и предреакционного комплекса винилирования 6

Присоединение молекулы фенилацетилена к комплексу енолята калия 5 приводит к образованию устойчивого (Д# = -4,6 ккал/моль) предреакционного комплекса винилирования 6 (рис. 3).

Формирование предреакционного комплекса 6 может осуществляться и в ходе депротонирования ацетона под действием фенилэтинида в предреакционном комплексе этинилирования 2. Такое депротонирование напрямую приводит к образованию термодинамически предпочтительного на 3,9 ккал/моль комплекса 6 и связано с активационным барьером ДН1 = 13,3 ккал/моль, что на 5,0 ккал/моль меньше энергии диссоциации комплекса 2 на исходные К0Н-50М80, СН3СОСН3 и РИС^СН.

Атака енолят-ионом тройной связи фенилацетилена в комплексе 6 может приводить к образованию карбанионов (£Г)-4-оксо-5-фенилпентенида 7 (рис. 4) и (2)-4-оксо-5-фенилпентенида 8 (рис. 4). На ППЭ присоединения енолят-иона к молекуле фенилацетилена удается локализовать только переходное состояние с т/?анодеформацией (искажение ZCCPh составляет 27°) ацетиленового фрагмента (рис. 4), отвечающее образованию £-карбаниона 7. Активационный барьер такого превращения оценивается в 16,3 ккал/моль. Образующийся карбанион 7 оказывается кинетически устойчив к распаду с образованием

предреакционного комплекса, величина обратного барьера составляет АН*' = 11,5 ккал/моль.

7 Т86_, 8

Рисунок 4 -Строение карбаниона (£>4-оксо-5-фенилпентенида калия 7 и связанного с ним переходного состояния Т86_7 и строение карбаниона (2)-4-оксо-5-фенилпентенида калия 8

Формированию термодинамически более предпочтительного на 3,4 ккал/моль карбаниона 7-строения должно предшествовать переходное состояние с г/ие-деформацией ацетиленового фрагмента.

а ь

Рисунок 5 - Участки ППЭ нуклеофильного присоединения енолят-аниона к ацетилену а и фенилацетилену Ь (РВЕ/6-31+0*).

Выполненное нами в рамках метода функционала плотности РВЕ/631 -КЗ* сканирование участков ППЭ присоединения енолят-аниона к ацетилену (рис. 5, а) и фенилацетилену (рис. 5, Ь) в газовой фазе показывает, что для случая с ацетиленом (а) переходные состояния с цис- и транс-искажением отчетливо разделены и для них обоих характерны отклонения угла ¿ССН при карбанионном центре от линейного (рис. 5). Отметим, также, что для винилирования ацетона незамещенным ацетиленом требуется преодоление более высокого активационного барьера, АЯ* = 22,9 ккал/моль в случае транс-

искажения молекулы ацетилена и Д#{ = 28,7 ккал/моль в случае г/ис-искажения молекулы ацетилена. В случае же с фенилацетиленом (Ь) единственное переходное состояние на ППЭ (рис. 5) соответствует значительно меньшей (¿ССРЬ =15°) »гране-деформации.

На представленном участке ППЭ реакции винилирования ацетона фенилацетиленом (рис. 5, Ь) видно, что карбанион г-строения может относительно легко образовываться из Е-карбаниона в результате изомеризации путем инверсии через линейную структуру С=С-РЬ (АСС?Ь= 175,5°). Такая ^^-изомеризация в окружении пяти молекул ИМБО связана с энергией активации АН* = 9,8 ккал/моль.

Завершающая стадия протонирования карбанионов Е- (7) и г-строения (8) осуществляется присутствующей в системе молекулой воды с образованием соответствующих (2)- и (£)-5-фенилпент-4-ен-2-онов (9 и 10) и приводит к значительному понижению энтальпии системы на 18,5 ккал/моль.

Для енолизирующихся Р,'/-ненасыщенных кетонов в присутствии основания возможен специфический механизм изомеризации, образующегося в результате депротонирования (2)-5-фенилпент-4-ен-2-она 9, (2)-4-оксо-1-феннлпент-З-ен-1-ида 11. Перенос протона 5-фенилпент-4-ен-2-она к гидроксильной группе в 9 с образованием комплекса 11 (рис. 6) происходит еще легче, чем в случае исходного ацетона и сопровождается понижением энтальпии системы ещё на 20,6 ккал/моль. Отрыв протона от метиленовой группы в 9 приводит к перестройке аллильной системы: длина винильной связи, для которой характерно значение 1,3 А, увеличивается, приближаясь к значению 1,4 А, в то же время длины связей остального углеродного скелета аллильной системы уменьшаются от 1,5 А для одинарной связи до 1,4 А в 4-оксо-1-фенилпент-3-ен-1-иде 11.

Благодаря перестройке аллильной системы становится возможным вращение вокруг разрыхленной связи С=С, которое обусловливает ротационную г-Я-изомеризацию 11 в 12. Рассчитанный активационный барьер такой изомеризации составляет 29,9 ккал/моль, что значительно ниже обычного барьера вращения относительно двойной связи.

Образующийся комплекс (£)-4-оксо-1 -фенилпент-3 -ен-1 -ида калия 12 (рис. 6) оказывается термодинамически предпочтительнее 11 на 3,1 ккал/моль, таким образом, равновесие полностью смещается в сторону £-формы енолят-иона. В реакционной смеси отсутствуют доноры протонов, кислотность которых была бы достаточной для протонирования входящего в состав 11 енолят-иона. Это приводит к тому, что супероснование, как и в случае реакции этинилирования, не может быть регенерировано, а для выделения продукта винилирования реакционную смесь обрабатывают избытком воды [А2].

11 Твп-ц 12

Рисунок 6 - Строение комплексов 4-оксо-1 -фенилпент-3-ен-1 -идов калия 11 и 12 и связанного с ними переходного состояния Твц-щ

На ППЭ реакции винилирования ацетона фенилацетиленом барьер ротационной 2-£-изомеризации оказывается самым большим, и для его преодоления требуется значительное повышение температуры. Действительно, экспериментально наблюдаемая 100% £-стереоселективность достигается при нагревании реакционной смеси (100°С) в течение часа [А2].

\Н, ккал/моль

о

][ + НС=СРЬ

та,

те,.,

О - 20 С Этинилированив

20 - 80 С Винилирование

80-100 С Изомеризация

Рисунок 7 - Схема реакционного профиля для этинилирования и винилирования ацетона фенилацетиленом с участием К0Н-50М80

Построенный реакционный профиль превращений ацетона с фенил ацетиленом (рис. 7) позволяет обозначить три температурных интервала. При низкой температуре образующийся с незначительным активационным барьером алкоголят 3 термодинамически предпочтительнее предреакционного комплекса винилирования 6, и равновесие полностью смещено в направлении реакции этинилирования. С повышением температуры реагенты уже способны преодолеть энергетический барьер 6 -> 7, и равновесие смещается в сторону продуктов винилирования, причем на этой стадии следует ожидать образования смеси Е- и 2-изомеров, соотношение которых будет определяться соотношением скоростей инверсионной £-2-изомеризации и протонирования образующихся на стадии нуклеофильного присоединения карбанионов (7 и 8). При еще более высокой температуре становится возможной медленная ротационная изомеризация (2)-4-оксо-1 -фенилпент-3-сн-1 -ида калия 11 в термодинамически предпочтительный (£)-4-оксо-1-фенилпент-3-ен-1-ида 12, которая обуславливает необычную £-стереоселективность реакции. Полученные выводы согласуются с данными ЯМР мониторинга [А2] реакции ацетофенона с фенилацетиленом в суперосновной среде КОНЛЭМБО.

Отметим, что роль инверсионной £-2-изомеризации карбанионов и ротационной 2-£'-изомеризации енолят-ионов, образующихся в результате депротонирования р,у-ненасыщенных кетонов обуславливающих стереоселективность реакции винилирования подтверждается и при квантовохимичсском исследовании реакции винилирования 2-метилциклогексанона фенилацетиленом. Для этой реакции экспериментально установлено [А10] что в случае винилирования 2-метилциклогексанона по положению 2 образуется неенолизирующийся продукт, в котором ротационная £-£-изомеризация невозможна в принципе и после завершения синтеза обнаруживают смесь продуктов (Е17. = 37%/12% « 3/1) с преобладанием продукта ^-строения, который при этом расходуется на образование гексагидроазуленона [А 10]. В случае же винилирования по положению 6 гексанового кольца (когда образуется С-винилкетон, способный к енолизации) реакция идет исключительно £-стереоселективно.

Рассмотрены сечения ГТПЭ реакций этинилирования и винилирования ацетофенона фенилацетиленом с включением в расчет моносольватных комплексов супероснования КОНОМБО. Показано, что реакции этинилирования ацетона и ацетофенона характеризуются близкими энергетическими профилями: активационный барьер этинилирования ацетофенона лишь на 1,7ккал/моль больше и составляет 6,7 ккал/моль, тепловой эффект оказывается также больше (на 2,3 ккал/моль) и составляет Д# = -24,3 ккал/моль. В то же время реакция винилирования ацетофенона осуществляется с меньшим на 2,5 ккал/моль активационным барьером (ДЯ1 = 15,3 ккал/моль). Кроме того, на пути образования исходного фенилэтенолят-иона отсутствует активационный барьер, это приводит к тому, что при взаимодействии ацетофенона с фенилацетиленом наряду с предреакционными комплексами этинилирования легко образуются

предреакционные комплексы винилирования, которые оказываются очень устойчивы кинетически (обратный активационный барьер составляет 17,1 ккал/моль). Таким образом, при низких температурах в реакцию этинилирования вступает лишь доля реагентов, другая значительная часть реагентов связывается в предреакционный комплекс винилирования. Вероятно, именно с этим связаны крайне низкие выходы алкоголятов из арилалкилкетонов. В то же время высокая начальная концентрация предреакционных комплексов винилирования и меньший активационный барьер нуклеофильного присоединения по тройной связи фенилацетилена приводят к тому, что достаточно хороших выходов реакции винилирования алкиларилацетиленов удается получить уже при 60°С.

В главе 4 проведено сопоставление результатов, полученных в рамках пентасольватной модели с результатами более простых анионной и моносольватной моделей (табл. 1). Отмечается, что анионная модель неплохо воспроизводит активационные барьеры этинилирования (2 -> 3) и обеих изомеризаций (7 -> 8 и 11 -> 12). Однако для большинства превращений энергии активации оказываются заниженными, из-за явной переоценки активности нуклеофильной частицы в отсутствие катиона. Тем не менее, основными преимуществами анионной модели являются присущая такому простейшему подходу однозначность и «быстрота» оценки кинетических и термодинамических параметров реакций, по крайней мере, на удовлетворительном, качественном уровне.

Таблица 1 - Активационные барьеры отдельных стадий (Л//', ккал/моль), полученные в рамках моделей, включающих одну и пять молекул ОМБО, а

_также в рамках анионной модели._

_2 —> 3 3 -» 2 4 -» 5 6 -» 7 7 —> 8 11-»12 2->6

Анион 6,1 17,7 - 14,0 11,7 28,3 9,9 ¡БМБО 5,0 26,0 2,1 17,8 13,3 35,0 11,4 5 ИМБО 5,9 25,6 0,9 16,3 9,8 29,9 13,3

При относительно малых разрыхлениях ионной пары катион-нуклеофил (т.е. в рамках моносольватной модели) активационные барьеры практически всех стадий реакций винилирования и этинилирования (за исключением изомеризации 11 -» 12) оказываются близки к барьерам, полученным в пентасольватной модели (табл. 1). Это свидетельствует о том, что упрощенная, моносольватная модель может быть с успехом использована для описания превращений кетонов с ацетиленами. В работе продемонстрировано, что переоценка влияния катиона в рамках моносольватной модели приводит к локализации на ППЭ маловероятных в реальном окружении взаимных ориентации реагентов и реагирующей подсистемы. Например, локализовано два моносольватный комплекса карбаниона (£)-4-оксо-5-фенилпентенида калия 7 (рис. 8). При этом в Е-карбанионе 7Ь и связанном с ним переходном состоянии бензольное кольцо занимает сразу несколько координационных мест на катионе калия, однако в пентасольватном окружении катион калия прочно

связывается с молекулами ОМЭО (ДЯСВ. = 17-21 ккал/моль), поэтому образование комплексов строения 7Ь маловероятно.

■»

7а 7Ь

Рисунок 8 - Строение моносольватных комплексов карбаниона (£)-4-оксо-5-фенилпентенида калия 7

Кроме того, рассчитанный активационный барьер стадии инверсионной изомеризации карбаниона 7Ь оказывается существенно заниженным (на 7,6 ккал/моль) и составляет ДЯ*=2,2 ккал/моль. Неправильные оценки активационных барьеров, могут привести к неверным выводам, в частности о причинах стереоселективности реакции винилирования кетонов. Это обстоятельство еще раз подчеркивает важность исследования механизмов реакций в рамках пентасольватной модели.

Таким образом, только при правильном выборе взаимной ориентации реагентов и реагирующей подсистемы, например, на основании данных расчетов прототипных реакций в рамках пентасольватной модели, моноеольватная модель способна предоставлять адекватные оценки активационных барьеров, а также воспроизводить различия в реакционной способности в ряду родственных соединений.

Таблица 8. Энергии активации нуклеофильного присоединения замещенных

Ж, оиг-ги /А ыХ ---------— -К

Нуклеофил о о о |-Ви"^СН2 О Л

ДЯ* 6 —> 7 17,8 17,2 15,3 9,7 12,4

С использованием этой модели построены профили реакций винилирования ряда замещенных кетонов - пинаколина, ацетофенона и 2-метилциклогексанона. Полученные энергии активации стадии непосредственно нуклеофильного присоединения 6 7 (табл. 8) согласуются с наблюдаемыми в ряду кетонов закономерностями.

Рассчитанный активационный барьер винилирования 2-метилциклогексанона как по положению 2, так и по положению 6, неожиданно оказывается самой низкой в рассмотренном ряду кетонов. В экспериментальных условиях при взаимодействии ацетона с РЬСзСН под

действием КОНЛЗМЭО в течение часа при 100°С выход продукта составляет лишь 20%, тогда как для циклогексанона в тех же условиях выход достигает 61% [А2]. Совокупный выход продуктов винилирования 2-метилциклогексанона по положению 2 (ДЯ* = 9,7 ккал/моль) при проведении реакции в течение часа при 100°С достигает ~ 50%, тогда как винилирование по положению 6 (АН* = 12,4 ккал/моль) приводит к минорным продуктам с общим выходом ~ 12% [А10]. При использовании в качестве основания КО'Ви выход продукта винилирования незамещенного ацетона повышается до 70%; для ацетофенона составляет 85% и достигает 90% для циклогексанона.

Выводы

1. Элементарные стадии исследуемых реакций с участием К0Н-50М80 осуществляются на периферии суперосновного комплекса. Структура ближайшего сольватного окружения, сформированного гидроксидом калия, сохраняется на всех этапах превращений за счет связывающего взаимодействия лигандов с катионом и между собой.

2. Предпочтительность этинилирования алифатических кетонов арилацетиленами при низких температурах обусловлена невысоким активационным барьером нуклеофильного присоединения этинид-иона по С=0 группе кетона. Термодинамически более выгодное присоединение енолят-иона по тройной ацетиленовой связи связано со значительно ббльшим активационным барьером и возможно только при повышенных температурах.

3. Образование исключительно £-продуктов реакции винилирования кетонов, наблюдаемое при длительном нагревании (~ 100°С), обусловлено высокобарьерной ротационной изомеризацией енолят-ионов р,у-ненасыщенных кетонов. При умеренных температурах, а также в случае образования неенолизирующихся р,у-ненасыщенных кетонов, соотношение Е- и 2-изомеров определяется соотношением скоростей протекающей с невысоким активационным барьером инверсионной изомеризации винильных карбанионов и их протонирования.

4. Этинилирование алкиларилкетонов в суперосновной среде осложняется легким образованием термодинамически и кинетически устойчивых енолятов. Более легкому осуществлению реакции винилирования алкиларилкетонов по сравнению с алифатическими кетонами способствует большая кислотность алкиларилкетонов и меньший активационный барьер их присоединения к тройной связи.

5. Активационные барьеры реакции винилирования изменяются в ряду ацетон > пинаколин > ацетофенон > 2-метилциклогексанон (по положению 6) > 2-метилциклогексанон (по положению 2), что хорошо согласуется с различиями в выходах продуктов винилирования.

6. Сопоставление результатов исследования реакций винилирования и этинилирования с участием К0Н'50МБ0 и в рамках упрощенных моделей показывает, что анионная модель способна предоставить адекватное описание

ключевых стадий реакций винилирования, однако существенно недооценивает тепловой эффект реакции этинилирования. Моносольватная модель способна адекватно воспроизводить энергетические характеристики исследуемых реакций и различия в реакционной способности в ряду родственных соединений при правильном выборе взаимной ориентации компонентов реакционной системы на всех этапах превращений, например, на основании данных расчетов прототипных реакций в рамках пентасольватной модели.

список литературы цитируемой в автореферате

AL Б.А. Трофимов, JI.H. Собенина, С.Е. Коростова и др. // Журн. прикл.

химии, - 1987.-№ 6. -С. 1366-1370. А2. Trofimov В.А.. Schmidt Е. Yu., Ushakov I. A., et al. // Chem. Eur. J. - 2010. -

V. 16, No. 28.-P. 8516-8521. A3. Trofimov B.A., Schmidt E. Yu., Zorina N. V., et al. II J. Org. Chem. - 2012. -

V. 77, No. 16.-P. 6880-6886. A4. И.Л. Котляревский, M. E. Шварцберг, Jl. Б. Фишер. - Новосибирск: Наука 1967.-384с.

А5. A.B. Щелкунов, Р.Л. Васильева, Л.А. Кричевский. - Алма-Ата: Наука

Казахской ССР, 1976. - 235с. А6. Е.Ю. Ларионова, Н.М. Витковская, В.Б. Кобычев и др. // Журн. структур.

химии. -2009. -Т. 50, № 1.-С. 33-39. А7. Е.Ю. Ларионова, Н.М. Витковская. Н.В. Кэмпф. В.Б. Кобычев,

Б.А. Трофимов // Докл. АН. - 2011. - Т. 439, №1. - С. 62-63. А8. Б.А. Трофимов // Современные проблемы органической химии. -2004 -

№ 14. - С. 131-175. А9. B.Averkiev // PhD dissertation. Utah State University, Logan, Utah, 2009. A10.B.A. Trofimov, E.Yu. Schmidt, E.V. Skital'tseva, et al. // Tetrahedron Lett-2011.-V. 52, No. 33,-P. 4285^1287.

Публикации по теме диссертации

1. Квантовохимическое моделирование реакций алкил- и арилкетонов с фенилацетиленом под действием супероснования KOH-DMSO / В.Б. Кобычев, Н.М. Витковская, В.Б. Орел, Е.Ю. Шмидт, Б.А. Трофимов // Изв. АН., сер. хим. - 2015 - № 3. - С. 518-524.

2. Квантовохимическое исследование стереоселективности нуклеофильного присоединения 2-метилциклогексанона к фенилацетилену / В.Б. Кобычев, В.Б. Орел, Н.М. Витковская, Е.Ю. Шмидт, Б.А. Трофимов // Докл. АН. -2015 - Т. 461, № 6. - С. 669-672.

3. Теоретическое исследование реакций ацетона с ацетиленом и фенилацетиленом в суперосновной системе KOH/DMSO / В.Б. Кобычев, В.Б. Орел, Н.М. Витковская, Б.А. Трофимов // Докл. АН. - 2014 - Т. 457, № 2.-С. 179-181.

4. Квантовохимические модели катализируемых системой KOH/DMSO взаимодействий ацетона с фенилацетиленом / В.Б. Орел, В.Б. Кобычев // Вестник ИрГТУ. - 2013. - Т. 11. - С. 258-264.

5. Взаимодействие метанола, метантиола и ацетоксима с гидроксидами калия и рубидия в диметилсульфоксиде / Н.М. Витковская, Е.Ю. Ларионова, Н.В. Кэмпф, В.Б. Кобычев, А.Д. Скитневская, В.Б. Орел, Б.А. Трофимов // Журн. структур, химии. - 2011. - Т. 52, №4. - С. 679-683.

6. Ларионова Е.Ю. Исследование процесса переноса протона в реакции винилирования метанола в среде КОН/ДМСО методами квантовой химии / Е.Ю. Ларионова, Н.В. Кэмпф, В.Б. Орел // Вестник ИрГТУ. - 2011. - Т. 6. -С. 183-187.

7. Квантовохимическое моделирование реакций ацетона с ацетиленом в среде КОН/ДМСО / В.Б. Орел // XIV Молодежная конференция по органической химии, Екатеринбург 10-14 мая 2011 г. - Екатеринбург, 2011. - С. 200-203.

8. Квантовохимическое моделирование взаимодействий ацетона с ацетиленом и фенилацетиленом в суперосновной среде КОН/ДМСО / В.Б. Кобычев, Н.М. Витковская, В.Б. Орел, Б.А. Трофимов // Современная химическая физика: аннотации докладов XXIV симпозиума, Туапсе 20 сентября-1 октября 2012 г. - Туапсе, 2012. - С. 97-98.

9. Квантовохимическое моделирование взаимодействий ацетилена и фенилацетилена с ацетоном в суперосновной среде КОН/ДМСО / В.Б. Кобычев, Н.М. Витковская, В.Б. Орел, Б.А. Трофимов // Кластер конференций по органической химии ОргХим-2013,. Репино, Санкт-Петербург 17-21 июня 2013 г. - Санкт-Петергбург, 2013. - С. 334.

10. Квантовохимическое моделирование реакций этинилирования и винилирования ацетона фенилацетиленом с участием KOH-5DMSO / В.Б. Кобычев, Н.М. Витковская, В.Б. Орел, Б.А. Трофимов // Современная химическая физика: аннотации докладов XXV симпозиума, Туапсе 20 сентября-1 октября 2013 г. - Туапсе, 2013. - С. 342 - 343.

11. Ketone ethynylation and vinylation with acetylene and ethynylbenzene in the KOH/DMSO superbasic system / V.B. Kobychev, V.B. Orel, N.M. Vitkovskaya, B.A. Troflmov // Book of Abstracts 14-th V.A. Fock Meeting on Quantum and Computational Chemistry Samara, 18-23 August 2014- Samara, 2014.-[1895-

P]

12. The structure of complexes MOH wDMSO (M = Na, K): quantum-chemical vi^w / A.S. Bobkov, N.N. Litvintsev, V.B. Orel // Book of Abstracts IX International conference of young scientists on chemistry Mendeleev-2015, 7-10 April 201 S.Saint Petersburg, 2015. - P 338.

13. Quantum-chemical study on the structure of K0H-5DMS0H20 complexes / V.B. Orel, A.S. Bobkov, N.M. Vitkovskaya // Book of Abstracts IX International conference of young scientists on chemistry Mendeleev-2015, 7-10 April 2015-Saint Petersburg, 2015. - P 351.

14. Stereoselectivity of the methanol, methanthiol and ketones vinylation with substituted acetylenes in the KOH/DMSO superbasic medium: quantum chemical study. N.M. Vitkovskaya, E.Yu. Larionova, V.B. Kobychev, V.B. Orel, A.D. Skitnevskaya, B.A. Trofimov // Book of Abstracts 15-th V.A. Fock Meeting on Quantum and Computational Chemistry Vladivostok, 19-24 June 201 S.Vladivostok, 2015. - [1977-P]

15. Ambivalent reactivity of acetylenes in the presence of superbase: a quantum-chemical insight. N.M. Vitkovskaya, V.B. Kobychev, E.Yu. Larionova, V.B. Orel, A.D. Skitnevskaya, B.A. Trofimov // Book of Abstracts 15-th V.A. Fock Meeting on Quantum and Computational Chemistry Vladivostok, 19-24 June 2015. - Vladivostok, 2015. - [1978-P]

16. Ketones reactions with phenylacetylene in the KOH/DMSO superbasic system. V. B. Kobychev, N. M. Vitkovskaya, V.B. Orel, B. A. Trofimov // Book of Abstracts 15-th V.A. Fock Meeting on Quantum and Computational Chemistry Vladivostok, 19-24 June 2015.- Vladivostok, 2015. - [2024-P]

Подписано к печати 05.08.2015г.

Отпечатано в типографии издательства ООО «Издательство «Аспринт» 664003 г. Иркутск, ул. Сухэ-Батора, 18, оф. 67, тел. (3952) 742887 Формат 60*90 1/16. Усл.печ.л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 837