Квантово-химическое исследование механизма реакции образования реагента Гриньяра в рамках кластерной модели тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, кандидат химических наук Порсев, Виталий Вениаминович

• Порсев, Виталий Вениаминович
• кандидат химических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат химических наук Порсев, Виталий Вениаминович

ВВЕДЕНИЕ.з

Глава 1. Литературный обзор.и

1.1. Экспериментальные данные о реакции образования реагента Гринъяра.

1.2. Экспериментальное и квантово-химическое исследование реакции атомов магния и метилгалогенидов.:.

1.3. Теоретическое и экспериментальное изучение кластеров магния.

1.4. Кластерные аналоги реагента Гринъяра. Теоретическое и экспериментальное изучение.

1.5. Квантово-химическое моделирование реакции Гринъяра в рамках кластерной модели.

1.6. Квантово-химическое исследование комплексов эфира с ЮЛ^На1 и изучение равновесия Шленка.

Глава 2. Описание метода функционала плотности.

Глава 3. Предложенная схема реакции образования реагента Гринъяра.

3.1. Выбор расчетной модели.

3.2. Расчет исходных соединений.

Глава 4. Расчет взаимодействия с СН3На1.

4.1. Ионный канал реакции.

4.2. Радикальный канал реакции.

4.3. Исследование реакции фенилхлоридов С^Н^С! с кластерами Mg4.

Глава 5. Энергии образования радикалов. Форма существования радикальных частиц в растворе.

5.1. Зависимость энергий реакции образования радикальных интермедиатов от размера кластера.

5.2. Свободные радикалы — адсорбированные радикалы.

Глава 6. Взаимодействие кластеров СНз]У^„С1 с эфиром.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Квантово-химическое исследование механизма реакции образования реагента Гриньяра в рамках кластерной модели»

Реагентами Гриньяра называются магнийорганические галогенпроизводные общей структуры RMgHal, где R - алкил, алкенил или арил, растворенные в каком-либо простом эфире. Наиболее часто используются бромиды. Иодпроизводные используются реже из-за протекания большого количества побочных реакций; хлориды - из-за малой активности. Фториды используются только в особых случаях и обычным способом получены быть не могут [1]. Данные соединения были введены в практику органического синтеза Виктором Гриньяром и его учителем Филиппом Барбье в 1901 году. В 1912 году В. Гриньяру была присуждена Нобелевская премия.

Реагенты Гриньяра являются весьма ценными и широко используемыми синтетическими средствами, главным образом как источники карбанионов в реакциях нуклеофильного присоединения и замещения, но также и в достаточно широком кругу других реакций.

Для получения реагента Гриньяра обычно проводится реакция между магнием и органическим галогенпроизводным, в диэтиловом эфире (EÎ20) или тетрагидрофуране (THF):

RHal + Mgz + 2Et20 -> RMgHal-2Et20 + Mg,.b где под z подразумевается поверхность. Реакция осложняется протеканием разнообразных побочных реакций.

Можно отметить еще два достаточно часто используемых способа получения реагента Гриньяра. Это реакция депротонирования кислых углеводородов, таких как ацетилены, с получением реактивов Иоцича -алкинилмагний галогенидов (а), и трансметаллирование литийорганических соединений безводным хлоридом магния (Ь):

СН31^На1 а) (Ч--Н -► Г*-^-Мд

-сн4 ч

На1 м К—СН2 МёВг2 к—сн V —г^ \ 2

1-1 -ЫВг Мд—На1

В последнее время развито множество самых разнообразных методов, применяющихся для получения «экзотических» магнийорганических соединений, однако в повседневной практике органического синтеза обычно применяется реакция прямого металлирования органического галогенпроизводного магнием в простом эфире.

Относительная активность органических галогенидов в реакции прямого металлирования по отношению к магнию возрастает от фторидов к йодидам. Фториды настолько неактивны, что могут быть переведены в реагент Гриньяра только в специальных условиях. Как уже упоминалось, в практике органического синтеза по большей части используются бромпроизводные.

Относительно Я галогениды располагаются в следующем ряду активности

И: Г ~ ? V-• > н2с- > НС* > н/ В' -<н1>.» — [ ~ О- > Н

К" --К' !

Этот ряд отчасти коррелирует с энергией связи С-На1 в галогенидах. Чем слабее данная связь, тем легче реагент Гриньяра образуется. Однако легкость протекания реакции образования реагента Гриньяра, увеличивает и вероятность протекания побочных реакций, и в реакции магния, например с бензилгалогенидами, выход нужного реагента Гриньяра может быть невысок.

Химия магнийорганических соединений характеризуется полярной связью с отрицательным зарядом на углероде. Связь С-М§ менее полярна по сравнению с С-1Л, что делает реагенты Гриньяра менее активными и более селективными. Но при этом реагенты Гриньяра более активны по отношению к электрофилам, чем цинкорганические или оловоорганические соединения. Такое граничное расположение магнийорганических соединений в основном и определило их чрезвычайную распространенность в практике органического синтеза.

Образование реагента Гриньяра, это гетерогенная реакция на поверхности, поэтому реакционная способность магния, сухость эфира, отсутствие кислорода и многие другие факторы играют важную роль. Реакция обычно начинается после некоторого, иногда достаточно длительного, индукционного периода. Начавшись, реакция проходит автокаталитически. На практике, для ускорения процесса обычно добавляют различные вещества — инициаторы реакции. В этом случае реакция начинается сразу, без индукционного периода. В качестве инициаторов хорошо зарекомендовали себя йод, дибромэтан, соли магния, некоторых других металлов.

Уже в первоначальный период исследования магнийорганических соединений было установлено, что реактивы Гриньяра нельзя рассматривать I просто как растворы магнийорганических галогенидов в эфире. Детали строения данных соединений являлись предметом многочисленных дискуссий, и в настоящее время основные черты их структуры представляются достаточно ясными. В растворе магнийорганические галогениды находятся в виде комплексов с эфиром в динамическом равновесии, называемом равновесием Шленка [3]:

I i

2RMg+ + 2Hal"

RMg

MgR 2RMgHaI

R2Mg + MgHaI2

RMg+ + RMgHal2"

R2Mg

Mg

В зависимости от эфира, концентрации, природы R и Hal, температуры, а также от наличия примесей, относительные количества различных частиц, участвующих в равновесии, могут быть различными. В диэтиловом эфире и в тетрагидрофуране преобладает смешанный галогенид RMgHal, в то время как в 1,4-диоксане реагент Гриньяра находится главным образом в форме R2Mg, поскольку галогениды магния образуют нерастворимые комплексы с 1,4-диоксаном. В случае алкилмагний бромидов и > йодидов образованию мономерных частиц благоприятствуют низкие концентрации и сильные донорные растворители, тогда как для соответствующих хлоридов и фторидов при высоких концентрациях и слабодонорных растворителях характерны ассоциированные формы. В тетрагидрофуране все галогениды являются главным образом мономерами [3]. Концентрации ионов обычно низки. Роль мостиковых групп в ассоциированных частицах могут играть как алкильные группы, так и галогены. При низких температурах, особенно в присутствии сильных доноров электронов, скорости обмена между различными частицами достаточно низки и их можно раздельно обнаружить, например методами ЯМР высокого разрешения.

Из растворов магнийорганических соединений кристаллизацией можно выделить различные комплексы, например EtMgBr-2Et20. В твердом состоянии реагент Гриньяра также может находится либо в димерной, либо в мономерной форме с четырехкоординированным атомом магния. Если позволяет стереохимия, то координационное число может равняться пяти или даже шести [4]. Например, метилмагний бромид кристаллизуется из тетрагидрофурана в виде CH3MgBr-3THF: Вг ■,.<>THF

THF— j thf СН3 5 а бромид магния в виде MgBr2-4THF: Вг

THF//, j .,*THF

THF | THF Br

Эти структуры подчеркивают роль координирующего растворителя в стабилизации реагента Гриньяра и галогенидов магния.

Нужно отметить, что образование магнийорганических галогенпроизводных может проходить и в отсутствие эфира, в углеводородной среде. Однако такие реакции требуют существенно больших температур для своего прохождения, а время реакции значительно увеличивается [5]. Несольватированные магнийорганические галогениды ограниченно растворимы в углеводородах и проявляют тенденции к образованию олигомеров [2].

Реакция Гриньяра является одной из самых важных реакций в синтетической органической химии. Однако, хотя строение самих реагентов Гриньяра в настоящее время представляется достаточно ясным, в понимании механизма реакции образования реагента Гриньяра остаются пробелы на молекулярном уровне, несмотря на более чем столетнюю историю ее применения. До сих пор в литературе ведутся активные дискуссии о различных аспектах механизма данной реакции. Это и не удивительно, реакция проходит на неупорядоченной поверхности магния, с активным участием растворителя, являясь сложным гетерогенным процессом. До ' сих пор, практически единственным фактом, с которым согласны все исследователи, является факт наличия радикальных частиц как интермедиатов. В разное время, разными исследователями было предложено более десятка различных механизмов [6], но ни один из них не описывает полностью всю совокупность наблюдаемых фактов. Вполне возможно, что в зависимости от реагентов, растворителя, различных других факторов, реакция может идти по разным механизмам.

В настоящее время квантово-химические методы занимают важное место в инструментарии современного химика, позволяя исследовать такие, практически недоступные для других методов процессы, как динамика химических реакций. Однако случаи применения данных методов к изучению реакции образования реагента Гриньяра остаются единичными. В основном в литературе представлены результаты расчетов систем СНзНа1.М§ или же кластерных аналогов реагента Гриньяра, достаточно интересные сами по себе, однако малоприменимые для понимания процессов, происходящих при образовании реагента Гриньяра. Лишь одна работа посвящена непосредственно моделированию данной реакции, и остается значительное количество пробелов в понимании механизма реакции образования реагента Гриньяра. Неясно как образуются радикальные частицы, какова роль эфира в данной реакции, как влияет смена органического остатка на механизм реакции.

Для ответа на эти вопросы в данной работе используется кластерная модель, хорошо зарекомендовавшая себя в расчетах процессов хемосорбции [7]. В данной модели поверхность магния моделируется кластерами. Поскольку известно, что для быстрого и успешного прохождения реакции необходимо наличие дефектов на поверхности, кластерная модель представляется наиболее адекватной для описания подобного рода реакций.

Целью диссертационной работы является исследование квантово-химическими методами реакции взаимодействия органических галогенпроизводных с кластерами магния, а также учет эфирного окружения для создания последовательной модели образования реагента Гриньяра.

В связи с этим поставлены следующие задачи:

1. Нахождение непротиворечивой схемы возможных каналов реакции, позволяющей объяснить основные экспериментальные данные. Расчет в рамках найденной схемы взаимодействия СНзС1 с кластерами магния для получения данных о геометрических и энергетических характеристиках всех экстремальных точек, необходимых для описания реакции.

2. Выяснение сравнительных характеристик галогенов в реакции взаимодействия СНзНа1 с кластерами магния, сопоставление органических остатков Я в реакции взаимодействия ЯС1 с кластерами, а также исследование зависимости энергетики реакции от размера кластеров магния М§п.

3. Нахождение условий возникновения, а также способа существования в среде радикальных интермедиатов.

4. Моделирование роли эфира на молекулярном уровне в реакции образования реагента Гриньяра.

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов и приложения. В первой главе приводится литературный обзор результатов экспериментального и квантово-химического исследования реакции образования реагента Гриньяра, результатов исследования кластеров магния различными теоретическими и экспериментальными методами, а также обзор достижений в исследовании кластерных аналогов реагента Гриньяра. Во второй главе представлены основные положения теории функционала плотности -основного используемого в работе метода. В главах 3-6 представлены основные результаты работы. В приложении приводятся полные энергии рассчитанных в данной работе молекулярных систем.

Заключение диссертации по теме «Физическая химия», Порсев, Виталий Вениаминович

выводы

1.На основании квантовохимических расчетов методом ЦВЗГЛИР предложена модель реакции образования реагента Гриньяра, на микроскопическом уровне объясняющая основные закономерности данной реакции. Первый канал, радикальный, характеризуется переходным состоянием, в котором линия связи С-На1 органического галогенида направлена перпендикулярно «поверхности» кластера, и отвечает за образование радикальных интермедиатов. Переходное состояние второго канала, ионного, характеризуется направлением линии связи С-На1 параллельно «поверхности». При прохождении системы по ионному каналу происходит только перераспределение зарядов.

2. Для метилгалогенидов СНзНа1 энергия активации радикального канала реакции на 9-15 ккал/моль ниже, чем энергия активации ионного канала, соответствуя эксперименту - для алкилгалогенидов реакция практически полностью проходит через образование радикальных интермедиатов. В случае фенилхлорида СбН5С1 энергии активации каналов становятся близкими, энергия ионного канала лишь на 2 ккал/моль выше энергии активации радикального, отражая тот экспериментальный факт, что для арилгалогенидов образование радикалов не является основным каналом реакции.

3. Энергия активации как радикального, так и ионного каналов уменьшается при переходе от кластера М§4 к М§ю. Переход от фтора к брому также понижает энергию активации, согласуясь с экспериментальными данными — инертностью фторидов и существенной активностью бромидов в данной реакции.

4. Расчет пути вдоль внутренней координаты реакции показывает, что радикальные частицы расходятся на значительное расстояние (порядка 9 А), достигая энергетического плато на ППЭ, что можно интерпретировать как полный отрыв радикальной частицы. Данный факт, наряду с отсутствием спиновой плотности на частицах СНз, находящихся на кластере, позволяет считать наиболее правдоподобной гипотезу Гарста о свободно диффундирующих радикалах.

5. Теплота реакции образования радикалов СН3На1 + М§п —> СН3' + *М§пНа1 уменьшается с увеличением размера кластера. Если для атома магния данная реакция энергетически невыгодна, то для остальных исследованных кластеров реакция становится экзотермичной. Реакция с фторидами наиболее энергетически выгодна, говоря о кинетической; а не энергетической инертности фторидов в реакции образования реагента Гриньяра. Образование фенильных радикалов в С6Н5На1 + —> С6Н5' + ']У^пНа1 является эндотермическим процессом для большинства исследуемых кластеров, что находится в соответствии с малым количеством фенильных радикалов, образующихся в реакции образования реагента Гриньяра.

6. Молекулы эфира могут безбарьерно отрывать от кластера CH3MgnCl молекулу метилмагний хлорида с образованием комплекса CH3MgCl•2(CHз)20 - реагента Гриньяра. Таким образом, на молекулярном уровне показано, что главной ролью эфира является растворение образующегося магнийорганического соединения. Процесс становится менее экзотермичным при увеличении размера кластера, что связано с увеличением стабильности кластера магния. Отметим, что для успешного процесса сольватации необходимо связывание СН3 и С1 через соседний атом магния, в противном случае происходит адсорбция молекул эфира.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Порсев, Виталий Вениаминович, 2008 год

1. Кери Ф., Сандберг Р. Углубленный курс органической химии. Т. 2. 1981, Москва, Химия, 456 с.

2. Grignard Reagents from Acros Organics И Acros Organics USA, www.acros.com.

3. Уэйкфилд Б.Д. Металлоорганическая химия в Общая органическая химия, ред. Джонс Д.Н., 1984, Москва, Химия, 472 с.

4. Garst J.F., Soriaga М.Р. Grignard reagent formation II Coordination Chemistry Reviews. 248(2004) 623-652.

5. Иоффе C.T., Несмеянов A.H. Методы элементоорганической химии II T. 3. 1963, Москва, Издательство АН СССР, 630 с.

6. Кунц А. Кластерная теория хемосорбции в Терия хемосорбции, ред. Смит Д., 1983, Москва, Мир, 167 с.

7. Bodewitz H.W.H.J., Blomberg С., Bickelhaupt F. CIDNP evidence for a radical pathway in the formation of Grignard reagents II Tetrahedron Letters. (1972)281-284.

8. Химическая энциклопедия, ред. Кнунянц И.Л. Т. 1. 1988, Москва, Советская энциклопедия, 623 с.

9. Ashby Е.С., Oswald J. Concerning the Mechanism of Grignard Reagent Formation. Evidence for Radical Escape and Return to the Surface of Magnesium // Journal of Organic Chemistry. 53(1988)6068-6076.

10. Hill C.L., Vander Sande J.B., Whitesides G.M. Mechanism of Formation of Grignard Reagents. Corrosion of Metallic Magnesium by Alkyl Halides in Ethers II Journal of Organic Chemistry. 45(1980) 1020-1028.

11. Rogers H.R., Deutch J., Whitesides G.M. Mechanism of Formation of Grignard Reagents. The Rate of Reaction of Cyclopropyl Bromide with Magnesium Is Transport Limited in Diethyl Ether I I Journal of Americal Chemical Society. 102(1980)226-231.

12. Koon-Church S.E., Oyler C.E., Hill J.H.M., Bowyer W.J. Visualization of the AreaI Distribution of the Reactivity ofMagnesium Surfaces in the Formation of Grignard Reagent II Journal of Organic Chemistry. 58(1993)3225-3226.

13. Teerlinck C.E., Bowyer W.J. Reactivity of Magnesium Surfaces during the Formation of Grignard Reagents II Journal of Organic Chemistry. 61(1996) 1059-1064.

14. Walborsky II.M., Zimmermann C. The Surface Nature of Grignard Reagent Formation: Cyclopropylmagnesium Bromide II Journal of Americal Chemical Society. 114(1992)4996-5000.

15. Garst J.F., Ungvary F., Baxter J.T. Definitive Evidence of Diffusing Radicals in Grignard Reagent Formation II Journal of Americal Chemical Society. 119(1997)253-254.i ■

16. Garst J.F., Boone J.R., Webb L., Lawrence K.E., Baxter J.T., Ungvary F. Grignard reagent formation from aryl halides. There is no aryl radical intermediate along the dominant reaction channel II Inorg. Chim. Acta. 296(1999) 52-66.

17. Walter R.I. Absence of Detectable Freely Diffusing Radicals during the Formation of an Aromatic Grignard Reagent II Journal of Organic Chemistry. 65(2000) 5014-5015.

18. Skell P.S., Girard J.E, Some Reactions of Ground-State Magnesium Atoms II Journal of Americal Chemical Society. 94(1972) 5518-5519.

19. Ault B.S. Infrared Matrix Isolation Study of Magnesium Metal Atom Reactions. Spectra of an Unsolvated Grignard Species I I Journal of Americal Chemical Society. (1980) 3480-3484.

20. Bare W.D., Andrews L. Formation of Grignard Species from the Reaction of Methyl Halides with Laser-Ablated Magnesium Atoms. A Matrix Infrared Strudy ofCHsMgF, CH3MgCl, CH3MgBr and CH3MgI II Journal of Americal Chemical Society. 120(1998)7293-7301.

21. Sakai S., Jordan K.D. Ah Initio Study of the Structure and Vibrational Frequencies of the Grignard Reagent CHsMgCl // Journal of Americal Chemical Society. 104(1982)4019-4023.

22. Solov'ev V.N., Sergeev G.B., Nemukhin A.V., Burt S.K., Topol I.A. IR Matrix Isolation and ab Initio Identification of Products of the Reactions of CH3Cl and CH3Br with Mg I I The Journal of Physical Chemistry A. (1997) 8625.

23. Davis S.R. Ab Initio Study of the Insertion Reaction of Mg into the CarbonHalogen Bond of Fluoro- and Chloromethane II Journal of Americal Chemical Society. 113(1991)4145-4150. ;

24. Тулуб A.A. Механизм реакции Гринъяра спустя сто лет после открыты. II Журнал общей химии. 72(2002) 948-955.

25. Jasien P.G., Dykstra С.Е. The Influence of a Second Magnesium Atom in Unsolvated Magnesium-Hydrogen Halide Reactions II Journal of Americal Chemical Society. 107(1985) 1891-1895.

26. Лахно В.Д. Кластеры в физике, химии, биологии // 2001, Ижевск, Регулярная и хаотическая динамика, 256 с. 1

27. Brack М. The physics of simple metal clusters: self-consistent jellium model and semiclassical approaches I I Reviews of Modern Physics. 63(1993) 676732.31.