научная статья по теме КОНКУРЕНЦИЯ МОНО- И БИМОЛЕКУЛЯРНЫХ РЕАКЦИЙ АЛКИЛЬНЫХ РАДИКАЛОВ АРТЕМИЗИНИНА Химия

Текст научной статьи на тему «КОНКУРЕНЦИЯ МОНО- И БИМОЛЕКУЛЯРНЫХ РЕАКЦИЙ АЛКИЛЬНЫХ РАДИКАЛОВ АРТЕМИЗИНИНА»

Таблица 1. Энергии диссоциации индивидуальных связей алкильных радикалов артемизинина [6-8]

[6]. Расчеты применимы к реакциям, протекающим в неполярных растворителях.

Энтальпия реакций дециклизации радикалов

Энтальпию реакций дециклизации алкильных радикалов артемизинина вычисляли с помощью метода инкрементов Бенсона [14]. Численные значения инкрементов соответствующих групп были взяты из публикации [15]. Для расчета энтальпий групп, содержащих свободную валентность, были использованы энергии диссоциации С-Н-связей в аналогичных по структуре углеводо-

родах (см. табл. 1). Средняя погрешность вычисления энтальпий реакций равна приблизительно ±5 кДж/моль. Ниже приведен пример расчета энтальпии дециклизации методом инкрементов. В реакции

O

O

Таблица 2. Кинетические параметры а, Ьге, ^АС-Н и Ee 0 для реакций рассматриваемых типов [10, 12, 13, 16]

Тип реакции а bre, (кДж/моль)1/2 lg Ac-H, [с-1] Ee 0, кДж/моль

Цикло-R —► Rf 1.00 14.42 13.6 52.0

Цикло-R' —► Rf O' 1.256 16.46 8.0 53.2

Дециклизация цикло-R 0.832 16.96 13.3 85.7

R' + R1H 1.00 17.30 9.0 74.8

R' + R2H 1.00 18.60 8.0 86.5

R' + RSH 0.887 12.86 9.0 46.4

R' + ArOH 1.247 17.61 8.0 61.5

Примечание. RXH и R2H - алифатические и непредельные соединения соответственно.

исчезают группы С-(С)3(Н), С-(С)2(Н)2 и С' -(С)2(Н) и образуются группы С-(Н)2, ОННХС) и С' -(С)2(Н). Кроме того, размыкается семичлен-ный цикл и исчезает его энергия напряжения. В итоге энтальпия этой реакции равна

АЯ = АЯ^-Щ^ + АЯ^-(Н)(С)] +

+ АЯ[ С' -(С)2(Н)] - АЯ[С-(С)з(Н)] - (1)

- АЯ[С-(С)2(Н)2] - АЯ[ С' -(С)2(Н)].

Инкремент [ С' -(С)2(Н)] можно вычислить из инкремента [С-(С)2(Н)2]: АЯ[ С' -(С)2(Н)] =

= АЯ[С-(С)2(Н)2] + Dс-H - АН0 [Н' ] = -20.63 + + 403.9 - 218 = 165.3 кДж/моль. Инкремент АЯ[ С' -(С)2(Н)] вычисляется из инкремента АЯ[С-(С)2(Н)2]: АЯ[ С' -(С^Н)] = АЩСЧСШУ +

+ Dс-H - АН0 [Н'] = -20.63 + 408.8 - 218 = = 170.2 кДж/моль. Тогда энтальпии реакции АЯ = = 26.32 + 36.32 + 170.2 + 1.17 + 20.63 - 165.3 - 26.34 = = 63.0 кДж/моль.

Уравнения метода пересекающихся парабол

В МПП [11-13] реакция радикального отрыва, например,

Я' + ^н —► Rн + я;,

рассматривается как результат пересечения двух потенциальных кривых, одна из которых характеризует валентное колебание атакуемой, а другая -образующейся связи в продукте реакции. Реакция характеризуется следующими параметрами:

1. Классической энтальпией АЯе, которая включает в себя разность нулевых энергий рвущейся (прочность Di) и образующейся (прочность Df) связей. В реакциях внутримолекулярного пе-

реноса атома Н эти энергии равны, и поэтому АЯе = AH = Di - Df.

2. Классическим потенциальным барьером Ее, который связан с экспериментально определяемой аррениусовской энергией активации E = = RT ln(A/k) уравнением

Ee = E + 0.5(hN^ - RT), (2)

где h и Na - постоянная Планка и число Авогадро соответственно, vi - частота валентного колебания С-Н-связи, 0.5hNAvi = 17.4 кДж/моль.

3. Коэффициентами b и bf, которые описывают зависимость потенциальной энергии от амплитуды колебания атомов вдоль валентной связи. Для C-H-связи параметр b = nvi(2^)1/2 = 37.43 х х 1010 (кДж/моль)1/2, где ц - приведенная масса атомов, образующих связь. Параметр а = bi/bf.

4. Параметром re, который характеризует суммарное растяжение двух реагирующих связей в переходном состоянии.

В методе МПП эти параметры связаны следующим соотношением:

bre = а(Ее - AHe)1/2 + E™ , (3)

где b = bi, т.е. относится к атакуемой связи в молекуле. Реакции, принадлежащие к одному классу, характеризуются параметром bre = const. Классический потенциальный барьер термонейтральной реакции (AHe 0 = 0) вычисляется по формуле

^ = Т+а (4)

Этот метод позволяет хорошо описать как интрамолекулярные реакции переноса атома водорода [12], так и дециклизацию циклических свободных радикалов [13]. Значения а, bre и других параметров, относящихся к рассматриваемым в настоящей статье реакциям, приведены в табл. 2. Из возможных реакций интрамолекулярного переноса водорода учитывались только те, которые

протекают через шестичленное переходное состояние и энергия активации которых Ee, 0 минимальна [13].

Энергии активации рассматриваемых реакций рассчитывали по уравнению [12]:

4Ёе = j 1- а 1 - ^ЛЯе 1. (5) 1- а2 [ V (bre)2 J

Предэкспоненциальный множитель A для внутримолекулярной реакции переноса атома водорода зависит от числа групп m, которые утрачивают способность к свободному вращению в циклическом переходном состоянии [13]:

lg A0 = 13.30 - 0.6m. (6)

Кроме того, множитель A зависит от числа nC-H атакуемых C-H-связей (например, для СН2-груп-пы nC-H = 2 и т.д.). Поэтому константу скорости реакции вычисляли по уравнению

k = nC-H A0exp(-E/RT) = A exp(-E/RT). (7)

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Вычисленные по формулам (5)-(7) энергии активации и константы скорости реакций внутримолекулярного переноса атома водорода в алкильных радикалах артемизинина представлены в табл. 3.

Из приведенных в этой таблице данных видно, что реакции типа цикло-R' —► цикло- Rf протекают достаточно быстро (при 310 K k « 1.3 х 1093.3 х 104 с-1). Наоборот, реакция отрыва атома Н от гидроксильной группы (типа цикло- R' —► цикло- Rf ) из-за своей эндотермичности является медленной (при 310 K k2 « 2.5 х 103 с-1). Среди рассмотренных реакций наиболее быстрыми являются (V) и (VII).

В табл. 4 приведены величины ЛЯ, E и k для реакций дециклизации алкильных радикалов арте-мизинина. Все эти реакции эндотермичны и протекают на несколько порядков медленнее, чем реакции внутримолекулярного переноса атома водорода.

R1 R2

1.05 x 106 2.91 x 106

2.65 x 105 5.15 x 105

2O l5

В табл. 5 представлены значения ЛЯ, E, k и удельной скорости бимолекулярных реакций алкильных радикалов артемизинина с рядом субстратов.

Наиболее быстрыми среди рассмотренных бимолекулярных реакций являются реакции алкильных радикалов с S-H-связями биологических субстратов (при 310 K k[RH] « 5.2 х 105-3.0 х 104 с1). Взаимодействие алкильных радикалов с другими субстратами протекает с заметно меньшей удельной скоростью.

Результаты проведенных в настоящей работе расчетов позволяют сделать следующие выводы. Внутримолекулярный перенос атома водорода в алкильных радикалах артемизинина протекает быстрее, чем бимолекулярные реакции этих радикалов с субстратами. Константы скорости реакций внутримолекулярного переноса атома водорода (их размерность - с-1) образуют следующий ряд (см. табл. 3): k5 = 1.3 х 109 > k7 = 6.0 х 107 >

> k3 = 2.9 х 106 > k = 1.0 х 106 « k6 = 1.2 х 106 « k9 = = 1.2 х 106 > k4 = 5.1 х 104 > k8 = 3.3 х 104. Децикли-зация алкильных радикалов артемизинина, наоборот, протекает гораздо медленнее, чем рассмотренные бимолекулярные реакции (см. табл. 4). Отметим, что дециклизация алкоксильных радикалов артемизинина является гораздо более быстрой реакцией [5].

Удельные скорости бимолекулярных реакций составляют следующий ряд (в скобках указаны удельные скорости реакций с участием радикала R1 при 310 К в с-1): L-цистеин (2.6 х 105) > а-токо-ферол (4.7 х 104) > убихинол (1 х 104) > метиллин-олеат (2.8 х 103) > D-рибоза (540) > глюкоза (420) >

> глицерин (85) > метилолеат (66). Видно, что в анаэробных условиях наиболее велика вероятность бимолекулярных реакций алкильных радикалов артемизинина, а именно их реакций с тио-группами белков.

По своей активности в реакциях с L-цистеином алкильные радикалы артемизинина располагаются в следующий ряд: R2 > R1 « R4 « R6 > R5 « « R3 « R7. Сопоставим скорости внутримолекулярного переноса атома Н и бимолекулярного отрыва Н от тио-группы L-цистеина разными ал-кильными радикалами артемизинина:

R

R4 , R6

1.З0 x 109 З.6З x 104

1.24 x 106 2.96 x 105

0.00З

l9

R

R

6.05 x 107 4.21 x 104

0.07

O

2.85 x 104 lOO

Радикал

k с-1 Л-из, ^

k[RSH], c-1

к [ RSH] киз + к [ RSH ]

, %

Таблица 3. Энтальпии, энергии активации и константы скорости реакций внутримолекулярного переноса Н в ал-кильных радикалах артемизинина

Реакция а Ьге, (кДж/моль)1/2 ^ 4, [с-1] АН Е

кДж/моль

1 СН2 1 2

НО -1 НО

N > снх) 1.00 14.42 13.18 18.1 45.3

ч

II О II О

НОч {нот ) НО> (ЪЬ

/ о^ / _^ / 1.256 16.49 12.70 34.6 55.2

ч

II О и О

НО. /v -у НО„ г-ук

\ ) _ / \>ню 1.00 14.42 13.18 13.2 42.7

ч

II О О

НО г-Д > НЮЧ

\ ^ н2с 1.00 14.42 13.18 32.0 53.1

ч

II О II О

НО 1 НО

\ > 1.00 14.42 13.60 -19.4 26.6

v1 ч

II О II О

НО > НОч

\ ^ н2с 1.00 14.42 13.18 17.3 44.9

V- ч

II О II О

№ реакции

k (310 К), с-1

(I)

(II)

(III)

(IV)

(V)

(VI)

1.05 х 106

2.48 х 103

2.91 х 106

5.11 х 104

1.30 х 109

1.24 х 106

КОНКУРЕНЦИЯ MOHO- И БИМОЛЕКУЛЯРНЫХ РЕАКЦИИ Таблица 3. Окончание

№ реакции Реакция а bre, (кДж/моль)1/2 lg 4, [С-1] АН E

кДж/моль

Н0\ Н°\

\ °4 \ °4 J

(VII) у —► ^ y 1.00 14.42 13.60 -2.7 34.5

0 0

Н0\ Н°\

\ °4 \ °4 J

(VIII) y —► y 1.00 14.42 13.18 34 54.3

Y^CH2

0 0

Ch2

hon Н0\ 1

(IX) —► / Yf 1.00 14.42 13.18 17.3 44.9

0 т 0

k (310 К), с-1

6.05 х 107

3.26 х 104

1.24 х 106

Таблица 4. Энтальпии, энергии активации и константы скорости реакций дециклизации алкильных радикалов артемизинина

Таблица 4. Продолжение

Таблица 4. Окончание

№ реакции

Реакция

ь л о /м

, К

НД

Ак

а

ь)

л о м

5

ь л о

/м ж/

k, c-1

(XX)

(XXI)

(XXII)

(XXIII)

(XXIV)

(XXV)

va

о о

о

va

о о

109.7

0.654

13.97

118.9

1.86 х 10-7

104.5

0.832

13.97

110.2

5.32 х 10-6

83.9

0.832

13.97

96.3

1.18 х 10

1-3

111.2

0.832

16.96

137.7

1.22 х 10-10

119.0

0.832

16.96

142.7

1.79 х 10-11

Н

va

о о

■Va

116.8

0.832

13.37

119.1

1.70 х 10-7

о о

Таблица 5. Энтальпии, энергии активации и константы скорости бимолекулярных реакций алкильных радикалов артемизинина с субстратами

№ реакции Радикал АН, кДж/моль Е, кДж/моль k (310 К), л моль-1 с-1 ^¡■Н], моль/л k[R¿H], с-1

г-С7Н15СН2СН=СН(СН2)7С02М

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком