Механизм и квантово-химический расчет синтеза 4´,4´´(5´´)-ди-(метилэтилоксиметил)-дибензо-18-краун-6

DOI: 10.32743/UniChem.2021.81.3-2.12-18

АННОТАЦИЯ

Предложен механизм и проведен квантово-химический расчет синтеза третичных спиртов на основе  4´,4´´(5´´)-диацетилдибензо-18-краун-6 методом UB3LYP. Показано переходное ионное состояние системы и перераспределение электронов в молекуле макроцикла. Проведен сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных ¹Н-ЯМР- и ИК- спектров 4´,4´´(5´´)-ди-(метилэтилоксиметил)-дибензо-18-краун-6.

ABSTRACT

A mechanism is proposed and a quantum-chemical calculation of the synthesis of tertiary alcohols based on 4´,4´´(5´´) -diacetyldibenzo-18-crown-6 by the UB3LYP method has been performed. The transitional ionic state of the system and the redistribution of electrons in the macrocycle molecule are shown. A comparative analysis of the theoretical and experimental data of ¹H-NMR and IR spectra of 4´,4´´(5´´) -di- (methylethyloxymethyl) -dibenzo-18-crown-6 was carried out.

Ключевые слова: механизм, квантово-химический расчет, дибензо-18-краун-6, третичный спирт.

Keywords: mechanism, quantum-chemical calculation, dibenzo-18-crown-6, tertiary alcohol.

Производные краун-эфиров и их металлокомплексы проявляют различную биологическую [1], антибактериальную [2], цитотоксическую [3], противопаразитарную [4] и противовирусную [5] активность [6].

Исследования показали [7] эффективность и перспективность использования в качестве антимикробных ингибиторов биокоррозии 4´,4´´(5´´)-ди-(метилфенилоксиметил)-дибензо-18-краун-6 (ДБ18К6), в малых дозах препарат полностью уничтожал бактерии родов Pseudomonas stutzeri, Pseudomonas aeroginoza, Desulfovibrio vulgaris, Desulfovibrio sp., Rhodococcus eruthropolis, Gallionella minor и др., вызывающих коррозию металлической поверхности нефтепромыслового оборудования и трубопроводов.

В целях современного планирования синтеза соединений с заданными биоцидными свойствами проведено математическое моделирование синтеза 4´,4´´(5´´)-ди-(метилэтилоксиметил)-дибензо-18-краун-6 по реакции Гриньяра:

Схема 1. Синтез 4´,4´´(5´´)-ди-(метилэтилоксиметил)-дибензо-18-краун-6

Рассматриваемые реакции проводили в одинаковых условиях в среде бензола в течение 3-х часов. Дитретичный спирт 4´,4´´(5´´)-ди- (метилэтилоксиметил)- ДБ18К6 получается из всех этилгалогенидов, но с разной скоростью реакции и разными выходами.

Квантово-химическим расчетом с помощью программ ChemDraw Ultra 10.0 и Chem3D Ultra 10.0 получены параметры длины связи и валентных углов в этилгалогенидах.

Хлористый этил                  Бромистый этил                         Йодистый этил

Рисунок 1. Структуры этилгалогенидов

Выход спирта зависит от природы галогена, что согласуется с данными длины связи С-Hal:

Таблица 1.

Некоторые характеристики связи С-Нal этилгалогенидов

Различную реакционную способность имеющих одинаковое строение алкилхлоридов, бромидов и йодидов при взаимодействии с магнием также можно объяснить различной энергией связей С-Х (кДж/моль):

C-F   450               C-Br  225              C-Cl     275                  C-I    190

По-видимому, алкилфториды с магнием не реагируют, потому что энергия связи C-F очень велика.

Полученные данные по изучению влияния галогена на синтез третичных спиртов полностью согласуются с рядом активности некраунильных (алкильных, арильных) магнийгалогенидов I>Br>Cl, который объясняют с точки зрения  энергии связи С-Наl [8].

По аналогии с механизмом образования третичных спиртов алифатического ряда по реакции Гриньяра [9], предложен механизм образования третичных спиртов на основе 4´,4´´(5´´)-диацетил- ДБ18К6:

Схема 2. Механизм синтеза третичных спиртов по Гриньяру

На основании квантово-химического расчета методом UB3LYP предложена модель образования третичного спирта на основе 4´,4´´(5´´)-диацетилдибензо-18-краун-6. Первая стадия – радикальная, характеризуется переходным состоянием, в котором линия связи C-Br этилбромида направлена перпендикулярно «поверхности» кластера, и отвечает за образование радикалов. Переходное ионное состояние характеризуется направлением линии связи C-Br параллельно «поверхности». При прохождении системы по ионному каналу происходит только перераспределение зарядов.

Структура целевого продукта 4´,4´´(5´´)-ди-(метилэтилоксиметил)-дибензо-18-краун-6 оптимизирована, рассчитаны длины связи и углы.

Рисунок 2. Структура 4´,4´´(5´´)-ди-(метилэтилоксиметил)-ДБ18К6

Расчет энергии образования и выбор в соответствии с этим оптимального метода по этой энергии для дальнейшего расчета. 

Total Energy

1.“Оптимизация молекулы”

MM+        Energy=42.188401 kcal/mol Gradient=0.099838

Amber      Energy=30.624448 kcal/mol Gradient=0.097944

Bio            Energy=78.475789 kcal/mol Gradient=0.096945

OPLS        Energy=14.921256 kcal/mol Gradient=0.090955

При расчете энергии образования 4´,4´´(5´´)-ди-(метилэтилоксиметил)-ДБ18К6 выяснилось, что наиболее подходящей для расчета является OPLS, так как среди эмпирических методов в MM+  АМВЕR и BIО энергия образования высокая.

2. Динамика молекулы  (OPLS):  Time=1 ps         Kinetic=61.2574      

T=277.713 K    Potential=84.498                         Total Energy=145.755 kcal/mol 

Распределение эффективных зарядов на атомах

Рисунок 3. Распределение эффективных зарядов на атомах 4´,4´´(5´´)-ди-(метилэтилоксиметил)- ДБ18К6

Таблица 2.

Некоторые характеристики 4´,4´´(5´´)-ди-(метилэтилоксиметил) - ДБ18К6

В продолжении исследований был сгенерирован ИК-спектр и сравнен с ИК-спектром синтезированного  4´,4´´(5´´)-ди-(метилэтилоксиметил)- ДБ18К6       Vibrational Spectrum

Рисунок 4. ИК-спектр 4´,4´´(5´´)-ди-(метилэтилоксиметил)- ДБ18К6

Рисунок 5. ИК- спектр 4´,4´´(5´´)-ди-(метилэтилоксиметил)- ДБ18К6

В ИК-спектре полученного соединения отсутствует полоса поглощения при 1680 см^-1, характерная для карбонильной группы исходного 4´,4´´(5´´)-диацетил-ДБ18К6, имеются следующие характерные полосы поглощения в областях: 3620 см^-1, 1157 см^-1 симметричные, асимметричные валентные  колебания –ОН группы у третичных спиртов, 1250см^-1 и 929 см^-1 плоские и неплоские деформационные колебания –ОН группы. Валентные асимметричные и симметричные колебания –СН₃ групп расположены в области 2962 см^-1 и 2874 см^-1, соответственно. 1,2,4- Замещенное бензольное кольцо краун-эфира дает характерные полосы поглощения в области  868 и 804 см^-1.

Таблица 3.

Данные ИК-спектра 4´,4´´(5´´)-ди-(метилэтилоксиметил)- ДБ18К6 (ν, см^-1)

ПМР-спектр синтезированного 4´,4´´(5´´)-ди-(метилэтилоксиметил)-дибензо-18-краун-6 и сравнение с ПМР-спектром

Рисунок 6. ПМР-спектр  4´,4´´(5´´)-ди-(метилэтилоксиметил)- ДБ18К6

Рисунок 7. ПМР-спектр  4´,4´´(5´´)-ди-(метилэтилоксиметил)- ДБ18К6

Таблица 4.

Данные ПМР-спектра 4´,4´´(5´´)- ди-(метилэтилоксиметил)-ДБ18К6

При сравнении ПМР-спектров исходного и полученных соединений видно, что появляются протоны гидроксильной группы в области 1,23 м.д. и сигнал α- метильной группы смещается в сильное поле с  2,44 м.д. до области 1,63 м.д.

Полученные расчеты полностью согласуются с экспериментальными данными.

Список литературы:

1. Садовская Н.Ю., Глушко В.Н., Барышникова М.А., Афанасьева Д.А., Жила М.Ю., Белусь С.К. Синтез и исследование медных комплексов некоторых азометиновых производных монобензокраун-эфиров// Журнал общей химии, 2019, -№89(3), -С. 412 - 418.
2. Yildiz M., Kiraz A., Dülger B. Synthesis and antimicrobial activity of new crown ethers of Schiff base type// Journal of the Serbian Chem Soc, 2007, -№ 72(3), -С. 215 – 224.
3. Biron E., Otis F., Meillon J.-C., Robitaille M., Lamothe J., Van Hove P., Cormier M.E., Voyer N. Design, synthesis, and characterization of peptide nanostructures having ion channel activity. //Bioorg. Med. Chem., 2004, -№ 12(6), -С. 1279 - 1290.
4. Gumila C., Ancelin M.L., Delort A.M., Jeminet G., Vial H.J. Characterization of the potent in vitro and in vivo antimalarial activities of ionophore compounds // Antimicrob. Agents Chemother., 1997, -№ 41(3), -С. 523 - 529.
5. Зубенко А.Д., Бахарева А.А., Федорова О.А. Разработка компонентов радиофармпрепаратов на основе пиридинсодержащих азакраун-соединений // Успехи в химии и хим. техн., 2018, -№ 32(5), -С. 35 - 37.
6. Зубенко А.Д. Дисс. … канд. хим. наук. М.: ИНЭОС РАН, 2019.
7. Козинская Л.К., Козинский Р.К., Ташмухамедова А.К., Нурмонов С.Э., Мавлоний М.Э. Микробиологические свойства третичных спиртов на основе ДБ18К6 // Universum: Химия и биология: электрон. научн. журн., Россия,  2018, - № 11 (51)
8. Реутов О.А. Органическая химия М: БИНОМ.  – 2004, -Т.4,  –С. 35-52
9. Тулуб А.В., Порсев В.В., Тулуб А.А. Механизм взаимодействия атома магния с алкилгалогенидами //Докл. Акад. Наук РФ, 2004, -Т. 398. –С. 502-505.