Iz nihanja sem razvil reakcijski profil reakcije. Iz enega modela sem tako dobil
zaporedje modelov, pri katerih se dolžina novonastalih vezi (in s tem tvorbena energija prehodnega stanja) spreminja. Model, ki je bil najbližje prevojni točki profila reakcije, je ustrezal prehodnemu stanju (slika 3.4). Tako sem izračunal energijo aktivacije ter spremembo energije med reaktanti in produkti.
17
Pri primerih m8p in m2p so rezultati pokazali nižjo energijo aktivacije pri endo aduktu.
Endo produkt se je izkazal tudi za rahlo bolj stabilnega. Razlika je bila 14,78 kJ/mol za prvi in 34,23 kJ/mol za drugi primer. Pri primeru m4p so bile razlike med energijo aktivacije in reakcije zanemarljive. Rezultati tako kažejo na rahlo kinetičo endo selektivnost reakcije pri primerih m8p in m2p, pri primeru m4p pa kinetične selektivnosti ni.
Rezultati, prikazani v tabeli 3.2, so pokazali na rahlo kinetično in termodinamsko endo selektivnost v prvi stopnji reakcije pri primerih izhodnih spojin, ki so imeli večje funkcionalne skupine R3. Razlog za selektivnost je tako verjetno sterična oviranost pri ekso konformaciji. Eksperimentalni podatki iz literature kažejo, da celotna reakcija vodi skoraj izključno do simetričnega dvojnega ekso adukta [10]. Po prvi stopnji reakcije pride do retro-Diels–Alderjevega odcepa molekule CO2 in posledično izgubo enega elementa asimetrije, kar zmanjša možno število stereoizomernih produktov iz dveh parov enantiomerov na samo en par enantiomerov cikloheksadienskega intermediata.
Selektivnost pri prvi stopnji reakcije tako nima bistvenega vpliva na strukturo končnega produkta. V drugi cikloadicijski reakciji ima dienofil zopet enako možnost napada tako iz endo kot iz ekso strani glede na maleinanhidrid in pa iz sin in anti strani glede na sukcinanhidridni obroč. Prevladujoč ekso,ekso produkt tako nastane, če druga stopnja cikloadicije poteka na endo-anti način [13].
Tabela 3.2: Izračunane tvorbene energije reaktantov, prehodnih stanj in intermediatov ter energija aktivacije za endo in ekso prehodna stanja produktov m8, m2 in m4.
Metodo, ki sem jo izbral, pa sem moral nekoliko poenostaviti zaradi kompleksnosti računa. Model reakcije poteka v vakuumu, zato v izračun niso všteti morebitni vplivi topila. Moja sklepanja slonijo na izračunanih tvorbenih entalpijah posameznih molekul produkta. Takšno obravnavanje pa gotovo zanemari marsikateri vpliv okolice na reakcijo.
# Produkt E reaktantov
[kJ/mol] E prehodnega
stanja [kJ/mol] E produkta
[kJ/mol] E
18
Slika 3.4: Reakcijski profil reakcije (tvorbena energija molekule v odvisnosti od reakcijske koordinate) za ekso (zgoraj) in endo (spodaj) produkt m2p. Označena točka je najbližje prevojni točki krivulje in tako
ustreza prehodnemu stanju.
19
3.4 Primerjava rezultatov
Za primerjavo in potrditev rezultatov, dobljenih z metodo molekulskega modeliranja, sem izračunal prehodno stanje za reakcijo, katere produkti in njihove strukture so eksperimentalno znani. Podobni reakciji, kot sem jih raziskoval, sta Diels–Alderjeva cikloadicija etil vinil etra na 3-benzoilamino-6-metil-5-metoksikarbonil-2H-piran-2-on (3a) in Diels–Alderjeva cikloadicija cikloheksil vinil etra na 5-benzoil-3-benzoilamino-6-metil-2H-piran-2-on (3d). Eksperimentalno dobljen produkt obeh reakcij je endo stereoizomer 7-oksabiciklo[2.2.2]oktenskega sistema, ki se ga da uspešno izolirati.
Struktura obeh produktov je bila potrjena z rentgensko difrakcijsko analizo monokristala [14]. Oba produkta sta prikazana v sliki 3.5.
Slika 3.5: Endo stereoizomera dveh 7-oksabiciklo[2.2.2]oktenskih sistemov, ki sta bila uspešno izolirana in karakterizirana z rentgensko difrakcijo [11].
Po enakem postopku sem izvajal izračun tako na endo kot na ekso produktih in rezultate, prikazane v tabeli 3.3, primerjal z znanimi eksperimentalnimi podatki.
Rezultati so bili presenetljivi. Za primer 3a sem dobil negativno aktivacijsko energijo, kar seveda ni smiselno.
Na primeru 3d pa kažejo rezultati na nekoliko bolj ugoden potek za ekso konformacijo produkta. To seveda ne ustreza eksperimentalnim podatkom, ki jasno kažejo, da je endo potek reakcije ugodnejši.
20
Tabela 3.3: Izračunane tvorbene energije reaktantov, prehodnih stanj in intermediatov ter energija aktivacije za endo in ekso prehodna stanja produktov 3a in 3d.
Takšni rezultati jasno pokažejo, da računskim metodam pogosto ni povsem za zaupati, saj na reakcijo vpliva marsikaj drugega kot samo stabilnost produktov in energijska bariera, ob tem pa povsem zanemarijo topilo, nekatere reakcijske pogoje in celo entropijske prispevke k spremembi energije [29]. Vse metode molekulskega
modeliranja slonijo na poenostavitvah izračuna elektronske gostote sistema, kar pomeni, da dobljeni rezultati posameznih metod sami po sebi vedno odstopajo od dejanskega stanja sistema. Izbira primerne metode glede na obravnavan sistem je tako pomemben dejavnik, ki izboljša točnost rezultata [30].
Zanesljivost rezultatov je obenem tudi odvisna od obravnavanih struktur in
mehanizmov reakcije. Če je predlagana struktura za izračun bodisi preveč kompleksna, bodisi reakcija poteka po kompleksnejšem mehanizmu od predvidenega, ima program lahko težave pri izračunu, kar posledično vodi do napačnih rezultatov. Izračun se lahko tudi zatakne v rešitvi, ki ni smiselna. Lahko pa preprosto nimamo ustrezno močnega računalnika, da bi zahtevane izračune opravili v smiselnem času. Drugo stopnjo cikloadicije maleinanhidrida mi zaradi teh težav po istem postopku molekulskega modeliranja ni uspelo obravnavati.
Kljub temu so računske metode sila uporabne za grobo oceno poteka reakcij, pod pogojem, da imamo eksperimentalne podatke, s katerimi lahko primerjamo rezultate izračunov.
# Produkt E reaktantov
[kJ/mol] E prehodnega
stanja [kJ/mol] E produkta
[kJ/mol] E aktivacije
21
4 Eksperimentalni del 4.1 Aparature
Masni spektri so bili posneti z masnim spektrometrom Agilent 6624 Accurate Mass TOF LC/MS z uporabo ESI ionizacije. IR spektri so bili posneti na spektrofotometru Bruker Alpha Platinum ATR FT-IR. Podal sem le karakterističnee vrhove IR spektra za posamezen produkt. Tališča so bila izmerjena na avtomatskem merilniku OptiMelt MPA100.
Molekulsko modeliranje sem izvajal v programu Spartan14v114. Za izračun
minimizacije geometrije in energij molekul ter iskanja prehodnega stanja sem uporabil semiempirično metodo PM6. Izračune sem izvajal na osebnem računalniku.
22
4.2 Sinteza biciklo[2.2.2]oktenskih sistemov z maleinanhidridom
4.2.1 Sinteza 2,3;5,6-dianhidrida
1-benzoilamino-2-metil-4-(2-tienil)biciklo[2.2.2]okt-7-en-2ekso, 3ekso, 5ekso, 6ekso-tetrakarboksilne kisline (m1)
V 50 mL bučko sem zatehtal 1,254 g (4,032 mmol) 3-benzoilamino-4-metil-6-(2-tiofenil)-2H-piran-2-ona in 1,518 g (16 mmol) maleinanhidrida. Zmesi sem dodal 12 mL tetralina in raztopino 2 h segreval pod refluksom. Po končanem refluktiranju sem bučko čez noč hladil v hladilniku, da je izpadlo čim več produkta. Odvečni tetralin sem previdno odlil in izpadli oborini nato dodal približno 2 mL metanola ter jo s spatulo mehansko strl. Rumene kristale produkta sem nato odnučal in posušil z metanolom.
Tako sem dobil približno 1,204 g produkta.
IR: (cm-1) = 3463, 2970, 1856, 1787, 1658, 1513
MS (ESI) = m/z C24H17NO7S (MH+): izračunana 464,0798; izmerjena 464,0799 izkoristek: 1,204 g (64,5 %)
Tt = (272,6–283,4) °C
23
4.2.2 Sinteza 2,3;5,6-dianhidrida 1-benzoilamino-8-etoksikarbonil-4-etoksikarbonilmetilbiciklo[2.2.2]okt-7-en-2ekso, 3ekso, 5ekso, 6ekso-tetrakarboksilne kisline (m2)
V 50 mL bučko sem zatehtal 1,507 g (4,04 mmol) 3-benzoilamino-5-etoksikarbonil-6-etoksikarbonilmetil-2H-piran-2-ona in 1,508 g (16 mmol) maleinanhidrida. Zmes sem raztopil v 12 ml tetralina in jo 3 h segreval pod refluksom. Ohlajeno zmes sem tri dni hladil v hladilniku in nato odlil preostanek tetralina. Izpadli oborini sem nato dodal približno 2 mL metanola in jo mehansko strl ter homogeniziral s spatulo. Oborino sem nato odnučal in spral z metanolom. Tako sem dobil približno 0,242 g produkta.
IR: (cm-1) = 3358, 3077, 2982, 1792, 1732, 1708, 1667, 1540
MS (ESI) = m/z C26H23NO11 (MH+): izračunana 526,1344; izmerjena 526,1336 izkoristek = 0,242 g (6,2 %)
Tt = (260,3–294,0) °C
24
4.2.3 Sinteza 2,3;5,6-dianhidrida 1-benzoilamino-8-metoksikarbonil-4-metoksikarbonilmetilbiciklo[2.2.2]okt-7-en-2ekso, 3ekso, 5ekso, 6ekso-tetrakarboksilne kisline (m3)
V 100 mL bučko sem zatehtal 2,732 g (8 mmol) 3-benzoilamino-5-metoksikarbonil-6-metoksikarbonilmetil-2H-piran-2-ona in 3,049 g (32 mmol) maleinanhidrida. Zmes sem raztopil v 24 mL tetralina in raztopino segreval pod refluksom 3,5 h. Po končanem segrevanju sem zmes hladil tri dni v hladilniku. Zmesi sem nato dodal nekaj metanola in jo s spatulo čim bolj homogeniziral. Oborino sem nato odnučal in spral z metanolom.
Tako sem dobil 0,183 g produkta.
IR: (cm-1) = 3361, 3088, 2955, 1796, 1737, 1719, 1667, 1603, 1548
MS (ESI) = m/z C24H19NO11 (MH+): izračunana 498,1031; izmerjena 498,1026 izkoristek = 0,183 g (9,8 %)
Tt = (250,0–304,5) °C
25
4.2.4 Sinteza 2,3;5,6-dianhidrida
1-benzoilamino-8-etoksikarbonil-4-metilbiciklo[2.2.2]okt-7-en-2ekso, 3ekso, 5ekso, 6ekso-tetrakarboksilne kisline (m4)
V 100 mL bučko sem zatehtal 2,413 g (8,01 mmol) 3-benzoilamino-5-etoksikarbonil-6-metil-2H-piran-2-ona in 2,993 g (32 mmol) maleinanhidrida in oboje raztopil v 24 mL tetralina. Zmes sem nato segreval pod refluksom 4 h. Po končanem segrevanju sem zmes ohladil, preostanek tetralina odlil in dodal 2 mL metanola. Izpadlo oborino sem odnučal in spiral z acetonom. Produkt je bil povsem netopen v acetonu, zato sem ga lahko na ta način temeljito očistil. Tako sem dobil 1,808 g produkta.
IR: (cm-1) = 3352, 3071, 2977, 2938, 1788, 1704, 1651, 1540
MS (ESI) = m/z C23H19NO9 (MH+): izračunana 454,1133; izmerjena 454,1131 izkoristek = 1,808 g (49,8 %)
Tt = (279,4–314,9) °C
26
4.2.5 Sinteza 2,3;5,6-dianhidrida
1-benzoilamino-4-metil-8-metoksikarbonilbiciklo[2.2.2]okt-7-en-2ekso, 3ekso, 5ekso, 6ekso-tetrakarboksilne kisline (m5)
V 100 mL bučko sem zatehtal 2,297 g (8 mmol)
3-benzoilamino-6-metil-5-metoksikarbonil-2H-piran-2-ona, 3,039 g (32 mmol) maleinanhidrida in raztopil v 20 mL tetralina. Zmes sem segreval pod refluksom 4 h. Po končanem segrevanju sem zmes ohladil in odlil preostanek tetralina. Oborini sem dodal 2 mL metanola ter jo s pomočjo spatule mehansko homogeniziral. Oborino sem odnučal in spral z acetonom. Tako sem dobil 1,624 g produkta.
IR: (cm-1) = 3354, 3076, 2979, 2947, 1789, 1714, 1653, 1539
MS (ESI) = m/z C22H17NO9 (MH+): izračunana: 440,0976; izmerjena: 440,0972 izkoristek = 1,624 g (46,2 %)
Tt = (274,3–304,8) °C
27
4.2.6 Sinteza 2,3;5,6-dianhidrida 1-benzoilamino-4-(2-tienil)biciklo[2.2.2]okt-7-en-2ekso, 3ekso, 5ekso, 6ekso-tetrakarboksilne kisline (m6)
V 100 mL bučko sem zatehtal 2,364 g (8 mmol) 3-benzoilamino-6-(2-tiofenil)-2H-piran-2-ona, 3,017 g (32 mmol) maleinanhidrida in raztopil v 20 mL tetralina. Zmes sem segreval pod refluksom 4 h. Po končanem segrevanju sem zmes ohladil in odlil preostanek tetralina. Oborini sem dodal 2 mL metanola in jo mehansko homogeniziral s spatulo. Oborino sem nato odnučal in spral z acetonom. Tako sem dobil 2,187 g
produkta.
IR: (cm-1) = 3374, 3058, 3007, 2985, 1850, 1779, 1767, 1523, 1487
MS (ESI) = m/z C23H15NO7S (MH+): izračunana 450,0640; izmerjena 450,0635 izkoristek = 2,187 g (61,2 %)
Tt = (271,8–287,9) °C
28
4.2.7 Sinteza 2,3;5,6-dianhidrida 1-benzoilamino-4-(2-furil)biciklo[2.2.2]okt-7-en-2ekso, 3ekso, 5ekso, 6ekso-tetrakarboksilne kisline (m7)
V 100 mL bučko sem zatehtal 2,259 g (8 mmol) 3-benzoilamino-4-(2-furil)-2H-piran-2-ona ter 3,001 g (32 mmol) maleinanhidrida in raztopil v 20 mL tetralina. Zmes sem segreval pod refluksom 4 h. Po končanem segrevanju sem zmes ohladil in odlil odvečen tetralin. Oborini sem dodal 2 mL metanola ter jo s spatulo mehansko homogeniziral.
Oborino sem odnučal in spral z acetonom. Tako sem dobil 1,163 g produkta.
IR: (cm-1) = 3369, 3067, 2988, 1857, 1782, 1664, 1529, 1489
MS (ESI) = m/z C23H15NO8 (MH+): izračunana 434,0870; izmerjena 434,0865 izkoristek = 1,163 g (33,4 %)
Tt = (275,6–292,6) °C
29
4.2.8 Sinteza 2,3;5,6-dianhidrida
1-benzoilamino-4-(2-furil)-7-metilbiciklo[2.2.2]okt-7-en-2ekso, 3ekso, 5ekso, 6ekso-tetrakarboksilne kisline (m8)
V 100 mL bučko sem zatehtal 2,381 g (8 mmol) 3-benzoilamino-6-(2-furil)-4-metil-2H-piran-2-ona in 3,018 g (32 mmol) maleinanhidrida. Dodal sem še 20 mL tetralina in raztopino segreval pod refluksom 4 h. Po končanem segrevanju sem zmes ohladil in odlil preostanek tetralina. Oborini sem dodal 2 mL metanola in jo s spatulo mehansko homogeniziral. Oborino sem odnučal in spral z acetonom. Tako sem dobil 2,496 g produkta.
IR: (cm-1) = 3470, 2971, 1856, 1695, 1662, 1513, 1491
MS (ESI) = m/z C24H17NO8 (MH+): izračunana 448,1027; izmerjena 448,1019 izkoristek = 2,496 g (69,2 %)
Tt = (272,6–283,4) °C
30
4.3
Izračun energije prehodnega stanja prve stopnje cikloadicije
V programu Spartan14v114 sem za vsak primer sestavil molekule izhodnih spojin in produktov ter jih z uporabo PM6 metode energijsko minimiziral in izračunal njihovo tvorbeno energijo. Nato sem se lotil iskanja prehodnega stanja tako za endo kot za ekso produkt. Novonastale vezi med dienom in dienofilom sem podaljšal in fiksiral na dolžino 2 Å. Približek prehodnega stanja sem znova energijsko minimiziral in uporabil za izračun prehodnega stanja in vibracijskega spektra. V vibracijskem spektru se je pojavila točno ena imaginarna (negativna) frekvenca, ki ustreza nihanju molekule v smeri nastanka oz. razpada prehodnega stanja. Energija pripadajoče strukture ustreza energiji prehodnega stanja. Postopek je enak tako za ekso kot za endo produkt posameznega primera. Izračun sem za vse primere omejil na 100000 ciklov.
31
4.3.1 Izračun prehodnega stanja prve stopnje cikloadicije maleinanhidrida na 3-benzoilamino-6-(2-furil)-4-metil-2H-piran-2-on
V programu Spartan14v114 sem sestavil molekulo 3-benzoilamino-6-(2-furil)-4-metil-2H-piran-2-ona, jo energijsko minimiziral ter izračunal njeno tvorbeno energijo. Enako sem storil za molekulo maleinanhidrida. Nato sem sestavil končni produkt reakcije, ga energijsko minimiziral ter izračunal tvorbeno energijo. Nato sem novonastale vezi podaljšal na 2,000 Å ter znova poiskal novo energijsko najugodnejšo strukturo
molekule. Iz novonastale strukture sem se lotil izračuna prehodnega stanja ter izračuna vibracijskega IR spektra. Po končanem izračunu sem v izračunanem spektru dobil točno eno negativno razpadno frekvenco. Dobljeno nihanje sem razčlenil na 20 posameznih struktur in jim vsem posebej izračunal energijo. Tako sem dobil energijski profil
reakcije, v kateri struktura z najvišjo energijo predstavlja prehodno stanje. Postopek sem ponovil še za drugo konformacijo produkta.
E (začetna spojina) = –331,2 kJ/mol E (maleinanhidrid) = –353,92 kJ/mol
Produkt E (reaktantov) E (prehodnega stanja)
E (končna) E (aktivacije) ΔE
endo –685,12 kJ/mol –590,66 kJ/mol –785,69 kJ/mol 67,46 kJ/mol –100,57 kJ/mol ekso –685,12 kJ/mol –573,28 kJ/mol –770,91 kJ/mol 141,87 kJ/mol –85,79 kJ/mol
32
4.3.2 Izračun prehodnega stanja prve stopnje cikloadicije maleinanhidrida na 3-benzoilamino-5-etoksikarbonil-6-etoksikarbonilmetil-2H-piran-2-on
V programu Spartan14v114 sem sestavil molekulo 3-benzoilamino-4-etoksikarbonil-6-etoksikarbonilmetil-2H-piran-2-ona, jo energijsko minimiziral ter izračunal njeno tvorbeno energijo. Enako sem storil za molekulo maleinanhidrida. Nato sem sestavil končni produkt reakcije, ga energijsko minimiziral ter izračunal tvorbeno energijo. Nato sem novonastale vezi podaljšal na 2,000 Å ter znova poiskal novo energijsko
najugodnejšo strukturo molekule. Iz novonastale strukture sem se lotil izračuna prehodnega stanja ter izračun vibracijskega IR spektra. Po končanem izračunu sem v izračunanem spektru dobil točno eno negativno razpadno frekvenco. Dobljeno nihanje sem razčlenil na 20 posameznih struktur in vsem posebej izračunal energijo. Tako sem dobil energijski profil reakcije, v kateri struktura z najvišjo energijo predstavlja
prehodno stanje. Postopek sem ponovil še za drugo konformacijo produkta.
E (začetna spojina) = –1025,62 kJ/mol
E (maleinanhidrid) = –353,92 kJ/mol
Produkt E (reaktantov) E (prehodnega stanja)
33
4.3.3 Izračun prehodnega stanja prve stopnje cikloadicije maleinanhidrida na 3-benzoilamino-5-etoksikarbonil-6-metil-2H-piran-2-on
V programu Spartan14v114 sem sestavil molekulo 3-benzoilamino-4-etoksikarbonil-6-metil-2H-piran-2-ona, jo energijsko minimiziral ter izračunal njeno tvorbeno energijo.
Enako sem storil za molekulo maleinanhidrida. Nato sem sestavil končni produkt reakcije, ga energijsko minimiziral ter izračunal tvorbeno energijo. Nato sem
novonastale vezi podaljšal na 2,000 Å ter znova poiskal novo energijsko najugodnejšo strukturo molekule. Iz novonastale strukture sem se lotil izračuna prehodnega stanja ter izračun vibracijskega IR spektra. Po končanem izračunu sem v izračunanem spektru dobil točno eno negativno razpadno frekvenco. Dobljeno nihanje sem razčlenil na 20 posameznih struktur in vsem posebej izračunal energijo. Tako sem dobil energijski profil reakcije, v kateri struktura z najvišjo energijo predstavlja prehodno stanje.
Postopek sem ponovil še za drugo konformacijo produkta.
E (začetna spojina) = –681,02 kJ/mol E (maleinanhidrid) = –353,92 kJ/mol
Produkt E (reaktantov) E (prehodnega stanja)
34
4.3.4 Izračun prehodnega stanja prve stopnje cikloadicije etil vinil etra na 3-benzoilamino-6-metil-5-metoksikarbonil-2H-piran-2-on
V programu Spartan14v114 sem sestavil molekulo
3-benzoilamino-6-metil-5-metoksikarbonil-2H-piran-2-ona, jo energijsko minimiziral ter izračunal njeno tvorbeno energijo. Enako sem storil za molekulo dienofila etil vinil etra. Nato sem sestavil končni produkt reakcije, ga energijsko minimiziral ter izračunal tvorbeno energijo. Nato sem novonastale vezi podaljšal na 2,000 Å ter znova poiskal novo energijsko najugodnejšo strukturo molekule. Iz novonastale strukture sem se lotil izračuna prehodnega stanja ter izračuna vibracijskega IR spektra. Po končanem izračunu sem v izračunanem spektru dobil točno eno negativno razpadno frekvenco. Dobljeno nihanje sem razčlenil na 20 posameznih struktur in vsem posebej izračunal energijo. Tako sem dobil energijski profil reakcije, v kateri struktura z najvišjo energijo predstavlja prehodno stanje.
Postopek sem ponovil še za drugo konformacijo produkta.
E (začetna spojina) = –429,16 kJ/mol E (etil vinil eter) = –137,34 kJ/mol
Produkt E (reaktantov) E (prehodnega stanja)
E (končna) E (aktivacije) ΔE
endo –566,5 kJ/mol –595,39 kJ/mol –725,47 kJ/mol –28,89 kJ/mol –158,97 kJ/mol ekso –566,5 kJ/mol –597,50 kJ/mol –679,05 kJ/mol –31,0 kJ/mol –112,55 kJ/mol
35
4.3.5 Izračun prehodnega stanja prve stopnje cikloadicije cikloheksil vinil etra na 5-benzoil-3-benzoilamino-6-metil-2H-piran-2-on
V programu Spartan14v114 sem sestavil molekulo 5-benzoil-3-benzoilamino-6-metil-2H-piran-2-ona, jo energijsko minimiziral ter izračunal njeno tvorbeno energijo. Enako sem storil za molekulo dienofila cikloheksil vinil etra. Nato sem sestavil končni produkt reakcije, ga energijsko minimiziral ter izračunal tvorbeno energijo. Nato sem
novonastale vezi podaljšal na 2,000 Å ter znova poiskal novo energijsko najugodnejšo strukturo molekule. Iz novonastale strukture sem se lotil izračuna prehodnega stanja ter izračuna vibracijskega IR spektra. Po končanem izračunu sem v izračunanem spektru dobil točno eno negativno razpadno frekvenco. Dobljeno nihanje sem razčlenil na 20 posameznih struktur in vsem posebej izračunal energijo. Tako sem dobil energijski profil reakcije, v kateri struktura z najvišjo energijo predstavlja prehodno stanje.
Postopek sem ponovil še za drugo konformacijo produkta.
E (začetna spojina) = –348,87 kJ/mol E (cikloheksil vinil eter) = –195,91 kJ/mol
Produkt E (reaktantov) E (prehodnega stanja)
E (končna) E (aktivacije) ΔE
endo –544,78 kJ/mol –504,78 kJ/mol –630,85 kJ/mol 40,00 kJ/mol –86,07 kJ/mol ekso –544,78 kJ/mol –509,36 kJ/mol –635,07 kJ/mol 35,47 kJ/mol –90,29 kJ/mol
36
37
5 Zaključek
V svojem magistrskem delu sem z dvema različnima pristopoma obravnaval Diels–
Alderjevo cikloadicijo maleinanhidrida kot dienofila na različno substituirane 3-benzoilamino-2H-piran-2-one.
Z laboratorijskimi eksperimenti sem obravnaval vpliv različnih funkcionalnih skupin na potek in izkoristek reakcije cikloadicije maleinanhidrida. Pripravil sem osem
biciklo[2.2.2]oktenskih produktov, ki so vsebovali različne kombinacije aromatskih, elektron donorskih in elektron akceptorskih funkcionalnih skupin. Ugotovil sem, da reakcija najlažje poteka na elektronsko bogatih 2H-piran-2-onskih sistemih, torej takih, ki vsebujejo elektron donorske skupine, vezane na 2H-piran-2-onski obroč. Elektron donorske in aromatske funkcionalne skupine so močno izboljšale praktične izkoristke reakcij. Prisotnost le elektronsko akceptorskih estrskih skupin (ki močno zmanjša elektronsko gostoto 2H-piran-2-onskega sistema) pa izkoristek močno poslabša. To dokazuje, da raziskovane Diels–Alderjeve reakcije potekajo z normalnimi elektronskimi zahtevami.
Z metodo PM6 sem obravnaval ekso in endo selektivnost prve stopnje cikloadicijske reakcije maleinanhidrida, ki vodi do 7-oksabiciklo[2.2.2]oktenskih sistemov. Izračunal sem višino energijske bariere in ocenil, kako se spreminja glede na ekso in endo model prehodnega stanja reakcije. Računski eksperiment sem izvedel na modelu ene molekule prehodnega stanja produkta v vakuumu, ki sem mu izračunal tvorbeno entalpijo. Na podlagi razlik v tvorbenih entalpijah prehodnega stanja, ki ustrezajo višini energijske bariere, sem tako primerjal kinetiko obeh možnih potekov reakcije.
Postopek sem ponovil na dveh primerih cikloadicije vinil etra kot analoga
maleinanhidrida na 2H-piran-2-onske sistema, ko je stereoselektivnost reakcije znana in računske rezultate primerjal z eksperimentalnimi podatki (strukture so bile predhodno določene z rentgensko difrakcijo na monokristalih). Računski rezultati se niso povsem ujemali z eksperimentalnimi podatki v literaturi, kar pomeni, da ima izbrana računska metoda pomanjkljivosti. To je do neke mere razumljivo, saj je uporabljena metoda močno poenostavljena in med drugim ne upošteva vpliva okolice (topila) na reakcijo.
38
39
6. Literatura
1. Fringuelli, F.; Taticchi, A.: The Diels-Alder Reaction: Selected Practical Methods. Chichester: John Wiley & Sons 2002, 1–25.
2. Štefane, B.; Perdih, A.; Pevec, A.; Šolmajer, T.; Kočevar, M.: The Participation of 2H-Pyran-2-ones in [4+2] Cycloadditions: An Experimental and
Computational Study. Eur. J. Org. Chem. 2010, 30, 5870–5883.
3. Kranjc, K.; Kočevar, M.: Diels–Alder reaction of highly substituted 2H-pyran-2-ones with alkynes: reactivity and regioselectivity. New J. Chem., 2005, 29, 1027–1034.
4. Woodward, R. B.; Hoffmann, R.: Stereochemistry of Electrocyclic Reactions. J.
Am. Chem. Soc. 1965, 87, 395–397.
5. Woodward, R. B.; Hoffmann, R.: Selection Rules for Concerted Cycloaddition Reactions. J. Am. Chem. Soc. 1965, 87, 2046–2048.
6. Woodward, R. B.; Hoffmann, R.: Orbital Symmetries and Exo-Endo
Relationships in Concerted Cycloaddition Reactions. J. Am. Chem. Soc. 1965, 87, 4388–4389.
7. Nicolau, K. C.; Snyder, S. A.; Montagnon, T.; Vassilikogiannakis, G.: The Diels–Alder Reaction in Total Synthesis. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 1668–1698.
8. Baochao, Y.; Gao, S.: Recent advances in the application of Diels–Alder reactions involving o-quinodimethanes, aza-o-quinone methides and o-quinone methides in natural product total synthesis. Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 7926-7953.
40
9. Gregoritza, M., Brandl, F. P.: The Diels–Alder reaction: A powerful tool for the design of drug delivery systems and biomaterials. Eur. J. Pharm. Biopharm.
2015, 97, 438–453.
10. Kranjc, K.; Leban, I.; Polanc, S.; Kočevar, M.: Diels–Alder cycloaddition of highly substituted pyran-2-ones with maleic anhydride. Heterocycles 2002, 58, 183–190.
11. Kepe, V.; Kočevar, M.; Polanc, S.; Verček, B.; Tišler, M.: A simple and general one-pot synthesis of some 2H-pyran-2-ones and fused pyran-2-ones.
Tetrahedron 1990, 46, 2081–2088.
12. Kranjc, K.; Kočevar, M.: Regio- and stereoselective syntheses and
cycloadditions of substituted 2H-pyran-2-ones and their fused derivatives.
ARKIVOC 2013, (i), 333–363.
13. Kranjc, K., Perdih, F., Kočevar, M.: Effect of ring size on the exo/endo selectivity of a thermal double cycloaddition of fused pyran-2-ones. J. Org.
Chem. 2009, 74, 6303–6306.
14. Kranjc, K., Juranovič, A., Kočevar, M., Perdih, F.: Supramolecular Diversity of Oxabicyclo[2.2.2]octenes Formed between Substituted 2H-Pyran-2-ones and Vinyl-Moiety-Containing Dienophiles. Symmetry 2020, 12, 1714–1737.
15. Effenberger, F.; Ziegler, T.: Diels-Alder-Reaktionen mit 2H-Pyran-2-onen:
Reaktivität und Selektivität. Chem. Ber. 1987, 120, 1339–1356.
16. Juranovič, A.; Kranjc, K.; Perdih, F.; Polanc, S.; Kočevar, M.: Comparison of the reaction pathways and intermediate products of a microwave-assisted and high-pressure-promoted cycloaddition of vinyl-moiety-containing dienophiles on 2H-pyran-2-ones. Tetrahedron 2011, 67, 3490–3500.
41
17. Hren, J.; Polanc, S.; Kočevar, M.: The synthesis and transformations of fused
17. Hren, J.; Polanc, S.; Kočevar, M.: The synthesis and transformations of fused