Термодинамические характеристики сольватации таутомеров в этаноле

Анализ энергетических, электронных и геометрических характеристик рассматриваемых таутомеров в среде растворителя показал, что значения энергии ВЗМО таутомерных форм более отрицательны, чем Е_ВЗМО этих же соединений в газовой фазе, причем разница Е_ВЗМО изолированной и сольватированной молекул иминов больше, чем изменение у енаминов. Величины энергии НСМО сольватированных молекул таутомеров уменьшаются.

Учет сольватации способствует появлению дополнительной поляризации азометинов и енаминов. Наблюдается увеличение значений дипольных моментов и электронной плотности на реакционных центрах молекул связях >C=N– и >C=С<, что повышает способность положительно заряженные частицы.

Таким образом, наличие достаточно устойчивых равновесных таутомерных форм указывает на то, что при гидрировании будут восстанавливаться и азометин, и енамин. С учетом того, что активированный на кластерах палладия водород заряжен положительно, енамин должен восстанавливаться легче. Применительно к процессу получения вторичных жирно-ароматических аминов не важно, какая из двойных связей восстанавливается, конечный продукт один (схема 1).

Как уже отмечалось, гидрогенизационное аминирование – сложный, включающий несколько стадий процесс. Особый интерес вызывает стадия восстановления азометинов, образующихся в результате аминирования альдегидов, поскольку на сегодняшний день отсутствует единое мнение о механизме каталитического гидрирования.

При сопоставлении значений кинетических характеристик реакции (табл. 1) с данными расчетов методами АМ1 и ab initio (HF/6-31G) можно отметить рост константы скорости реакции с увеличением значений суммарных зарядов (Σq) на реакционных центрах >C=N– и >C=С< (рис. 3).



Рис. 3. Зависимость логарифма эффективных констант скорости от суммарных зарядов на реакционных центрах >C=N– (I) и >C=С< (II) молекул.
В нашем случае полученная зависимость lgk_эф.=f(Σq_>С=N-) описывается линейным уравнением (1), а зависимость lgk_эф.=f(Σq_>C=С<) – линейным уравнением (2):

lgk_эф. = (–12.47 ± 2.53)Σq_>С=N- + (–2.63 ± 0.52), r=0.96±0.04 (1),

lgk_эф. = (–14.86 ± 2.18)Σq_>C=С< + (–3.21 ± 0.46), r=0.98±0.02 (2).

Полученные уравнения могут использоваться для предсказания скорости гидрирования только для молекул близкого строения при проведении реакции в аналогичных условиях. Учет растворителя позволяет более корректно оценить реакционную способность соединений.

1. Впервые проведено жидкофазное каталитическое гидрогенизационное аминирование пропаналя рядом функциональных производных анилина с образованием вторичных жирно-ароматических аминов в мягких условиях в присутствии Pd/C. Строение азометинов и продуктов реакции доказано методами ИК, ¹Н и ¹³С ЯМР спектроскопии.

2. Впервые изучена каталитическая активность металлсодержащих (Pt, Pd) углеродных наноматериалов в реакции каталитического гидроаминирования пропаналя 4-аминобензойной кислотой. Показано, что использование для металлсодержащих катализаторов в качестве носителей углеродных наноматериалов способствует увеличению каталитической активности металлов в реакциях гидроаминирования.

3. С применением квантово-химических неэмпирических методов расчета (HF/6-31G) впервые изучены маршрут и переходные состояния реакции образования азометинов. Показано, что реакция идет через два переходных состояния с образованием соответствующего промежуточного продукта полуаминаля (карбиноламина) до конечных продуктов – азометина и воды.

4. Изучение влияния структуры азометинов, а именно природы и местоположения заместителя в бензольном кольце и строение алкильного фрагмента, показало, что наибольшее влияние на особенности энергетических, электронных и геометрических характеристик молекул оказывают природа и местоположение заместителя в бензольном кольце, чем изменение строения алкильного фрагмента молекул.

5. Методом ¹Н ЯМР спектроскопии доказано существование в растворе имин-енаминной таутомерии, причем енаминная форма преобладает.

6. При изучении влияния растворителя на энергетические, электронные и геометрические характеристики азометинов и енаминов показано, что появляется дополнительная поляризация молекул, в результате которой увеличивается электронная плотность на реакционных центрах >C=N– и >C=С< соединений, значения длин связей и углов изменяются мало.
Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях:

Публикации в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК:

1. Животягина С.Н., Клюев М.В., Волкова Т.Г., Магдалинова Н.А. Квантовохимическое исследование строения молекул азометинов и их реакционной способности в жидкофазном каталитическом гидрировании // Известия вузов. Химия и хим. технология. 2007. Т. 50. Вып. 7. С. 28-32.

2. Магдалинова Н.А., Волкова Т.Г., Клюев М.В. Молекулярное моделирование хлорзамещенных алкилиденанилинов и прогнозирование скорости гидрирования // Известия вузов. Химия и хим. технология. 2007. Т. 50. Вып. 10. С. 17-20.

3. Волкова Т.Г., Клюев М.В., Магдалинова Н.А. Квантовохимические расчеты и прогнозирование скорости гидрирования ненасыщенных органических соединений // Известия вузов. Химия и хим. технология. 2009. Т. 52, № 3. С. 3-10.

4. Животягина С.Н., Клюев М.В., Волкова Т.Г., Магдалинова Н.А. Моделирование влияния растворителя на процесс восстановления пропилиденанилинов // Вестник ИвГУ, серия «Биология. Химия. Физика. Математика». 2005г. Вып.3. C. 24-29.

5. Магдалинова Н.А., Животягина С.Н., Клюев М.В., Волкова Т.Г. Квантовохимические параметры замещенных пропилиденанилинов // Вестник ИвГУ. Иваново, 2006. Вып. 3. С. 46-52.

6. Магдалинова Н.А., Клюев М.В., Волкова Т.Г., Животягина С.Н. Строение азометинов и их реакционная способность в гидрировании: квантовохимический подход. Деп. в ВИНИТИ 04.04.07. № 373-В2007. 19 с.

7. Магдалинова Н.А., Клюев М.В., Волкова Т.Г. Гидрирование на палладиевом катализаторе, нанесенном на фуллереновую сажу // Органические и гибридные наноматериалы: первая школа-семинар молодых ученых. Иваново: ИвГУ, 2008. С. 153-155.

8. Магдалинова Н.А., Груздев М.С. Исследование продуктов гидроаминирования пропаналя п-аминобензойной кислотой методами ЯМР- и ИК-спектроскопии // Материалы 5-ой Зимней школы-конференции «Магнитный резонанс и его приложения». С.-Петербург, 2008. С. 144-147.

9. Животягина С.Н., Магдалинова Н.А. Теоретическое исследование молекул азометинов и таутомерных им енаминов, полученных на основе анилина, его производных и ряда алифатических альдегидов // Тезисы докл. науч. конф. «Молодая наука в классическом университете». Иваново, 2005. С. 5.

10. Животягина С.Н., Клюев М.В., Волкова Т.Г., Магдалинова Н.А. Взаимосвязь строения молекул некоторых азометинов с их электронными и геометрическими характеристиками // Тезисы докл. II школы-семинара «Квантово-химические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул». Иваново, 2005. С. 73.

11. Животягина С.Н., Клюев М.В., Волкова Т.Г., Магдалинова Н.А. Изучение взаимосвязи между химической структурой азометинов и их реакционной способностью // Тезисы докл. VIII научной школы-конференции по органической химии. Казань, 2005. C. 35.

12. Магдалинова Н.А., Корсаков А.С., Животягина С.Н., Клюев М.В., Гиричева Н.И. Квантово-химическое изучение геометрического строения молекул некоторых азометинов // Тезисы докл. I Всероссийской школы-конференции «Молодые ученые – Новой России. Фундаментальные исследования в области химии и инновационная деятельность». Иваново, 2005. С. 19.

13. Животягина С.Н., Магдалинова Н.А. Квантовохимическое моделирование влияния природы заместителя на реакционную способность пропилиденанилинов в гидрировании // Тезисы докл. науч. конф. «Молодая наука в классическом университете». Иваново, 2006. С. 9.

14. Магдалинова Н.А., Животягина С.Н., Волкова Т.Г., Клюев М.В. Квантовохимическое изучение влияния растворителя на скорость восстановления азометинов // Тезисы докл. I Региональной конференции молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем». Иваново, 2006. С. 22-23.

15. Магдалинова Н.А., Клюев М.В., Волкова Т.Г. Молекулярное моделирование хлорзамещенных алкилиденанилинов и прогнозирование скорости гидрирования // Материалы III школы-семинара «Квантово-химические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул». Иваново, 2007. С. 124-125.

16. Магдалинова Н.А. Моделирование реакции образования пропилиденанилина в газовой фазе // Материалы XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных по фундаментальным наукам «Ломоносов-2008», Химия. Москва, 2008. С. 482.

17. Волкова Т.Г., Магдалинова Н.А., Клюев М.В. Компьютерное моделирование реакции взаимодействия аминобензойных кислот с алифатическими альдегидами // Тезисы докл. XIV Симпозиума по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул. Челябинск, 2008. С. 67.

18. Magdalinova N.A., Volkova T.G., Klyuev M.V. Study of hydrogenization amination of propanal by m- and p-aminobenzoic acids in the presence of Pd/C // 2nd International IUPAC Conference on Green Chemistry. Russia. Moskwa - S.-Peterburg, 2008. P. 148.

19. Магдалинова Н.А., Львова Ю.Э., Волкова Т.Г., Клюев М.В. Роль растворителя в жидкофазном каталитическом гидрировании азометинов: квантово-химический подход // Тезисы докл. III Региональной конференции молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем». Иваново, 2008. С. 103.

Магдалинова Наталья Александровна
АЛКИЛИДЕНАНИЛИНЫ: СТРУКТУРА И

РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ В ГИДРИРОВАНИИ

Специальность 02.00.03 – органическая химия

02.00.04 – физическая химия
Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук
Подписано в печать 4.05.2009.

Формат 6084 1/16. Бумага писчая.

Печать плоская. Усл. печ. л. 0.93. Уч.-изд. Л. 1.0. Тираж 100 экз.
Издательство «Ивановский государственный университет»

153025 Иваново, ул. Ермака, 39