ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2015, том 34, № 4, с. 76-80
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
УДК 544.435.4
ПОВЕРХНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭТРИОЛБИЦИКЛОФОСФИТА С АЦЕТИЛХЛОРИДОМ
© 2015 г. В. А. Бабкин1, В. Ю. Дмитриев1*, Д. С. Андреев1, Г. А. Савин2, А. И. Рахимов3, Г. Е. Заиков4
волгоградский государственный архитектурно-строительный университет, Себряковский филиал,
г. Михайловка, Волгоградская обл. 2Волгоградский государственный социально-педагогический университет
3Волгоградский государственный технический университет 4Институт биохимической физики Российской академии наук, Москва *Е-таИ: dmitriev1987@mail.ru Поступила в редакцию 21.03.2014
Изучен механизм реакции взаимодействия ацетилхлорида с этриолбициклофосфитом квантовохи-мическими методами РББ0/3-21§ и КИР/б-З^** с оптимизацией геометрии по всем параметрам. Построены графики поверхностей потенциальной энергии взаимодействия компонентов этой реакции. Показано, что реакция носит все черты бимолекулярного нуклеофильного замещения Установлено, что эта реакция экзотермична и носит барьерный характер.
Ключевые слова: методы РББ0/3-21§ и КИБ/6-31§**, этриолбициклофосфит, квантовохимический расчет, поверхность потенциальной энергии.
БО1: 10.7868/80207401X15040032
ВВЕДЕНИЕ
Бициклофосфиты — важные органические соединения, широко используемые как для научных, так и для практических целей [1]. В связи с этим интерес к этим каркасным веществам постоянно растет. Для синтеза новых типов фосфо-липидов были использованы легкодоступные субстраты: полиолы, защищенные полиолы, в том числе бициклофосфиты и фосфоринановые производные [2—10]. В качестве фосфорилирующих реагентов применялись амиды, амидоэфиры, хло-рангидриды эфиров и амидов фосфористых кислот [11-13].
В результате синтезов были получены амидные, сложноэфирные аналоги фосфолипидов [14-16], а также тио- и селенолипиды [17-19]. Указанные аналоги фосфолипидов могут оказаться полезными субстратами в энзимологических, мембрано-логических и других биофизических, а также технических исследованиях.
Механизм реакции ацилирования бицикло-фосфитов хлорангидридами карбоновых кислот состоит из трех стадий:
первая стадия — ацилирование 2,6,7-триокса-4-этил- 1-фосфабицикло[2,2,2]октана ацетилхло-ридом;
вторая стадия — ацилирование 5-ацетилокси-метил-2-хлор- 5-этил-1, 2,3-диоксафосфоринана ацетилхлоридом;
третья стадия — ацилирование 1-[2-(о-ацетил-метил)-3-о-ацетил-2-этил]-метилдихлорфосфита ацетилхлоридом.
Для улучшения методики синтеза этих соединений необходимо изучить механизм вышеперечисленных реакций. В связи с тем, что изучаемые реакции протекают в запаянной ампуле, их исследование экспериментальными физико-химическими методами осложнено. Логично изучать эти реакции теоретическими квантовохимиче-скими методами, и в частности методами РББ0/3-21§ и ЯИР/б-31§**. Расчеты механизмов этих реакций методами квантовой химии ранее не выполнялись.
Целью настоящей работы является изучение первой стадии этой реакции — прямого ацилиро-вания бициклофосфитов фосфоринан-фосфори-нанового типа ацилгалогенидами теоретическими квантово-химическими методами РББ0/3-21§ и ЯИР/б-31§**. С учетом сказанного исследуется механизм следующей реакции ацилирования 2,6,7-триокса-4-этил- 1-фосфабицикло[2,2,2]ок-тана (I) ацетилхлоридом (II)
Рис. 1. Схема трех условных стадий механизма реакции ацилирования 2,6,7-триокса-4-этил-1-фосфабицикло [2,2,2]октана: 1 — координации, 2 — разрыва связей, 3 — формирования конечного продукта.
CH2OCOCH3
/CH2°\ ,O //CH2^
CH3CH2C-CH2°-P + CH3C' —»- CH3CH2C PC1
XCH2^ C1 CH2°
I II III
МЕТОДИЧЕСКАЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для изучения этой реакции был выбран кванто-вохимический метод PBE0/3-21g (Perdew—Burke— Ernzerhof, 1996, nonlocal; Perdew—Wang, 1991, LDA) [20] и для сравнения — метод RHF/6-31g**, имеющий более полный базисный набор. На каждом этапе взаимодействия расчет выбранными методами исследуемой молекулярной системы выполнялся в газовой фазе с оптимизацией геометрии по всем параметрам стандартным градиентным методом, встроенным в PC GAMESS [20]. Соединения II и I были удалены друг от друга на такое расстояние, при котором какие-либо взаимодействия практически отсутствуют. В качестве координат реакции были выбраны расстояния между атомами углерода C22 (ацетилхлорид) и кислорода О7 (2,6,7-триокса-4-этил-1-фосфаби-цикло[2,2,2]октан), а также атомами хлора Cl25 и фосфора P10 (см. рис. 1), потому что эти атомы непосредственно принимают участие в реакции. Для построения поверхностей потенциальной энергии выполнялся пошаговый расчет, длина шага которого составляла 0.01 нм. По получен-
ным значениям энергий строились поверхности потенциальной энергии (см. ниже рис. 2, 4). Для визуального представления исходной, промежуточных и конечной моделей использовалась программа MacMolPlt [21].
Соединение I при взаимодействии с хлоран-гидридом уксусной кислоты II не образует а-ке-тофосфонатов, а превращается без изменения валентности фосфора — в спектрах ЯМР 31P—{1H} фиксировали сигналы с 8-148.8—149.0 м.д., характерные не для фосфонатов, а для 2-хлор-1,3,2-ди-оксафосфоринанов (III) [2]. Кроме того, установлено, что 0.8 г хлористого ацетила II при взаимодействии с 1.62 г соединения I образует смесь, содержащую 90% 5-ацетилоксиметил-2-хлор-5-этил-1,2,3-диоксафосфоринана (III) в случае 36-часового выдерживания эквимольных количеств реагентов при 120°С в запаянной ампуле. Спектр ЯМР 31Р (С6Н6, 8, м.д.): 149.0 с. [22].
Соединение III в условиях вакуумной перегонки разлагался, поэтому переводили его в средние фосфиты (IVa, b) обработкой спиртами. Так, при реакции соединения III с метанолом были получены полные эфиры фосфористой кислоты (IVa, b):
78
БАБКИН и др.
Рис. 2. График потенциальной поверхности энергий взаимодействия 2,6,7-триокса-4-этил-1-фосфабицикло[2,2,2]ок-тана и ацетилхлорида. Метод РБЕ0/3-2^; 1 — стадия координации ингредиентов друг относительно друга, 2 — стадия разрыва связей, 3 — стадия формирования конечного продукта.
СН2ОСОСН ' СН2О
3
СН3СН2С.
2<-
ЧСН2О III
СН2ОСОСН '.СН2О.
3
\
\ МеОИ //
РС1--СН3СН2С ,
/ 3 2 \ / СН2О
IV!, Ь
РОМе'
С2Н5
ОМе I
,
О
СН2ОСОСН3 IV!
СН3ОСОСН
2
С2Н5 IVb
О / О
ОМе I
Р
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты квантовохимических расчетов взаимодействия 2,6,7-триокса-4-этил-1-фосфабицик-ло[2,2,2]октана с ацетилхлоридом по координате Яс 0 и ЛС1 Р представлены на рис. 2, 3 (метод РБЕ0/3-21§) и рис. 4, 5 (метод ЯИР/б-31§**), из которых видно, что никаких существенных изменений с системой исходных ингредиентов не проис-
Спектры ЯМР 1Н растворов соединений Г\&, Ь в дейтеробензоле записаны на приборе Бгакег АМ-400 (400 МГц). Отнесение сигналов 1Н проведено на основании данных двойного магнитного резонанса. Спектры ЯМР 31Р—{1Н} (в импульсном режиме с последующим фурье-преобразованием, развязкой от протонов и 2Н-стабилизацией) растворов соединений III, IV!, Ь в бензоле получены на спектрометре Бгакег WP-80SY (32.4 МГц) относительно внешнего стандарта 85%-ной фосфорной кислоты. Получение производных трехвалентного фосфора проводили в атмосфере сухого аргона [23].
^с22ог нм
0.27 0.25 0.23 0.21 0.19 0.17 0.15 0.13
т—I—I—I
0
-3694620
-3694640
-3694660
-3694680
-3694700
-3694720
Е0, кДж/моль
Рис. 3. Изменение общей энергии вдоль координаты *С220Г Метод РБЕ0/3-21в.
ПОВЕРХНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
79
Рис. 4. График потенциальной поверхности энергий взаимодействия 2,6,7-триокса-4-этил-1-фосфабицикло[2,2,2]ок-тана и ацетилхлорида. Метод КИР/б-З^**; обозначения те же, что и на рис. 2.
ходит, кроме взаимной ориентации друг относительно друга при координатах реакции ЯС о = = 0.27-0.24 нм, ЯС125р1о = 0.37-0.36 нм - метод РББ0/3-21§ (см. рис. 2, 3) и = 0.331-0.251 нм, ЯС^ = 0.448-0.378 нм - метод ЯИР/6-31§** (см. рис. 4, 5). В связи с этим условно определим ее как стадию координации. На второй, условной
Яс22ог нм
0.31 0.27 0.23 0.19 0.15 0.33 0.29 0.25 0.21 0.17 0.13
т—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—г
-3703150
-3703200
-3703250
-3703300
-3703350
-3703400
-3703450
-3703500
Е0, кДж/моль
Рис. 5. Изменение общей энергии вдоль координаты Яс220 7- Метод КИР/б-31в**.
стадии взаимодействия разрыв связей С22-С125 и Р10-07 начинается с координат реакции ЯСн07 = = 0.34 нм и Я^ р = 0.23 нм, согласно методу РББ0/3-21§ (см. рис. 2, 3), и с ЯСэт0? = 0.241 нм и
я 2 7
С125Р10
= 0.378 нм (см. рис. 4, 5), согласно методу ЯИР/6-31§**. В связи с этим условно определим ее как стадию разрыва связей. Судя по изменению минимальных значений общей энергии молекулярной системы, на последней, третьей, стадии атом С125 соединения II атакует атом Р10 соединения I, образуя связь Р10-С125 длиной 0.23 нм (см. рис. 2, 3), а атомы 07 и С22 образуют связь С22-07 длиной 0.13 нм (метод РББ0/3-21§). Согласно методу ЯИР/б-31§**, атом хлора аналогично формирует связь с атомом фосфора Р10-С125 длиной 0.208 нм, а атом углерода и кислорода также образуют связь 07-С22 длиной 0.131 нм (см. рис. 4, 5). Условно определим третью стадию реакции как конечную стадию формирования 5-ацетилоксиметил-2-хлор-5-этил-1,2,3-диоксафосфоринана (III).
Таким образом, анализируя вышеизложенные теоретические расчеты (поведение атомов Р10, 07, С22 и С125 и энергетику реакции), можно констатировать, что механизм синтеза соединения III представляет собой согласованный процесс с одновременным разрывом связей Р10-07 и С22-С125 и образованием новых связей Р10-С125 и С22-07.
80
БАБКИН и др.
Эта реакция имеет все черты нуклеофильного замещения Sn2. Экспериментально 5-ацетилоксиме-тил-2-хлор-5-этил-1, 3,2-диоксафосфоринан (III) получали при взаимодействии 1.62 г 2,6,7-триок-са-4-этил-1-фосфабицикло[2.2.2]октана (I) и 0.8 г ацетилхлорида (II) нагреванием в течение 36 ч при 120°С в запаянной ампуле в газовой фазе. Полученные связи наблюдаются в спектрах, а именно, в спектре ЯМР 31Р (С6Н6, 8, м.д.): 149.0 с. (диапазон связи P—C1), и в спектре ПМР — 4.49 с. (диапазон связи C-O) (2H, CH2OCO) [23].
ВЫВОДЫ
1. Изучаемая реакция носит черты реакции нуклеофильного замещ
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.