بررسی نظری مکانیسم و ناحیه گزینی واکنش حلقه افزایی [2+3] آزومتین ایمین ها برای تهیه پیرازولو[2،1-α]پیرازولونها

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه شیمی، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد جویبار، جویبار، ایران

چکیده

مکانیسم و ناحیه گزینی واکنش حلقه افزایی [2+3] یک آزومتین ایمین برای تهیه پیرازولو[2،1-α]پیرازولونها در دو سطح محاسباتی B3LYP/6-31G(d,p) و M06-2X بررسی شده است. ناحیه گزینی واکنش بر اساس نمودار انرژی پتانسیل و خواص سراسری واکنش دهنده ها مطالعه شده است. در سطح M06-2X، به دلیل لحاظ کردن اثر پراکندگی و برهم کنش های ضعیف مانند π/π، تشکیل یک پیش-کمپلکس واندروالسی پایدارتر از واکنش دهنده های مجزا، در نظر گرفته می شود. ساختار این پیش-کمپلکس ها بهینه شده و انرژی های فعالسازی مسیرهای ممکن واکنش با در نظر گرفتن این پیش-کمپلکس ها، به جای واکنش دهنده های مجزا محاسبه شده است. این واکنش ناحیه گزینی بالا و فضاگزینی متوسطی دارد که منجر به تشکیل مخلوطی از exo3 و endo3 می شود و محصول اصلی تحت شرایط کنترل ترمودینامیکی به دست آمده است. این نتایج با مشاهدات تجربی و با سایر مطالعات نظری در توافق است. تجزیه و تحلیل ELF نقاط برگزیده از نمودار IRC مطلوبترین مسیر واکنش نشان داد که مکانیسم این واکنش از نوع یک مرحله ای دو بخشی است که در آن پیوندهای کربن-کربن نسبت به کربن –نیتروژن سریعتر تشکیل می شوند. در این زمینه، از محاسبه اندیس های پار برای بررسی نقش عامل الکترونی استفاده شده است.

چکیده تصویری

بررسی نظری مکانیسم و ناحیه گزینی واکنش حلقه افزایی [2+3] آزومتین ایمین ها برای تهیه پیرازولو[2،1-α]پیرازولونها

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Theoretical study on the reaction mechanism and regioselectivity of [3+2] cycloaddition of azomethine imines for preparation of pyrazolo[1,2-a]pyrazolones

نویسندگان [English]

  • Mahshid Hamzehloueian
  • Fariba Modanlou
Department of Chemistry, Jouybar Branch, Islamic Azad University, Jouybar, Iran
چکیده [English]

The mechanism and regioselectivity of the [3+2] cycloaddition reaction of an azomethine imine for preparation of pyrazolo[1,2-a]pyrazolones, have been investigated at B3LYP/6-31G(d,p) and M06-2X levels of theory. The regiochemistry of the reaction has been studied based on the potential energy surface analysis and global reactivity indices of the reactants. In the case of M06-2X, as the reactants approached to each other, a van der Waals pre-complexes is generated which is energetically more stable than the separated reactants due the dispersion effects. These pre-complexes have been optimized and the activation energies of the possible reaction pathways were calculated with respect to these van der Waals pre-complexes instead of the separated reactants. This reaction is highly regioselective with a low stereoselectivity, leading to the formation of a mixture of pyrrolidines exo3 and endo3. However, based on the computational results, major product obtained under thermodynamic control. These results are in agreement with the experimental observation and the other theoretical studies. The ELF analysis indicate a one-step two-stage mechanism for the reactions in which the formation of C-N single bonds takes place after the formation of C-C bond. In this context, the parr indices are used to study the role of the electronic factors.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Azomethine imine
  • Cycloaddition
  • DFT
  • Elf
  • Regioselectivity
1) A. Patel, Z. Chen, Z. Yang, O. Gutierrez, H.-W. Liu, K.N. Houk, D.A. Singleton, J. Am. Chem. Soc. 138 3631 (2016).
2) a) A. Padwa, Synthetic Applications of 1,3-Dipolar Cycloaddition Chemistry Toward Heterocycles and Natural Products, New York, 2002. b) R. Zeniber, R. Achour, A.J. El Hajji, A. Hakan, M.Z. Cherkaui, Iran. J. Chem. Chem. Eng. 19 16 (2000). c) S. Souzangarzadeh, Iran. J. Chem. Chem. Eng. 35 (2016) 31.
3) D. G. J. Young, E. Gomez-Bengoa, A. H. Hoveyda, J. Org. Chem. 64 (1999) 692.
4) K.M. Werner, J.M. De Los Santos, S.M. Weinreb, M. Shang, J. Org. Chem. 64 (1999) 4865.
5) G. Pandey, A.K. Sahoo, S.R. Gadre, T.D. Bagul, U.D. Phalgune, J. Org. Chem. 64 (1999) 4990.
6) M. Biava, G.C. Porretta, G. Poce, D. Deidda, R. Pompei, A. Tafi, F. Manetti, Bioorg. Med. Chem. 13 (2005) 1221.
7) M. Biava, G.C. Porretta, D. Deidda, R. Pompei, A. Tafi, F. Manetti, Bioorg. Med. Chem. 12 (2004) 1453.
8) S. Andreas, D. Andrij, Curr. Org. Chem. 15 (2011) 1423.
9) K.Y. Lee, J. M. Kim, J.N. Kim, Tetrahedron Lett. 44 (2003) 6737.
10) B. Cottineau, P. Toto, C. Marot, A. Pipaud, J. Chenault, Bioorganic Med. Chem. Lett. 12 (2002) 2105.
11) Z.J. Jia, Y. Wu, W. Huang, P. Zhang, Y. Song, J. Woolfrey, U. Sinha, A.E. Arfsten, S.T. Edwards, A. Hutchaleelaha, S.J. Hollennbach, J.L. Lambing, R.M. Scarborough, B.Y. Zhu, Bioorganic Med. Chem. Lett. 14 (2004) 1229.
12) J.W. Lyga, R.M. Patera, M.J. Plummer, B.P. Halling, D.A. Yuhas, Pestic. Sci. 42 (1994) 29.
13) V.O. Chornous, M.K. Bratenko, M.V. Vovk, Synth. Commun. 34 (2004) 79.
14) K.N. Houk, J. Gonzalez, Y. Li, Acc. Chem. Res. 28 (1995) 81.
15) K.N. Houk, Helv. Chim. Acta 93 (2010) 1241.
16) R.A. Firestone, J. Org. Chem. 37 (1968) 2181.
17) R.A. Firestone, Tetrahedron 33 (1977) 3009.
18) P.C. Hiberty, G. Ohanessian, H.B. Schlegel, J. Am. Chem. Soc. 105 (1983) 719.
19) C. Einhorn, J.L. Einhorn, Synthesis 11 (1989) 787.
20) S. Marullo, F.D’Anna, C. Rizzo, R. Noto, Ultrason. Sonochem. 23 (2015) 317.
21) J.P. Lorimer, T.J. Mason, Chem. Soc. Rev. 16 (1987) 275.
22) Y. Jiang, X. Chen, L. Qu, J. Wang, J. Yuan, S. Chen, X. Lia, C. Qu, Ultrason. Sonochem. 18 (2011) 527.
23) T.J. Mason, Practical Sonochemistry, Ellis Horwood, 1991.
24) J.L. Luche, Synthetic Organic Sonochemistry, Plenum Press, New York, 1998.
25) S.X. Wang, J.T. Li, W.Z. Yang, T.S. Li, Ultrason. Sonochem. 9 (2002) 159.
26) T.J. Mason, J.P. Lorimer, Applied Sonochemistry, The Uses of Power Ultrasound in Chemistry and Processing, Wiley-VCH, Verlag GmbH, 2002. 27) K. Jadidi, R. Gharemanzadeh, M. Mehrdad, H.R. Darabi, H.R. Khavasi, D. Asgari, Ultrason.
Sonochem. 15 (2008) 124.
28) S.J. Tabatabaei Rezaei, M.R. Nabid, A. Yari, S.W. Ng, Ultrason. Sonochem. 18 (2011) 49.
29) Y. Hu, Y. Zou, H. Wu, D. Shi, Ultrason. Sonochem. 19 (2012) 264.
30) C. Wang, D. Ikhlef, S. Kahlal, J.Y. Saillard, D. Astruc, Coord. Chem. Rev. 316 (2016) 1.
31) V.O. Rodionov, V.V. Fokin, M.G. Finn, Angew Chem. 117 (2005) 2250.
32) S. Stecko, A. Mames, B. Furman, M. Chmielewski, J. Org. Chem. 73 (2008) 7402.
33) S. Stecko, A. Mames, B. Furman, M. Chmielewski,  Org. Chem. 74 (2009) 3094. 
34) A. Mames, S. Stecko, P. Mikołajczyk, M. Soluch, B. Furman, M. Chmielewski, J. Org. Chem. 75 (2010) 7580. 
35) L. Liang, D. Astruc, Coord. Chem. Rev. 255 (2011) 2933. 
36) D.Y. Zhang, X.P. Hu, Tetrahedron Lett. 56 (2015) 283. 
37) N.K. Ojha, G.V. Zyryanov, A. Majee, V.N. Charushin, O.N. Chupakhin, S. Santra, Coord. Chem. Rev. 353 (2017) 1. 
38) M.S. Singh, S. Chowdhury, S. Koley, Tetrahedron 72 (2016) 5257. 
39) R. Grigg, M.I. Lansdell, M. Thornton-Pett, Tetrahedron 55 (1999) 2025. 
40) P. Xiao, H. Yuan, J. Liu, Y. Zheng, X. Bi, J.P. Zhang, ACS Catal. 5 (2015) 6177. 
41) F. Himo, T. Lovell, R. Hilgraf, V.V. Rostovtsev, L. Noodleman, K.B. Sharpless, V.V. Fokin, J. Am. Chem. Soc. 127 (2005) 210. 
42) S. Santoro, R.-Z. Liao, T. Marcelli, P. Hammar, F. Himo. J. Org. Chem. 80 (2015) 2649.  
43) R. Huisgen, G. Mloston, E. Langhals, J. Am. Chem. Soc. 108 (1986) 6402. 
44) Y. Lan, K.N. Houk, J. Am. Chem. Soc. 132 (2010) 17921. 
45) P. Yu, T.Q. Chen, Z. Yang, C.Q. He, A. Patel, Y.-H. Lam, C.-Y. Liu, K.N. Houk, J. Am. Chem. Soc. 139 (2017) 8251. 
46) L.R. Domingo, J. Org. Chem. 66 (2001) 3211. 
47) L.R. Domingo, M.J. Aurell, P. Pérez, R. Contreras, J. Phys. Chem. A. 106 (2002) 6871. 
48) L.R. Domingo, M. José Aurell, P. Pérez, R. Contreras, J. Org. Chem. 68 (2003) 3884. 
49) L.R. Domingo, M.T. Picher, Tetrahedron 60 (2004) 5053. 
50) L.R. Domingo, P. Pérez, R. Contreras, European J. Org. Chem. 498 (2006). 
51) L.R. Domingo, M.J. Aurell, P. Pérez, Tetrahedron 71 (2015) 1050. 
52) G. Bentabed-Ababsa, A. Derdour, T. Roisnel, J.A. Sáez, P. Pérez, E. Chamorro, L.R. Domingo, F. Mongin, J. Org. Chem. 74 (2009) 2120. 
53) J. Escorihuela, A. Das, W.J.E. Looijen, F.L. van Delft, A.J.A. Aquino, H. Lischka, H. Zuilho, J. Org. Chem. 83 (2018) 244. 
54) P.W. Ayers, R.G. Parr, J. Am. Chem. Soc. 122 (2000) 2010. 
55) L.R. Domingo, P. Pérez, J.a. Sáez, RSC Adv. 3 (2013) 1486. 
56) R.G. Parr, R.G. Pearson, J. Am. Chem. Soc. 105 (1983) 7512. 
57) R.G. Parr, L.V. Szentpály, S. Liu, J. Am. Chem. Soc. 121 (1999) 1922. 
58) A.D. Becke, K.E. Edgecombe, J. Chem. Phys. 92 (1990) 5397. 
59) L.R. Domingo, J.A. Sáez, J. Org. Chem. 76 (2011) 373. 
60) L.R. Domingo, M. Ríos-Gutiérrez, P. Pérez, RSC Adv. 7 (2017) 26879. 
61) M.M. Efremova, A.P. Molchanov, A.V. Stepakov, R.R. Kostikov, V.S. Shcherbakova, A.V. Ivanov, Tetrahedron 71 (2015) 2071. 
62) M. Ríos-Gutiérrez, F. Chafaa, A. Khorief Nacereddine, A. Djerourou, L.R. Domingo, J. Mol. Graph. Model. 70 (2016) 296. 
63) a) Y. Salehi, M. Hamzehloueian, Tetrahedron 73 (2017) 4634. b) M. Darroudi, Y. Sarrafi, M. Hamzehloueian, Tetrahedron 13 (2017) 1673. c) M. Hamzehloueian, Y. Srrafi, Z. Aghaei, RSC Adv. 5 (2015) 76368. d) K. Alimohammadi, Y. Sarrafi, M. Tajbakhsh, S. Yeganegi, M. Hamzehloueian, Tetrahedron 67 (2011) 1589). e) Y. Sarrafi, M. Hamzehloueian, K. Alimohammadi, S. Yeganegi, J. Mol. Struct. 1030 (2012) 168. 
64) M.J. Frisch, G.W. Trucks, H.B. Schlegel, G.E. Scuseria, M.A. Robb, J.R. Cheeseman, G. Scalmani, V. Barone, B. Mennucci, G.A. Petersson, H. Nakatsuji, M. Caricato, X. Li, H.P. Hratchian, A.F. Izmaylov, J. Bloino, G. Zheng, J.L. Sonnenberg, M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H. Nakai, T. Vreven, J.J.A., Montgomery, J.E. Peralta, F. Ogliaro, M. Bearpark, J.J. Heyd, E. Brothers, K.N. Kudin, V.N. Staroverov, R. Kobayashi, J. Normand, K. Raghavachari, A. Rendell, J.C. Burant, S.S. Iyengar, J. Tomasi, M. Cossi, N. Rega, J.M. Millam, M. Klene, J.E. Knox, J.B. Cross, V. Bakken, C. Adamo, J. Jaramillo, R. Gomperts, R.E. Stratmann, O. Yazyev, A.J. Austin, R. Cammi, C. Pomelli, J.W. Ochterski, R.L. Martin, K. Morokuma, V.G. Zakrzewski, G.A. Voth, P. Salvador, J.J. Dannenberg, S. Dapprich, A.D. Daniels, O. Farkas, J.B. Foresman, J.V. Ortiz, J. Cioslowski, D.J. Fox, Gaussian09, 2009. 
65) K. Fukui, J. Phys. Chem. 74 (1970) 4161. 
66) S. Noury, X. Krokidis, F. Fuster, B. Silvi, Comput. Chem. 23 (1999) 597. 
67) J. Antony, S. Grimme, Phys. Chem. Chem. Phys. 8 (2006) 5287. 
68) S. Grimme, J. Antony, T. Schwabe, C. Muck- Lichtenfeld, Org. Biomol. Chem. 5 (2007) 741. 
69) S. Grimme, J. Antony, S. Ehrlich, H. Krieg, J. Chem. Phys. 132 (2010) 19. 
70) Y. Zhao, D.G. Truhlar, Theor. Chem. Acc. 120 (2008) 215. 
71) P. Jaramillo, L.R. Domingo, E. Chamorro, P. Pérez, J. Mol. Struct. THEOCHEM. 865 (2008) 68. 
72) K.V. Gothelf, K.A. Jørgensen, Chem. Rev. 98 (1998) 863. 
73) L.R. Domingo, J.A. Saéz, R.J. Zaragozá, M. Arnó, J. Org. Chem. 73 (2008) 8791.