Трансформация 2,2-ди(3-нитро-4-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтана в среде щелочь– амидный растворитель

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Амидные апротонные растворители являются важнейшими компонентами в современном органическом синтезе, металлоорганической химии и катализе, химической и фармацевтической промышленности. Состав жидкой фазы может изменять растворимость различных компонентов в реакционной смеси, скорости отдельных стадий реакции, оказывая существенное влияние на кинетику и термодинамику процессов, влияя на конверсию и селективность продукта. В последнее десятилетие внимание ученых обращено на объяснение закономерностей участия амидных растворителей в химических процессах, в том числе и в качестве самостоятельных реагентов, что открывает новые способы синтеза или существенно упрощает уже существующие [1–4].

N,N-Диметилформамид (ДМФА) и N,N-диметилацетамид (ДМАА), применяемые в многообразии химических процессов, не являются абсолютно инертными растворителями и могут взаимодействовать с различными нуклеофильными реагентами. Практическим аспектом изучения процесса щелочного гидролиза амидных растворителей является применение его для введения диметиламиногруппы в молекулы различных субстратов. Образующиеся продукты при щелочном гидролизе амидных растворителей, прежде всего промежуточный анион и диметиламин могут выступать в качестве реагентов в конкурирующих процессах, протекающих наряду с основной реакцией [5–9].

Известно, что хуже всего в реакцию вступают ароматические субстраты, содержащие неактивированный атом галогена, для замещения которого на диметиламиногруппу необходимо присутствие катализатора (соли переходных металлов). Реакция облегчается, с одной стороны, наличием активирующей группы в молекуле субстрата (например, нитрогруппы), с другой – введением в реакцию соединений, катализирующих гидролиз растворителя (щелочи и другие основания, соли переходных металлов).

Авторами работ [10–13] изучены закономерности превращения нитрозамещенных 2,2-бис(4-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтанов и 4,4′-дихлорбензофенонов в системе NaOH–ДМФА. Диметиламин или промежуточный анион являются нуклеофильными реагентами, конкурирующими наряду с анионом OH^– за субстрат. Результат реакций – образование диметиламинозамещенного продукта или смеси его с гидроксизамещенным соединением, соотношение которых зависит от температуры реакции. С повышением температуры доля диметиламинозамещенного продукта в смеси возрастает, что можно объяснить увеличением скорости гидролиза ДМФА и, соответственно, концентрации диметиламинного нуклеофила.

В работе [14] проведено моделирование щелочного гидролиза N,N-диметилформамида, который протекает в две стадии (схема 1). Гидроксид-анион, образующийся при диссоциации гидроксида натрия в ДМФА, участвует в реакции щелочного гидролиза растворителя с образованием карбаниона N,N-диметиламинометандиола (ΔН = –43.9 кДж/моль), который протекает безбарьерно. Установлено, что энтальпия активации последующего разложения интермедиата составляет 99.77 кДж/моль, что свидетельствует о стабильности карбаниона, т. е. возможности накапливаться в реакционной среде и выступать в качестве реагента (ΔН = –105.02 кДж/моль).

 

Схема 1.

 

На схеме 2 приведена схема реакции дегидрохлорирования 2,2-ди(4-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтана с участием конкурирующих реагентов. Результаты квантово-химического анализа термодинамических параметров реакции дегидрохлорирования 2,2-ди(4-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтана в среде NaOH–ДМФА [14], протекающей с участием конкурирующих реагентов в данной системе – гидроксид-аниона и карбаниона N,N-диметиламинометандиола, представлены в табл. 1.

 

Схема 2.

 

Tаблица 1. Значения энтальпии активации и теплового эффекта реакции дегидрохлорирования 2,2-ди(4-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтана в среде NaOH‒ДМФА.

Реагент	ΔН≠, кДж/моль	ΔН, кДж/моль
Гидроксид-анион	7.87	–194.2
Карбанион N,N-диметиламинометандиола (О-атака)	18.37	–173.28
Карбанион N,N-диметиламинометандиола (N-атака)	60.65	–113.42

 

Квантово-химический анализ термодинамических параметров показал, что энтальпия активации для реакции дегидрохлорирования 2,2-ди(4-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтана с участием гидроксид-аниона составляет 7.87 кДж/моль. Однако, учитывая стехиометрическое соотношение в реакции [субстрат:NaOH:ДМФА = 1:(4–8):(30–40)], можно предположить, что щелочь полностью расходуется на образование промежуточного аниона.

Карбанион, полученный в ходе щелочного гидролиза ДМФА, является амбидентным реагентом, т. е. имеет два реакционных центра (О- и N-атаки). На основании значений энтальпии активации (табл. 1), можно заключить, что наиболее энергетически выгодным процессом является О-атака. По результатам квантово-химического исследования установлено, что реакции дегидрохлорирования 2,2-ди-(4-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтана гидроксид-анионом и карбанионом N,N-диметиламинометандиола протекают по механизму бимолекулярного элиминирования (E2).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Объектом исследования данной работы является 2,2-ди(3-нитро-4-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтан, взаимодействие которого с гидроксидами щелочных металлов в среде амидных растворителей (ДМФА, ДМАА) позволяет в одну стадию реализовывать реакцию дегидрохлорирования и нуклеофильное замещение атомов хлора, связанных с углеродами бензольных колец, на N,N-диметиламиногруппы. Реакцию проводят при температуре 40–100°С и мольном соотношении 1,1,1-трихлор-2,2-бис(3-нитро-4-хлорфенил)этан:NaOH (KОН):ДМФА (ДМАА) = 1:(4–10):(20–30). Реализация предложенной схемы синтеза позволяет в течение 1–2.5 ч получать 2,2-ди(3-нитро-4-N,N-диметиламинофенил)-1,1-дихлорэтен с выходом 96–98%.

Однако, проведенные препаративные исследования не дают возможности однозначно определить последовательность протекания реакций. Нуклеофильное замещение атомов хлора на диметиламиногруппы может быть реализовано как для 2,2-ди(3-нитро-4-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтана, так и для продукта реакции дегидрохлорирования - 2,2-ди(3-нитро-4-хлорфенил)-1,1-дихлорэтена.

Метод квантово-химического моделирования позволяет рассчитать термодинамические параметры реакций и определить наиболее энергетически выгодную схему трансформации 2,2-ди(3-нитро-4-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтана в 2,2-ди(3-нитро-4-N,N-диметиламинофенил)-1,1-дихлорэтен.

Цель работы – квантово-химический анализ маршрутов превращения 2,2-бис(3-нитро-4-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтана в среде NaOH–ДМФА и установление механизмов протекающих реакций.

Учитывая результаты исследований, приведенных в работе [15], для установления энергетически выгодного маршрута превращения 2,2-ди(3-нитро-4-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтана в среде NaOH–ДМФА выполнено квантово-химическое моделирование следующих превращений: (1) реакция дегидрохлорирования 2,2-ди(3-нитро-4-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтана (О-атака карбанионом N,N-диметиламинометандиола); (2) нуклеофильное замещение атома хлора в ароматическом кольце на диметиламиновую группу для 2,2-ди(3-нитро-4-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтана и 2,2-ди(3-нитро-4-хлорфенил)-1,1-дихлорэтена (N-атака карбанионом N,N-диметиламинометандиола).

Первоначально смоделированы три возможных конформационных состояния молекулы 2,2-ди(3-нитро-4-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтана (табл. 2). Для каждой конформации выполнены поиск равновесной геометрии и расчет матриц Гесса, в котором отсутствовали мнимые частоты. Отмечено, что конформация 1 является энергетически выгодной и для последующих расчетов выбрана данная пространственная структура.

 

Таблица 2. Конформации 2,2-ди(3-нитро-4-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтана и полная энергия системы.

Конформация
	1	2	3
Полная энергия системы, Хартри	–3248.87875	–3248.87856	–3248.87857

 

Следует отметить, что молекула 2,2-ди(3-нитро-4-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтана находится в антиперипланарной конформации. Для реакции дегидрохлорирования 2,2-ди(3-нитро-4-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтана карбанионом N,N-диметиламинометандиола (О-атака) смоделированы пространственные структуры и рассчитаны энергетические параметры предреакционного, активированного и постреакционного комплексов (рис. 1).

 

Рис. 1. Энергетические профиль и динамика изменения межатомного расстояния (H6–C1, C2–Cl4) реакции дегидрохлорирования 2,2-ди(3-нитро-4-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтана карбанионом диметиламинометандиола (О-атака). Пространственные структуры предреакционного (1), активированного (2) и постреакционного комплексов (3). Заряд на атомах по Малликену (а. е.) дан курсивом.

 

Получена структура активированного комплекса с одной мнимой частотой (–646.46 см^–1). При формировании активированного комплекса 2 наблюдается увеличение длин связей С²–Cl⁴ с 1.89 до 1.92 Å и С¹–Н⁶ с 1.18 до 1.31 Å по отношению к предреакционному комплексу. Отмечено увеличение значения отрицательного заряда на атоме Cl⁴ от –0.022 до –0.127 а.е. за счет перераспределения электронной плотности. Пять атомов переходного состояния О⁷–Н⁶–С¹–С²–Сl⁴ располагаются практически в одной плоскости (172°).

В постреакционном комплексе наблюдается сокращение межатомного расстояния С¹–С² с 1.49 до 1.35 Å и образование кратной связи С¹=С²). Одновременное увеличение межатомного расстояния С²–Сl⁴ c 1.92 до 3.19 Å и С¹–Н⁶ с 1.31 до 2.25 Å приводит к отщеплению атома Сl⁴ в виде хлорид-аниона и разрыву связи С¹–Н⁶, что подтверждает механизм синхронного элиминирования (рис. 1). Отмечено уменьшение расстояния между атомами Н⁶ и О⁷ с 1.32 до 1.02 Å, что приводит к образованию N,N-диметиламинометандиола, который в последствии распадается на воду и N,N-диметилформамид. Энтальпия активации составляет 12.16 кДж/моль, а тепловой эффект равен –141.33 кДж/моль (процесс экзотермический).

При анализе результатов квантово-химического моделирования реакции дегидрохлорирования 2,2-ди(3-нитро-4-хлор)-1,1,1-трихлорэтана карбанионом N,N-диметиламинометандиола отмечен ряд закономерностей, характерных для механизма бимолекулярного элиминирования (E2Н): синхронное отщепление атомов хлора и водорода от α- и β-углеродных атомов; одностадийность процесса, которая подтверждается наличием одного максимума на профиле потенциальной энергии; пять атомов переходного состояния расположены практически в одной плоскости.

Наличие электроноакцепторных нитрогрупп в структуре 2,2-ди(3-нитро-4-хлор)-1,1,1-трихлорэтана приводит к активации атомов хлора в бензольном кольце. Нами выполнено квантово-химическое моделирование реакции ароматического нуклеофильного замещения атома хлора при взаимодействии 2,2-ди(3-нитро-4-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтана c карбанионом диметиламинометандиола (N-атака, схема 3).

 

Схема 3.

 

На рис. 2 показана динамика изменения межатомного расстояния между реакционными центрами С¹–N³ и С¹–Сl² по координате реакции на протяжении всего процесса. При уменьшении межатомного расстояния С¹–N³ (сближение реагентов с 3.13 до 2.06 Å) образуется активированный комплекс, при этом хлор-нуклеофуг (Cl²) незначительно отдаляется от углеродного атома С¹ (расстояние увеличивается с 1.74 до 1.81 Å). Дальнейшее сокращение расстояния между атомами С¹ и N³ (спуск в долину продуктов) приводит к образованию постреакционного комплекса: диметиламиногруппа карбаниона присоединяется к ароматическому кольцу (длина связи C¹–N³ составляет 1.35 Å), при этом отщепляется хлорид-анион за счет перераспределения электронной плотности (расстояние между С¹ и Cl² составляет 3.42 Å, заряд по методу Малликена –1.007 а. е.). Расстояние между атомами N³ и C⁴ увеличивается с 1.63 Å до 3.81 Å, при этом образуется муравьиная кислота.

 

Рис. 2. Энергетические профиль и динамика изменения межатомного расстояния (C1–N3, C1–Cl2) реакции нуклеофильного замещения атома хлора при взаимодействии 2,2-ди(3-нитро-4-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтана c карбанионом N,N- диметиламинометандиола (N-атака). Пространственные структуры предреакционного (1), активированного (2) и постреакционного комплексов (3). Заряд на атомах по Малликену (а. е.) дан курсивом.

 

Смещение пересечения кривых динамики изменения межатомного расстояния при присоединении нуклеофила и отщеплении нуклеофуга по отношению к положению активированного комплекса может быть объяснено незначительным смещением протекания реакции по механизму S_N2 в область смешанного типа (рис. 2).

Энтальпия активации составляет 47.30 кДж/моль, тепловой эффект равен –231.12 кДж/моль (процесс экзотермический).

Результаты квантово-химического моделирования позволяют заключить, что взаимодействие 2,2-ди(3-нитро-4-хлор)-1,1,1-трихлорэтана с системой NaOH–ДМФА (N-атака промежуточным анионом) протекает по механизму бимолекулярного нуклеофильного замещения (S_N2 Аr).

При сравнительном анализе значений энтальпии активации для конкурирующих процессов, а именно, взаимодействия 2,2-ди(3-нитро-4-хлор)-1,1,1-трихлорэтана с карбанионом N,N-диметиламинометандиола (–12.16 кДж/моль – дегидрохлорирование по механизму E2Н) и нуклеофильного замещения атома хлора в ароматическом кольце (–47.30 кДж/моль, механизм S_N2 Аr) установлено, что энергетически выгодным и первичным процессом является образование 2,2-ди(3-нитро-4-хлор)-1,1-дихлорэтена.

Аналогичным образом выполнены квантово-химические расчеты реакции нуклеофильного замещения атома хлора на N,N-диметиламиногруппу в 2,2-ди(3-нитро-4-хлор)-1,1-дихлорэтене (N-атака карбанионом, схема 4). На схеме 5 представлены пространственные структуры предреакционного (а), активированного (б) и постреакционного комплексов.

 

Схема 4.

 

Профиль потенциальной энергии реакции имеет один максимум. Энтальпия активации составляет 55.51 кДж/моль, а тепловой эффект равен –238.23 кДж/моль. Установлено, что реакция нуклеофильного замещения 2,2-ди(3-нитро-4-хлорфенил)-1,1-дихлорэтена в среде NaOH–ДМФА протекает по механизму бимолекулярного нуклеофильного замещения в ароматическом кольце (S_N2 Аr).

В табл. 3 приведен сравнительный анализ термодинамических параметров рассматриваемых реакций нуклеофильного ароматического замещения. Обнаружено, что при превращении трихлорэтановой группы в дихлорэтеновую в ходе реакции, значение энтальпии активации увеличилось на 8.21 кДж/моль. Это может быть связано с формированием сопряженной системы в структуре 2,2-ди(3-нитро-4-хлорфенил)-1,1-дихлорэтена.

 

Таблица 3. Значения энтальпии активации и теплового эффекта для конкурирующих превращений, протекающих при взаимодействии 2,2-ди(3-нитро-4-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтана с карбанионом N,N-диметиламинометандиола.

Реакция	ΔН≠, кДж/моль	ΔН, кДж/моль
Дегидрохлорирование 2,2-ди(3-нитро-4-хлорфенил)- 1,1,1-трихлорэтана (О-атака)	12.16	–141.33
Ароматическое нуклеофильное замещение в 2,2-ди(3-нитро-4-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтане (N-атака)	47.30	–231.12
Ароматическое нуклеофильное замещение в 2,2-ди(3-нитро-4-хлорфенил)-1,1-дихлорэтене (N-атака)	55.51	–238.23

 

Схема 5.

 

ВЫВОДЫ

Таким образом, в результате проведенных квантово-химических расчетов и анализа полученных термодинамических параметров определена схема превращения 2,2-бис(3-нитро-4-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтана в среде NaOH–ДМФА и установлены механизмы протекающих реакций. Первой стадией является реакция дегидрохлорирования 2,2-бис(3-нитро-4-хлорфенил)-1,1,1-трихлорэтана карбанионом N,N-диметиламинометандиола (О-атака) по механизму синхронного бимолекулярного элиминирования (Е2Н). Далее протекает реакция нуклеофильного замещения хлора в ароматическом кольце на N,N-диметиламиногруппу по механизму бимолекулярного нуклеофильного замещения (S_N2 Аr), в результате которой образуется 2,2-ди(4-N,N-диметиламино-3-нитрофенил)-1,1-дихлорэтен.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Расчеты проведены в программном обеспечении FireFly 8.2 [15] методом DFT в корреляционно-обменном гибридном потенциале (B3LYP) c базисным набором 6-31G++(d,p), в состав которого входят диффузные орбитали, необходимые для правильного описания переходных состояний с участием анионов. Для учета сольватационых эффектов применялась континуальная сольватационная модель PCM-D [16], в которой использовались такие параметры N,N-диметилформамида как сольватационный радиус и диэлектрическая проницаемость. Визуализация пространственной структуры молекул выполнена в программном пакете Chemcraft [17].

Поиск равновестной структуры молекулы. Расчет выполнен с помощью процедуры Optimize. Отсутствие мнимых частот в расчете матриц Гесса свидетельствовало о том, что полученная структура относится к минимуму на поверхности потенциальной энергии.

Поиск струкутры активированного комплекса. Предварительно сформированная структура каждого активированного комплекса оптимизирована методом Хартри–Фока в минимальном базисном наборе STO процедурой Sadpoint (режим поиска седловой точки) в газофазном приближении. Затем полученная структура уточнялась применением теории функционала плотности (DFT) с корреляционно-обменным гибридным потенциалом (B3LYP) и расширением числа функций базисного набора до 6-31G++(d,p). Корректность полученной структуры активированного комплекса подтверждалась расчетом матриц Гесса, в котором присутствовала только одна мнимая частота.

Поиск структуры предреакционного и постреакционного комплексов. Для получения пространственных структур предреакционного и постреакционного комплексов, значений энтапии активацции, теплового эффекта и энергетического профиля выполнен спуск по внутренней координате реакции с помощью процедуры IRC. При этом использовались ранее полученные стуктуры активированного комплекса и расчет гессиана. Для пространственной структуры финального шага спуска по внутренней координате реакции в долину исходных реагентов и продуктов выполнен расчет гессиана в качестве контроля отсутствия мнимых частот и оценки свойств комплекса.

Динамика изменения межатомного растояния оценивалась на основании результатов спуска по внутренней координате реакции и построения зависимости изменения выбранного параметра на каждый шаг спуска.

ФИНАНСОВАЯ ПОДДЕРЖКА

Работа выполнена пpи поддержке администрации Ярославской области (грант № 4-нп/2023).

Об авторах

Е. А. Гузов

Ярославский государственный университет имени П. Г. Демидова

Email: kaz@uniyar.ac.ru
Россия, Ярославль, 150003

М. Б. Кужин

Ярославский государственный университет имени П. Г. Демидова

Email: kaz@uniyar.ac.ru
Россия, Ярославль, 150003

М. П. Баранова

Ярославский государственный университет имени П. Г. Демидова

Email: kaz@uniyar.ac.ru
Россия, Ярославль, 150003

В. Н. Казин

Ярославский государственный университет имени П. Г. Демидова

Автор, ответственный за переписку.
Email: kaz@uniyar.ac.ru
Россия, Ярославль, 150003

Список литературы

Дополнительные файлы