КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО СТРОЕНИЯ И РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ 2-ФЕНИЛ-2-(α-ТОЛИЛ-АМИНО) АЦЕТОНИТРИЛА

АННОТАЦИЯ

В мировой практике современной медицины и сельского хозяйства активно используются синтезированные препараты различных классов соединений на основе производных α-аминонитрилов. Обычно такие препараты, синтезированные на основе ароматических и гетероциклических соединений, выделяются своей высокой биологической активностью. Является важной задачей установления электронной структуры, реакционной способности реагентов и пути синтеза производных α-аминонитрила. Данная статья посвящена теоретическому изучению процесса синтеза 2-фенил-2-(α-толил-амино)ацетонитрила квантово-химическим методом DFT по программе Gaussian98. Нами полученные теоретические данные могут служить основой для дальнейшего изучения реагентов по оценке их реакционной способности, пути реакций и научного обоснования механизма реакций электрофильного замещения.

ABSTRACT

In the world practice of modern medicine and agriculture, synthesized drugs of various classes of compounds based on α-aminonitrile derivatives are actively used. Usually, such drugs synthesized on the basis of aromatic and heterocyclic compounds are distinguished by their high biological activity. It is an important task to establish the electronic structure, reactivity of reagents and the route of synthesis of α-aminonitrile derivatives. This article is devoted to the theoretical study of the synthesis of 2-phenyl-2-(α-tolyl-amino)acetonitrile by the quantum-chemical DFT method using the Gaussian98 program. The theoretical data we obtained can serve as a basis for further study of reagents to assess their reactivity, reaction route and scientific substantiation of the mechanism of electrophilic substitution reactions.

Ключевые слова: 2-фенил-2-(α-толил-амино)ацетонитрил, ароматические соединения, гетероциклы, органический синтез, квантово-химический расчет, метод DFT B3LYP, Gaussian98, электронное строение, реакционная способность, граничные молекулярные орбитали, биологическая активность, медицина, сельское хозяйство.

Keywords: 2-phenyl-2-(α-tolyl-amino)acetonitrile, aromatic compounds, heterocycles, organic synthesis, quantum chemical calculation, DFT B3LYP method, Gaussian98, electronic structure, reactivity, frontier molecular orbitals, biological activity, medicine, agriculture.

Введение. Продукты органического синтеза в большинстве являются уникальными лекарственными препаратами в медицине, незаменимыми удобрениями в сельском хозяйстве, высокоэффективными реагентами  в производстве [1], а также в народном хозяйстве [2] в целом. Производные цианоизопропилового спирта [3, 4] широко используются в качестве реагентов для проведения реакций различных органических препратов [5]. Синтез 2-фенил-2-(α-толил-амино)ацетонитрила на основе реагентов α-аминотолуола и 2-цианоизопропилового спирта проводят по представленной ниже схеме (Рис 1):

Рисунок. 1. Химические превращения соединений 1 и 2

Активация реагента т.е. процесс депротонирования соединения 1 в различных внешних условиях вероятно может происходит как за счет протонов аминогруппы, так и метильной группы. Представляет особый теоретический интерес оценка вероятности образования молекулярных ионов 1а и 1b.

Материалы и методы. Для изучения реакции замещения объектов нами проведены модельные расчеты нейтральных структур 1, 2, а также моделей молекулярных ионов 1а, 1b и 2а квантово-химическим методом DFT B3LYP по программе Gaussian [6], удачно используемый нами ранее [7]. Анализ результатов расчетов показали энергетическую предпочтительность структуры 1а, так как она стабильна на ΔЕ=-17, 20 кКал/моль относительно аниона 1b. Поэтому далее в изучении пути реакции нами проведен расчет структуры аниона о-метиланилина 1а как основной реагирующей частицей.

Согласно схеме, процесс реакции заканчивается отщеплением молекулы воды с образованием новой N-C связи (Рис 2). По нашим представлениям, в реакционной массе о-метиланилин в основной среде активируется за счет отщепления одного протона, образуя молекулярный анион. Во второй стадии, 2-цианизопропиловый спирт отщепляя ОН^- группу образует молекулярный катион 2а:

Рисунок 2. Процесс образования модельных молекуляных ионов

Взаимодействие реагентов 1а и 2а заканчивается образованием конечного продукта 3. Было интересно исследовать перераспределения электронных зарядов на атомах обеих анионов в стадии активированных состояний. Для выяснения полной картины пути реакции и получения точной информации о центрах реагирования обеих анионов, нами проведены квантово-химические расчеты модельных, нейтральных структур 1, 2; а также молекулярных ионов 1а, 2а. Полученные данные представлены ниже, в табличном виде:

Таблица 1.

Перераспределение электронных зарядов и геометрические параметры соединений

Результаты и обсуждение. Геометрия и заряды на атомах. Исходя из анализа данных теоретических квантово-химических расчетов можно заключить, что реакция проходит в нескольких стадиях. Например, первая стадия – эта образования активированных частиц, т.е. молекулярных ионов реагентов. В этой стадии происходит изменение геометрии и перераспределение зарядов на атомах. При переходе соединения 1 в молекулярный ион 1а наблюдается удлинение длин связей С1-С2, С4-С5, С6-С1 на 0.04Å, 0.02Å, 0.04Å соответственно и укорачивание длины связей С5-С6, С1-С7 на 0.03Å, 0.05Å. А также при переходе из нейтральной молекулы 1 в молекулярный катион 1а четко различаются соответствующие величины валентных углов C1-C2- C3, C5-C6-C1, C1-C2-C8. Их изменение составляют Δφ= +2.41^о, -3.89^о, +1.09^о соответственно. Тождественные изменения в структуре 2 наблюдаются при переходе в молекулярный катион 2а. Например, при удлинении тройной связи С≡N на Δd=0.24Å сопровождается укорачиваниями связей С11-С12 и С11-С13 соответственно на 0.10Å и 0.45Å. Валентный угол N9≡C10-C11 становится почти прямым φ=179.96^о, тогда как валентный угол С10-С11-С12 теряет тетраэдрическую структуру и увеличивается на Δφ=9.18^о. Соотнесение значений торсионных углов С1-С2-С3-С4 и С4-С5-С6-С1 показывает, что планарное расположение атомов у бензольного кольца сохраняется в соединении 1а (τ= 0.00^о и 180.00^о), нежели в 1b (τ= -0.72^о и 2.44^о). Геометрические изменения сопровождаются с изменениями зарядов на атомах; благодаря перераспределению зарядов, при переходе из нейтральной молекулы 1 в структуру молекулярного аниона 1а (см. Рис 3). Например, положительный заряд на атоме С1 увеличивается на +0.44е, тогда как в соседних атомах С3, С4, С5 наблюдается увеличение отрицательного заряда равной Δq= -0.02е, -0.05е, -0.02е, тогда как на экзоциклическом атоме N7 отрицательный заряд убывает на q=+0.09e. На атомах соединении 2 происходит следующие изменения электронных зарядов при отщеплении гидроксильной группы и образовании молекулярного катиона 2а.

Рисунок 3. Распределение электронных зарядов на атомах соединений 1а и 2а

Увеличение положительного заряда на атоме С11 на q=+0.15e, сопровождается уменьшением отрицательных зарядов на атомах азота N9 (q=+0.17e) и увеличением у обоих вторичных атомах углерода С12 и С13 на Δq=-0.09e.

Рисунок 4. Вид Граничных МО молекулярных ионов: слева – 1а; справа – 2а

Зарядовый и орбитальный контроль реакций. Согласно данных из рис.3, атом N7 несет максимальный отрицаельный заряд (q=-0.75e), тогда как на орбитальной картине, представленной на Рис.4, слева, тот же атом имеет самый максимальный вклад на ВЗМО. Поэтому, атом азота N7 является потенциальным центром электрофильной атаки для катиона 2а.

Заключение. Таким образом анализ вышеприведенных данных показывает, что при депротонировании соединения 1 образование молекулярного аниона 1а энергетически выгоднее (ΔЕ=-17, 20 кКал/моль) чем его изомерного аниона 1b. Энергетическая выгодность аниона 1а сопровождается сохранением условий ароматичности бензольного кольца. Из реагента 2, при отщеплении гидроксильного аниона образуется стабильная, симметричная как по геометрии, так и по перераспределению зарядов структура 2а. Таким образом, атака электрофила 2а на субстратный анион 1а завершается образованием новой структуры 3, которая теоретически подтверждает анализ перераспределения электронных зарядов на атомах соединений и орбитального вклада атомов реагентов на граничных молекулярных орбиталях (ГО).

Список литературы:

1. John McMurry. /Organic Chemistry: A Tenth Edition.: Cornell University.- 2023. – 467 p.
2. Березин Б. Д. Березин Д. Б. / Органическая химия в 2 ч. Часть 2: учебник для вузов. - Москва : Издательство Юрайт, 2022. - 452 с.
3. Карпенко Л.Ю., Васильева С.В. / Органическая химия. - Санкт-Петербург.: Лань. -2024. 192 с.
4. Чулиев Ж.Р., Кодиров А.А., Мамарахмонов М.Х., Аскаров И.Р. Synthesis, crystal structure of mono- and bis α-aminonitriles and classification based on chemical composition. Austrian Journal of Technical and Natural Sciences No 9-10 2020 Page No. 47-52.
5. Hahn H., D. Dambkes G., Rupprich N., Bahl H., Frey G.D. Butanols // Ullmann’s Encyclopedia of Industry Chemistry. - Wiley. - 2013.
6. Frisch M.J.F and etc. Gaussian 98, Revision A. 5, Gaussian Inc. – Pittsburgh (PA), 1998.
7. Мамарахмонов М.Х. [и др.]. Электронное строение и реакционная способность витамина B3// Universum: технические науки: электрон. научн. журн. 2024. 5(122). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/17613.