Квантово-химическое исследование получения 1-виниладамантана в результате ионного алкилирования адамантана этиленом
- Autores: Баранов Н.И.1, Багрий Е.И.2, Сафир Р.Е.1, Чередниченко А.Г.1, Боженко К.В.1, Максимов А.Л.3
-
Afiliações:
- Российский университет дружбы народов
- Институт нефтехимического синтеза имени А.В. Топчиева РАН
- Институт нефтехимического синтеза имени А.В. Топчиева
- Edição: Volume 98, Nº 2 (2024)
- Páginas: 92-100
- Seção: STRUCTURE OF MATTER AND QUANTUM CHEMISTRY
- ##submission.dateSubmitted##: 22.09.2024
- ##submission.dateAccepted##: 22.09.2024
- ##submission.datePublished##: 23.09.2024
- URL: https://bakhtiniada.ru/0044-4537/article/view/264415
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0044453724020099
- EDN: https://elibrary.ru/RDBXAS
- ID: 264415
Citar
Texto integral
Resumo
Рассмотрен многостадийный процесс образования виниладамантана ионным алкилированием адамантана этиленом при использовании хлорида алюминия в качестве катализатора. Особенность ионного алкилирования адамантана олефинами заключается в образовании непредельных производных наряду с предельными. Квантово-химическими методами исследованы кинетические и термодинамические параметры соответствующих элементарных актов химических реакций, проведен сравнительный анализ особенностей реакции получения непредельных производных адамантана ионным алкилированием этиленом по сравнению с алкилированием пропиленом.
Texto integral
ВВЕДЕНИЕ
Адамантан представляет собой высокосимметричную структуру (тетраэдр, точечная группа симметрии Td), которая повторяет решетку алмаза с sp3-гибридизированным атомом углерода и обладает уникальными свойствами, исследование которых является актуальной задачей. Особенно интересны непредельные производные адамантана. Наличие непредельной связи позволяет использовать их для синтеза перспективных полимеров [1], биологически активных соединений [2–4] и других практически важных материалов [5]. В настоящее время углеводороды на основе адамантана широко применяются в фармацевтике, для производства термостабильных и энергоемких топлив, масел, катализаторов, а также для синтеза объемных полимеров алмазоподобного строения (диамондоидов) [6, 7].
Наибольшее внимание исследователей привлекают производные адамантана, содержащие двойную связь в боковой цепи. Среди углеводородов этого типа особый интерес представляет виниладамантан [8, 9].
Среди известных в настоящее время методов получения виниладамантана можно выделить следующие:
1) взаимодействие адамантан-1-карбальдегида со смесью йодида метилтрифенилфосфония и бис(триметилсилил)амида лития в среде тетрагидрофурана [10];
2) реакция ацетилена с оксимом 1-ацетиладамантана в среде NaOH/DMSO, где в качестве продуктов также образуются 1-ацетиладамантан, адамантан и 2-(1-адамантил)пиррол [11];
3) многостадийные синтезы из адамантанкарбоновой или адамантилуксусной кислоты [12];
4) перегруппировка адамантан-1-илметилкетона в окислительно-восстановительной системе Zn/ZrCl4 (главный продукт реакции) [13].
Другие примеры синтеза производных виниладамантана, а также полимеров на их основе рассмотрены в [1, 14, 15].
Ранее уже были опубликованы работы, в которых методами квантовой химии с использованием функционала электронной плотности B3LYP изучались механизмы образования непредельных производных при ионном алкилировании адамантана изобутиленом [16] и пропиленом [17] в присутствии хлорида алюминия в качестве катализатора. Также представляет интерес исследование взаимодействия адамантана с другими олефинами.
В работе представлены результаты теоретического моделирования реакции образования виниладамантана при алкилировании адамантана этиленом. Для проведения сравнительного анализа важно изучение особенностей образования непредельных продуктов присоединения алкенов к адамантану в ряду этилен – пропилен – бутилен. Продукты данных химических реакций могут использоваться в дальнейшем в реакциях полимеризации с целью получения новых материалов. При этом стоит подчеркнуть, что в настоящий момент примеры квантово-химического исследования реакций образования и дальнейших превращений непредельных производных адамантана отсутствуют.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Расчеты с полной оптимизацией геометрии и анализ колебаний в нормальных координатах были выполнены в программе Gamess (US) [18] в приближении B3LYP-D3(BJ)/6-311++G** с использованием дисперсионных поправок Гримме [19] для детального учета межмолекулярных взаимодействий. Получены и описаны как геометрические параметры реагентов, продуктов и переходных состояний элементарных стадий, так и их электронное строение. Расчет частот был выполнен в приближении гармонического осциллятора без учета ангармоничности. Доказательством того, что найденная структура относится к энергетическому минимуму, являлось отсутствие мнимых гармонических частот. Метод внутренней координаты реакции (IRC – intrinsic reaction coordinate) использовался для подтверждения соответствия переходного состояния определенной реакции. Расчет потенциальных кривых (ПК) выполнялся при изменении координаты реакции с шагом 0.1 Å и оптимизацией всех остальных структурных параметров реакционной системы. Визуализация результатов выполнена в программе Chemcraft [20].
В качестве катализатора рассмотрен хлорид алюминия в следующих формах: AlCl3•HCl и AlCl4-. Значение параметра ∆Еполн было использовано для демонстрации разницы полных электронно-ядерных энергий при 0 К.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Полные электронно-ядерные энергии рассчитанных систем приведены в табл. 1, а рассмотренные реакции и соответствующие им тепловые эффекты – в табл. 2. Реакция образования 1-виниладамантана является эндотермической, значение теплового эффекта составляет 10.3 ккал/моль (реакция 1 в табл. 2, здесь и далее в скобках указаны номера реакций из табл. 2). Алкилирование адамантана проходит через стадии, включающие взаимодействие этилена с третичным адамантилкатионом.
Таблица 1. Полные электронно-ядерные энергии (Еполн) при 0 К рассчитанных молекул в приближении B3LYP-D3(BJ)/6-311++G** в атомных единицах (а.е., 1 а.е. = 627.51 ккал/моль), AdH – адамантан (С10H16), Ad+– третичный адамантилкатион (C10H15+)
Молекула | Еполн, а.е. |
AdH | -390.59939 |
Ad+ | -389.70989 |
H2 | -1.17296 |
AlCl4- | -2083.46507 |
AlCl3 • HCl | -2083.88937 |
C2H4 | -78.56132 |
Ad–CH=CH2 | -467.97135 |
Ad-CH2-СH2-AlCl4 | -2551.90709 |
Ad-CH2-CH2-AlCl4’ | -2551.90691 |
Ad-CH2-CH2-AlCl4’’ | -2551.90636 |
Ad-CH+-CH3 • AlCl4- | -2551.88486 |
Таблица 2. Тепловые эффекты изученных химических реакций в ккал/моль при 0 К
№ | Реакция | ΔЕполн, ккал/моль |
1 | AdH + C2H4 →Ad–CH=CH2 + H2 | 10.3 |
2 | Ad+ + C2H4 → Ad+ • C2H4 | -7.8 |
3 | Ad+ + AlCl4- + C2H4 → Ad-CH=CH2 + AlCl3 • HCl | -78.1 |
4 | Ad-CH2-CH2-AlCl4 → Ad-CH+-CH3 • AlCl4- | 14.0 |
5 | Ad-CH+-CH3 • AlCl4- → Ad-CH=CH2 + AlCl3 • HCl | 15.1 |
6 | Ad-CH=CH2 + AlCl3 • HCl → Ad-CH2-СH2-AlCl4 | -29.1 |
7 | Ad+ + AlCl4- + C2H4 → Ad-CH2-CH2-AlCl4’’ | -106.7 |
8 | Ad-CH2-CH2-AlCl4 ’’ → Ad-CH=CH2 + AlCl3 • HCl | 28.6 |
9 | Ad-CH=CH2 + AlCl3 • HCl → Ad-CH2-CH2-AlCl4 ’ | -29.0 |
10 | Ad-CH2-CH2-AlCl4 ’ → Ad-CH2-СH2-AlCl4 | -0.1 |
Геометрическая структура виниладамантана представлена на рис. 1.
Рис. 1. Геометрическая структура 1-виниладамантана. Расстояния указаны в ангстремах (Å).
По аналогии с образованием 1-н-пропениладамантана [17] был предложен следующий механизм образования винильного производного адамантана. В реакционной среде образуется и накапливается третичный адамантилкатион Ad+, добавление молекулы этилена приводит к образованию катиона вида Ad-СH2-CH2+. В таком случае виниладамантан образуется в результате отщепления протона. Данный процесс протекает при использовании в качестве катализатора галогенидов алюминия, в том числе хлорида алюминия.
Устойчивый третичный адамантил-катион Ad+ может образовываться в реакционной системе различными путями, в том числе за счет возможности передачи цепи по схеме X+ + AdH → XH + Ad+.
Образование катиона при присоединении этилена к адамантану
С учетом результатов предыдущих исследований [16, 17] было сделано предположение, что взаимодействие олефина (в данном случае этилена) с адамантилкатионом должно приводить к образованию соответствующего катиона с формулой Ad-CH2-CH2+. В таком случае дальнейшее взаимодействие такой структуры с молекулой катализатора должно приводить к получению искомого продукта – виниладамантана. Тем не менее, как показали результаты нашего теоретического моделирования, в случае этилена реакция не идет в указанном направлении. Сканирование поверхности потенциальной энергии (ППЭ) выявило отсутствие минимума, соответствующего такой структуре. Удалось обнаружить только комплекс Ad+ • C2H4, в котором расстояния между третичным атомом углерода в адамантане, имеющим положительный заряд, и этиленом составляют 2.85 и 2.82 Å. При расчете ПК в качестве координаты реакции использовали расстояние между третичным атомом углерода адамантана, несущим положительный заряд, и одним из атомов углерода этилена. Расстояние изменяли в пределах от 1.45 до 5.05 Å с шагом 0.1 Å. При каждом фиксированном значении R (С1–С2) оптимизировались все остальные структурные параметры. Как видно из рис. 2, процесс образования данного катиона протекает безбарьерно. При значении R (С1–С2) = 2.85 Å наблюдается минимум, соответствующий комплексу Ad+ • C2H4.
Рис. 2. Зависимость изменения потенциальной энергии (ПК) реакции Ad+ + C2H4 → Ad+ • C2H4. Шаг сканирования – 0.1 Å.
На графике есть только один минимум, соответствующий указанному комплексу. Структура комплекса представлена на рис. 3.
Рис. 3. Геометрическая структура комплекса Ad+ • C2H4. Расстояния указаны в ангстремах (Å).
Таким образом, уравнение реакции образования межмолекулярного комплекса можно представить в следующем виде (реакция 2):
Ad+ + C2H4 → Ad+ • C2H4, ΔЕполн = = -7.8 ккал/моль.
В отличие от пропилена [17], катион в случае этилена не образуется. Предположительно это может быть связано с тем, что в случае этилена не удается так же эффективно, как с пропиленом, делокализовать положительный заряд. Для этого не хватает атомов углерода, которые занимали бы промежуточное положение между крайними атомами фрагмента алкена.
Получение 1-виниладамантана
1-Виниладамантан может быть получен следующими способами.
1) Непосредственно из третичного адамантилкатиона, молекулы этилена и катализатора (реакция 3).
Ad+ + AlCl4- + C2H4 → Ad-CH=CH2 + + AlCl3 • HCl, ΔЕполн = -78.1 ккал/моль.
Таким образом, виниладамантан может образовываться в одну стадию из катиона Ad+ и этилена без рассчитанной энергии активации.
2) Из молекулы с формулой Ad-CH2-СH2-AlCl4 (рис. 4).
Рис. 4. Геометрическая структура Ad-CH2-CH2-AlCl4. Расстояния указаны в ангстремах (Å).
Стоит отметить, что данная атомно-молекулярная система является скорее молекулой Ad-CH2-CH2-AlCl4, нежели комплексом Ad-CH2-CH2+ • AlCl4- ввиду отсутствия стабильной формы катиона Ad-CH2-CH2+, как было показано выше.
Из данной структуры алкен образуется в две стадии.
а) Перенос водорода к крайнему атому винилового фрагмента (реакция 4)
Ad-CH2-CH2-AlCl4 → Ad-CH+-CH3 • AlCl4- , ΔЕполн = 14.0 ккал/моль.
Данная реакция является эндотермической.
б) Перенос водорода на катализатор (реакция 5).
Ad-CH+-CH3 • AlCl4- → Ad-CH= = CH2 + AlCl3 • HCl, ΔЕполн = 15.1 ккал/моль.
Энергия активации Eакт данной стадии составляет 0.8 ккал/моль при 0 К.
Геометрии переходного состояния и реагентов данной реакции представлены на рис. 5, 6.
Рис. 5. Геометрическая структура переходного состояния реакции Ad-CH+-CH3 • AlCl4- → Ad-CH=CH2 + AlCl3 • HCl. Расстояния указаны в ангстремах (Å).
Рис. 6. Геометрическая структура реагентов реакции Ad-CH+-CH3 • AlCl4- → Ad-CH=CH2 + AlCl3 • HCl. Расстояния указаны в ангстремах (Å).
Как уже упоминалось ранее, при взаимодействии этилена с третичным адамантилкатионом никакого катиона не обнаруживается. Стоит указать, что в случае присоединения этилена в гипотетическом катионе Ad-CH2-CH2+ положительный заряд концентрировался бы на крайнем атоме углерода, в то время как при присоединении пропилена положительным зарядом обладает вторичный атом углерода, расположенный посередине пропенилового фрагмента между углеродом, связанным непосредственно с адамантановым каркасом, и крайним углеродом. Таким образом, перенос протона происходит внутри данного катиона.
Сама молекула Ad-CH2-СH2-AlCl4 может быть получена разными путями:
1) из виниладамантана (реакция 6):
Ad-CH=CH2 + AlCl3 • HCl → Ad-CH2-СH2-AlCl4 , ΔЕполн = -29.1 ккал/моль;
2) из изомера Ad-CH2-CH2-AlCl4 (см. рис. 4, 7, 8).
Рис. 7. Геометрическая структура Ad-CH2-CH2-AlCl4’’. Расстояния указаны в ангстремах (Å).
Рис. 8. Геометрическая структура Ad-CH2-CH2-AlCl4’. Расстояния указаны в ангстремах (Å).
При подробном рассмотрении этого процесса необходимо отметить некоторые моменты.
При сокращении расстояния между катализатором и этиленом образуется соединение с формулой Ad-CH2-CH2-AlCl4’’ (рис. 7, надстрочный индекс примем для различия изомеров). Данный процесс является экзотермическим без рассчитанной энергии активации (реакция 7).
На второй стадии происходит перенос протона с адамантанового фрагмента на катализатор с образованием 1-виниладамантана с тепловым эффектом ΔЕполн = 28.6 ккал/моль (реакция 8).
Продукты реакции (виниладамантан и молекула катализатора в виде AlCl3 • HCl) в дальнейшем могут опять вступить в химическую реакцию и образовать изомер Ad-CH2-CH2-AlCl4, который для отличия мы обозначим как Ad-CH2-CH2-AlCl4’ (рис.8). Тепловой эффект данного процесса -29.0 ккал/моль (реакция 9).
Таким образом, в системе происходит циклическая реакция интермедиат – виниладамантан – интермедиат, где исследуемый интермедиат образует виниладамантан, который опять превращается в интермедиат.
Далее молекула Ad-CH2-CH2-AlCl4’ изомеризуется в структуру Ad-CH2-CH2-AlCl4 (реакция 10).
Ad-CH2-CH2-AlCl4’ → Ad-CH2-CH2-AlCl4;
ΔЕполн = -0.1 ккал/моль.
При этом из структур с общей формулой Ad-CH2-CH2-AlCl4 виниладамантан может образовываться двумя путями:
- одностадийно по синхронному механизму;
- в две стадии: переносом водорода (Ad-CH2-CH2-AlCl4 → Ad-CH+-CH3 + AlCl4-) и образованием на второй стадии виниладамантана.
Можно сделать вывод, что образование 1-виниладамантана происходит легче, чем образование пропениладамантана: при увеличении углеводородного фрагмента алкена вероятность образования непредельных продуктов присоединения снижается.
Таким образом, процесс синтеза виниладамантана может быть представлен следующим образом:
- I) Ad+ + AlCl4- + C2H4 → Ad-CH=CH2 + + AlCl3 HCl
ΔЕполн = -78.1 ккал/моль.
- II) 1) Ad+ + AlCl4- + C2H4 → Ad-CH2-CH2-AlCl4’’
ΔЕполн = -106.7 ккал/моль.
2) Ad-CH2-CH2-AlCl4 ’’ → Ad-CH=CH2 + + AlCl3 • HCl
ΔЕполн = 28.6 ккал/моль.
IIа) 1) Ad-CH=CH2 + AlCl3 • HCl → Ad-CH2--CH2-AlCl4 ’
ΔЕполн = -29.0 ккал/моль.
2) Ad-CH2-CH2-AlCl4 ’ → Ad-CH2-CH2-AlCl4
ΔЕполн = -0.1 ккал/моль.
3)Ad-CH2-CH2-AlCl4 → Ad-CH+-CH3 • AlCl4-
ΔЕполн = 14.0 ккал/моль.
4) Ad-CH+-CH3 • AlCl4- → Ad-CH=CH2 + + AlCl3 • HCl.
ΔЕполн = 15.1 ккал/моль.
Следует отметить отсутствие в настоящее время экспериментальных данных по алкилированию адамантана этиленом. Таким образом, проведенными расчетами показано, что при проведении эксперимента стоит ожидать более высокой доли виниладамантана по сравнению с аналогичными значениями для пропениладамантана.
Таким образом, в результате проведенных квантово-химических расчетов (приближение B3LYP-D3(BJ)/6-311++G**) были изучены особенности механизмов каталитической реакции образования 1-виниладамантана при ионном алкилировании адамантана этиленом. Взаимодействие этилена с адамантаном, приводящее к образованию 1-виниладамантана, протекает легче, чем аналогичная реакция с пропиленом. Такой результат подтверждает более ранние сведения о том, что с увеличением молекулярной массы олефинов выход непредельных производных адамантана снижается [8].
Виниладамантан образуется при ионном алкилировании адамантана несколькими способами:
- непосредственно в одну стадию из третичного адамантилкатиона;
- полученный виниладамантан частично участвует в генерировании Ad-CH2-СH2-AlCl4, из которого опять же образуется виниладамантан либо в одну, либо в две стадии.
Авторы выражают благодарность доктору физико-математических наук, профессору кафедры прикладной информатики и теории вероятностей РУДН Кулябову Дмитрию Сергеевичу за помощь в проведении расчетов.
ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (проект № 075-03-2020-223 (FSSF-2020-0017)).
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Один из авторов, А.Л. Максимов, является членом редакционной коллегии «Журнала физической химии». Остальные авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.
Sobre autores
Н. Баранов
Российский университет дружбы народов
Autor responsável pela correspondência
Email: 1042182094@rudn.ru
Rússia, Москва
Е. Багрий
Институт нефтехимического синтеза имени А.В. Топчиева РАН
Email: 1042182094@rudn.ru
Rússia, Москва
Р. Сафир
Российский университет дружбы народов
Email: 1042182094@rudn.ru
Rússia, Москва
А. Чередниченко
Российский университет дружбы народов
Email: 1042182094@rudn.ru
Rússia, Москва
К. Боженко
Российский университет дружбы народов
Email: 1042182094@rudn.ru
Rússia, Москва
А. Максимов
Институт нефтехимического синтеза имени А.В. Топчиева
Email: 1042182094@rudn.ru
Rússia, Москва
Bibliografia
- Ishizone T., Goseki R. // Polym. J. 2018. V. 50. P. 805. https://doi.org/10.1038/s41428-018-0081-3.
- Muthyala R.S., Sheng S., Carlson K.E. et al. // J. Med. Chem. 2003. V. 46. P. 1589. https://doi.org/10.1021/jm0204800.
- Min J., Guillen V.S., Sharma A. et al. // Ibid. 2017. V. 60. P. 6321. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.7b00585.
- Miyashita K., Minagawa M., Ueda Y. et al. // Tetrahedron. 2001. V. 57. P. 3361. https://doi.org/10.1016/S0040-4020(01)00216-2.
- Robello D.R. // J. Appl. Polym. Sci. 2012. V. 127. P. 96. https://doi.org/10.1002/app.37802.
- Xie J., Liu Y., Jia T. et al. // Energy & Fuels. 2020. V. 34. P. 4516. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.0c00442.
- Tyborski C., Gillen R., Fokin A.A. et al. // J. Phys. Chem. C. 2017. V. 121. P. 27082. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b07666.
- Багрий Е.И. Адамантаны: получение, свойства, применение. М.: Наука, 1989. 264 c.
- Багрий Е.И., Соловьев В.Н., Носакова С.М. и др. Способ получения виниладамантанов: А. с. 789472. 1980. СССР.
- Wright J.A., Gaunt M.J., Spencer J.B. // Chemistry – A European Journal. 2006. V. 12. P. 949. https://doi.org/10.1002/chem.200400644.
- Trofimov B.A., Schmidt E.Yu., Zorina N.V. et al. // Tetrahedron Lett. 2008. V. 49. P. 4362. https://doi.org/10.1016/j.tetlet.2008.05.023.
- Fokin A.A., Butova E.D., Barabash A.V. et al. // Synth. Commun. 2013. V. 43. P. 1772. https://doi.org/10.1080/00397911.2012.667491.
- Demidov M.R., Osipov D.V., Korol’kov K.A. et al. // Advanced Synthesis and Catalysis. 2021. V. 363. P. 3737. https://doi.org/10.1002/adsc.202100261.
- Weigel W.K., III, Dang H.T., Feceu A. et al. // Org. Biomol. Chem. 2022. V. 20. P. 10. https://doi.org/10.1039/D1OB01916C.
- Баранов Н.И., Багрий Е.И., Сафир Р.Е. и др. // Нефтехимия. 2022. Т. 62. С. 181. https://doi.org/10.31857/S0028242122020022. [Baranov N.I., Bagrii E.I., Safir R.E. et al. // Pet. Chem. V. 62. P. 352. https://doi.org/10.1134/S0965544122020153]
- Багрий Е.И., Борисов Ю.А., Колбановский Ю.А. и др. // Там же. 2019. Т. 59. С. 64. https://doi.org/10.1134/S0028242119010064. [Bagrii E.I., Borisov Y.A., Kolbanovskii Y.A. et al. // Ibid. 2019. V. 59. P. 66. https://doi.org/10.1134/S0965544119010067]
- Баранов Н.И., Сафир Р.Е., Багрий Е.И. и др. // Там же. 2020. Т. 60. С. 644. https://doi.org/10.31857/S0028242120050044. [Baranov N.I., Safir R.E., Bagrii E.I. et al. // Ibid. 2020. V. 60. P. 1033. https://doi.org/10.1134/S0965544120090042]
- Barca G.M.J., Bertoni C., Carrington L. et al. // J. Chem. Phys. 2020. V. 152. P. 154102. https://doi.org/10.1063/5.0005188.
- Shamov G.A., Budzelaar P.H.M., Schreckenbach G. // J. Chem. Theory Comput. 2010. V. 6. P. 477. https://doi.org/10.1021/ct9005135.
- Chemcraft – графическая программа для визуализации квантово-химических расчетов. https://www.chemcraftprog.com (дата обращения 13.07.2022).
Arquivos suplementares
