Конформационный анализ и взаимопревращения конформеров соединения, для которого подозревалось заторможенное вращение


В спектрах ЯМР этого соединения (заместители при атомах углерода С14 и С17 находятся в цис-конфигурации) при комн. температуре ряд сигналов раздвоен, но при нагревании до 50 °С раздвоение исчезает. Это могло бы быть вызвано заторможенным конформационным обменом. По уравнению Эйринга, энергетический барьер такого обмена должен быть около 17 ккал/моль.

Для проверки данного предположения необходимо провести конформационный анализ и рассчитать барьеры между всеми низколежащими конформерами.

Общая методика проведенного конформационного анализа описана в работе [1]. В данном случае использовали генераторы конформеров ChemAxon Marvin (conformers plugin) [2] и программу scan из пакета Tinker [3]. Манипулирование наборами конформеров осуществляли с помощью программы conformers [4]. Промежуточную оптимизацию конформеров полуэмпирическими методами не проводили, молекулярно-механические структуры сразу рассчитывали на уровне DFT. Квантово-химические расчеты выполняли программой Priroda [5] методом DFT, функционал PBE [6], базис L1 [7] (аналог базиса cc-pVDZ).

Переходные состояния взаимопревращений конформеров искали методом сканирования по реакционным координатам, в качестве последних брали диэдральные углы, отвечающие за вращения вокруг одинарных связей С-С и за инверсию циклобутанового фрагмента

Энергетическая диаграмма (расчет методом DFT/PBE/L1)

На энергетической диаграмме каждый уровень (жирная горизонтальная черта) и его надпись кликабельны и позволяют смотреть трехмерную структуру. При наведении курсора мышки на уровень высвечивается его энергия, а по клику на него запускается ява-апплет jmol, но для этого нужно запинать яву. Если же победить яву не удалось, или лень, см. инструкцию.

0.00 0.00 0.30 0.30 0.48 0.48 0.73 0.73 1.43 1.43 1.62 1.62 1.68 1.68 1.72 1.72 1.78 1.78 1.82 1.82 2.25 2.25 2.32 2.32 2.40 2.40 2.49 2.49 2.68 2.68 2.94 2.94 3.70 3.70 3.92 3.92 3.94 3.94 4.12 4.12 4.18 4.18 5.87 5.87 6.22 6.22 6.98 6.98 7.31 7.31 7.35 7.35 7.48 7.48 7.72 7.72 8.43 8.43 8.57 8.57 9.23 9.23 9.77 9.77
Проценты под уровнями - больцмановская заселенность конформеров (при комн. температуре)

Наиболее стабильный конформер (01)


Вывод

Анализ полученной энергетической диаграммы позволяет заключить, переходы друг в друга всех наиболее стабильных конформеров 01-09 (суммарная заселенность 99.9%) осуществляются очень легко, барьеры не превышают 4 ккал/моль. Требуемыми 17-ю ккал/моль даже не пахнет, на возможные ошибки расчета не спишешь. "Заморозить" для ЯМР такие конформационные обмены практически нереально, нужно охлаждать до температуры жидкого азота.

Таким образом, предположение о заторможенном вращении (а также медленном флиппировании циклобутанового фрагмента) в рассматриваемом соединении неоправдано.

Ссылки

[1] О.В. Ардашов, А.М. Генаев, И.В. Ильина, Д.В. Корчагина, К.П. Волчо, Н.Ф. Салахутдинов. ЖОрХ, 2010, 46, 1775-1778 (Russ. J. Org. Chem., 2010, 46, 1786-1789)
[2] Imre, G., Jakli, I., Kalaszi, A., and Farkas, O., Advanced Automatic Generation of 3D Molecular Structures. 1st European Chemistry Congress, Budapest, Hungary, August 27–31, 2006.
[3] Ren, P. and Ponder, J.W., J. Phys. Chem. B, 2003, vol. 107, p. 5933.
[4] А.М. Генаев. http://limor1.nioch.nsc.ru/quant/program/conformers/
[5] Laikov, D.N., Chem. Phys. Lett., 1997, vol. 281, p. 151; Laikov, D.N. and Ustynyuk, Yu.A., Izv. Ross. Akad. Nauk, Ser. Khim., 2005, p. 804.
[6] Perdew, J.P., Burke, K., and Ernzerhof, M., Phys. Rev. Lett., 1996, vol. 77, p. 3865.
[7] Laikov, D.N., Chem. Phys. Lett., 2005, vol. 416, p. 116.