Estudo teórico da reação intramolecular de Schmidt em 3-azidoalquilcicloalcanonas: do mecanismo aos efeitos de substituintes na seletividade
Schmidt’s intramolecular reactions became important to produce fused and bicyclic lactams from azidoalkylcycloalkanes, being also designated as Schmidt-Aubé reactions. By this means, Tani and Stoltz synthesized the lactam 1-azabicyclo [2.2.2] octan-2-one ([2.2.2]), known as 2-quinoclidone, which cha...
| Autor principal: | Kosteczka, Guilherme Lemos |
|---|---|
| Formato: | Dissertação |
| Idioma: | Português |
| Publicado em: |
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
2021
|
| Assuntos: | |
| Acesso em linha: |
http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/23655 |
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riut-1-236552021-01-04T06:10:40Z Estudo teórico da reação intramolecular de Schmidt em 3-azidoalquilcicloalcanonas: do mecanismo aos efeitos de substituintes na seletividade Theoretical study of intramolecular Schmidt reaction in 3-azidoalkylcycloalcanones: from mechanism to effects of substituents on selectivity Kosteczka, Guilherme Lemos Campos, Renan Borsoi https://orcid.org/0000-0002-4613-7024 http://lattes.cnpq.br/2508365273065356 Orth, Elisa Souza https://orcid.org/0000-0001-6686-7721 http://lattes.cnpq.br/0659633505350112 Campos, Renan Borsoi https://orcid.org/0000-0002-4613-7024 http://lattes.cnpq.br/2508365273065356 Richter, Wagner Eduardo https://orcid.org/0000-0002-2019-774X http://lattes.cnpq.br/0510495795282793 Rampton, Daniel da Silveira https://orcid.org/0000-0003-0712-6645 http://lattes.cnpq.br/9982234880319688 Lactamas Amidas Elétrons - Distribuição Teoria da densidade funcional Orbitais moleculares Estrutura molecular Lactams Amides Electron distribution Density functional theory Molecular orbitals Molecular structure CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::FISICO-QUIMICA::QUIMICA TEORICA Química Schmidt’s intramolecular reactions became important to produce fused and bicyclic lactams from azidoalkylcycloalkanes, being also designated as Schmidt-Aubé reactions. By this means, Tani and Stoltz synthesized the lactam 1-azabicyclo [2.2.2] octan-2-one ([2.2.2]), known as 2-quinoclidone, which challenged scientists for several decades. This synthesis, which occurred with 76% of the product [2.2.2] and 24% of the isomeric lactam, inspired the proposal of this work. Theoretical calculations were performed to (i) elucidate the mechanism, investigate the influence of the (ii) ring size and (iii) –SCH3, phenyl, –CF3, –CH3 and t-butyl groups installed in each carbon alpha of 3-azidoalkylcycloalcanones in selectivity. Results confirmed a two-step mechanism, consistent with the nucleophilic attack of the azide nitrogen atom to protonated carbonyl group, forming an azidohydrin, followed by the rate determinant step migration of one of the alpha carbon simultaneous to N2 departure. Calculations at M06-2X/6-311++G(d,p) level of theory presented best agreement to the experimental yield (error of 1,8%). Results showed the migration of the –SCH3 substituted alpha carbon is favored by the substituent as it assists the leaving group departure by cation...lone pair interactions. Similar but minor effect was observed with phenyl group, which features weaker cation...pi interactions with leaving group. Electron withdrawing group –CF3 presented no influence on N2 departure, but rather inhibited alpha carbon migration where it is installed due to intense hyperconjugation between –CF3 and the C–C bond, which favors the competitive reaction. Steric hindrance caused by methyl or t-butyl substituents on the leaving group favor the formation of the lactam in the alkylated carbon. All substituents evaluated were able to invert the selectivity compared to the main system (except –CH3) if installed on the appropriate alpha carbon. Results obtained in this work help to understand the factors involved in the bicyclic lactams selectivity and may encourage the synthesis of new compounds. Reações intramoleculares de Schmidt se tornaram importantes para produção de lactamas fundidas e bicíclicas a partir de azidoalquilcicloalcanonas, sendo também designadas reações de Schmidt-Aubé. Desse modo, em 2006, conseguiu-se sintetizar a lactama 1-azabiciclo[2.2.2]octan-2-ona ([2.2.2]), conhecida como 2-quinoclidona, que desafiava cientistas por várias décadas. Essa síntese, que ocorreu com 76% do produto [2.2.2] e 24% da lactama isomérica, inspirou a proposta desse trabalho visando aplicação de cálculos teóricos para (i) elucidação do mecanismo, análise da influência do (ii) tamanho dos anéis e (iii) dos substituintes –SCH3, fenil, –CF3, –CH3 e t-butil instalados em cada carbono alfa de 3-azidoalquilcicloalcanonas na seletividade. Resultados confirmaram o mecanismo em duas etapas, sendo ataque nucleofílico do nitrogênio da azida à carbonila protonada, formando uma azidohidrina, com posterior etapa determinante de migração de um dos carbonos alfa e saída de N2. Cálculos com M06-2X/6-311++G(d,p) apresentaram melhor concordância com dados experimentais (1,8% de discrepância). Resultados mostraram que grupo – SCH3 favorece a migração do carbono alfa que o contém, tornando a reação regioespecífica, pois auxilia a saída do grupo N2 com interações par não ligante...cátion. Efeito similar e de menor magnitude foi observado com o grupo fenil, com interações elétrons pi...cátion mais fracas. O grupo retirador eletrônico –CF3 não apresentou influência no grupo abandonador, mas sim inibindo a reação onde está instalado por intensas interações hiperconjugativas com os elétrons da ligação C–C, potencializando a reação paralela. Grupos t-butil e –CH3 atuam com impedimento estérico à saída do N2, favorecendo a formação da lactama no carbono alquilado. Os substituintes avaliados foram capazes de inverter a seletividade comparado ao sistema principal (exceto –CH3), se instalados no carbono alfa adequado. As evidências desse trabalho auxiliam a compreensão dos fatores envolvidos na seletividade de lactamas bicíclicas produzidas pela reação de Schmidt-Aubé e podem encorajar a síntese de novos compostos. 2021-01-03T21:53:36Z 2021-01-03T21:53:36Z 2020-06-02 masterThesis KOSTECZKA, Guilherme Lemos. Estudo teórico da reação intramolecular de Schmidt em 3-azidoalquilcicloalcanonas: do mecanismo aos efeitos de substituintes na seletividade. 2020. Dissertação (Mestrado em Química) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2020. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/23655 por openAccess http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Curitiba Brasil Programa de Pós-Graduação em Químíca UTFPR |
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Português |
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Lactamas Amidas Elétrons - Distribuição Teoria da densidade funcional Orbitais moleculares Estrutura molecular Lactams Amides Electron distribution Density functional theory Molecular orbitals Molecular structure CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::FISICO-QUIMICA::QUIMICA TEORICA Química Kosteczka, Guilherme Lemos Estudo teórico da reação intramolecular de Schmidt em 3-azidoalquilcicloalcanonas: do mecanismo aos efeitos de substituintes na seletividade |
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Schmidt’s intramolecular reactions became important to produce fused and bicyclic lactams from azidoalkylcycloalkanes, being also designated as Schmidt-Aubé reactions. By this means, Tani and Stoltz synthesized the lactam 1-azabicyclo [2.2.2] octan-2-one ([2.2.2]), known as 2-quinoclidone, which challenged scientists for several decades. This synthesis, which occurred with 76% of the product [2.2.2] and 24% of the isomeric lactam, inspired the proposal of this work. Theoretical calculations were performed to (i) elucidate the mechanism, investigate the influence of the (ii) ring size and (iii) –SCH3, phenyl, –CF3, –CH3 and t-butyl groups installed in each carbon alpha of 3-azidoalkylcycloalcanones in selectivity. Results confirmed a two-step mechanism, consistent with the nucleophilic attack of the azide nitrogen atom to protonated carbonyl group, forming an azidohydrin, followed by the rate determinant step migration of one of the alpha carbon simultaneous to N2 departure. Calculations at M06-2X/6-311++G(d,p) level of theory presented best agreement to the experimental yield (error of 1,8%). Results showed the migration of the –SCH3 substituted alpha carbon is favored by the substituent as it assists the leaving group departure by cation...lone pair interactions. Similar but minor effect was observed with phenyl group, which features weaker cation...pi interactions with leaving group. Electron withdrawing group –CF3 presented no influence on N2 departure, but rather inhibited alpha carbon migration where it is installed due to intense hyperconjugation between –CF3 and the C–C bond, which favors the competitive reaction. Steric hindrance caused by methyl or t-butyl substituents on the leaving group favor the formation of the lactam in the alkylated carbon. All substituents evaluated were able to invert the selectivity compared to the main system (except –CH3) if installed on the appropriate alpha carbon. Results obtained in this work help to understand the factors involved in the bicyclic lactams selectivity and may encourage the synthesis of new compounds. |
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Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
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KOSTECZKA, Guilherme Lemos. Estudo teórico da reação intramolecular de Schmidt em 3-azidoalquilcicloalcanonas: do mecanismo aos efeitos de substituintes na seletividade. 2020. Dissertação (Mestrado em Química) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2020. |
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