Ионное алкилирование адамантана пропиленом в приближениях B3LYP/6-31G* и B3LYP-D3(BJ)/6-311++G**: влияние расширения базиса и дисперсионных поправок

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Алкениладамантаны и полимеры на их основе относятся к широко применяемым соединениям ввиду своих уникальных свойств. В случае ионного алкилирования адамантана низкомолекулярными олефинами при использовании кислотных катализаторов в качестве продуктов реакции образуются, помимо насыщенных, также и ненасыщенные углеводороды. На примере взаимодействия адамантана с пропиленом проведено сравнение результатов квантово-химических расчетов, выполненных в приближениях B3LYP/6-31G* и B3LYP-D3(BJ)/6-311++G**. Изучено влияние дисперсионных поправок Гримме и расширения базиса на термодинамику и кинетику реакций. Хлорид алюминия применяли в качестве модели кислотного катализатора. Термодинамические характеристики изучены на примере полной энергии при 0 K (ΔE0) и свободной энергии Гиббса (ΔG298) при 298 K. Длины связей и валентные углы одинаково воспроизводятся обоими методами. Частоты гармонических колебаний без учeта масштабирующих множителей завышаются в случае обоих приближений. При этом данные B3LYP-D3(BJ)/6-311++G** оказываются ближе к экспериментальным данным. Разница значений ΔE0 и ΔG298 составляет максимум 4 ккал/моль в случае углеводородов и доходит до 7 ккал/моль при наличии анионов из элементов третьего периода (AlCl4–). Переходные состояния и энергии активации обоих приближений не совпадают, поэтому для изучения механизмов реакций с участием адамантана необходим переход от B3LYP/6-31G* к расширенным базисам и учет дисперсионных эффектов.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Николай Игоревич Баранов

Российский университет дружбы народов

Author for correspondence.
Email: 1042182094@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0002-8813-7786
Russian Federation, 117198, Москва

Евгений Игнатьевич Багрий

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН

Email: bagrii@ips.ac.ru
ORCID iD: 0000-0002-9652-9296

д. х.н, проф.

Russian Federation, 119991, Москва

Романна Евгеньевна Сафир

Российский университет дружбы народов

Email: 1042182094@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0002-1981-0594

к. х. н., доцент

Russian Federation, 117198, Москва

Александр Генрихович Чередниченко

Российский университет дружбы народов

Email: 1042182094@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0002-4709-5313

д. х. н., проф.

Russian Federation, 117198, Москва

Константин Викторович Боженко

Российский университет дружбы народов

Email: 1042182094@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0002-5786-5297

д. х. н., проф.

Russian Federation, 117198, Москва

References

  1. Muthyala R.S., Sheng S., Carlson K.E., Katzenellenbogen B.S., and Katzenellenbogen J. A. Bridged bicyclic cores containing a 1,1-diarylethylene motif are high-affinity subtype-selective ligands for the estrogen receptor // J. Med. Chem. 2003. V. 46. № 9. P. 1589–1602. https://doi.org/10.1021/jm0204800
  2. Min J., Guillen V. S., Sharma A., Zhao Y., Ziegler Y., Gong P., Mayne C.G., Srinivasan S., Kim S.H., Carlson K.E., Nettles K.W., Katzenellenbogen B.S., Katzenellenbogen J.A. Adamantyl antiestrogens with novel side chains reveal a spectrum of activities in suppressing estrogen receptor mediated activities in breast cancer cells // J. Med. Chem. 2017. V. 60. № 14. P. 6321–6336. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.7b00585
  3. Shelef O., Gutkin S., Feder D., Ben-Bassat A., Mandelboim M., Haitin Y., Ben-Tal N., Bacharach E., Shabat D. Ultrasensitive chemiluminescent neuraminidase probe for rapid screening and identification of small-molecules with antiviral activity against influenza A virus in mammalian cells // Chem. Sci. 2022. V. 13. № 42. P. 12348-12357. https://doi.org/10.1039/D2SC03460C
  4. Robello D. R. Moderately high refractive index, low optical dispersion polymers with pendant diamondoids // J. Appl. Polym. Sci. 2013. V. 127. № 1. P. 96–103. https://doi.org/10.1002/app.37802
  5. Yang M., Zeng Z., Lam J.W.Y., Fan J., Pu K., and Tang B.Z. State-of-the-art self-luminescence: a win–win situation // Chem. Soc. Rev. 2022. V. 51. № 21. P. 8815–8831. https://doi.org/10.1039/D2CS00228K
  6. Li X., Yin C., Liew S. S., Lee C.-S., Pu K. Organic semiconducting luminophores for near-infrared afterglow, chemiluminescence, and bioluminescence imaging // Adv. Funct. Mater. 2021. V. 31. № 46. P. 2106154. https://doi.org/10.1002/adfm.202106154
  7. Zhang Y., Yan C., Wang C., Guo Z., Liu X., Zhu W.-H. A Sequential dual‐lock strategy for photoactivatable chemiluminescent probes enabling bright duplex optical imaging // Angew. Chem. Int. Ed. 2020. V. 59. № 23. P. 9059–9066. https://doi.org/10.1002/anie.202000165
  8. Li J., Hu Y., Li Z., Liu W., Deng T., and Li J. Photoactivatable red chemiluminescent AIEgen probe for in vitro/vivo imaging assay of hydrazine // Anal. Chem. 2021. V. 93. № 30. P.10601–10610. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.1c01804
  9. Ishizone T., Goseki R. Synthesis of polymers carrying adamantyl substituents in side chain // Polym. J. 2018. V. 50. № 9. P. 805–819. https://doi.org/10.1038/s41428-018-0081-3
  10. van Reenen A.J., Mathias L.J., Coetzee L. Polymerization of olefins with bulky substituents. 1. Homo- and copolymerization of 3-(1-adamantyl)propene // Polymer. 2004. V. 45. № 3. P. 799–804. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2003.12.005
  11. Багрий Е.И. Адамантаны: получение, свойства, применение. М.: Наука, 1989. 264 c.
  12. Дьяконов С.В. Исследование реакций 1,3-дегидроадамантана с галогеналкилами и их производными. Автореферат дис. к. х.н. Волгогр. гос. техн. ун-т. Волгоград. 2009. 20 с.
  13. Савельева С.А., Леонова М.В., Баймуратов М.Р., Климочкин Ю.Н. Синтез и превращения арилзамещенных алкенов адамантанового ряда // ЖОрХ. 2018. Т. 54. № 7. С. 994–1000 [Savel’eva S.A., Leonova M.V., Baimuratov M.R., Klimochkin Y. N. Synthesis and transformations of aryl-substituted alkenes of the adamantane series // Russ. J. Org. Chem. 2018. V. 54. № 7. P. 996–1002. https://doi.org/10.1134/S1070428018070047]
  14. Liang L., Guo G., Li C., Wang S.-L.,Wang Y.-H., Guo H.-M., and Niu H.-Y. Copper-catalyzed intermolecular alkynylation and allylation of unactivated C(sp3)−H bonds via hydrogen atom transfer // Org. Lett. 2021. V. 23. № 21. P. 8575−8579. https://doi.org/10.1021/acs.orglett.1c03298
  15. Wu K., Wang L., Colón-Rodríguez S., Flechsig G.-U., Wang T. Amidyl radical directed remote allylation of unactivated sp3 C–H bonds via organic photoredox catalysis // Angew. Chem. Int. Ed. 2019. V. 58. № 6. P. 1774 –1778. https://doi.org/10.1002/anie.201811004
  16. Леонова М.В., Баймуратов М.Р., Климочкин Ю.Н. Реакции содержащих полициклический фрагмент γ-сультонов // ЖОрХ. 2017. Т. 53. № 3. С. 330–337 [Leonova M.V., Baimuratov M.R., Klimochkin Y.N. Reactions of γ-sultones containing a polycyclic fragment // Russ. J. Org. Chem. 2017. V. 53. № 3. P. 326–334. https://doi.org/10.1134/S1070428017030034
  17. Baimuratov M.R., Leonova M.V., Shiryaev V.A., Klimochkin Y.N. Synthesis of sterically hindered allyl thiocyanates: kinetic and DFT studies of their rearrangement // Tetrahedron Lett. 2016. V. 57. № 48. P. 5317–5320. https://doi.org/10.1016/j.tetlet.2016.10.059
  18. Islam S.M., Poirier R.A. Addition reaction of adamantylideneadamantane with Br2 and 2Br2: a computational study // J. Phys. Chem. A. 2008. V. 112. № 1. P. 152–159. https://doi.org/10.1021/jp077306d
  19. Sen A., Mehta G., Ganguly B. A computational approach towards predicting π-facial selectivity in sterically unbiased olefins: an evaluation of the relative importance of electrostatic and orbital effects // Tetrahedron. 2011. V. 67. № 20. P. 3754–3762. https://doi.org/10.1016/j.tet.2011.02.022
  20. Kozuch S., Zhang X., Hrovat D.A., Borden W.T. Calculations on tunneling in the reactions of noradamantyl carbenes // J. Am. Chem. Soc. 2013. V. 135. № 46. P. 17274–17277. https://doi.org/10.1021/ja409176u
  21. Багрий Е.И., Борисов Ю.А., Колбановский Ю.А., Максимов А.Л. Теоретическое изучение механизма реакции каталитического алкилирования адамантана продуктами крекинга 2,2,4-триметилпентана // Нефтехимия. 2019. Т. 59. № 1. С. 64–68. https://doi.org/10.1134/S0028242119010064 [Bagrii E.I., Borisov Y.A., Kolbanovskii Y.A., Maksimov A.L. Theoretical study of the mechanism of catalytic alkylation of adamantane with 2,2,4-trimethylpentane cracking products // Petrol. Chemistry. 2019. V. 59. № 1. P. 66–70. https://doi.org/10.1134/S0965544119010067]
  22. Bursch M., Mewes J.-M., Hansen A., Grimme S. Best-practice DFT protocols for basic molecular computational chemistry // Angew. Chem. Int. Ed. 2022. V. 61. № 42. P. e202205735. https://doi.org/10.1002/anie.202205735
  23. Shamov G.A., Budzelaar P.H.M., and Schreckenbach G. Performance of the empirical dispersion corrections to density functional theory: thermodynamics of hydrocarbon isomerizations and olefin monomer insertion reactions // J. Chem. Theory Comput. 2010. V. 6. № 2. P. 477–490. https://doi.org/10.1021/ct9005135
  24. Schröder H., Creon A., and Schwabe T. Reformulation of the D3(Becke–Johnson) dispersion correction without resorting to higher than C6 dispersion coefficients // J. Chem. Theory Comput. 2015. V. 11. № 7. P. 3163–3170. https://doi.org/10.1021/acs.jctc.5b00400
  25. Goerigk L., Hansen A., Bauer C., Ehrlich S., Najibi A., and Grimme S. A look at the density functional theory zoo with the advanced GMTKN55 database for general main group thermochemistry, kinetics and noncovalent interactions // Phys.Chem.Chem.Phys. 2017. V. 19. № 48. P. 32184–32215. https://doi.org/10.1039/c7cp04913g
  26. Баранов Н.И., Сафир Р.Е., Багрий Е.И., Боженко К.В., Чередниченко А.Г. Каталитическое алкилирование адамантана пропиленом: квантово-химические расчеты и данные эксперимента // Нефтехимия. 2020. Т. 60. № 5. С. 644 –653. https://doi.org/10.31857/S0028242120050044 [Baranov N.I., Safir R.E., Bagrii E.I., Bozhenko K.V., Cherednichenko A.G. Catalytic alkylation of adamantane with propylene: quantum-chemical calculations and experimental data // Petrol. Chemistry. 2020. V. 60. № 9. P. 1033–1042]. https://doi.org/10.1134/S0965544120090042]
  27. Баранов Н.И., Сафир Р.Е., Боженко К.В., Чередниченко А.Г., Багрий Е.И. Квантово-химическое исследование каталитического алкилирования адамантана олефинами // Физико-математическое моделирование систем: материалы XXIII Международного семинара. Воронеж: изд-во ВГТУ, 2022. С. 22–25.
  28. Barca G.M. J., Bertoni C., Carrington L., Datta D., De Silva N., Deustua J. E., Fedorov D. G., Gour J.R., Gunina A.O., Guidez E., Harville T., Irle S., Ivanic J., Kowalski K., Leang S.S., Li H., Li W., Lutz J.J., Magoulas I., Mato J., Mironov V., Nakata H., Pham B.Q., Piecuch P., Poole D., Pruitt S.R., Rendell A.P., Roskop L.B., Ruedenberg K., Sattasathuchana T., Schmidt M.W., Shen J., Slipchenko L., Sosonkina M., Sundriyal V., Tiwari A., Vallejo J.L.G., Westheimer B., Włoch M., Xu P., Zahariev F., Gordon M.S. Recent developments in the general atomic and molecular electronic structure system // J. Chem. Phys. 2020. V. 152. № 15. P. 154102. https://doi.org/10.1063/5.0005188
  29. Chemcraft – графическая программа для визуализации квантово-химических расчетов. https://www.chemcraftprog.com (дата обращения: 12.11.2023).
  30. Bistričić L., Baranović G., and Mlinarić-Majerski K. A vibrational assignment of adamantane and some of its isotopomers. Empirical versus scaled semiempirical force field // Spectrochimica Acta. Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 1995. V. 51. № 10. P. 1643–1664. https://doi.org/10.1016/0584-8539(95)01416-r
  31. Jensen J.O. Vibrational frequencies and structural determination of adamantane // Spectrochimica Acta. Part A: Molecular and biomolecular spectroscopy. 2004. V. 60. № 8–9. P. 1895–1905. https://doi.org/10.1016/j.saa.2003.09.024
  32. Olah G.A., Prakash G.K.S., Shih J.G., Krishnamurthy V.V., Mateescu G.D., Liang G., Sipos G., Buss V., Gund T.M., Schleyer P.v.R. Bridgehead adamantyl, diamantyl, and related cations and dications // J. Am. Chem. Soc. 1985. V.107. № 9. P. 2764–2772. https://doi.org/10.1021/ja00295a032
  33. Багрий Е.И., Нехаев А.И., Максимов А.Л. Окислительная функционализация адамантанов (обзор) // Нефтехимия. 2017. Т. 57. № 2. С. 123-138. https://doi.org/10.7868/S0028242117020058 [Bagrii E.I., Nekhaev A.I., Maksimov A.L. Oxidative functionalization of adamantanes (review) // Pet. Chem. 2017. V. 57. № 2. P. 183-197. https://doi.org/10.1134/S0965544117020128]

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Geometrical structure of Ad–CH2–CH+(AlCl4–)–CH3 in approximations: (a) – B3LYP/6-31G*; (b) – B3LYP-D3(BJ)/6-311++G**.

Download (207KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Geometric structure of the transition state of the reaction Ad–CH2–CH+(AlCl4–)–CH3 → → Ad–C+H–CH2–CH3•AlCl4–(B3LYP/6-31G*).

Download (108KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Geometric structure of Ad–C+H–CH2–CH3•AlCl4–(B3LYP/6-31G*).

Download (105KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Geometrical structure of the transition state of the reaction Ad–C+H–CH2–CH3•AlCl4– → → Ad–CH=CH–CH3(trans) + AlCl3•HCl (B3LYP/6-31G*).

Download (103KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Geometric structure of Ad–CH2–CH+–CH3•AlCl4– (B3LYP-D3(BJ)/6-311++G**).

Download (109KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Geometrical structure of the transition state of the reaction Ad–CH2–CH+(AlCl4–)–CH3 → Ad–CH2–CH+–CH3•AlCl4–(B3LYP-D3(BJ)/6-311++G**).

Download (92KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Geometrical structure of the transition state of the reaction Ad–CH2–CH+–CH3•AlCl4– → → Ad–CH=CH–CH3(trans) + AlCl3•HCl (B3LYP-D3(BJ)/ 6-311++G**).

Download (101KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences