Квантово-хімічним методом DFT/ B3LYP / aug-cc-pVDZ показано, що для діастереоізомерів 3,5-дінітропіперідін-2-она найбільш вигідною є конформація крісла. Найбільш стійким конформер в газовій фазі і воді є транс-діастереомер, в якому нітрогрупа у атома вуглецю C3 розташовується екваторіально. Самим термодинамічно нестійким в газовій фазі виявився цісдіастереомер досліджуваного з'єднання, в якому обидві нітрогрупи розташовуються в аксіальному положенні. Даний ефект пояснюється трансанулярна напругою, що призводить до підвищення ступеня планарності циклу. У водному середовищі транс-ізомери в конформації ванни, в якому нітрогрупа у третього вуглецевого Атамась розташовується аксіально, а у п'ятого екваторіально володіє найбільшою енергією.

Анотація наукової статті з хімічних наук, автор наукової роботи - Блохін Ігор Васильович, Атрощенко Юрій Михайлович, Шахкельдян Ірина Володимирівна, Іванова Євгенія Володимирівна, Блохіна Наталія Іванівна


CONFORMATION ANALYSIS OF 3,5-DINITROPIPERIDIN-2-ONE BY DFT METHOD

Using the quantum-chemical method DFT / B3LYP / aug-cc-pVDZ, it was shown that for the diastereoisomers of 3,5-dinitropiperidin-2-one, the chair conformation is most advantageous. The most stable conformer in the gas phase and water is the trans-diastereomer, in which the nitro group at the carbon atom C3 is located equatorially. The cis-diastereomer of the studied compound, in which both nitro groups are located in the axial position, turned out to be the most thermodynamically unstable in the gas phase. This effect is explained by transannular stress, which leads to an increase in the degree of planarity of the cycle. In an aqueous medium, the trans isomer is in the conformation of the bath, in which the nitro group of the third carbon atom is axially located, and the fifth has the equatorial energy.


Область наук:
  • хімічні науки
  • Рік видавництва: 2019
    Журнал: Известия Тульського державного університету. Природні науки

    Наукова стаття на тему 'конформационное АНАЛІЗ 3,5 ДІНІТРОПІПЕРІДІН-2-ВОНА МЕТОДОМ DFT'

    Текст наукової роботи на тему «конформационное АНАЛІЗ 3,5 ДІНІТРОПІПЕРІДІН-2-ВОНА МЕТОДОМ DFT»

    ?ХІМІЯ

    УДК 547.823 + 544.183

    Конформаційні АНАЛІЗ 3,5-ДІНІТРОПІПЕРІДІН-2-ВОНА МЕТОДОМ БРТ

    І. В. Блохін, Ю. М. Атрощенко, І. В. Шахкельдян, Е. В. Іванова, Н.І. Блохіна, М.Б. Нікішина

    Квантово-хімічним методом DFT / B3LYP / aug-cc-pVDZ показано, що для діастереоізомерів 3,5-дінітропіперідін-2-она найбільш вигідною є конфор-мація крісла. Найбільш стійким конформер в газовій фазі і воді є транс-діастереомер, в якому нітрогрупа у атома вуглецю С3 розташовується екваторіально. Самим термодинамічно нестійким в газовій фазі виявився цис-діастереомер досліджуваного з'єднання, в якому обидві нітрогрупи розташовуються в аксіальному положенні. Даний ефект пояснюється трансанулярна напругою, що призводить до підвищення ступеня планарності циклу. У водному середовищі транс-ізомери в конформації ванни, в якому нітрогрупа у третього вуглецевого Атамась розташовується аксіально, а у п'ятого - екваторіально володіє найбільшою енергією.

    Ключові слова: 3,5-дінітропіперідін-2-он, конформаційний аналіз, метод

    DFT.

    Вступ

    Похідні піперидину проявляють високу біологічну активність, зокрема, є інгібіторами а- і Р-глюкозидази [1], перорально біодоступним інгібітором фактора Ха [2] і антагоністами рецепторів ангіотензину II [3]. Комплексні сполуки заміщених піпердіна з платиною (II) є потенційними протипухлинними засобами [4]. Синтез поліфункціональних з'єднань даного класу є непростим синтетичної завданням [5, 6]. В одній зі своїх робіт [7] ми описували отримання 3,5-дінітропіперідін-2-она шляхом взаємодії 2-гідрокси-3,5-дінітропірідіна з тетрагідроборатом натрію, як нуклеофильного агента, з наступним протонуванням утворюється трехзарядного гидридного аддукта. У цій же статті ми вивчали напівемпіричні методом PM7 геометричну структуру і стійкість конформеров цільового з'єднання в газовій фазі і диметилсульфоксиде. Встановлено, що всі передбачувані з'єднання сужествуют в конформації спотвореного крісла. Було показано, що для транс-діастереомер 3,5-дінітропіперідін-2-она найбільш термодинамічно вигідним є конформер з аксіальним розташуванням нітрогрупи у третього вуглецевого атома. Цис-діастереомер, що містить обидві нітрогрупи в аксіальному положенні, в газовій фазі виявився найменш стабільним за рахунок відштовхування нітрогрупп. У диметилсульфоксиде стандартні

    ентальпії освіти конформеров цис-діастереомер виявилися приблизно однаковими, що пояснювалося ефектом сольватації.

    Як відомо, точність розрахунків напівемпіричні методами невисока, тому з метою підвищення якості розрахунків, метою даної роботи було виконання конформационного аналізу 3,5-дінітропіперідін-2-она методом DFT, причому ми використовували кореляційно-узгоджений з поляризованими функціями двухекспоненціальний базовий набір, доповнений дифузними функціями.

    матеріали та методи

    Оптимізацію геометричних параметрів досліджуваних структур, розрахунок повної енергії проводили в програмному пакеті Firefly 8.2.0 [8] в рамках наближення теорії функціонала щільності з використанням гібридного трипараметричного обмінного функціоналу Беке [9] з кореляційним функціоналом Лі-Янга-Парра [10] (B3LYP) [11] і базисного набору Даннінга aug-cc-pVDZ [12]. Повна оптимізація геометрії проводилась без обмежень по типу симетрії. Всі розраховані в даній роботі структури є стаціонарними точками на ППЕ, що було підтверджено аналізом теоретичного коливального спектра, розрахованого з гессіан, при цьому для мінімумів на ППЕ діагоналізірованная матриця Гесса містить тільки позитивні члени. Облік впливу модельного розчинника - води реалізований в рамках континуальної моделі РСМ (s = 78,36) [13] при 298,15К.

    Обговорення результатів

    Як відомо [14, 15], 3,5-дінітропіперідін-2-он теоретично може існувати у вигляді суміші двох а-діастереомерів (1, 2) з цис- і транс-розташуванням нітрогрупп. Так транс-діастереомер 1 в результаті інверсії циклу утворює a, e- або e ^ -конформер, а для цис-діастереомер 2 характерні структури або з екваторіальним розташуванням обох нітрогрупп (e, e), або з аксіальним (a, a), причому піперидинового кільце кожного з ізомерів може мати як конформацию крісла, так і ванни (схема).

    Розрахунок повних енергій досліджуваних діастереомерів 3,5-дінітропіперідін-2-она (1, 2), а також їх конформеров у вигляді крісла або ванни, в газовій фазі і воді методом DFT / B3LYP / aug-cc-pVDZ представлені в таблиці.

    2 (а, а)

    2 (е, е)

    Повні енергії досліджуваних структур 1-2 в газовій фазі і воді

    Структура Газова фаза Вода

    Повна енергія, Хартрі Відносна повна енергія *, кДж / моль Повна енергія, Хартрі Відносна повна енергія *, кДж / моль

    1a -735,0513741 79,82 -735,0765420 13,74

    1b -735,0548599 70,67 -735,0800535 4,52

    1c -735,0554119 69,22 -735,0817748 0

    1d -735,0511596 80,38 -735,0794583 6,08

    2a -735,0537160 73,67 -735,0780238 9,85

    2b -735,0505497 81,98 -735,0793448 6,38

    2c -735,0538365 73,35 -735,0803753 3,67

    2d -735,0523401 77,28 -735,0793978 6,24

    * Повна енергія найбільш стійкою структури прийнята за нуль.

    Слід зазначити, що в переважній більшості випадків конформація крісла володіє найменшою енергією. Як видно з даних табл. 1, найбільш стійким діастереомер в газовій фазі є транс-діастереомер 1с, в якому нітрогрупа у третього вуглецевого атома знаходяться в екваторіальній орієнтації, а у атома C5 - в аксіальній. З конформаций цис-діастереомер 2 найменшу енергію має структура 2с з екваторіальним розташуванням об'ємних заступників, що цілком узгоджується з теорією [14, 15]. Геометрія оптимізованих структур 1с і 2с у водному середовищі представлена ​​на рис. 1.

    Мал. 1. Геометрична структура сполук 1с і 2с, оптимізована методом ВЕТ / Е3ЬУР / ащ-сс-рУВ1 в воді

    Треба відзначити, що внаслідок р, л-сполучення неподіленої електронної пари атома азоту з карбонільної групою, пеперідіновое кільце кожної зі згаданих структур 1с і 2с приймає конформацію псевдокресла. Пептидний зв'язок робить цей фрагмент кільця більш плоским. Значення торсіонних кутів 0 = С-И-Н становлять всього лише -1,55 і -1,27 ° відповідно.

    Відносно низьку стабільність структури 2Ь як в газовій фазі, так і в воді, виключаючи сполуки в яких піперидинового кільце знаходиться в конформації ванни, можна пояснити взаємним відштовхуванням нітрогрупп, що знаходяться в цьому випадку в аксіальних положеннях. Це призводить до збільшення ступеня планарності кільця. З рис. 2 видно, що п'ять з шести атомів циклу лежать практично в одній площині.

    Мал. 2. Геометрична структура сполуки 2Ь, оптимізована методом DFT / Е3LYP / aug-cc-pVDZ в воді

    У водному середовищі транс-ізомери 1а в конформації ванни, в якому нітрогрупа у третього вуглецевого Атамась розташовується аксіально, а у п'ятого - екваторіально, виявився нестійким.

    Про

    0 N

    висновки

    Таким чином, в даній роботі квантово-хімічним методом DFT / B3LYP / aug-cc-pVDZ показано, що для діастереоізомерів 3,5-дінітропіперідін-2-она найбільш вигідною є конформація крісла. Найбільш стійким конформер в газовій фазі і воді є транс-діастереомер, в якому нітрогрупа у атома вуглецю C3 розташовується екваторіально. Самим термодинамічно нестійким в газовій фазі виявився ^ ис-діастереомер досліджуваного з'єднання, в якому обидві нітрогрупи розташовуються в аксіальному положенні. Даний ефект пояснюється трансанулярна напругою, що призводить до підвищення ступеня планарності циклу. У водному середовищі транс-ізомери в конформації ванни, в якому нітрогрупа у третього вуглецевого Атамась розташовується аксіально, а у п'ятого - екваторіально володіє найбільшою енергією.

    Список літератури

    1. de Melo E. B., da Silveira Gomes A., Carvalho I. a-and по-Glucosidase inhibitors: chemical structure and biological activity // Tetrahedron. 2006. Vol. 62. № 44. P. 10277-10302.

    2. Design, synthesis, and biological activity of piperidine diamine derivatives as factor Xa inhibitor / A. Mochizuki, Y. Nakamoto, H. Naito [at al.] // Bioorganic & medicinal chemistry letters. 2008. Vol. 18. № 2. P. 782-787.

    3. Underwood D. Substituted piperidin-2-one biphenyltetrazoles as angiotensin II antagonists / W. Murray, P. Lalan, A. Gill [at al.] // Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 1992. Vol. 2. № 12. P. 1775-1779.

    4. Novel apoptosis-inducing trans-platinum piperidine derivatives: synthesis and biological characterization / E. Khazanov, Y. Barenholz, D. Gibson [at al.] // Journal of medicinal chemistry. - 2002. - T. 45, № 24. - C. 5196-5204.

    5. Okitsu O., Suzuki R., Kobayashi S. Efficient synthesis of piperidine derivatives. Development of metal triflate-catalyzed diastereoselective nucleophilic substitution reactions of 2-methoxy-and 2-acyloxypiperidines // The Journal of organic chemistry. 2001. Vol. 66. № 3. P. 809-823.

    6. Wurz R. P., Fu G. C. Catalytic asymmetric synthesis of piperidine derivatives through the [4 + 2] annulation of imines with allenes // Journal of the American Chemical Society. 2005. Vol. 127. № 35. P. 12234-12235.

    7. Синтез та конформаційний аналіз 3,5-дінітропіперідін-2-она / Блохін І. В., Іванова Є. В., Сурова І. І. [та ін.] // Праці Білоруського державного технічного університету. Хімія, технологія органічних речовин і біотехнологія. 2015. № 4. C. 96-101.

    8. Granovsky A. A. Firefly version 8.0. - 2016. - URL: http://classic.chem.msu.su/gran/firefly/index.html.

    9. Becke A. D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange // J. Chem. Phys. 1993. Vol. 98. № 7. P. 5648-5652.

    10. Lee C., Yang W., Parr R. G. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density // Physical review B. 1988. Vol. 37. № 2. P. 785.

    11. Ab initio calculation of vibrational absorption and circular dichroism spectra using density functional force fields / P.J. Stephens, F.J. Devlin, C.F. Chabalowski [at al.] // The Journal of Physical Chemistry. 1994. Vol. 98. № 45. P. 11623-11627.

    12. Dunning Jr T.H. Gaussian basis sets for use in correlated molecular calculations. I. The atoms boron through neon and hydrogen // The Journal of chemical physics. 1989. Vol. 90. № 2. P. 1007-1023.

    13. Tomasi J., Mennucci B., Cammi R. Quantum mechanical continuum solvation models // Chemical reviews. 2005. Vol. 105. № 8. P. 2999-3094.

    14. Ілієл Е., Вайль С., Дойл М. Основи органічної стереохімії. М .: БИНОМ. Лабораторія знань, 2014. 703 с.

    15. Потапов В. М. Стереохімія. М .: Хімія, 1988. 464 с.

    Блохін Ігор Васильович, канд. хім. наук, доц., Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її., Росія, Тула, Тульський державний педагогічний університет ім. Л.Н. Толстого,

    Атрощенко Юрій Михайлович, д-р хім. наук, проф., зав. кафедрою, reaktiv @ tspu. tula. ru, Росія, Тула, Тульський державний педагогічний університет ім. Л.Н. Толстого,

    Шахкельдян Ірина Володимирівна, д-р хім. наук, проф., Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її., Росія, Тула, Тульський державний педагогічний університет ім. Л.Н. Толстого,

    Іванова Євгенія Володимирівна, канд. хім. наук, доц., Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її., Росія, Тула, Тульський державний педагогічний університет ім. Л.Н. Толстого,

    Блохіна Наталія Іванівна, канд. хім. наук, доц, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її., Росія, Тула, Тульський державний педагогічний університет ім. Л.Н. Толстого,

    Нікішина Марія Борисівна, канд. хім. наук, доц., Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її., Росія, Тула, Тульський державний педагогічний університет ім. Л.Н. Толстого

    CONFORMATION ANALYSIS OF 3,5-DINITROPIPERIDIN-2-ONE

    BY DFT METHOD

    I. V. Blokhin, Yu.M. Atroshchenko, I. V. Shakhkel'dyan, E. V. Ivanova, Blokhina N.I., M.B. Nikishina

    Using the quantum-chemical method DFT / B3LYP / aug-cc-pVDZ, it was shown that for the diastereoisomers of 3,5-dinitropiperidin-2-one, the chair conformation is most advantageous. The most stable conformer in the gas phase and water is the trans-diastereomer, in which the nitro group at the carbon atom C3 is located equatorially. The cis-diastereomer of the studied compound, in which both nitro groups are located in the axial position, turned out to be the most thermodynamically unstable in the gas phase. This effect is explained by

    transannular stress, which leads to an increase in the degree of planarity of the cycle. In an aqueous medium, the trans isomer is in the conformation of the bath, in which the nitro group of the third carbon atom is axially located, and the fifth has the equatorial energy.

    Key words: 3,5-dinitropiperidin-2-one, conformational analysis, DFT method

    Blokhin Igor 'Vasil'evich, candidate of chemical sciences, docent, blokhiniv @, mail. ru, Russia, Tula, Tolstoy Tula State Pedagogical University,

    Atroshchenko Yuriy Mikhaylovich, doctor of chemical sciences, professor, manager of kathedra, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її., Russia, Tula, Tolstoy Tula State Pedagogical University,

    Shakhkel'dyan Irina Vladimirovna, doctor of chemical sciences, professor, reaktiv @ tspu. tula. ru, Russia, Tula, Tolstoy Tula State Pedagogical University,

    Ivanova Evgeniya Vladimirovna, candidate of chemical sciences, docent, omela005 @ gmail. com, Russia, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,

    Blokhina Natal'ya Ivanovna, candidate of chemical sciences, docent, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її., Russia, Tula, Tolstoy Tula State Pedagogical University,

    Nikishina Mariya Borisovna, candidate of chemical sciences, docent, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її., Russia, Tula, Tolstoy Tula State Pedagogical University


    Ключові слова: 3 / 5-ДІНІТРОПІПЕРІДІН-2-ОН / конформаційні АНАЛІЗ / МЕТОД DFT / 3 / 5-DINITROPIPERIDIN-2-ONE / CONFORMATIONAL ANALYSIS / DFT METHOD

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити