DFT-аналіз протолітичної рівноваги деяких 5-(арил)- 4-(метил,аміно)-1,2,4-тріазол-3(2Н)-тіонів

Анотація

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 (∆E_tot, ∆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.