Применение принципа наименьшего изменения структуры в ряду реакций циклизации с участием производных р(III) Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 547.68+541.124/128

В.Г. Урядов, Е.Н. Офицеров

ПРИМЕНЕНИЕ ПРИНЦИПА НАИМЕНЬШЕГО ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ В РЯДУ РЕАКЦИЙ ЦИКЛИЗАЦИИ С УЧАСТИЕМ ПРОИЗВОДНЫХ Р(Ш)

(Казанский государственный технологический университет) E-mail: [email protected]

Для некоторых реакций циклизации с участием органических производных Р(Ш) рассмотрена взаимосвязь параметров, численно характеризующих изменение структуры, с условиями протекания реакций и строением образующихся продуктов.

Нами разрабатывается метод описания реакционной способности органических соединений, учитывающий изменение структуры молекул при переходе от реагентов к продуктам [1, 2]. Известно, что протеканию реакции благоприятствуют наименьшие изменения в положениях атомных ядер и электронной конфигурации, что обеспечивает наименьшие значения энергии активации. Данная зависимость отражена в принципе наименьшего изменения структуры (ПНИС) [3], понятие которого введено А.М Бутлеровым. В качестве математического выражения ПНИС нами предложено произведение двух параметров численно отражающих изменение структуры молекул при переходе от реагентов к продуктам [4]. Параметры Li вычисляются по формулам (1) и (2)

[4]:

L = 2

L =

з

з/lW - з/rW

V пр V 1

реаг

реаг

(1)

(2)

где Wпр - значение топологического индекса Винера [5] молекул продуктов; Wреаг - значение топологического индекса Винера [5] молекул реагентов.

На примере реакций диенового синтеза и 1,3-диполярного циклоприсоединения, с использованием произведения параметров L2 и Lз, нами было показано [6], что ПНИС соответствует условию протекания реакции в области кинетического контроля, и отражает взаимосвязь контроля (кинетический или термодинамический) при протекании реакции с симметрией взаимодействующих граничных орбиталей аддендов. В случае повышенного вклада в энергию стабилизации взаимодействия антисимметричных орбиталей реакция протекает под кинетическим контролем и ПНИС выполняется. При значительном вкладе в энергию стабилизации взаимодействия симметричных гра-

ничных орбиталей реакция протекает под термодинамическим контролем и ПНИС не выполняется [6].

Образование циклических продуктов может происходить в ряду фосфорорганических соединений при взаимодействии производных фосфористой и фосфинистых кислот с 1,3-алка-диенами или а-дикарбонильными соединениями

[7, 8].

Реакции с участием циклических и ациклических производных фосфористой кислоты рассмотрены, в частности, в работах Н.А. Разумовой и А.А. Петрова с сотрудниками [9-10]. Установлено, что конденсации эфиров гликольфосфористых кислот с 1,3-диеновыми углеводородами протекают с образованием продуктов четырехкоорди-нированного атома фосфора, с отщеплением или без отщепления этиленоксида, в зависимости от природы заместителя при атоме фосфора, температуры и длительности процесса. Например, реакция О-метил-1,3,2-диоксофосфолана (I) с 1,3-бутадиеном приводит к образованию двух производных тетракоординированного фосфора: 1-оксиметоксиэтил-фосфолен-1-оксида (II) и 1-оксиметил-фосфолен-1-оксида (III) [11]. Соединение (II) образуется в течение 7 часов при температуре 130-140°С. Синтез соединения (III) длится около 200 часов при 100 - 110 °С, при этом в качестве второго продукта образуется этиленоксид.

Соединение (II) образуется почти в 30 раз быстрее, чем соединение (III), что, при сравнительно небольшом различии в температурном режиме, позволяет рассматривать (II) как кинетически контролируемый продукт. Однако значения произведения L2L3, характеризующие образование (II) и (III) из (I), равные 3,83 и 0,31 соответственно, свидетельствуют о том, что под кинетическим контролем должно протекать образование (III). Несоответствие между значениями произведения L2L3 и направлениями протекания кинетически и термодинамически контролируемых процессов, согласно материалам работы [6], должно указы-

2

вать на существенное влияние взаимодействия симметричных граничных орбиталей на энергию стабилизации переходного состояния конденсации производных трехвалентного фосфора с 1,3-диеновыми системами. Однако, принимая во внимание различие в природе атомов углерода и фосфора данный результат можно рассматривать как указание на возможное различие в характере взаимодействия граничных орбиталей в реакциях производных трехвалентного фосфора с 1,3-диеновыми системами, по сравнению с ненасыщенными углеводородами.

Реакционная способность циклических фосфитов существенным образом зависит от природы экзоциклического заместителя «Э». Исследования [10] показали, что реакционная способность циклических производных фосфористой кислоты уменьшается в соответствии со следующим рядом экзоциклических гетероатомных заместителей «Э»:

- Br > SCN > а > S-R > F > O-R > Методами ПМР спектроскопии [11] и ди-польных моментов [12] показано, что в такой же последовательности увеличивается способность заместителя к сопряжению с фосфором. Следовательно, экзоциклический гетероатомный заместитель оказывает непосредственное влияние на электронное строение молекулы фосфорорганиче-ского соединения. Учесть особенности влияния экзоциклического гетероатомного заместителя на реакционную способность производных трехвалентного фосфора можно, если допустить, что граничные орбитали производных Р(Ш), включающих в свой состав гетероатомный заместитель, формируются орбиталями атома фосфора и гетероатома. В работе [13] показано, что НЭП фосфора способна к р-п - сопряжению с НЭП заместителя. Взаимодействие АО атома фосфора и заместителя Э, заселенных НЭП, а также вакантных АО способно приводить к образованию наборов МО, представленных на рис. 1. Причем, в силу того, что атом фосфора располагает пятью вакантными 3d-орбиталями, а гетероатомы, кроме азота, обладают двумя и более орбиталями, заселенными НЭП (одна НЭП у атома азота, занимающего последнее место в ряду экзоциклических заместителей), возможно образование не одного, а двух наборов МО. Схема 1 (рис. 1) показывает, что в наборе МО, сформированный с участием НЭП атома фосфора и НЭП гетероатомного заместителя, ВЗМО является антисимметричной, а НСМО - симметричной. В наборе МО, сформированном вакантной 3d-орбиталью атома фосфора и НЭП гетероатомного заместителя (схема 2), наоборот, ВЗМО является симметричной, а НСМО -

антисимметричной. В соответствии с симметрией граничных орбиталей должны быть реализованы межмолекулярные орбитальные взаимодействия между фосфорорганическим соединением и 1,3-диеновой системой. Симметрия граничных орби-талей последней такова, что при взаимодействии с граничными орбиталями фосфорорганического соединения (рис. 1) могут быть осуществлены не одно 1,4-взаимодействие, а два 1,2-взаимодей-ствия.

Вакантная Sd-орбиталь атома фосфора

НСМО - симметричная комбинация вакантных орбиталей атома фосфора и гетероатомного заместителя

ВЗМО - антисимметричная комбинация орбиталей заселенных , НЭП атома фосфора и гетероатомного заместителя

Орбиталь заселенная НЭП атома фосфора

НСМО - антисимметричная комбинация вакантной орбитали атома фосфора и орбитали, заселенной НЭП гетероатомного заместителя

Орбиталь заселенная НЭП гетероатомного заместителя

Вакантная Sd-орбиталь гетероатомного заместителя

Орбиталь заселенная НЭП гетероатомного заместителя

Вакантная Sd-орбиталь атома фосфора

ВЗМО - симметричная комбинация вакантной орбитали атома фосфора и орбитали заселенной НЭП гетероатомного заместителя

Рис. 1. Схема образования наборов МО из орбиталей, заселенных НЭП и вакантных орбиталей атома фосфора (Р) и заместителя (Э). 1 - комбинация орбиталей заселенных НЭП,

и вакантных орбиталей; 2 - комбинация вакантной 3d-орбитали атома фосфора и орбитали, заселенной НЭП гетероатомного заместителя. Fig. 1. The formation scheme of MO sets from occupied UEP and unoccupied orbitals of phosphorus atom and substitute. 1 - the

combination of occupied UEP and unoccupied orbitals; 2 -combination of 3-d unoccupied orbital of phosphorus atom and occupied UEP orbital of heteroatomic substitute.

Схемы, иллюстрирующие взаимодействия между орбиталями 1,3-диеновой системы и фос-форорганического соединения с гетероатомным заместителем, приведены на рис. 2. Данные рис. 2 свидетельствуют в пользу принципиальной возможности реализации двух пар взаимодействий. При этом все взаимодействия МО фосфороргани-ческого соединения, сформированные НЭП фосфора и гетероатома (схема 1) способствуют образованию новых связей, в том числе между атомом фосфора и атомом углерода в первом положении 1,3-диеновой системы. Вторая пара взаимодействий МО (схема 2) способствует образованию но-

1

2

вой связи только между двумя атомами. Например, между атомом фосфора и углеродным атомом в четвертом положении. При этом образование новых связей более затруднено, чем в случае углеводородов, поскольку взаимодействие «диен-донор, фосфорорганическое соединение-акцептор» включает антисвязывание, а также возможны взаимодействия с углеродным атомом 1,3-диеновой системы, находящимся в а-положении к двойной связи (атомы 2 и 3), что может приводить к повышению степени делокализации электронной плотности. Соответственно, локализация в пространстве между реакционными центрами потребует затрат энергии, что отразится на характере взаимодействия.

НСМО -симметричная { комбинация вакантных орбиталей атома фосфора и

гетероатомного заместителя

ВЗМО диена

Vf \ \

НСМО диена

НСМО -антисимметричная

комбинация вакантной орбитали атома фосфора и

орбитали, заселенной НЭП

ВЗМО диена i

ВЗМО - антисимметричная комбинация орбиталей заселенных НЭП атома фосфора и гетероатомного заместителя

4 НСМО диена

ВЗМО - симметричная комбинация

вакантной орбитали атома фосфора и орбитали заселенной НЭП гетероатомного заместителя

Рис. 2. Схематическое изображение взаимодействия МО 1,3-диеновой системы и граничных МО, сформированными ор-биталями атома фосфора и гетероатомного заместителя. Fig. 2.The interaction scheme of 1,3-diene system MO and boundary MO formed by the phosphorus atom and heteroatomic substitute orbitals.

является кинетически контролируемым продуктом по отношению к исходным реагентам. Распад (IV) на фосфоленоксиды (II) и (III) характеризуется значениями произведения L2Lз с противоположными знаками, что указывает на различие в характере протекания реакций образования (II) и (III). Судя по условиям синтеза, образование фос-фоленоксида (II) (7 часов) должно предшествовать образованию (III) (200 часов).

о-ч -

\

II, W=184

V \ \ ^

о о CH3

I, W=43

\-CH3

III, W=69

, СН,—СН2

+ \/ о

IV, W=133

Рис 3. Схема реакций О-метил-1,3,2-диоксофосфолана с 1,3-бутадиеном с учетом стадии образования спирофосфорано-вой структуры.

Fig.3. The reaction scheme of o-methyl-1,3,2-dioxophospholane and 1,3-bytadiene taking into account the formation of spirophosphorane structure step.

H-C-CH

2___оСН3^?н H,C~ -JCL I. ----CH

CH2 I \ 2 H,C I ™2

™ CH, \ „-о IV

CH2-C^ CH^CH CH2

I X CH2 ^ HC-CH

о^и™^™ > 2| ^

\ /о H,< ОСНз о

e 1

H,C^ о

4

HC-CH

\/

о

Приведенные на рис. 2 схемы соответствуют представлениям о бифильных свойствах Р(Ш), а также представлениям о близости свойств трехкоординированного атома фосфора и двойной связи. Кроме того, эти схемы предполагают возможность образования пятичленного фосфорсодержащего цикла за счет двух пар орбитальных взаимодействий между молекулой фосфороргани-ческого соединения и 1,3-диеновой системой. Данное предположение согласуется с характерным свойством трехвалентного фосфора образовывать производные пентаковалентного фосфора (фосфораны) [9], в том числе имеющие строение спирофосфоранов [11] (рис. 3).

Значения произведения L2L3 (рис. 3) показывают, что образование фосфорана из фосфолана и диена = 2.08) является более предпочти-

тельным, чем образование фосфоленоксида (II) = 3.83), следовательно, в соответствии с ПНИС, производное пентаковалентного фосфора

Рис. 4. Возможная схема механизма образования соединения пентаковалентного атома фосфора и его трансформации в фосфоленоксиды двух типов. Fig.4. The possible scheme of compound formation mechanism of pentacovalent phosphorous atom and its transformation in phospholenoxides of two types.

Выше отмечено, что фосфоленоксид (II) является кинетически контролируемым продуктом. Следовательно, он может находиться в равновесии с фосфораном, который в дальнейшем постепенно превращается в термодинамически контролируемый фосфоленоксид (III). Последовательность стадий образования фосфорана (IV), а также фосфоленоксида (II) и фосфоленоксида (III) с этиленоксидом можно представить схемой, приведенной на рис. 4, где рассматриваются образование спирофосфорановой системы за счет двух пар орбитальных взаимодействий, а также две внутримолекулярные перегруппировки Арбузова-Михаэлиса, приводящие к образованию (II) и (III).

о

LL = 0.72

CH

о

CH

LL = 2

о

W=16

1

2

CH

HC

+

р

о

III

Внутримолекулярная перегруппировка Арбузова-Михаэлиса с отщеплением низкомолекулярного продукта (этиленоксид).

Молекула спирофосфорана (IV) обладает двумя центрами, способными к участию в перегруппировке Арбузова-Михаэлиса. Это метоксигруппа и 1,3-фосфолановый цикл. Как видно из схемы рис. 4, перегруппировка Арбузова-Михаэлиса с участием метоксигруппы приводит к образованию продукта без отщепления низкомолекулярного соединения, что делает возможным повторное образование спирофосфорана. Перегруппировка Арбузова-Михаэлиса внутри 1,3-фосфоланового цикла приводит к образованию низкомолекулярного соединения в качестве побочного продукта, что делает маловероятным повторное образование спирофосфорана и ведет к постепенному накоплению фосфоленоксида (III).

Таким образом, применение принципа наименьшего изменения структуры к реакциям циклообразования с участием производных трех-координированного фосфора позволило рассмотреть данный процесс с позиций системы взаимодействий граничных орбиталей различной симметрии, а также объяснить особенности в порядке образования продуктов и специфики их строения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Урядов В.Г., Офицеров Е.Н. К вопросу об условиях существования переходного состояния реакции диеново-

Кафедра органической химии

го синтеза в жидкой фазе.//Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. Казань. КГТУ. 2003. № 1. С. 1-7.

2. Урядов В.Г., Офицеров Е.Н. Модель переходного состояния реакции циклоприсоединения в жидкой фа-зе.//Вестник Казанского технологического университета 2003. №2. С. 34-35.

3. Хюккель В. Теоретические основы органической химии. Т. 1. М.: Изд-во ин. лит. 1955. С. 39.

4. Урядов В.Г., Офицеров Е.Н. Параметры, численно характеризующие изменения структуры при переходе от реагентов к продуктам в реакции диенового синте-за.//Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. Казань. КГТУ. 2003. №3. С. 4-10.

5. Wiеner. H. J.Am.Chem.Soc. 1947. V.69. N 1. Р. 17-20.

6. Урядов В.Г., Офицеров Е.Н. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2005. Т. 48. Вып. 2. С. 81-83.

7. Арбузов Б.А., Полежаева Н.А. Успехи химии. 1973. Т. 42. Вып. 5. С. 933-973.

8. Кирби А., Уоррен С. Органическая химия фосфора. М.: Мир. 1971. С. 27.

9. Евтихов Ж.Л., Разумова Н.А., Петров А.А. Докл АН СССР. 1968. Т.181. Вып. 7. С. 877-880.

10. Евтихов Ж.Л, Разумова Н.А., Петров А.А. Журн. общей химии. 1971. Т.41. Вып. 2. С. 479-480.

11. Багров Ф.В., Разумова Н.А., Петров А.А. Журн. общей химии. 1972. Т.42. Вып. 4. С.792-797.

12. Разумова Н.А., Грук М.П., Петров А.А. Журн. общей химии. 1973. Т.43. Вып. 7. С. 1475-1479.

13. Офицеров Е.Н. Дис.... докт. хим. наук. Казань: Казанский гос. университет. 1992. - 450с.

УДК 543.9:621.3.082.73:57.083.3

Е.Н. Калмыкова, А.В. Гарбузова, О.Ю. Шашканова, Н.Ю. Зубова*, Т.Н. Ермолаева

ПЬЕЗОКВАРЦЕВЫЕ ИММУНОСЕНСОРЫ НА ОСНОВЕ ИММОБИЛИЗОВАННЫХ АНТИТЕЛ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БАКТЕРИЙ YERSINIA ENTEROCOLITICA В ВОДНЫХ СРЕДАХ

(Липецкий государственный технический университет, *ФГУЗ Центр гигиены и эпидемиологии Липецкой области) e-mail: [email protected]

Предложен способ проточно-инжекционного определения патогенных грамот-рицательных бактерий Yersinia enterocolitica в водных средах с применением пьезоквар-цевых иммуносенсоров на основе иммобилизованных антител. Проведена сравнительная оценка способов получения биораспознающего слоя сенсора (прямое закрепление рецеп-торных молекул на металлической поверхности, ковалентное связывание с подложками, предварительно сформированными на поверхности электрода). Установлен линейный диапазон определения и предел обнаружения микроорганизмов с помощью сенсоров с биослоем, сформированным различными способами.

Необходимость выявления бактерий являются возбудителями инфекционного кишеч-Yersinia enterocolitica обусловлена тем, что они ного заболевания - иерсиниоза, занимающего