Вивчення механізму ізомерізаціонной рециклізації методом молекулярної механіки

Є.Г. Атавін, В.О. Тихоненко, Р.С. Сагітуллін, Омський державний університет, кафедра органічної хімії

1. Введення

В останні роки коло сполук, здатних до рециклізації, розширився за рахунок похідних пірідініевих солей з ціанідні, карбонільних, складноефірний і мостіковимі поліметіленовимі заступниками. Обговорення отриманих результатів і пошук нових синтетичних напрямків вимагають розвитку методів теоретичного опису та прогнозування рециклізації. Це, у свою чергу, неможливе без знання механізму моделюється реакції. Раніше на підставі емпіричних міркувань пропонувалися різні механізми ізомерізаціонной рециклізації, що включають значне число варіантів і велика кількість нестійких інтермедіатів. Проте зробити обгрунтований вибір однієї з запропонованих гіпотез на підставі лише експериментальних даних не вдалося. У даній роботі до обговорення механізму рециклізації іодметілата -піколінія і його дікарбонільного похідного залучені результати розрахунків ентальпії освіти інтермедіатів методом молекулярної механіки.

2. Інтермедіатів рециклізації

У ранніх роботах перша стадія ізомерізаціонной рециклізації уявлялася як кислотно-основну рівновагу з утворенням ангідрооснованія (схема 1), що дозволило досягти певних успіхів у квантово-хімічному описі рециклізації [1].

Схема 1. Освіта ангідрооснованія

Надалі, однак, цей механізм був залишений за наступними причин:

З'єднання, для яких ангідрооснованія легко утворюються, виявилися взагалі нездатними до рециклізації до тих пір, поки освіта ангідрооснованія не було блоковано [2].

Освіта та розкриття циклу ангідрооснованія вимагає атаки, принаймні, двома гідроксильних груп. Однак в умовах, що забезпечують точну еквімолярних заміну іонів I-на OH-(взаємодію з вологою окисом срібла, з OH-формою іонообмінної смоли, електроліз) не спостерігалося уповільнення освіти розкритих форм.

У ряді випадків (рециклізації індолізінов, нікотеріна, розкриття піридинові ядра в солі цинку тощо) освіта ангідрооснованія в принципі неможливо.

Різниця ентальпії освіти ангідрооснованія і псевдопідстав становить 154 ккал/моль, що (навіть з урахуванням ентальпії утворення води) має призвести до практично повного зсуву рівноваги в бік останнього.

У результаті нуклеофільного атаки вихідної солі (I) можливо освіта двох псевдопідстав IIa, b (схема 2):

Схема 2. Освіта псевдопідстав

На жаль, кількісна оцінка можливості протікання цієї стадії в рамках методу молекулярної механіки неможлива. Відзначимо, однак, що стеріческіе труднощі, що зв'язуються звичайно з формою IIb, мабуть, перебільшені (див. табл.).

Розкриття псевдопідстав IIa, b може призводити до утворення двадцяти двох таутомерних розкритих форм (див. табл.). Легко бачити, що їх ентальпії освіти (наведені для конформера, найближчого до псевдопідстав), вельми різняться. За умови встановлення термодинамічної рівноваги це означає, що відносна зміст усіх розкритих інтермедіатів, за винятком кето-аміно форм з нерозривному ланцюгом сполучення, буде исчезающе малим.

Табл. 1. Розкриті інтермедіатів рециклізації; наведені ентальпії освіти (ккал/моль) для X = H і X = COCH3.

Два набору структур таутомерних пов'язані з двома псевдопідстав IIa, b

3. Рециклізації піріліевих солей

Не зупиняючись на синтетичному значенні рециклізації піріліевих солей [2], відзначимо, що відповідні розкриті форми при використанні як нуклеофільного агента метиламін будуть аналогічні інтермедіатів рециклізації іодметілата -піколінія у лужному середовищі. Тобто ці два хіміческіe системи в області перетворень розкритих форм у силу принципу мікроскопічної оборотності повинні мати однакову потенційну поверхню. І використання піріліевих солей дає рідкісну можливість "закинути" пірідініевую систему у верхню частину потенційної поверхні не термічним шляхом, а за рахунок внутрішньої енергії реагентів. Відомо, що рециклізації піріліевих солей під дією метиламін приводить в м'яких умовах до солей -піколінія , а вторинними амінами - до відповідних аніліну. Звідси випливає, що стадії "псевдопідстав-розкриті форми "і" розкриті форми-ароматичний амін "не можуть бути пов'язані з помітним активаційний бар'єром навіть у відсутності акцепторних заступників.

4. Розкриття псевдопідстав

З двох можливих варіантів розкриття циклу псевдопідстав - Електроцікліческого і іонного (схема 3)

Схема 3. Електроцікліческое (a) і іонну (b) розкриття псевдопідстав

слід, очевидно, віддати перевагу іонний варіант, оскільки:

Освіта розкритих форм ніколи не відзначалося для нуклеофілів, не здатних до іонного розкриття циклу (Cl-, Br-, I-, CN-и т. д.)

Освіта енольной форми при електроцікліческом розкритті є ендотермічною (табл.1) і несамопроізвольним процесом (у нехтуванні невеликим ентропійних внеском