КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО СТРОЕНИЯ И РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ ФУРАНА

АННОТАЦИЯ

Среди пятичленных гетероароматических соединений с одним гетероатомом - фуран отличается своеобразной реакционной способностью. Это соединение токсичное, огнеопасная бесцветная жидкость, представляющая серьезную опасность для здоровья человека при промышленном использовании и в быту. Однако, многие производные фурана используются в сфере фармацевтики, медицины как лекарственные средства (антибиотики, антисептики, противовирусные средства) и в сельском хозяйстве.

В статье приведены результаты теоретических расчетов по методу B3LYP с использованием программы Gaussian, для изучения геометрии и электронного строения, энергии и формы граничных молекулярных орбиталей, для оценки реакционной способности фурана и соотношения продуктов реакции электрофильного замещения.

ABSTRACT

Among five-membered heteroaromatic compounds with one heteroatom, furan is distinguished by its unique reactivity. This compound is a toxic, flammable, colorless liquid, posing a serious health hazard in industrial and household applications. However, many furan derivatives are used in pharmaceuticals, medicine (antibiotics, antiseptics, antivirals), and agriculture.

This article presents the results of theoretical calculations using the B3LYP method and Gaussian software to study the geometry and electronic structure, energy, and shape of frontier molecular orbitals, to estimate the reactivity of furan, and the ratio of electrophilic substitution reaction products.

Ключевые слова: фуран, электронное строение, реакционная способность, интермедиат, продукт реакции, квантово-химический расчет, оптимизация геометрии, полная энергия, молекулярная орбиталь.

Keywords: Furan, electronic structure, reactivity, intermediate, reaction product, quantum chemical calculation, geometry optimization, total energy, molecular orbital.

Введение. Фуран – бесцветная легковоспламеняющаяся, малорастворимая в воде жидкость (брутто формула C₄H₄O, t_к=31,33°C). В практике здравоохранения используются лекарственные препараты на основе фурана: фурацилин, фурадонин, фурагин, фуразолидон и много другие [1].

Имеются многочисленные экспериментальные [2 - 5], а также теоретические [6] исследования по синтезу фурана и его производных. В настоящей статье приведены собственные результаты и анализ данных теоретических исследований современными методами квантовой химии для определения точной геометрии, электронной строении, реакционной способности фурана и соотношения α-/β- монозамещенных производных и применения в области безопасности деятельности человека.

Методы и результаты. Метод DFT-B3LYP с базисным набором 3-21G использовали для квантово-химических исследований фурана и его монозамещенных производных. В предыдущих статьях [3, 4] программа Gaussian98 успешно использована нами для расчета гетероароматических соединений. В расчетах все геометрические параметры фурана, его интермедиатов и производных (рис. 1) были подвергнуты к полной оптимизации.

Рисунок 1. Схема реакции электрофильного замещения фурана

Современные литературные данные [5] качественно указывают предпочтительность получения 3а продукта. Нами приведены результаты собственных расчетов геометрии и электронного строения субстрата (1), модельных интермедиатов (2a, 2b) и продуктов метилирования фурана (3a, 3b) для анализа картины процесса метилирования на количественном уровне, анализ которых проводились согласно таблице 1.

Обсуждение результатов. Согласно таблицы 1, полная энергия исходного вещества 1 равна Еп=-130300.93 кКал/моль и дипольный момент равен μ=1.923 D. Электронные заряды на α- и β-положениях фурана равны.

Таблица 1.

Энергия, геометрия и заряды на атомах исследуемых объектов

* - Здесь величина полной энергии данного соединения принята за начала отсчета.

q=+0.076е и q=-0.250е соответственно, последний из которых может стать предпочтительным центром атаки электрофилом. Однако, эксперименты [6] показывают, что в реакциях в основном получают α- метилированный продукт с высоким выходом. Нами вычислены энергии и геометрия возможных интермедиатов и продуктов. Согласно результатам модельных

расчетов, энергетически выгодным является 2a, на ΔЕп=-15.86кКал/моль чем его изомер 2b. Электронные заряды на атомах сильно отличаются в каждом соединении. Например, в соединении 2а заряды на атомах О1, С2, С3 равны q=-0.472e, -0.076е, -0.250е соответственно. Вероятно, в условиях реакций контролируемые зарядами. Поэтому проведен анализ результатов, для нахождения согласования с экспериментальными данными.

Рисунок 2. Энергия и объемный вид ВЗМО субстрата

Нами рассчитаны энергия и формы граничных орбиталей нейтральной молекулы 1, орбитальная картина приведена на рисунке 1. На орбитальной картине соединения 1 парциальный вклад атома С2 является максимальной в образовании ВЗМО.

Выводы. Согласно нами полученных данных, по зарядовом контроле реакций электрофильного замещения фурана атом С3 является центром атаки электрофилов. А в условиях орбитального контроля более реакционноспособным атомом для последних становится атом С2, имеющий максимальный парциальный вклад в образовании ГО. Обычно получают продукты реакции 3a и 3b, первый из которых является основным, энергетически стабильным продуктом для дальнейшего синтеза биологически активных препаратов. Биологически активные препараты на основе обоих изомеров фурана успешно применяются в практике медицины и фармацевтики [8], которые служат уникальными средствами сохранения здоровья человека.

Список литературы:

1. А. В. Кузнецова. Фармакопейный анализ производных фурана, пиррола, пиразола, имидазола, пиридина, хинолина: / Уч. пос. Пенза.: Издательство ПГУ, 2013. - 115 стр.
2. В. Ф. Новиков, А. В. Танеева. Тонкослойная хроматография фурановых соединений в трансформаторном масле. Уч. Пос. Казань: КГЭУ, 2020. – 85 с.
3. Kalyan Maram, Kowthalam Anithaet.all. DBU Mediated Efficient Synthesis of New N-(furan/thiophene/pyrrole-2-yl- (2-hydroxynaphthalen-1-yl)methyl)acetamides. Letters in Organic Chemistry, Vol. 20, Issue 7, Jul 2023, p. 603 – 607.
4. Rashitova Sh. Furan Derivatives and Their Role in Pharmaceuticals. / Am. Jour. of Bioscience and Clinical Integrity. V. 2. No. 4 (2025). P. 104-107.
5. L.I. Belen´kii, M.Kh. Mamarakhmonov, et. all. Thermodynamic stabilities of neutral molecules and intermediates formed in electrophilic substitution of azoles containing three or four heteroatoms. // RussChemBull., Int. Edition. May, 2015. Vol. 64, No. 5, pp. 1032-1038.
6. Мамарахмонов М.Х. [и др.]. Квантово-химические исследования электронного строения и реакционной способности пиррола в реакциях электрофильного замещения // Universum: химия и биология: электрон. научн. журн. 2026. 3(141). Стр. 5-10. URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/22135.
7. N.B. Saidkarimova, A.N. Yunuskhodjaev, Antibacterial furan derivatives: a Raman spectroscopic investigation. / Sci. and inno.: Int. sci. jour. – V. 4, issue 8, august 2025, P. 54-68.
8. Mohammad A., Moludi J, et. all. Recent Updates on Anti-Inflammatory and Antimicrobial Effects of Furan Natural Derivatives. / Jour. Inflamm. Res. 2020, Aug 19;13:451–463. doi: 10.2147/JIR.S262132.