DFT-аналіз протолітичної рівноваги деяких 5-(арил)- 4-(метил,аміно)-1,2,4-тріазол-3(2Н)-тіонів
DOI:
https://doi.org/10.14739/2409-2932.2022.2.254474Ключові слова:
DFT-аналіз, 1,2,4-тріазол, тіон-тіольна таутомерія, сольватація, водневий зв’язокАнотація
Використання сучасних комп’ютерних методів в аспектах квантової хімії та системний аналіз їхніх результатів дають уявлення про реакційну здатність органічних сполук, а також необхідні для розуміння сутності відомих експериментальних даних, коректних прогнозів і кількісного оцінювання. Безумовно, теоретичні розрахунки корисні й для розв’язання такої актуальної задачі сучасної хімії, як прототропні рівноваги і властивості речовин у газовій фазі, розчинах і твердому стані.
Мета роботи – дослідження присвячене теоретичному оцінюванню впливу розчинників на таутомерну рівновагу та кислотно-основних властивостей 1,2,4-тріазол-3(2Н)-тіонів, цікавих і в аспекті теорії як об’єкти для вивчення явища прототропної таутомерії, і в аспекті практики, адже широко застосовуються в фармацевтичній промисловості.
Матеріали та методи. Вплив сольватаційних ефектів на таутомерію та протитропні властивості похідних 1,2,4-тріазолів вивчили на прикладі модельних сполук. Усі розрахунки виконали за допомогою програми візуалізації молекулярної ланки Gauss-View 6.0.1 і програмних пакетів Gaussian 98, Gaussian 03. Геометрії основного стану повністю оптимізовані з використанням методу B3LYP/6-31-G(d,p) базисних множин без обмежень симетрії та застосування критеріїв збіжності за замовчуванням. Після оптимізації геометрії здійснили частотні обчислення.
Отже, стаціонарні структури підтвердили, перевіривши, що всі основні стани мають лише реальні частоти, а всі перехідні стани мають лише одну уявну частоту. За допомогою того самого методу встановили базис, що застосовують для оптимізації геометрії. Розрахунки сольватації здійснили в рамках континуальних моделей (D-PCM, C-РСМ, IEF-PCM, IPCM, SCIPCM) дискретних і комбінованих моделей, використавши метод обмеження Хартрі–Фока, метод теорії функціоналу щільності B3LYP із базисними наборами 6-31G (d), 6-31G (d,p), 6-31G++ (d,p), cc-pVDZ, а також напівемпіричні методи в пакеті MOPAC6.
Результати. У рамках теорії самоузгодженого реакційного поля вперше здійснені різноманітні квантово-хімічні розрахунки сольватованих модельних сполук із використанням різних підходів і моделей, варіюванням базису в неемпіричних розрахунках, виявленням ролі ефектів електронної кореляції, способу оптимізації геометрії тощо. Головний етап дослідження – порівняння тенденцій у рівноважній зміні відносної стійкості таутомерних форм тіон-тіольної таутомерії 1,2,4-тріазол-2(3H)-тіонів у газовій фазі та різних прототропних розчинниках внаслідок можливості використання різних моделей і методів розрахунку для якісних прогнозів впливу сольватації на положення таутомерної рівноваги в сполуках цього класу. З’ясували, що обрані розчинники, за даними всіх використаних квантово-хімічних методів і моделей (D-PCM, C-РСМ, IEF-PCM, IPCM, SCIPCM), зменшують різницю в стійкості таутомерних форм досліджених сполук порівняно з газовою фазою. Найбільший стабілізаційний ефект виявили при сольватації NH-таутомерів похідних 1,2,4-тріазол-2(3Н)-тіонів. Використовуючи всі енергетичні параметри (∆Etot, ∆E0, ∆H298, ∆G298), визначили вплив комплексоутворення на відносну стійкість таутомерних форм досліджених сполук. Різниця значень енергії рівнів HOMO та LUMO-орбіталей вказує на реакційну здатність молекули та її енергію активації, а отже на хімічну реакційну здатність молекули до електронного транспорту та біологічної активності з внутрішньомолекулярним перенесенням заряду.
Висновки. Вперше здійснили комплексні квантово-хімічні розрахунки тіон-тіольних таутомерів 5-(арил)-4-(метил,аміно)-1,2,4-тріазол-3(2Н)-тіонів. Виявили, що прототропні розчинники за всіма моделями зменшують різницю за стійкістю таутомерних форм досліджених сполук порівняно з газовою фазою. Суттєвий внесок у відносну стабільність таутомерних форм роблять розраховані значення електронних кореляційних моделей на атомі Гідрогену, а використання поляризаційних функцій квантово-хімічних методів на атомах Гідрогену майже не впливає на таутомерну рівновагу. Отже, в газовій фазі й апротонних розчиниках тіонний таутомер із центром NH-кислотності є найстійкішим, а тіольний таутомер 1,2,4-тріазол-3(2H)-тіону переважає при переході до полярних протонодонорних розчинників. Результати свідчать про можливість проведення реакції електрофільного заміщення (наприклад, алкілування) як аніону. Частково негативний заряд атомів Нітрогену 1,2,4-тріазольного кільця сприяє проведенню реакцій електрофільного приєднання. В тіонній формі можливі реакції електрофільного заміщення.
Посилання
Parchenko, V. V. (2014). Syntez, peretvorennia, fizyko-khimichni ta biolohichni vlastyvosti v riadi 5-furylzamishchenykh 1,2,4-triazol-3-tioniv (Dis. dokt. farm. nauk) [Synthesis, transformation, physico-chemical and biological properties in the number of 5-furylsubstituted 1,2,4-triazole-3-thiones Doctoral dissertation)]. Zaporizhzhia State Medical University, Zaporizhzhia. [in Ukrainian].
Parchenko, V. V., Yerokhin, V. Ye., Panasenko, O. I., & Knysh Ye. H. (2010). Syntez, peretvorennia, fizyko-khimichni vlastyvosti 4-alkil-, aryl- ta 4-aminopokhidnykh 1,2,4-triazol-3-tioliv iz zalyshkamy frahmentiv furanu [Synthesis, transformation, physicochemical properties of 4-alkyl-, aryl- and 4-amino-1,2,4-triazole-3-thiols with residues of furan fragments]. Zaporozhye medical journal, 12(4), 83-87. [in Ukrainian].
Karpenko, Y., Omelyanchik, L., & Panasenko, T. (2018). Experimental and theoretical spectroscopic study of thione-thiol tautomerism of new hybrides 1,3,4-oxadiazole-2-thion with acridine-9(10h)-one. Chemistry and Chemical Technology, 12(4), 419-428. https://doi.org/10.23939/chcht12.04.419
Frisch, M. J., Trucks, G. W., Schlegel, H. B., Scuseria, G. E., Robb, M. A., Cheeseman, J. R., Scalmani, G., Barone, V., Petersson, G. A., Nakatsuji, H., Li, X., Caricato, M., Marenich, A., Bloino, J., Janesko, B. G., Gomperts, R., Mennucci, B., Hratchian, H. P., Ortiz, J. V., Izmaylov, A. F., Sonnenberg, J. L., … Fox D. J. (2016). Gaussian 09, Revision A.02. Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2016.
Frisch Æ., Hratchian H. P., Dennington R. D. II, Keith T. A., Millam J., Nielsen A. B., Holder A. J., & Hiscocks J. (2009). GaussView 5 Reference. Gaussian Inc., Wallingford CT, 2009.
Tirado-Rives, J., & Jorgensen, W. L. (2008). Performance of B3LYP density functional methods for a large set of organic molecules. Journal of chemical theory and computation, 4(2), 297-306. http://dx.doi.org/10.1021/ct700248k
Rassolov, V. A., Ratner, M. A., Pople, J. A., Redfern, P. C., & Curtiss, L. A. (2001). 6-31G* basis set for third-row atoms. Journal of Computational Chemistry, 22(9), 976-984. http://dx.doi.org/10.1002/jcc.1058
Caricato M. (2012). Exploring Potential Energy Surfaces of Electronic Excited States in Solution with the EOM-CCSD-PCM Method. Journal of chemical theory and computation, 8(12), 5081-5091. https://doi.org/10.1021/ct300382a
Padmaja, L., Ravikumar, C., Sajan, D., Joe, I. H., Jayakumar, V. S., Pettit, G. R., & Nielsen, O. F. (2009). Density functional study on the structural conformations and intramolecular charge transfer from the vibrational spectra of the anticancer drug combretastatin-A2. Journal of Raman Spectroscopy, 40(4), 419-428. https://doi.org/10.1002/jrs.2145
Sagdinc, S., & Pir, H. (2009). Spectroscopic and DFT studies of flurbiprofen as dimer and its Cu(II) and Hg(II) complexes. Spectrochimica Acta - Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 73(1), 181-194. https://doi.org/10.1016/j.saa.2009.02.022
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).