Новый метод расчета физико-химических характеристик органических соединений (31.05.2010)

Автор: Зевацкий Юрий Эдуардович

Получены новые экспериментальные значения рКа карбоновых кислот и аминов в трех органических безводных растворителях, не опубликованные к настоящему времени в научной литературе.

С использованием уравнений ЭЛЭМ аппроксимированы значения ряда стандартных термодинамических параметров (энтальпии, энтропии, энергии Гиббса, изобарной теплоемкости), сродства к протону, поляризуемостей, потенциалов ионизации большого числа органических соединений различных типов. В результате расчетов спрогнозированы 1010 значений указанных термодинамических параметров 365 органических соединений, значения поляризуемостей 6 соединений, значения потенциалов ионизации 6 соединений; соответствующие экспериментальные значения в литературе не обнаружены.

Аппроксимированы значения pKa производных карбоновых кислот, фенолов, аминов и азотсодержащих гетероциклических соединений в различных средах. Сопоставление значений, полученных эмпирическим методом, с расчетными значениями, полученными в литературе другими методами, продемонстрировало преимущества ЭЛЭМ в точности расчета по сравнению с современными квантово-химическими, эмпирическими и комбинированными методами.

В результате расчетов предсказаны: 22 значения pKa органических соединений в воде, 17 значений pKa в метаноле, 38 значений pKa в формамиде, 31 значение pKa в этаноле, 18 значений pKa в нитрометане, 8 значений pKa в ДМСО, 10 значений pKa в ацетоне, 6 значений pKa в ацетонитриле, 20 значений pKa в бензонитриле и 10 значений pKa в пропиленкарбонате, экспериментальные данные по которым в литературе отсутствуют.

На основании анализа значений эмпирических параметров, полученных из расчетных уравнений ЭЛЭМ, предложены оригинальные подходы к определению предпочтительного центра депротонирования у бифункциональных соединений и к классификации слабых органических кислот по типу центра депротонирования.

Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что молекулярный объем органического соединения в пределе бесконечного разбавления в некотором растворителе связан с кислотно-основными свойствами этого соединения в данной среде.

Предложен новый способ спектрофотометрического измерения показателей констант кислотности органических соединений. Создан фотоэлемент оригинальной конструкции, позволяющий регистрировать вольтамперные характеристики запирания прямого фототока без искажений, вносимых наличием обратного фототока.

Практическая значимость: Разработанные на основе ЭЛЭМ принципы «линейности нелинейных эффектов» и «элемента постоянной структуры» (ЭПС) позволяют находить аппроксимирующие уравнения для расчета любой измеряемой физико-химической характеристики по экспериментальным значениям другой в тех случаях, когда явный вид зависимости между ними не установлен или наблюдается низкий коэффициент корреляции значений указанных величин.

Расчетные уравнения ЭЛЭМ, основанные на принципах «линейности нелинейных эффектов» и ЭПС, а также определенные в настоящей работе эмпирические параметры атомов позволяют рассчитывать значения термодинамических величин (энтальпии, энтропии, энергии Гиббса, изобарной теплоемкости), сродства к протону, поляризуемости, потенциалов ионизации органических соединений различных типов; значения показателей констант кислотности различных классов органических кислот в самых разнообразных растворителях с относительной погрешностью менее 10 %. Проведенные в настоящей работе расчеты кислотно-основных свойств соединений в воде могут быть использованы для оценки биохимических параметров как известных, так и еще не синтезированных соединений.

Полученные экспериментальные данные о значениях pKa в неводных растворителях (этанол, метанол, формамид) позволяют устанавливать соотношения прототропных форм изученных соединений в зависимости от кислотности среды и, тем самым, предсказывать оптимальные условия проведения реакции для получения целевых продуктов в тонком органическом синтезе.

Разработанный новый фотоэмиссионный метод регистрации спектров может быть использован для определения pKa в тех случаях, когда спектры прототропных форм соединений не разрешены, т. е. для решения тех задач, которые не доступны традиционным и многоволновым методам спектрофотометрического анализа.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- постановка цели и задач исследования;

- доказательство принципа полилинейности и формулировка двух условий, при соблюдении которых достигается точное полилинейное разложение исследуемых физико-химических характеристик соединений как функций многих переменных;

- теоретические положения элементного линейного эмпирического метода и три его приближения (единственный эмпирический коэффициент, соответствующий определенному химическому элементу, принцип «линейности нелинейных эффектов» и принцип ЭПС), позволяющие использовать метод для расчета кислотно-основных свойств органических соединений;

- расчеты: значений ряда термодинамических параметров для 1055 органических соединений, значений сродства к протону 395 соединений, 363 значений констант диссоциации в 11 растворителях 33 производных бензойной и уксусной кислот, 192 значений констант диссоциации 24 протонированных аминов и азотсодержащих гетероциклических соединений в 8 растворителях, значений поляризуемостей и потенциалов ионизации 78 CHNO-содержащих органических соединений;

- измерения 58 значений констант диссоциации карбоновых кислот, протонированных аминов и азотсодержащих гетероциклических соединений в безводных метаноле, этаноле и формамиде потенциометрическим методом и измерения 6 значений pKa органических кислот в воде спектрофотометрическим методом;

- методика выявления предпочтительного центра депротонирования у бифункциональных соединений и разделения слабых органических кислот по типу центра депротонирования на основании анализа значений эмпирических параметров в расчетных уравнениях ЭЛЭМ;

- новый фотоэмиссионный метод регистрации спектров для измерений констант равновесий прототропных форм органических соединений, а также определение с помощью этого метода значений констант ионизации трех органических красителей.

Апробация работы: Результаты работы доложены на Международной конференции «Современная физическая химия» (MPC’07) в Харькове, 26-30 июня 2007 года; на XVIII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (IUPAC) в Москве, 23-28 сентября 2007 года; на II Международной конференции по компьютерной химии (WSEAS COMPUCHEM’08) в Пуэрто де ла Круз, Тенерифе, Испания, 15-17 декабря 2008 года; на I Международной конференции «Новые направления в химии гетероциклических соединений» в Кисловодске, 3-8 мая 2009 года; на V Международной конференции по органической химии «Universities Contribution in the Organic Chemistry Progress» (InterYCOS-2009) в Санкт-Петербурге, 22-25 июня 2009 года; на XVII Международной конференции по химической термодинамике в России (RCCT) в Казани, 29 июня - 3 июля 2009 года.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 17 статей в российских и зарубежных рецензируемых научных журналах, получено 2 патента Российской Федерации, опубликовано 8 тезисов докладов в сборниках трудов международных и всероссийских научных конференций.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, литературного обзора, содержащего три раздела, главы, посвященной основам и применению ЭЛЭМ, обсуждения результатов расчетов и измерений, экспериментальной части, главы о разработке нового фотоэмиссионного метода регистрации спектров для измерения констант протолитических равновесий, выводов, списка литературы (720 ссылок). Материал изложен на 396 страницах машинописного текста, содержит 66 таблиц, 33 рисунка, 25 химических схем и 180 математических уравнений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. Реакционная способность и кислотно-основные свойства органических

соединений. Методы расчета и экспериментального определения.

В первой главе аналитического обзора рассмотрены понятия реакционной способности и региоселективности органических соединений, встречающиеся в современной научной литературе. В первом разделе освещены методы нахождения скоростей реакций с известным механизмом на основе анализа координаты реакции на поверхности потенциальной энергии. Подробно разобраны методы, основанные на теории функционала электронной плотности. Рассмотрены методы квантовой молекулярной динамики, а также группа статистических методов Monte-Carlo. Приведены примеры модификаций теории переходного состояния, использующиеся для расчета поверхности потенциальной энергии и скоростей химических реакций. Подробно описана новая теория «отсутствия барьера», а также рассмотрены разнообразные методики предсказания механизмов химических реакций на основе методов молекулярной механики.

Во втором разделе рассмотрено современное состояние корреляционного анализа.

В третьем разделе разобраны теоретические основы и приведены примеры квантовых методов дескрипторов реакционной способности.

В четвертом разделе проведен анализ методов QSPR (количественные соотношения структура-свойство), являющихся лидером по числу публикаций в научной литературе на тему оценки реакционной способности. Приведены примеры методов расчета корреляционных зависимостей «структура-свойство» и «свойство-свойство». В заключении к главе приведен перечень востребованных практических задач, которые не решены современными расчетными методами.

Во второй главе аналитического обзора рассмотрены основные понятия современной концепции кислотно-основных свойств органических соединений и их связи с реакционной способностью. Приведены методы расчета показателей кислотности органических соединений в различных средах. Отмечены методы, показавшие на практике лучшие результаты расчетов. В заключении ко второй главе обосновано суждение о том, что теоретические расчеты констант протолитических равновесий еще весьма далеки от совершенства, несмотря на элементарность реакции переноса протона.

В третьей главе аналитического обзора разобраны основные методы экспериментального определения констант диссоциации органических кислот в растворах. Приведена классификация растворителей, существующие стандарты и шкалы кислотности в них. Приведен перечень основных проблем экспериментальных измерений констант кислотности в неводных средах: гомо- и гетероассоциация ионов, методические ошибки при калибровке измерительных систем, недостаточно достоверно определенные шкалы кислотности в растворителях, за исключением метанола, этанола, ацетонитрила, ДМСО и частично ДМФА.

В заключении аналитического обзора обоснована необходимость поиска новых методов расчета и оценки реакционных констант органических соединений. На фоне имеющегося многочисленного и разнообразного экспериментального материала эмпирический подход к расчету и прогнозированию констант скоростей и равновесий химических реакций приобретает особое значение, так как его применение требует строгой систематизации и обобщения экспериментальных данных. На основании проанализированного теоретического материала выдвинуто предположение о том, что для успешного решения фундаментальной задачи о количественном определении реакционных констант органических соединений имеются все предпосылки и необходимые составляющие. На основании многочисленных примеров оценки достоверности теоретических предсказаний и методик расчета реакционных констант показано, что тестирование новых методов целесообразно проводить на примере расчета констант протолитических равновесий. В этой области накоплены многочисленные значения показателей констант кислотности различных классов органических соединений в самых разнообразных средах – протонных, апротонных, полярных и неполярных растворителях.

II. Элементный линейный эмпирический метод расчета физико-химических характеристик. Основные расчетные уравнения.

Основой для практического применения метода является положение о том, что для некоторой пары физико-химических характеристик X и Y органического соединения существует линейная зависимость в некотором ряду соединений между отклонениями (?X, ?Y) экспериментальных значений этих величин Xex и Yex от сумм атомных вкладов в эти величины (?giXi, ?giYi). Математически это положение можно выразить следующими уравнениями:

SEQ MTEqn??????????????????–??????????†????????????????????????????????????? ????????????????????????

являются формальным математическим представлением принципа линейности нелинейных эффектов, являющегося одним из приближений предлагаемого метода (см. главу IV «Теоретические положения и математический аппарат ЭЛЭМ»).

Следующее положение метода – величины атомных вкладов (Xi, Yi) независимы от состояния гибридизации атома и его принадлежности к функциональным группам и определяются только зарядом его ядра. Это приближение метода имеет важное практическое значение, так как позволяет сократить количество эмпирических параметров, необходимых для расчета целевой физико-химической величины.

, позволившие реализовать на практике основную цель работы – расчет физико-химических характеристик.

, в незначительных модификациях в каждом конкретном случае:

где a и b – постоянные коэффициенты, Xех – экспериментальная физико-химическая величина, с которой связывается искомая; Y – искомая расчетная физико-химическая величина; Хi, Yi – атомные вклады i-го атома в соответствующую молекулярную величину, gi – количество i-ых атомов в молекуле по брутто-формуле, AX, BY – калибровочные коэффициенты, постоянные для больших групп рассмотренных органических соединений и выбранной пары физико-химических величин.


загрузка...