Изучение электронной структуры и квантово-химических расчетов производных мочевины

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ СТРУКТУРЫ И КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ ПРОИЗВОДНЫХ МОЧЕВИНЫ

Холбоев Юсубжон Хакимович Абдурахманов Улугбек Курганбаевич

Андижанский Государственный медицинский институт

Махсумов Абдухамид Гофурович

Ташкентский химико-технологический институт

Изучены квантово-химические характеристики и молекулярно- динамические расчеты исследуемых соединений, используя методы компьютерной химии.

Ключевые слова: компьютерно-химические программы, квантово-химические расчеты, электронная плотность зарядов, 3 Д структура, ароматические вторичные амины.

МОЧЕВИНА Х,ОСИЛАЛАРИНИНГ ЭЛЕКТРОН ТУЗИЛИШИ ВА КВАНТ-КИМЁВИЙ

ХИСОБЛАРИНИ УРГАНИШ

Компьютер кимёси дастурларидан фойдаланиб, текширилаётган бирикмаларнинг квант-кимёвий тавсифлари ва молекуляр динамик хисоблари урганилган.

Калит сузлар: Компьютер кимёси дастурлари, квант-кимёвий хисоблашлар, зарядларнинг электрон зичлиги, 3 Д структура, ароматик иккиламчи аминлар.

STUDY OF ELECTRONIC STRUCTURE AND QUANTUM CHEMICAL CALCULATIONS OF

UREA DERIVATIVES

Studied quantum-chemical characterization and molecular dynamic calculations of the investigated compounds using the methods of computer chemistry.

Keywords: computer-chemical programs, quantum-chemical calculations, electron charge density, 3 D structure, aromatic secondary amines.

DOI: 10.24411/2181- 0761/2020-10012

В настоящее время в естественных науках, в том числе химии, с использованием различных компьютерных программ по результатам квантово -химических и молекулярно-динамических расчетов можно всестороннее охарактеризовать молекулы. На основе таких результатов возможно заранее предположить особенности свойств, реакционной способности, и самое главное -реакционных центров исследуемых молекул [1]. Надо отметить, что квантово-химические и особенно молекулярно-динамические расчеты еще не получили должного распространения в органической химии и химической технологии. Полученные результаты с применением методов квантовой химии дают важные информации о распределении электронной плотности зарядов, общей энергии, энергии образования, теплоты образования, энергии электрона, энергии ядра и дипольного момента исследуемых молекул.

Кроме того метод квантовой химии является более дешевым, доступным и универсальным для исследования свойств молекулы [ 2,3]. Тем не менее необходимо указать, что мы не можем полностью отказаться от химических

экспериментальных методов исследования, так как проведение квантово -химических исследований опирается на ключевые экспериментальные результаты.

Активность молекулы в химических реакциях в основном зависит от её состава, структуры и энергетических характеристик. Предсказание о реакционных центрах органических молекул является важной и актуальной задачей. С применением современных квантово -химических методов химики имеют возможность планирования экспериментальных исследований и проведения целенаправленного синтеза важных химических продуктов.

Исходя из этих соображений, нами были исследованы 3Д структуры, распределение зарядов и электронной плотности исходных азотсодержащих соединений: из реагентов - гексан-1,6-диизоцианат, дифениламин, дибензил-амин, карбазол, изатин, 5-бромизатин и л-ферроцениламин, которые использовались при синтезе производных мочевин. Во всех исследованных реакциях гексан-1,6-диизоцианат является исходным соединением. На рис.1 приведены 3Д структуры, распределение зарядов и электронной плотности в молекуле гексан-1,6-диизоцианата (рис.1).

Рис. 1. Структура, распределение зарядов и электронной плотности исследуемого соединения.

а) 3Д- структуры; б) распределение зарядов; в) распределение электронной плотности в молекуле гексан-1,6-диизоцианата

Анализ полученных результатов показал, что в молекуле гексан-1,6-диизоцианата наиболее отрицательный заряд наблюдается в атоме азота (рис. 1.б), значения которого равно -2,30 (заряд атома кислорода составляет -2,21). Надо отметить, что в данной молекуле оба атома азота имеют одинаковый отрицательный заряд. На основе этих данных можно предполагать, что реакция с участием гексан-1,6-диизоцианата протекает за счет обоих атомов азота. Также были исследованы 3Д структуры, распределение зарядов и электронной плотности исходных гетероцикличеких аминов.

Анализ результатов показал, что в молекуле изатина атом азота имеет эр3 пирамидальное состояние и находится в одной плоскости с двумя фенильными кольцами (рис. 2. б). Распределение электронной плотности (рис. 2 в) показало, что наибольшее сгущение электронного облака собрано вокруг атома азота, который является реакционным центром молекулы дифениламина.

Также были рассмотрены квантово -химические характеристики иссле -дованных соединений. При этом изучена общая энергия, энергия образования, теплота образования, энергия электрона, энергия ядра, дипольный момент и заряд атома в молекулах исходных и целевых соединений. Полученные результаты приведены в табл. 1.

б

в

Рис. 2. Структура, распределение зарядов и электронной плотности исследуемого соединения

а) 3Д структуры; б) распределение зарядов; в) распределение электронной плотности в молекуле изатина

Данные по расчету квантово -химических характеристик исходных сое -динений используются для выяснения (прогнозирования) характера и направ-ления реакции, а также реакционного центра молекулы, участвующей в реакции. Например, гексан-1,6-диизоцианат является исходным реагентом во всех изученных реакциях с вторичными аминами. В его молекуле у атома азота имеется отрицательный заряд -0,230. Можно предполагать, что он является реакционным центром при реакции нуклеофильного присоединения ароматических вторичных аминов к гексан-1,6-диизоцианату.

Надо отметить, что приведенные соображения по квантово -химическим и молекулярно-динамическим характеристикам использованных соединений подтверждаются полученными нами экспериментальными данными[4]. Например, в реакции гексан-1,6-диизоцианата с изатином образуется Я^-гексаметилен бис-[(изатинило) мочевина], т.е. присоединение протекает за счет атома азота реагирующих веществ. Выход продукта с участием изатина является более высоким (90%), чем при участии остальных аминов (рис.3).

Также исследованы молекулярно-динамические характеристики полученных соединений. При этом полученные данные могут быть использованы для дальнейших исследований с участием этих молекул, а также как справочные данные для работающих в области компьютерной химии.

в

Рис. 3. Структура, распределение зарядов и электронной плотности исследуемого соединения

а) 3Д структуры; б) распределение зарядов; в) распределение электронной плотности в молекуле ^№-гексаметилен бис-[(изатинило) мочевины]

Таким образом, изучены квантово-химические характеристики и молекулярно динамические расчеты исследованных соединений. На основе этих данных высказано предположение о направлении реакции с их участием и реакционном центре, в котором протекает процесс нуклеофильного присоединения. Высказанные соображения подтверждены полученными экспериментальными результатами.

Таблица 1

Квантово-химические расчеты исследованных соединений

Природа соединения Общая энергия, ккал/моль Энергия образования, ккал/моль Теплота образования, ккал/моль Энергия электрона, эВ Энергия ядра, ккал/моль Дипольный момент (D) Заряд атома азота

Гексан-1,6-диизоцианат -47140,61 -2387,79 -50,328 -224669,01 177528,39 9,485 -0,230

Дифениламин -40235,48 -2503,60 233,201 -243565,9 203330,42 2,803 0,117

Дибензиламин -46848,58 -2780,61 506,37 -243113,26 196264,71 0 -0,088

Карбазол -39706,68 -2577,76 54,837 -229233,71 189527,04 1,411 0,236

Изатин -40905,01 -1897,25 -37,511 -191939,35 151034,35 4,585 0,040

5-бромизатин -48699,83 -1863,63 -29,253 -223294,96 174595,12 3,996 0,041

Ы,№-гексаметилен бис- [(карбазолил) мочевина] -126500,2031 -7489,5273 113,1304 -1349161,125 1222660,875 6,216 -0,038

Ы,№-динитрозо-Ы,№-гексаметилен бис-[(карбазолил) мочевина] -146693,0938 -7670,8759 172,6961 -1602912,5 1456219,375 7,762 -0,140

Ы,№-гексаметилен бис- [(дифениламино) мочевина] -129320 -7897,5126 121,961 -1422843,875 1293523,875 6,554 -0,041

Ы,№-динитрозо-Ы,№-гексаметилен бис-[(дифениламино) мочевина] -149517,75 -8083,7207 176,6671 -1675196,125 1525678,375 8,709 -0,139

Ы,№-дихлоро-К№-гексаметилен бис-[(дифениламино) мочевина] -143279,0156 -7922,0664 51,18349 -1573909,625 1430630,625 5,426 -0,119

Ы,№-дибромо-Ы,№-гексаметилен бис-[(дифениламино) мочевина] -144996,25 -7916,8642 51,8859 -1573684 1428687,75 5,379 -0,104

Ы,№-диизопропил-Ы,№-гексаметилен бис-[(дифениламино) мочевина] -150052,75 -9622,1025 47,9366 -1873370,62 1723317,87 1,117 -0,113

Ы,№-диамил-Ы,№-гексаметилен бис-[(дифениламино) мочевина] -163846,4063 -10743,6484 26,7656 -2152937,75 1989091,25 1,042 -0,130

Ы,№-гексаметилен бис- [(изатинил) мочевина] -128787,1172 -6018,7973 38,1607 -1085994,37 957207,18 9,192 -0,097

ЛИТЕРАТУРА:

1. Холбоев Ю.Х., Махсумов А.Г., Инаков Т.К., Мамажонов Ж.Ш., Рахимбердиева Ш.Р. Изучение электронной структуры и квантово -химические расчеты Я^-гексаметилен бис [(дифенилило) мочевины]// Журнал. Юшуо уа Ышуо texnologiyasi. -Тошкент, 2014 №4 -С. 29-32.

2. Махсумов А.Г., Холбоев Ю.Х., Максумова Н.А., Миркомилов Ш.М. Простой и эффективный метод синтеза производного изатина // Аналитик кимёнинг хрзирги замон ривожланиш истицболлари. Материалы юбилейной международной конференции, посвященной 90-летию НУУз и 100-летию академика Талипова Ш.Т. -Ташкент, 2008. — 98 с.

3. А.Г.Махсумов, Ю.Х. Холбоев. Гексаметилен бис[(карбазолил) мочевина]нинг N-Н гурух,и реакцион марказ буйича алкиллаш реакцияси // Кадрлар сифатини оширишда замонавий педагогик технологияларнинг роли, тажриба ва истицболлар. Республика илмий-амалий конференцияси материал-лари туплами -Наманган 2009. Б.266-267.

4. Холбоев Ю. Х., Абдурахманов У. К., Махсумов А. Г. ГЕКСАМЕТИЛЕНБИС-[(ГЕКСИЛОИЛ) КАРБАМАТ] В КАЧЕСТВЕ СТИМУЛЯТОРА РОСТА //Главный редактор: Ахметов Сайранбек Махсутович, д-р техн. наук; Заместитель главного редактора: Ахмеднабиев Расул Магомедович, канд. техн. наук; Члены редакционной коллегии. -2019. - С. 5.