КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СИНТЕЗА N,N’-БИС(α-ЦИАНОИЗОПРОПИЛ)ПРОПИЛЕНДИАМИНА

АННОТАЦИЯ

Данная статья посвящена квантово-химическому исследованию, влиянию количества метиленовых групп на реакционную способность пропилендиамина. Анализ данных электронного строения и энергетических характеристик дает возможность определения роли метиленовых групп в реакционной способности реагентов и продуктивности синтеза.

ABSTRACT

This article is devoted to quantum chemical research, the influence of the number of methylene groups on the reactivity of propylenediamine. An analysis of the data on the electronic structure and energy characteristics makes it possible to determine the role of methylene groups in the reactivity of the reagents and the productivity of the synthesis.

Ключевые слова: пропилендиамин, квантово-химический расчет, электронное строение, реакционная способность, продукт синтеза.

Keywords: propilenediamine, quantum chemical calculation, electronic structure, reactivity, product of synthesis.

Синтез N,N’-бис(α-цианизопропил)пропилендиамина представляет собой синтез соединения, которое может успешно использоваться как перспективный стимулятор роста для сельскохозяйственных культур. Данный препарат используют для укрепления иммунитета и урожайности хлопчатника, а также пшеницы и родственных сельскохозяйственных культур. Выход продукта составляют 3,2 г (89%) от массы соответствующих реагентов.

Реакция протекает согласно схеме, представленной ниже.

Рисунок 1. Схема синтеза N,N’-бис(α-цианизопропил)пропилендиамина (3)

Реакция проходит в молярной соотношении 2:1 ацетонциангидрина с пропилендиамином. В предыдущих наших исследованиях [2; 4; 5] нами изучены реакции синтеза производных ацетонитрила, ацетонциангидрина, метилен- и этилендиамина, а также возможное влияние количества метиленовых групп на реакционную способность молекул. Для утверждения данного предположения нами в настоящей статье проведен квантово-химический расчет молекулы пропилендиамина и ацетонциангидрина. При этом проведены сопоставления результатов расчетов геометрии и электронной структуры с вышесказанными данными. В итоге можно сделать научный вывод о влиянии числа метиленовых групп на перераспределение электронных зарядов на атомах молекулы, тем самым определяется реакционная способность реагентов.

Начальная геометрия составлена в программе GaussView 5.0 и при проведении расчетов в программе Gaussian 98 методом DFT-B3LYP базисным набором 3-21G [6], все геометрические параметры были полностью оптимизированы. Этот метод расчета удачно применен нами ранее [1; 3] для выяснения электронной структуры и реакционной способности различных биологически активных соединений. На рисунке ниже приведена картина распределения электронных зарядов на атомах пропилендиамина, полная энергия системы Еп = –402921,553 кКал/моль, диполный момент равен µ = 2,077 Дб.

Рисунок 2. Электронные заряды на атомах и направления вектора дипольного момента

В общих чертах молекула намного полярнее. Вектор полярности направлен перпендикулярно линии основного скелета.

Рисунок 3. Вид граничных орбиталей продукта реакции: верхняя заполненная молекулярная орбиталь (ВЗМО слева) и нижняя свободная молекулярная орбиталь (НСМО справа)

Обычно картина и энергетические величины граничных орбиталей используются как важный индекс реакционной способности, поэтому нами приведена величина энергии ГО реагента.

Таблица 1.

Величины энергии и вид граничных орбиталей продукта реакции

Из орбитальной картины продукта реакции можно заметить, что, несмотря на симметричность расположения функциональных групп от центра, граничные орбитали (ВЗМО и НСМО) находятся в различных концах скелета молекулы.

Для выяснения взаимосвязи изменения электронного перераспределения на атомах с увеличением числа метиленовых групп нами проведены расчеты соединений a-c. На рисунке и в таблице ниже приведены данные расчетов.

a                                    b                                             c

Рисунок 4. Распределение зарядов на атомах моно- (a), ди- (b), триметилендиамина (c)

Таблица 2.

Сравнительная таблица изменения электронных зарядов с изменением числа метиленовых групп в соединениях a-c

Анализ данных, приведенных в таблицах и на рисунках, показывает, что с увеличением числа метиленовых групп заряды на атомах аминогруппы реагента изменяются и поэтому продуктивность реакции намного увеличивается.

Список литературы:

1. Аскаров И.Р., Мамарахмонов М.Х., Обидова Ш.А. Квантово-химическое исследование электронного строения биологически активного препарата фенибут // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. – 2021. – № 11 (89) / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/12465 (дата обращения: 30.10.2022).
2. Квантово-химическое изучение реакции синтеза N,N’-бис(а-цианизопропил)этилендиамина / М.Х. Мамарахмонов [и др.] // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. – 2022. – № 8 (98) / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/14118.
3. Мамарахмонов М.Х., Жалолов И.Ж., Усмонова А.А. Квантово-химическое исследование электронного строения и реакционной способности донаксина, выделенного из растения Arundo Donax L. // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. – 2021. – № 11 (89) / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/12515 (дата обращения: 30.10.2022).
4. Реакции ацилирования α-аминонитрилов / Ж.Р. Чулиев [и др.] // Universum: Химия и биология : электрон. научн. журн. – 2019. – № 9 (63) / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/7760.
5. Синтез различных α-аминонитрилов / Ж.Р. Чулиев [и др.] // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. – 2019. – № 3 (57) / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/7024.
6. Frisch M.J. Gaussian 98, Revision A.5, Gaussian Inc., Pittsburgh (PA), 1998.