Реакционная способность алифатических - аминокислот в аренсульфонилировании в водно-органических средах
На правах рукописи
Щеглова Наталья Геннадьевна
реакционная способность алифатических
-аминокислот в аренсульфонилировании
в водно-органических средах
02.00.03 – органическая химия
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата химических наук
Иваново – 2010
Работа выполнена на кафедре органической и биологической химии Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ивановский государственный университет».
Научный руководитель: доктор химических наук, доцент
Кустова Татьяна Петровна
Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор
Макаров Сергей Васильевич
доктор химических наук, профессор
Кофанов Евгений Романович
Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук «Институт физиологически активных веществ»
Защита состоится 6 декабря 2010 года в ___часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.063.01 при ГОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7.
С диссертацией можно ознакомиться в информационном центре ГОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.
Автореферат разослан «___»_______ 2010 года
Ученый секретарь
совета по защите докторских
и кандидатских диссертаций Е.М. Кувшинова
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Исследование реакционной способности аминокислот исключительно важно для понимания процессов жизнедеятельности любых организмов, поскольку аминокислоты являются мономерами природных полипептидов. Целый ряд биохимических процессов с участием аминокислот связан с их Nацилированием, в ходе этого взаимодействия образуются ациламинокислоты, которые обладают широким спектром действия. Они проявляют физиологическую и поверхностную активность, выступают в качестве действующих веществ многих лекарств, являются ценным сырьем для производства парфюмерно-косметических средств, входят в состав ингибиторов коррозии.
Производные ароматических сульфоновых кислот (ангидриды и галогенангидриды) в последнее время все шире используются в качестве ацилирующих агентов природных -аминокислот, во многом благодаря биологической активности получаемых соединений. Сульфонилзамещенные азотсодержащие системы относятся к числу привилегированных в ряду фармакофоров, поэтому за последние несколько лет получены десятки тысяч сульфонильных производных аминов и аминокислот. Биологический скрининг ряда синтезированных соединений показал их высокую эффективность в качестве ингибиторов ферментов. Несколько десятков соединений, содержащих в своем составе группу –NH–SO2–, широко используются как активные медицинские агенты в лечении различных бактериальных инфекций, гипертензии, диабета. В связи с этим, безусловно актуальными являются исследования кинетических закономерностей аренсульфонилирования аминокислот, знание которых позволит проводить реакции в оптимальных условиях (температура, растворитель) уже на стадии создания комбинаторных библиотек сульфонамидов, а также при реализации непрерывных технологических схем синтеза ациламинокислот в промышленных масштабах.
К настоящему времени выполнены исследования реакционной способности -аминокислот и аминобензойных кислот в ацилировании бензоилхлоридом в водном диоксане, имеются кинетические данные о реакции Nацилирования -аминокислот сложными эфирами карбоновых кислот в ряде водно-органических растворителей, вместе с тем остается мало изученной реакционная способность -аминокислот в аренсульфонилировании.
Работа выполнена в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ, проводимых ГОУ ВПО «Ивановский государственный университет» по теме «Кинетика и механизм реакций в растворах», и имела финансовую поддержку в рамках Программы Министерства образования и науки РФ «Развитие механизмов интеграции Ивановского государственного университета и Института проблем химической физики РАН» (проект 2.2.1.1.7181 (2006–2008 гг.); проект 2.2.1.1.2820 (2009–2010)).
Цель работы: проведение исследования реакционной способности алифатических -аминокислот в аренсульфонилировании в водно-органических средах в политермических условиях.
Для достижения поставленной цели исследования в работе решались следующие задачи:
- изучение кинетических закономерностей реакций пяти алифатических аминокислот с 3-нитробензолсульфонилхлоридом (3НБСХ) в среде двух водно-органических растворителей: вода – 2-пропанол и вода – 1,4диоксан в политермических условиях; расчет активационных параметров данных реакций;
- экспериментальное изучение влияния состава водно-органического растворителя на кинетику реакции аминокислот с 3-НБСХ;
- сравнение экспериментальных данных по кинетике аренсульфонилирования алифатических -аминокислот с полученными ранее кинетическими данными сходственных реакций;
- теоретическое изучение механизма аренсульфонилирования аминокислот на примере модельной реакции L--аланина с бензолсульфонилхлоридом (БСХ) на основе расчета поверхности потенциальной энергии реакции в газовой фазе;
- теоретическое изучение влияния растворителя на механизм ацилирования Lаланина БСХ в рамках супермолекулярной модели.
Объекты исследования: алифатические -аминокислоты: глицин, DLаланин, D,L-валин, D,Lлейцин и Lизолейцин; хлорангидриды бензолсульфокислоты и 3-нитробензолсульфокислоты.
Методы исследования: спектрофотометрический, квантовохимические расчеты.
Научная новизна. Впервые проведено систематическое исследование реакционной способности алифатических -аминокислот в аренсульфонилировании в водном диоксане и водном изопропаноле в политермических условиях. Получены значения кинетических и активационных параметров данных реакций, для всех изученных процессов обнаружен компенсационный эффект. Близкие значения изокинетических температур позволяют высказать предположение о едином механизме протекания реакции. Установлено, что наибольшую реакционную способность в аренсульфонилировании среди изученных аминокислот проявляет глицин, наименьшую – D,L-лейцин.
Впервые исследована зависимость реакционной способности аминокислот от состава бинарного водно-органического растворителя. Показано, что с ростом доли воды в растворителе активность аминокислот в ацилировании увеличивается в водном изопропаноле и уменьшается в водном диоксане.
Установлено, что алифатические -аминокислоты по сравнению с аминобензойными кислотами существенно более реакционноспособны в аренсульфонилировании (в 100-1000 раз).
Впервые проведено квантовохимическое моделирование реакции Lаланина с бензолсульфонилхлоридом в газовой фазе и в присутствии от 1 до 3 молекул воды. Результаты расчетов позволяют предположить, что данные процессы протекают по «сложному» (фронтально-аксиальному) маршруту в соответствии с классическим SN2-механизмом без образования интермедиатов с единственным переходным состоянием. Показано, что при сольватации аланина молекулами воды реакционная способность аминокислоты увеличивается.
Практическая значимость. Результаты спектрофотометрического исследования взаимодействия алифатических аминокислот с функциональными производными ароматических сульфоновых кислот пополнят банк кинетических данных по ацилированию аминов различного строения, будут полезны для совершенствования технологии синтеза практически важных ациламинокислот: полимеров, ПАВ, ингибиторов ферментов, фармацевтических препаратов и др. Результаты квантовохимического моделирования реакции Lаланина в газовой фазе и в присутствии 1 – 3 молекул воды позволят развить теоретические представления о реакционной способности аминокислот и аренсульфонилгалогенидов, а также о механизме замещения у сульфонильного центра в ходе аминолиза аренсульфонилхлоридов.
Апробация работы. Результаты исследований были доложены и обсуждены на VI и VII Региональных студенческих конференциях «Фундаментальные науки – специалисту нового века» (Иваново, 2006, 2008); на IX Научной школе-конференции по органической химии (Москва, 2006); на I и IV Региональных конференциях молодых ученых «Теоретическая экспериментальная химия жидкофазных систем (Крестовские чтения)» (Иваново, 2006, 2009); на IV школе-семинаре молодых ученых «Квантово-химические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул» (Иваново, 2009); на ежегодных научных конференциях фестиваля студентов, аспирантов и молодых учёных ИвГУ "Молодая наука в классическом университете" (Иваново, 2006-2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 4 статьи (3 из них в журналах из перечня ВАК) и 9 тезисов докладов научных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов и списка цитируемой литературы. Материалы работы изложены на 123 страницах машинописного текста и содержат 49 таблиц, 34 рисунка. Список цитируемой литературы включает 91 наименование отечественных и зарубежных источников.
Личный вклад автора заключался в проведении кинетического эксперимента лично или совместно со студентами-дипломниками ИвГУ под руководством и при участии научного руководителя д.х.н., доц. Т.П. Кустовой; проведении квантовохимических расчетов; участии в обсуждении результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Автор выражает особую благодарность научному руководителю д.х.н. Т.П. Кустовой за помощь и поддержку на всех этапах работы, к.х.н. Л.Б. Кочетовой за помощь в проведении квантовохимических расчетов и обсуждении их результатов, к.х.н. Н.В. Калининой за полезные консультации.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ включает в себя четыре раздела. Первый раздел посвящен анализу литературных источников по структуре реакционных центров и механизму аминолиза производных ароматических сульфоновых кислот. Во втором разделе обсуждается термодинамика диссоциации аминокислот в воде и водно-органических растворителях. Третий раздел посвящен кинетике сходственных реакций: ацилирования неполярных алифатических аминокислот бензоилхлоридом и сложными эфирами, а также взаимодействия аминобензойных кислот с хлорангидридами ароматических карбоновых и сульфокислот в водно-органических растворителях. В разделе 1.4 проводится обзор литературных источников по влиянию бинарного водно-органического растворителя на кинетику сульфонилирования алифатических аминокислот хлорангидридами ароматических сульфоновых кислот.
Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ содержит описание методов синтеза и очистки реагентов и растворителей, методики измерений констант скоростей аренсульфонилирования -аминокислот 3нитробензол-сульфонилхлоридом спектрофотометрическим методом, методики расчета констант скоростей и активационных параметров исследуемых реакций, а также квантовохимических расчетов.
Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ состоит из трех разделов и посвящена изучению кинетики реакции 3нитробензолсульфонилхлорида (3-НБСХ) с пятью алифатическими аминокислотами: глицином, D,L--аланином, D,L-валином, D,Lлейцином и Lизолейцином в двух водно-органических системах: вода – 1,4диоксан и вода – 2пропанол и квантовохимическому моделированию поверхности потенциальной энергии реакции L--аланина с бензолсульфонилхлоридом с учетом влияния от одной до трёх молекул воды.
В ацилировании участвуют две непротонированные по аминогруппе формы -аминокислот: анионная и молекулярная, поэтому реакция с 3НБСХ протекает по двум параллельным маршрутам (1) и (2), кроме того в системе существуют побочные процессы: гидролиз ацилирующего агента (3) и его алкоголиз в водном изопропаноле.
Скорость изменения концентрации ацилирующего агента при избыточной концентрации аминокислоты са по сравнению с концентрацией 3НБСХ с рассчитывали по уравнению (4)
, (4)
где 0 и _ – доли анионной и молекулярной форм аминокислоты в растворе; са – общая концентрация всех форм аминокислоты в растворе, kн – наблюдаемая константа скорости реакции первого порядка, определяемая в кинетическом эксперименте. В условиях опыта (рН = 6,0-7,5) доля анионной формы аминокислоты в изученных водно-органических системах с содержанием воды более 30 мас. % превышает долю молекулярной формы в 10–100 раз, поэтому kг + (k__)са >> (k00)са..
В первом разделе представлены значения кинетических и активационных параметров аренсульфонилирования рассмотренных алифатических аминокислот 3-НБСХ в растворителе вода – 2-пропанол в интервале температур 298 313 К (см. табл. 1). Наибольшую реакционную способность среди рассмотренных аминокислот в водном изопропаноле проявляет аланин, наименьшую – лейцин при всех значениях температуры, что согласуется с данными по основности для этих аминокислот. При сравнении значений активационных параметров для рассмотренных аминокислот в водном изопропаноле наблюдается общая тенденция к повышению абсолютной величины энтропии активации в реакциях с участием аминокислот, радикал которых имеет изо-строение (валин, лейцин, изолейцин) и экранирует реакционный центр молекулы (NH2-группу), что создает стерические препятствия атаке электрофила (3НБСХ) на нуклеофильный центр. Для всех изученных процессов обнаружен компенсационный эффект, т.е. повышение энтальпии активации реакции компенсируется снижением энтропии активации. Изокинетическая температура для реакционной серии, включающей глицин, D,Lаланин, D,L-валин, D,Lтреонин, D,Lлейцин и Lизолейцин, в растворителе вода – 2-пропанол находится в диапазоне (274 ± 11) К.
Установлено, что между константой скорости реакции глицина и лейцина 3-НБСХ и содержанием воды в растворителе вода – 2-пропанол (табл. 1) существует прямая зависимость: при увеличении содержания воды от 40 до 80 мас. % в случае глицина и - от 40 до 70 мас. % в случае лейцина константа скорости аренсульфонилирования этих аминокислот возрастает более чем в 40 раз.
Таблица 1
Кинетические и активационные параметры реакции -аминокислот
с 3НБСХ в растворителе вода – 2-пропанол
| Т, К | Н2О, мас. % | k–·10-3, лмоль-1с-1 | рKаII | Еакт, кДж·моль-1 | Н298, кДжмоль-1 | -S298, Джмоль-1К-1 |
| Глицин | ||||||
| 298 | 39,80 | 0,80 | 10,01 | - | - | |
| 50,10 | 2,78 | 9,98 | ||||
| 60,17 | 4,87 | 9,91 | ||||
| 70,12 | 12,37 | 9,92 | ||||
| 80,15 | 32,37 | 9,91 | ||||
| D,L--Аланин | ||||||
| 298 | 40,0 | 1,01 | 10,70 | 47 ± 3 | 45 ± 3 | 27 ± 11 |
| 303 | 1,05 | 10,60 | ||||
| 308 | 1,56 | 10,50 | ||||
| 313 | 1,89 | 10,40 | ||||
| D,L-Валин | ||||||
| 298 | 40,0 | 0,166 | 9,99 | 37 ± 3 | 34 ± 3 | 87± 11 |
| 303 | 0,236 | 9,89 | ||||
| 313 | 0,345 | 9,69 | ||||
| D,L-Лейцин | ||||||
| 298 | 40,01 | 0,081 | 10,03 | 31 ± 3 | 28 ± 3 | 114 ± 11 |
| 49,95 | 0,69 | 10,25 | ||||
| 60,05 | 2,37 | 9,93 | ||||
| 70,00 | 3,62 | 9,85 | ||||
| 303 | 40,0 | 0,101 | 9,93 | |||
| 308 | 0,126 | 9,83 | ||||
| 313 | 0,145 | 9,73 | ||||
| L-Изолейцин | ||||||
| 298 | 40,0 | 0,163 | 10,00 | 51 ± 5 | 48 ± 5 | 40 ± 20 |
| 303 | 0,234 | 9,90 | ||||
| 308 | 0,335 | 9,80 | ||||
| 313 | 0,446 | 9,70 | ||||
-Аминокислоты проявляют более высокую реакционную способность в ацилировании по сравнению с аминобензойными кислотами (в 104 105 раз), что связано с различием в строении рассмотренных веществ, а именно влиянием окружения на нуклеофильные свойства аминогруппы. При переходе от 40 к 70 %-ному водному изопропанолу k_ реакции аминобензойных кислот с 3-НБСХ возрастает в 3–7 раз, тогда как в случае глицина наблюдается рост в 15 раз, что указывает на более сильные сольватационные эффекты среды в аренсульфонилировании глицина.
В разделе 2 приведены результаты изучения реакционной способности алифатических аминокислот в аренсульфонилировании 3НБСХ в бинарном растворителе вода – 1,4-диоксан (см. табл.2). Константы скоростей исследованных реакций в изученном диапазоне температур в водном диоксане в 1,5–15 раз превышают константы скоростей в водном изопропаноле. По уменьшению реакционной способности аминокислоты располагаются в ряд: Gly > D,L-Val > L-Ile > D,L-Leu > D,L--Ala.
Изокинетическая температура для рассмотренных реакций в водном диоксане находится в интервале (273 ± 16) К. Близкие значения изокинетических температур для двух водно-органических растворителей позволяют предположить, что рассмотренные реакции алифатических аминокислот с 3-НБСХ в водном диоксане и водном изопропаноле протекают по единому механизму.
При сравнении значений активационных параметров для рассмотренных аминокислот в водном изопропаноле и водном диоксане, установлено, что величина энергии активации всех изученных реакций в случае водного изопропанола существенно выше, чем для водного диоксана. Взаимная ориентация реагентов перед образованием активированного комплекса играет меньшую роль при замене в системе циклического эфира на спирт, так как абсолютная величина S298 при переходе от системы вода – 1,4-диоксан к системе вода – 2пропанол снижается почти в 2 раза. Это, в свою очередь, обусловлено разным характером специфической сольватации аминокислоты и сульфонилхлорида компонентами бинарных растворителей.
Установлено, что с ростом доли воды в системе вода – 1,4диоксан величина константы скорости всех рассмотренных реакции монотонно снижаются (табл. 2). Полученная закономерность может быть объяснена особенностями сольватации реагентов компонентами растворителя.
Сравнение результатов кинетических параметров аренсульфонилирования аминокислот 3НБСХ с данными для сходственной реакции ацилирования неполярных алифатических аминокислот бензоилхлоридом в растворителе вода – 1,4-диоксан показывает, что 3НБСХ уступает по реакционной способности хлорангидриду бензойной кислоты.
Полученная закономерность хорошо согласуется с результатами изучения кинетики реакций хлорангидридов бензойной (БХ) и бензолсульфокислот с ароматическими аминами, для которых соотношение констант скоростей
ацилирования изменяется в интервале 102 104 в зависимости от природы и состава растворителя. Использованный нами ацилирующий агент – 3-НБСХ – в м-положении ароматического кольца содержит электроноакцепторный заместитель (-NO2), усиливающий электрофильные свойства сульфонильной серы. В связи с этим соотношение констант скоростей kБХ/k3НБСХ = 10–20.
В целом, как и в случае ацилирования -аминокислот бензоилхлоридом, определяющими факторами, влияющими на реакционную способность аминокислот в аренсульфонилировании являются размер алкильного радикала при -углеродном атоме и основность аминокислоты.
Между логарифмами констант аренсульфонилирования аминокислот 3НБСХ и значениями pKаII тех же аминокислот в растворителе вода (40мас. %) – 1,4диоксан существует линейная зависимость с коэффициентом корреляции 0,993, показанная на рис. 1.
Таблица 2
Кинетические и активационные параметры реакции -аминокислот
с 3НБСХ в водном диоксане
| Т, К | Н2О, мас. % | k–·10-3, лмоль-1с-1 | рKаII | Еакт, кДжмоль-1 | Н298, кДжмоль-1 | -S298, Джмоль-1К-1 |
| Глицин | ||||||
| 298 | 30,0 | 4,98 | 11,28 | 23 ± 4 | 21 ± 4 | 107 ± 16 |
| 40,0 | 3,35 | 10,81 | ||||
| 55,0 | 2,03 | 10,32 | ||||
| 303 | 40,0 | 4,33 | 10,71 | |||
| 308 | 5,01 | 10,61 | ||||
| 313 | 5,25 | 10,51 | ||||
| D,L--Аланин | ||||||
| 298 | 30,0 | 2,52 | 11,48 | 40 ± 3 | 38 ± 3 | 54 ± 11 |
| 40,0 | 1,16 | 11,13 | ||||
| 55,0 | 0,60 | 10,72 | ||||
| 303 | 40,0 | 3,86 | 11,03 | |||
| 308 | 6,72 | 10,93 | ||||
| 313 | 7,37 | 10,83 | ||||
| D,L-Валин | ||||||
| 298 | 30,0 | 3,52 | 11,28 | 23 ± 3 | 20 ± 3 | 112 ± 11 |
| 40,0 | 2,98 | 10,83 | ||||
| 55,0 | 1,46 | 10,31 | ||||
| 303 | 40,0 | 3,78 | 10,73 | |||
| 308 | 4,88 | 10,63 | ||||
| 313 | 5,01 | 10,53 | ||||
| D,L-Лейцин | ||||||
| 298 | 30,0 | - | 11,12 | 18 ± 2 | 16 ± 2 | 131 ± 8 |
| 40,0 | 1,43 | 10,71 | ||||
| 55,0 | 0,61 | 10,25 | ||||
| 303 | 40,0 | 1,60 | 10,61 | |||
| 308 | 1,71 | 10,51 | ||||
| 313 | 2,05 | 10,41 | ||||
| L-Изолейцин | ||||||
| 298 | 30,0 | 3,11 | 11,25 | 8 ± 1 | 6 ± 1 | 162 ± 4 |
| 40,0 | 1,89 | 10,80 | ||||
| 55,0 | 1,32 | 10,43 | ||||
| 303 | 40,0 | 2,00 | 10,70 | |||
| 308 | 2,11 | 10,60 | ||||
| 313 | 2,22 | 10,50 | ||||
Косвенным аргументом в пользу определяющего влияния основности аминогруппы на реакционную способность аминокислот в N-ацилировании является обнаруженная симбатная зависимость между логарифмами констант аренсульфонилирования аминокислот в водных растворах диоксана и логарифмами констант ацилирования тех же аминокислот хлористым бензоилом.
 |
| Рис 1. Зависимость логарифмов констант скоростей аренсульфонилирования -аминокислот от значений pKII их протонированной аминогруппы в растворителе вода (40мас. %) – 1,4-диоксан, 298 К |
Таким образом, как и следовало ожидать, реакционная способность амино-кислот в реакциях нуклеофильного замещения определяется способностью ато-ма азота аминогруппы к нуклеофильной атаке электрофильного центра, в нашем случае сульфониль-ного атома серы.
В разделе 3 представ-лены результаты квантовохимического исследования реакции Lаланина в газовой фазе и в присутствии от 1 до 3 молекул воды с бензолсульфонилхлоридом.
При взаимодействии аланина с сульфонилхлоридом возможна реализация трех направлений атаки молекулы аминокислоты, являющейся нуклеофилом, на сульфонилхлоридную группу. В случае фронтального направления атаки нуклеофил подходит со стороны атома хлора, под углом 90° к связи S-CAr сульфонилхлорида, при реализации аксиальной атаки – атом азота аминокислоты лежит на оси связи S-CAr, при тыловой атаке угол (СArSN), составляет 90°, т. е. нуклеофильные агенты атакуют сульфонилхлоридную группу со стороны, противоположной хлору. При построении стартовой конфигурации для расчета фрагмента трехмерной ППЭ системы, содержащей кроме молекул реагентов одну молекулу воды, молекулу растворителя ориентировали таким образом, чтобы ее атом кислорода образовывал водородную связь с атомом водорода аминогруппы аланина. При добавлении к системе взаимодействующих молекул второй молекулы воды, ее располагали так, чтобы атом кислорода второй молекулы воды образовывал водородную связь с атомом водорода карбоксильной группы аминокислоты. Третью молекулу воды размещали вблизи аминогруппы так, чтобы водородную связь образовывали атом водорода молекулы воды и атомом азота. При проведении расчета водородные связи молекулы аминокислоты с молекулами воды не фиксировали. Установлено, что к образованию продуктов реакции приводит только реализация фронтального направления, в случае реализации других направлений атаки энергия системы непрерывно возрастает. В связи с этим при расчете фрагмента поверхности потенциальной энергии рассматривалось фронтальное и аксиальное направление атаки нуклеофила на сульфонилхлоридную группу. При этом в качестве координаты реакции использовали длину связи S-N, которую изменяли от 4,5 до 1,5 с шагом 0,1, и угол атаки молекулы нуклеофила (СArSN), изменявшийся от 90° (фронтальная атака) до 180° (аксиальная атака) с шагом 10. Угол атаки и длину связи S-N жестко фиксировали. В каждой точке фрагмента поверхности потенциальной энергии проводилась полная оптимизация геометрии системы, за исключением зафиксированных параметров. Анализ полученных фрагментов ППЭ реакции БСХ с аланином в газовой фазе (рис. 2) и в присутствии 1-3 молекул воды позволил установить маршрут реакции и локализовать на нем седловые точки, соответствующие переходным состояниям реакции.
 |
| Рис. 2. Контурная карта ППЭ реакции аланина с БСХ; - маршрут реакции, х – активированный комплекс |
Установлено, что аренсульфонилирование аланина протекает в одну стадию, без образования интермедиатов, на что указывает наличие на потенциальной поверхности единственной седловой точки, соответствующей переходному состоянию реакции. Найденный маршрут реакции можно охарактеризовать как «сложный», так как по мере сближения молекул взаимодействующих веществ в рамках данного маршрута угол атаки аминокислоты на сульфонилхлоридную группу меняется. Атака молекулы нуклеофильного агента начинается в направлении, близком к аксиальному. Затем, при сближении реагирующих молекул, угол атаки несколько уменьшается. При этом связь S-Cl и одна из связей N-Н увеличиваются, а расстояние между атомами хлора и водорода сокращается, что способствует формированию молекулы HСl. Образование продуктов реакции сопровождается резким уменьшением угла атаки, разрывом связей S-Cl и NН и формированием связи HСl.
Расчет переходных состояний показал, что конфигурация активированного комплекса реакции во всех случаях средняя между тетрагональной пирамидой и тригональной бипирамидой. Из данных табл. 3 видно также, что образование связи S-N и разрыв связи S-Cl происходят одновременно в переходном состоянии. Это обстоятельство вместе с наличием единственной седловой точки на ППЭ реакции свидетельствует о том, что изучаемая реакция в протекает по бимолекулярному согласованному механизму SN2.
Таблица 3
Характеристики активированного комплекса реакции
бензолсульфонилхлорида с аланином в газовой фазе
и сольватированного 1 - 3 молекулами воды
| Параметр | L--Ala + БСХ | L--Ala · Н2О + БСХ | L--Ala · 2Н2О + БСХ | L--Ala · 3Н2О + БСХ |
| r(S-N), | 2,00 | 2,00 | 2,00 | 2,00 |
| r(S-Cl), | 2,31 | 2,33 | 2,33 | 2,35 |
| (СArSN), ° | 140,36 | 140,18 | 140,18 | 150,09 |
| (Cl-S-N-H1), ° | 142,32 | -150,08 | -98,84 | -51,07 |
| (Cl-S-N-H2), ° | -107,72 | 74,80 | 15,47 | -165,45 |
| Hf, кДж·моль-1 | -485,76 | -749,40 | -987,68 | -1258,51 |
| Еа, кДж·моль-1 | 139 | 106 | 109 | 84 |
В переходном состоянии реакции аланина, сольватированного 1 молекулой воды, водородная связь, как и в стартовой конфигурации, связана с аминогруппой, что способствует отрыву участвующего в ней атома водорода от аминогруппы, так как она должна разрыхлять ковалентную связь N-H (r(NH1) = 1,05 , тогда как r(N-H2) = 1,01 ). Установлено, что при увеличении количества молекул воды в сольватной оболочке аланина от 1 до 3 энергия активации снижается от 139 кДж·моль-1 до 84 кДж·моль-1 соответственно. Экспериментальные данные, полученные для реакции аланина с 3НБСХ в растворителе вода (40 мас. %) – 1,4-диоксан значение энергии активации составляет 40 ± 3 кДж·моль-1, в растворителе вода (40 мас. %) – 2пропанол – 47 ± 3 кДж·моль-1, энергия активации аренсульфонилирования глицина бензолсульфонилхлоридом, протекающего в газовой фазе была найдена равной 153 кДж·моль-1. Найденные факты подтверждают выдвинутое ранее предположение о том, что присутствие растворителя сильно облегчает протекание реакции.
Итоги работы
В результате выполненных нами экспериментальных и теоретических исследований изучена реакционная способность пяти алифатических аминокислот: глицина, D,L--аланина, D,L-валина, D,Lлейцина, Lизолейцина в аренсульфонилировании хлорангидридами бензолсульфокислоты и 3нитробензолсульфокислоты в растворителях: вода – 2-пропанол и вода – 1,4диоксан.
- По реакционной способности в аренсульфонилировании изученные аминокислоты располагаются в ряд: глицин > D,L-валин > Lизолейцин > D,Lлейцин.
- При увеличении содержания воды в растворителе вода – 2пропанол константа скорости аренсульфонилирования аминокислот возрастает, в водном диоксане наблюдается обратная тенденция – константа скорости реакции увеличивается с ростом доли неводного компонента в смеси.
- Величина энергии активации всех изученных реакций в случае водного изопропанола существенно выше, чем для водного диоксана. Для всех изученных процессов обнаружен компенсационный эффект; близкие значения изокинетических температур позволяют высказать предположение о едином механизме протекания реакции.
- Определяющими факторами, влияющими на реакционную способность аминокислот в аренсульфонилировании, являются размер алкильного радикала при -углеродном атоме и основность аминокислоты.
- Проведенные исследования показали, что 3-НБСХ уступает бензоилхлориду по реакционной способности в ацилировании аминокислот в 20 раз. Алифатические -аминокислоты по сравнению с аминобензойными кислотами существенно более реакционноспособны в аренсульфонилировании (в 100-1000 раз).
- Квантовохимическое моделирование реакции L--аланина с бензолсульфонилхлоридом в газовой фазе показало, что реакция протекает по «сложному» (фронтально-аксиальному) маршруту по классическому SN2механизму без образования интермедиатов с единственным переходным состоянием. Структура переходного состояния усредненная между тригональной бипирамидой и тетрагональной пирамидой.
- Сравнение значений энергии активации реакции аланина с бензолсульфонилхлоридом показало, что при сольватации аланина молекулами воды реакционная способность аминокислоты увеличивается.
Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях.
Публикации в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК:
- Кустова Т.П., Щеглова Н.Г., Кочетова Л.Б., Калинина Н.В. Влияние природы и состава водно-органических растворителей на скорость арилсульфонилирования глицина // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. - 2008. - Т. 51, вып. 6. - С. 26-30.
- Щеглова Н.Г., Кустова Т.П., Кочетова Л.Б., Калинина Н.В. Кинетика аренсульфонилирования глицина, DL--аланина и DL-валина в водно-органических средах // Журнал общей химии. - 2009. - Т. 79, вып. 4. - С. 631-633.
- Кустова Т.П., Щеглова Н.Г., Кочетова Л.Б., Калинина Н.В. Реакционная способность -аминокислот в аренсульфонилировании в системах вода – 1,4-диоксан и вода – 2-пропанол // Журнал общей химии. – 2010. - Т. 80, № 5. - С. 802-805.
Другие публикации:
- Щеглова Н.Г., Гапоненко О.В., Кочетова Л.Б. Влияние растворителя вода– пропан-2-ол на кинетику арилсульфонилирования глицина 3нитробензолсульфохлоридом // Тезисы VI Региональной студенческой конференции «Фундаментальные науки – специалисту нового века», 25-26 апреля 2006 г. – Иваново, ИГХТУ, 2006. – С. 94.
- Щеглова Н.Г., Кочетова Л.Б., Кустова Т.П. Реакционная способность аминокислот в ацилировании в водно–органических растворителях: квантово–химический подход // Тезисы докладов І региональной конференции молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем», 14-16 ноября 2006 г. – Иваново, 2006.– С. 65.
- Гапоненко О.В., Щеглова Н.Г., Кочетова Л.Б. Реакционная способность глицина в арилсульфонилировании 3нитробензолсульфохлоридом в растворителе вода – пропан-2-ол // Тезисы докладов научной конференции фестиваля студентов, аспирантов и молодых ученых ИвГУ «Молодая наука в классическом университете», 17-28 апреля 2006 г. – Иваново, 2006. – С. 7.
- Щеглова Н.Г., Кочетова Л.Б., Кустова Т.П. Реакционная способность аминокислот в арилсульфонилировании в водно–органических средах // Тезисы IX Научной школе конференции по органической химии, 11-15 декабря 2006 г. – Москва, 2006. – С. 413.
- Щеглова Н.Г. Кинетика арилсульфонилирования глицина 3нитро-бензолсульфонилхлоридом в системах вода–диоксан, вода – пропан2ол: сравнительный анализ // Тезисы докладов научной конференции фестиваля студентов, аспирантов и молодых ученых ИвГУ «Молодая наука в классическом университете», 16-27 апреля 2007 г. – Иваново, 2007. – С. 50.
- Щеглова Н.Г., Кустова Т.П. Кинетика арилсульфонилирования глицина 3нитробензолсульфонилхлоридом в системах вода–1,4диоксан и вода–пропан-2-ол: сравнительный анализ // Вестник молодых ученых ИвГУ. - Иваново, 2007, вып. 7, стр. 102-103.
- Паршина О.В., Таратанова А.В., Щеглова Н.Г. Влияние растворителя вода – 1,4-диоксан на скорость аренсульфонилирования Nметиланилина и D,L-валина // Тезисы VII Региональной студенческой конференции “Фундаментальные науки – специалисту нового века”. – Иваново, ИГХТУ, 2008.– С. 127.
- Паршина О.В., Щеглова Н.Г. Кинетика аренсульфонилирования D,Lвалина 3нитробензолсульфонилхлоридом в системе вода – 1,4диоксан // Тезисы докладов научной конференции фестиваля студентов, аспирантов и молодых учёных ИвГУ “Молодая наука в классическом университете”. – Иваново, 2008.– вып.1, С. 71.
- Фоменко А.Ю., Щеглова Н.Г., Малушкова С.Г., Носова С.В. Аренсульфонилирование аминов хлорангидридами ароматических сульфоновых кислот: кинетический эксперимент и квантово-химическое моделирование // Тезисы III Региональной конференции молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем». – Иваново, 2009. – С. 140–141.
- Носова С.В., Малушкова С.Г., Фоменко А.Ю., Кочетова Л. Б., Кустова Т.П., Щеглова Н.Г. Аминолиз ароматических сульфонилхлоридов: кинетический эксперимент и квантово-химическое моделирование // Сборник материалов IV школы-семинара молодых ученых «Квантово-химические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул». – Иваново, 2009. – С. 86–89.
Щеглова Наталья Геннадьевна
реакционная способность алифатических
-аминокислот в аренсульфонилировании
в водно-органических средах
Специальность 02.00.03 – органическая химия
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата химических наук
Подписано в печать.10.2010.
Формат 60 84 1/16. Бумага писчая. Печать плоская.
Усл. печ. л. 2.09. Уч.-изд. л. 2.03. Тираж 100 экз.
Издательство «Ивановский государственный университет»
153025 Иваново, ул. Ермака, 39
' (4932) 35-63-81 E-mail: [email protected]
