авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Циклизация монотерпеноидов в моно- и бициклические структурные типы. строение и реакционная способность сантолинового спирта и производных некоторых монотерпено

-- [ Страница 1 ] --

УДК 547.913: 548.737 На правах рукописи

МАХМУТОВА АЛМАГУЛЬ САТЫБАЛДИЕВНА

Циклизация монотерпеноидов в моно- и бициклические структурные типы. Строение и реакционная способность сантолинового спирта и производных некоторых монотерпенов

02.00.04 – физическая химия

Автореферат

диссертация на соискание ученой степени

кандидата химических наук

Республика Казахстан

Караганда, 2010

Работа выполнена в лаборатории структурной химии Международного научно-производственного холдинга «Фитохимия»

Научный руководитель: доктор химических наук,

профессор Турдыбеков К.М.

Официальные оппоненты: доктор химических наук,

профессор Агельменев М.Е.

кандидат химических наук,

доцент Жумадилов Е.К.

Ведущая организация: Казахский национальный университет им.аль-Фараби

Защита состоится 29 ноября 2010 г. в 1100 на заседании диссертационного совета ОД 14.07.01 при Карагандинском государственном университете имени Е.А. Букетова по адресу: 100028, г.Караганда, ул. Университетская, 28, химический факультет, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Карагандинского государственного университета имени Е.А. Букетова.

Автореферат разослан «26»_ноября_2010г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ОД 14.07.01,

доктор химических наук, профессор Салькеева Л.К.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Соединения растительного происхождения всегда привлекали внимание исследователей своими ценными свойствами, в частности высокой биологической активностью, сочетающейся с избирательностью физиологического действия и низкой токсичностью. Интересным в этом плане представляется и проведение химических модификаций природных соединений с целью получения на их основе новых производных с выраженной биологической активностью. Также немаловажным фактором является возможность получения из растительного источника оптически чистых соединений, что, как правило, невозможно в синтетической органической химии.

Интерес к монотерпеноидам, рассматриваемых в данной работе, в первую очередь обусловлен широким использованием их в фармацевтической и парфюмерной промышленности, что связано с высокой биологической активностью, ароматическими свойствами, промышленно-значимым содержанием в растительном сырье. В процессе создания новых соединений с практически ценными свойствами одним из важных моментов является установление их строения. Строение молекулы является определяющим фактором для биоактивности, углубленное изучение пространственного строения имеет важное значение, в частности для установления корреляции «структура-биоактивность», понимания механизмов их действия на человеческий организм и решения задач направленного синтеза новых химических соединений с практически ценными свойствами из промышленно доступного сырья. Кроме того многие ациклические представители монотерпеноидов легко претерпевают реакцию циклизации, а некоторые бициклические продукты легко перегруппировываются, поэтому вызывает интерес и изучение путей образования различных структурных типов монотерпеноидов, обуславливающих их разнообразие в природе. Также интересным представляется изучение механизмов образования различных производных монотерпенов, обладающих практически ценными свойствами. В настоящее время очевиден успех в области тонкого органического синтеза монотерпеноидов, подтверждением тому являются работы Салахутдинова Н.Ф., Бархаша В.А., Волчо К.П., Яровой О.И., Племенкова В.В и др.



Степень разработанности проблемы. Литературный обзор экспериментальных исследований показал, что химические свойства монотерпенов и их производных обусловлены не только присутствующими в них функциональными группами. На их реакционную способность также влияют структурные особенности каждого типа монотерпенов и условия проведения реакций. Теоретические исследования, в частности квантовохимические, по биомиметическим превращениям монотерпенов в литературе отсутствуют.

Цель и задачи работы. Цель исследования - установление пространственного строения, стереохимии кристаллических молекул природных монотерпеноидов и их производных, а так же изучение возможных путей образования моно- и бициклических монотерпеноидов из ациклических предшественников.

Для достижения цели, необходимо было решить следующие задачи:

  1. Систематизировать имеющиеся данные по химическим свойствам монотерпенов.
  2. Изучить пути биосинтеза монотерпенов с помощью квантово-химических методов.
  3. Изучить механизм реакции ацилирования монотерпена - сантолинового спирта.
  4. Определить реакционную способность некоторых молекул монотерпеноидов.
  5. Установить пространственное строение молекул исследованных производных монотерпенов.

Научная новизна работы. Впервые методом дифракции рентгеновских лучей установлено пространственное строение 2 молекул, относящихся к производным лимонена.

Методами квантовой химии впервые изучена реакционная способность молекул производных монотерпенов.

Впервые промоделированы реакция ацилирования сантолинового спирта, а также пути биомиметических превращений монотерпенов. Получены количественные данные по геометрическим, энергетическим и зарядовым параметрам стационарных точек реакций.

Практическая ценность. Информация по строению изученных производных монотерпенов включена в Кембриджский банк структурных данных. Результаты квантово-химического исследования реакционной способности представляют определенный интерес при химических превращениях с участием монотерпенов, для объяснения механизмов реакции.

Положения, выносимые на защиту.

  1. Моделирование путей биосинтеза монотерпенов.
  2. Реакция ацилирования сантолинового спирта, протекающая через образование тетраэдрического интермедиата.
  3. Определение реакционной способности оксимов монотерпенов при реакции нитрозирования.
  4. Пространственное строение и конформационный анализ молекул производных лимонена.

Связь данной работы с планом государственных программ. Диссертационная работа была выполнена в лаборатории структурной химии АО «МНПХ «Фитохимия» в рамках проектов: «Новые биологически активные вещества из эндемичного растительного сырья и их синтетические аналоги», входящий в программу фундаментальных исследований «Разработка научных основ и технологий создания новых перспективных материалов различного функционального назначения» (Ф.0384) (2006-2008гг.); «Пространственное строение, конформационный анализ и изучение путей образование различных структурных типов природных соединений и их производных», входящий в программу фундаментальных исследований «Разработка научных основ новых технологий и создание перспективных материалов различного функционального назначения» (Ф.0500) (2009-2011гг.).

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на лабораторных и научных семинарах, конкурсе «Молодой ученый года», а также на следующих международных и республиканских конференциях: Международная научно-практическая конференция «Терпеноиды: достижения и перспективы применения в области химии, технологии производства и медицины», (Караганда, 2008г.); «Всероссийская конференция по органической химии», (Москва, 2009г.); 2-ая российско-корейская ежегодная конференция «Современные достижения в химии природных соединений и биотехнологии», (Новосибирск, 2010г.); Международная научная конференция «Актуальные проблемы химии природных соединений», (Ташкент, 2010г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 научных работ, из них 3 статьи в «Известия НАН РК», «Вестник КарГУ» и тезисы 4 докладов в материалах международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 2 глав, заключения и списка использованных источников. Общий объем работы составляет 96 страниц машинописного текста и включает в себя 21 рисунок, 23 таблицы и 120 наименований использованных источников.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость, а также основные положения, выносимые на защиту. Кратко изложена структура диссертации.

1 Классификация и химические свойства монотерпенов. Краткая характеристика квантово-химических расчетов

Приведены данные по классификации монотерпеноидов и их химическим свойствам. Дана краткая характеристика квантово-химических методов расчета.

2 Квантово-химическое исследование механизмов реакций циклизации и ацилирования монотерпеноидов. Определение реакционной способности и пространственного строения молекул производных монотерпенов

Более углублено, проанализированы механизмы реакции с участием монотерпеноидов. Установлено пространственное строение 2 производных монотерпена лимонена.

2.1 Моделирование путей биосинтеза монотерпеноидов

Сезонные изменения в интенсивности биосинтеза того или иного монотерпеноида, пространственная разобщенность отдельных этапов биосинтеза и наличие не только межвидовых, но и внутривидовых хемотаксонамических различий делают задачу изучения биосинтеза монотерпеноидов особенно трудной. В связи с этим методом квантовой химии была промоделирована реакция циклизации молекулы геранилпирофосфата с образованием циклического карбениевого иона (рисунок 1), который впоследствии может образовывать терпинолен или лимонен, а также служить субстратом для дальнейшей циклизации с образованием борнанового, пинанового или каранового скелетов и затем перегруппировываться, например, в фенханы.

 Схема реакции циклизации -2

Рисунок 1 - Схема реакции циклизации

геранилпирофосфата (ОРР-пирофосфат)

a – 1ая ионизация

b – миграция ОРР и изомеризация

c – изменение конформации по связи С1-С2

d – 2ая ионизация

e – циклизация по связи С1-С6.

Пути реакции циклизации были промоделированы нами полуэмпирическим методом квантовой химии АМ1 (МОРАС версия 7.0).

Энергетические характеристики, полученные при полной оптимизации геометрии молекул, свидетельствуют об их достаточной термодинамической стабильности (таблица 1).

Таблица 1 - Электронные и энергетические характеристики исходной молекулы (1), интермедиатов реакции (2,5), промежуточных продуктов (3,4) и образовавшегося катиона (6)

Характеристики 1 2 3 4 5 6
Теплота образования, ккал/моль -491.87 -445.23 -474.34 -473.12 -453.37 170.89
Потенциал ионизации, эВ 9.39 10.24 9.52 9,47 9.78 12,93
Полная энергия, эВ -4062.91 -4060.89 -4062.15 -4062,09 -4061,24 -1506,99
ЕВЗМО, эВ -9,386 -10,241 -9,519 -9,467 -9,782 -12,931
ЕНСМО, эВ 0,206 -14,182 0,168 0,193 -0,465 -6,705




По результатам расчетных данных установлено, что реакция изомеризации геранилпирофосфата сопровождается энергетическим барьером 46,95 ккал/моль и протекает через переходное состояние TS (рисунок 2), которое было найдено с помощью процедуры SEDDLE и проверено на наличие только одной отрицательной силовой постоянной.

  Переходное состояние молекулы-3

Рисунок 2 – Переходное состояние молекулы геранилпирофосфата

Образовавшийся в результате циклизации геранилпирофосфата терпенилкатион, может в дальнейшем циклизоваться четырьмя способами, образуя бициклические структурные типы молекул монотерпенов (рисунок 3).

 Биосинтез бициклических-4

Рисунок 3 - Биосинтез бициклических монотерпенов

Результаты проведенных расчетов свидетельствуют, что лишь образование карена проходит безбарьерно тогда как в остальных случаях реакция циклизации сопровождается барьером, высота которого равна 16.48 ккал/моль (пинилкатион), 21.63 ккал/моль (борнилкатион), 44.69 ккал/моль (сабинилкатион). Пртонотропная перегруппировка также сопровождается энергетическим барьером 4.03 ккал/моль (терпенен-4-илкатион). Образование фенхилкатиона происходит в результате перегруппировки Вагнера-Меервейна в пинилкатионе (рисунок 4).

  Перегруппировка-5

Рисунок 4 – Перегруппировка Вагнера-Меервейна в пинилкатионе

Теплоты образования также как и другие характеристики борнилкатиона и фенхилкатиона, практически равны и составляют 190,18 и 190,1 ккал/моль соответственно. Энергетический барьер перегруппировки равен 3,77 ккал/моль.

Таким образом, с помощью квантово-химических методов были промоделированы пути биосинтеза монотерпенов, а также рассмотрена энергетика их путей преобразования.

2.2 Моделирование реакции ацилирования сантолинового спирта хлорангидридом уксусной кислоты

Реакция ацилирования является одним из распространенных методов получения функциональных производных в химии природных соединений, многие из которых обладают физиологической активностью. Данная реакция осуществляется по механизму присоединения-отщепления (AdE), нуклеофильная частица присоединяется по карбонильной группе с последующим элиминированием галогена.

Известно, что реакция ацилирования третичных спиртов, к каким относится сантолиновый спирт, затрудняется вследствие их пространственного строения, поэтому первым этапом нашей работы был поиск выгодного конформационного состояния. Наиболее термодинамически выгодное состояние молекула сантолинового спирта принимает при торсионном угле (С5С4С3С2) равным 136,35 градусов. Гидроксильная группа в данном случае не экранирована и открыта для нуклеофильной атаки.

Полученные энергетические значения свидетельствуют о достаточной термодинамической стабильности исходных молекул (таблица 2). Исходя из значений ЕНВМО (таблица 3) и согласно принципу Пирсона (принцип ЖМКО - жесткие и мягкие кислоты и основания) можно сказать, что исходные реагенты будут легко взаимодействовать друг с другом, а их реакционные центры можно вывести на основании данных по распределению заряда на неводородных атомах.

Таблица 2 - Энергетические характеристики исходных реагентов

Метод Сантолиновый спирт Хлорангидрид уксусной кислоты
Hf, ккал/моль Eполн, эВ ПИ, эВ Hf, ккал/моль Eполн, эВ ПИ, эВ
АМ1 -44.791 -1848.689 9.421 -50.635 -991.753 11.585
6-31G(d,p) - -12626.262 8.955 - -16648.686 12.375

Таблица 3 - Значения верхней занятой и нижней свободной молекулярных орбиталей и жесткости () исходных молекул

Метод Сантолиновый спирт Хлорангидрид уксусной кислоты
ЕВЗМО, эВ ЕНВМО, эВ , эВ ЕВЗМО, эВ ЕНВМО, эВ , эВ
АМ1 -9.421 0.979 5.205 -11.585 0.189 5.887
6-31G(d,p) -8.955 4.678 6.817 -12.375 3.555 7.965


Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.