Постановка и решение задачи

В соответствии с планом совместных работ, проводимых в рамках сотрудничества НИИ ФОХ ЮФУ и Университета Версаля (Франция) была поставлена задача изучения методами квантовой химии возможности реакций изомеризации карбена 1:

В результате таких процессов могут быть получены либо замещенные четырехчленные системы типа 3, либо бициклические системы типа 4. Все процессы экспериментально изучаются группой Ф. Кути в Университете Версаля в тетрагидрофуране (THF).

Для решения поставленной задачи нами были проведены DFT-квантовохимические расчеты в базисе B3LYP/6-31G** как в газовой фазе, так и в THF.

На рис. 1 представлены результаты газофазных расчетов, а на рис. 2 – расчетов в THF. Во всех случаях для систем 1-4 выбирались наиболее стабильные конформеры (соответственно 1а, 2а, 3а).

Следует отметить ожидаемую достаточную сближенность синглетного (S0) и триплетного (T1) электронных состояний для исходного карбена (1а,1b). Более того, по расчетам, исходный карбен 1 наиболее энергетически стабилен именно в триплетном состоянии, см. табл. 1 .

Полные и относительные энергии рассчитанных систем представлены в табл.1. Очевидно, что процессы 1→2→3 и конкурирующий с ними 1→4 протекают как сильно экзотермические (особенно последний) и, следовательно, можно утверждать, что термодинамически все рассмотренные процессы перегруппировки карбена 1 в гетероциклические продукты 3 и 4 выгодны и могут быть реализованы экспериментально.

Figure1.

Calculated geometrical attributes of isomers 1- 4 in the gas phase. Bond lengths in Ǻ, angles in degrees.

Figure 2.

Calculated geometrical attributes of isomers 1 - 4 in the THF. Bond lengths in A, angles in degrees.

4

Figure3.

Schematic view of the energy gaps between the most stable isomer 1 and others in the gas phase and THF (dotted lines).

Table 1

. Calculated total (E, in a.u.) and relative (E, in kcal/mol) energies of the thermodynamically stable isomers 1-4 in the gas phase and in the THF. Values in parenthes are total and relative energies of systems 1a and 1b in triplet state.