Шілде–тамыз–қыркүйек 30 қыркүйек 2014 ж. 1996 жылдан бастап шығады Жылына 4 рет шығады

Серия «Химия». № 3(75)/2014 

33 

UDC 541.515 

A.S.Masalimov, S.N.Nikolskiy, E.A.Ralchenko, I.A.Pustolaykina, A.A.Tur 

E.A.Buketov Karaganda State University 

(E-mail: masalimov-as@mail.ru) 

Quantum-chemical investigation of the fast intermolecular  

proton exchange reactions mechanism in paramagnetic systems 

For a theoretical interpretation of the fast intermolecular proton exchange (IPE) reaction mechanism by ab in-

itio methods of modern quantum chemistry potential energy surface in the oxymethyl – ammonia acid-base 

free-radical system was investigated. This system an experimental EPR spectroscopic kinetic data for such 

reactions in the real liquid phase systems was simulated. The role of short lived intermediates as molecular 

and ionic complex four-center hydrogen bond due to manage the flow of IPE-fast reactions in the acid-base 

paramagnetic compounds have been established. 

Key words: semiquinone radicals, oxymetyl radical, EPR-spectroscopy, intermediate, hydrogen bridge, 

protolytic reaction, proton exchange reaction, proton transfer proton exchange, quantum chemical calcula-

tions, ab initio, potential energy surface. 

 

The using of stable semiquinone radicals (XH) as spin probes for EPR-spectroscopic determination of 

rates constants of the fast intermolecular proton exchange (IPE) reactions allowed to study the protolytic ac-

tivity of different organic acids and bases (YH) in solutions [1]. The systematic experimental investigations 

of kinetic of such acid-base reactions showed that they have the common mechanism described with next 

scheme: 

 

 (1)

 

Here: asterisk denotes the acids proton with another orientation of spin; B, B

+ 

and C, C

+

 are the short-lived 

intermediates of IPE-reactions. 

For example, as spin probes (XH) were used next stable semiquinone radicals: 3,6-di-tert.butyl-2-

oxyphenoxyl (I), 4,6-di-tert.butyl-3-clorine-2-oxyphe-noxyl (II) and 4-triphenylmethyl-6-tert.butyl-3-clorine-

2-oxyphenoxyl (III). 

For theoretical calculations of mechanism of the fast IPE reaction illustrated by scheme (1) was used 

quantum chemical ab-initio method with UHF 3–21G orbital bases, contained in licensed program packet 

Gaussian-2009 (Pittsburgh, USA) [2–5]. For modeling of the fast IPE reactions between paramagnetic 

OH-acids I–III and NH-acids as primary and secondary amines, were taken simple smallish molecular sys-

tem oxymethyl – ammonia. It should be noted that at the first time oxymetyl-radical was studied as OH-acid 

with dynamic EPR spectroscopy by H.Fischer in 1964 [6]. 

The quantum-chemical counts show that small molecule of paramagnetic OH-acid form with base mole-

cule of ammonia two types of complexes with hydrogen bond CHB): linear and cyclic, presented on Table 1. 

The computation estimates that value of thermodynamic stability of linear CHB more on 

∆E = 10,3905 kcal/mol than total energy of cyclic complex with two hydrogen bridges. This effect may be 

explain by influence of the high values of ionization potentials: IP = 7.0663 eV for oxymethyl and 

IP = 8.0530 eV for ammonia [5]. 

For calculation of the potential energy surface (PES) of modeling protolytic system CH

2

OH – NH

3

 was 

used the specific bimolecular structure with three dummy atoms: 3X, 4X and 8X (see Fig. 1). Such approach 

allow to move two acid protons inside the cyclic CHB from initial to final reaction states with the value of 

rated step ∆ = 0.01 Å. 

 

A.S.Masalimov, S.N.Nikolskiy et al. 

34 

Вестник Карагандинского университета 

T a b l e   1  

Electronic structures and the values of total energies for different CHB forming  

between oxymethyl and ammonia, obtained by ab-initio UHF 3- 21G method 

CHB Electronic 

structure –

E

t

, a.u. 

Linear complex 

169.6672 

Cyclic complex 

169.6506 

 

 

Figure 1. The structure of modeling IPE reaction system used for computation of PES 

On the figure 2 presented the PES calculated by ab-initio method with using UHF 3–21G orbital bases 

and modeling illustrated by figure 1. 

 

 

Figure 2. The three-dimensional potential energy surface for modeling protolytic reaction  

between oxymethyl and ammonia, obtained by ab-initio method with UHF 3–21G orbital bases 

1 

2 

C+ 

B 

B+ 

R(NH), Å 

R(OH), Å 

E

t

, a.u. 

4 

3 

C 

Quantum-chemical investigation … 

Серия «Химия». № 3(75)/2014 

35 

The potential energy surface on figure 2 illustrate electron-structural properties of the reversible two-

channel fast IPE reaction going on ways: B 

 C

+

 

 B

+

 and B 

 C 

 B

+

. It should be noted that the 

rates of the initial step of IPE reaction (1) A 

 B controlled by diffusion in investigated liquid system. 

The analyses of three-dimensional PES topology for the fast IPE reaction between modeling acid –base 

small molecules shows on formation of 2 short-lived intermediates C and C

+ 

that denote in scheme (1) and on 

existence of 4 saddle points corresponding to 2 channel for reactions: B 

 C

+

 

 B

+ 

and B 

 C 

 B

+

. 

The values of total energies for this 4 intermediates presented on Table 2. 

T a b l e   2  

Electronic structures and the values of total energies for intermediates of reaction  

between oxymethyl and ammonia, obtained by ab-initio UHF 3- 21G method 

Intermediates Electronic 

structure 

–

E

t

, a.u. 

В 

169.6506 

C

+ 

169.5611 

B

+ 

169.6506 

C 

169.4625 

 

The computed PES on figure 1 shows that the reaction channel B 

 C

+

 

 B

+ 

is the preferred for 

protolytic acid–base interaction between oxymethyl and ammonia. Thermodynamic stability of intermediate 

C

+

 on the value ∆Е = 70.8587 kcal/mol more than value of total energy for intermediate C. 

The potential energy surface presented on Figure 2 give yet four saddle point of corresponding transi-

tion states which contained on Table 3. It is evidently that initial intermediate of reaction B has the value of 

total energy on ∆Е = 56.1559 kcal/mol lower then ionic CHB C

+

. It should be noted that initial B and final 

B

+

 intermediates of the fast modeling IPE reaction have equal electronic structure and the values of total en-

ergy. The values of activation energy for direct B→C

+

 transition received E

1

 = 76.6735 kcal/mol and for re-

verse reaction C

+

→B E

–1 

= 20.5163 kcal/mol. Analogous values for second channel of IPE reaction В

С 

are equal: E

1

= 99.2680 kcal/mol and E

–1

 = 18.7480 kcal/mol. 

 

 

A.S.Masalimov, S.N.Nikolskiy et al. 

36 

Вестник Карагандинского университета 

T a b l e   3  

Electronic structures and the values of total energies for transition states of reaction  

between oxymethyl and ammonia, calculated by ab-initio UHF 3-21G method 

Transition 

states 

Electronic structure 

–

E

t

, a.u. 

1 

169.5284 

2 

169.5506 

3 

169.4924 

4 

169.4935 

 

T a b l e   4  

Distribution of atomic charges in ionic intermediates of modeling IPE reaction  

between oxymethyl and ammonia 

Intermediates 

Distribution of atomic charges 

Intermediate С

+

 

 

Intermediate С 

 

Серия «Химия». № 3(75)/2014

It is necessary to say if the four

another analogous CHB C and C

+

 m

tribution presented on Table 4 confi

for ammonium cation in ionic CHB

ionic complex C is equal q = +0.710

Figure 3 illustrates the experim

toluene mixtures of spin probe I with

 

a 

Figure 3. EPR sp

of stable radical I and te

EPR spectra 3a  present triple

tert.buthylortosemiquinone with ca

(a

H

 = 0.335 mT) formed by hyperfin

tons of anion-radical 3,6-di-tert.bu-

ting on nucleus of nitrogens atom o

ionic pair of the protonated by hydro

 

 

1  Masalimov A.S., Kurmanova A.F., N

actions in solutions // Bull. of the Karaganda

2  Foresman J.B., Frish A. Exploring 

Inc., 1996. — P. 302. 

3  Young D.C. Computational Chemist

4  Hehre W.J., Radom L., Schleyer P.R

123 p. 

5  Cook D.B. Handbook of computiona

6  Fischer Н. Rapid proton exchange o

 

 

       0,5                             

Quantum

r-centered CHB B and B

+

 are molecular intermed

must be the ionic intermediates. The character of

firms our assumption. For example: the value of c

B  C

+

 resulted as q = +0.847 and this value for p

0. 

mental EPR spectra of the real short-lived particle

h different acids and bases at low temperatures [6

b 

pectra of ionic pair С

+

 and C obtained in toluene soluti

etrahydronicotine at 294 K (a) and hydrochloric acid a

et of triplet and concern to contact ionic pair 

ation of protonated molecule of tetrahydroni

ne interaction of unpaidred electron with 2 magn

-thylortosemiquinone and small triplet (a

N

 = 0.03

f ammonium cation in contact ionic pair. The EP

ochloric acid semiquinone radical I. 

References 

Nikolskiy S.N., Ospanov A.U., Tur A.A. EPR spectroscopy o

a University. Series of chemistry. — 2014. — No. 1. — P. 3

Chemistry with Electronic Structures Methods. — Secon

try. — New York: Wiley&Sons, 2001. — 398 p. 

R., Pople J.A. Ab-initio molecular orbital theory. — NY: Jo

al Quantum Chemistry. — NY: Dover Publications, Inc., 200

of the free radical CH

2

OH as studied by ESR // Mol. Phys. —

       0,5                   

H,  мТ 

m-chemical investigation … 

37 

diates of IPE reaction the 

f the atomic charges dis-

common positive charge 

protonated oxymethyl in 

es C

+

 and C registered in 

6]. 

ions  

at 185 K (b) 

of anion-radical 3,6-di-

icotine. The big triplet 

netic equivalent ring pro-

30 mT) formed by split-

PR spectra 3b concern to 

of the fast proton exchange re-

30–35. 

nd Ed.— Pittssburg: Gaussian 

ohn Wiley and Sons, 1986. — 

05. — 93 p. 

— 1965. — Vol. 9. — P. 149. 

          H,  мТ 

A.S.Masalimov, S.N.Nikolskiy et al. 

38 

Вестник Карагандинского университета 

A.С.Масалимов, С.Н.Никольский, E.A.Ральченко, И.A.Пустолайкина, A.A.Tур 

Парамагнитті жүйелерде жылдам молекулааралық протондық  

ауысу реакция механизмін кванттыхимиялық зерттеу 

Мақалада  қазіргі  заманғы  кванттыхимиялық  эмпирикалық  емес  əдістермен  молекулааралық 

протондық ауысудың жылдам реакциясы механизмінің теориялық интепретациялау үшін оксиметил-

аммиак жүйесінде потенциалды энергияның беті зерттелді. Бұл жүйе нақты сұйықфазалы жүйелердегі 

осындай реакциялардың тəжірибелік ЭПР-спектроскопиялық кинетикалық мəліметтердің үлгісі болып 

табылады. Сутектік байланыс арқылы түзілген молекулалық жəне иондық төртцентрлі кешендердің аз 

өмір сүретін интермедиаттардың рөлдері анықталды. 

 

A.С.Масалимов, С.Н.Никольский, E.A.Ральченко, И.A.Пустолайкина, A.A.Tур 

Квантовохимическое изучение механизма реакции быстрого  

межмолекулярного протонного обмена в парамагнитных системах 

В статье для теоретической интерпретации механизма быстрой реакции межмолекулярного протонно-

го обмена (IPE) неэмпирическими методами современной квантовой химии исследована поверхность 

потенциальной  энергии  в  свободно-радикальной  кислотно-основной  системе  оксиметил – аммиак, 

моделирующей  экспериментальные  ЭПР-спектроскопические  кинетические  данные  для  таковых  ре-

акций в реальных жидкофазных системах. Установлены роли короткоживущих интермедиатов моле-

кулярных и ионных четырехцентровых комплексов за счет водородной связи в управлении протека-

нием быстрой IPE-реакции в парамагнитной кислотно-основной смеси. 

 

Серия «Химия». № 3(75)/2014 

39 

ОРГАНИКАЛЫҚ  ХИМИЯ 

ОРГАНИЧЕСКАЯ  ХИМИЯ 

UDC 547.314 

N.Merkhatuly

1

, S.B.Abeuova

1

, P.Vojtíšek 

2

, A.T.Omarova

1

, L.T.Balmagambetova

1

 

1

E.A.Buketov Karaganda State University; 

2

Charles University, Prague, Czech Republic 

(E-mail: merhatuly@ya.ru) 

Stereocontrolled synthesis of trans-eudesmanolides from (+)-hanphilline 

 

Directed synthesis methods of practically significant eudesmanolides on the basis of germacranolide 

E,E-hanphilline were presented in this article. Synthesis of obtained trans-eudesmanolides was carried out 

with stereocontrolled 5,10-cyclization of E,E-germaсranolide (+)-hanphilline. The considered mechanism of 

5,10-carbocyclization of the E,E-germaсranolide (+)-hanphilline consistent with the results of quantum-

chemical calculations of the total energies of all cationic intermediates formed during the reaction. It was 

shown that electrophilic reagents led to different eudesmanolide sesquiterpenoids. The one-step synthetic 

method of functionalized at С-1 and С-3 trans-eudesmanolides was developed. 

Key words: sesquiterpene lactones, eudesmanolides, germacranolides, stereocontrolled synthesis, hanphilline, 

cyclization, electrophilic reagents, quantum-chemical calculations. 

 

Sesquiterpene γ-lactones, in particular trans-eudesmanolides and E,E-germacranolides, are widespread 

in flowering plants of the family Asteraceae (Acteraceae). They are valuable natural compounds for studying 

various reactions and synthesis of new biologically active derivatives [1–3]. 

Stereocontrolled synthesis methods of eudesmanolides on the basis of germacranolide E,E-hanphilline 

were presented in this work. Hanphilline is a characteristic component of the Noble Yarrow (Achillea 

nobilis L.), which is widespread in Central Kazakhstan [4]. 

Interaction of hanphilline (1) with N-bromosuccinimide in aqueous acetone at temperature 25–30 ºC led 

to formation of trans-condensed 5(α),10(β)-eudesmanolides (2) and (3) with 30 and 40 % yields. Synthesized 

eudesmanolides are chiral diastereomers. Specific rotation of (2) is [

]

D

18

+ 50º (с 0,02; CHCl

3

) and specific 

rotation of (3) is [

]

D

18 

+ 46º (с 0,01; CHCl

3

). Apparently, reaction started with regiospesific electrophilic 

bromation of the most electron-donor and space available double bond at С

1

–С

10

 in molecule of 

hanphilline (1). And then intramolecular 5,10-carbocyclization (Markovnikov's rule) with the assistance of 

second skeletal Δ

4,5

-double bond (in the capacity of nucleophile) was initiated. In the end, an intermediate 

1-bromeudesman cation (A) was formed: 

 

 

 

HO

O

O

HO

O

O

H

Br

(A)

HO

O

O

Br

(1)

1

4

5

10

+

+

2

3

6

7

8

9

11

12

13

14

15

N.Merkhatuly, S.B.Abeuova et al. 

40 

Вестник Карагандинского университета 

 

 

Further stabilization occurred through ejection of protons from the C-15 (Hofmann’s rule) and cleavage 

of НBr from the С

1

-С

2

. It gave eudesman allyl alcohol (2). Nucleophilic attack of hydroxyl ion (or water) 

with simultaneous β-dehydrobromation formed diol (3). Moreover, the cyclization was realized through low-

energy conformation of hanphilline (4) — chair–chair (Fig.1) with configuration 

1

D

14

and 

15

D

5 

leading to the 

formation of trans-condensed eudesmanolides. 

1

H-NMR spectrum data of obtained compounds are shown in 

Table 1. 

 

 

Figure 1. The conformation of hanphilline — chair–chair 

T a b l e   1  

Chemical shifts (

, ppm), spin-spin interaction constants (in Hz)  

of hanphilline and its derivatives (2) and (3) 

Protons 

Compounds 

(1) (2) 

(3) 

Ме-4 

1,68 broad singlet 

– 

1,26 singlet 

Ме-10 

1,43 singlet 

0,9 singlet 

0,94 singlet 

Н-1 

5,24 broad doublet (3) 

5,28 doublet (11) 

5,29 doublet (11) 

Н-2 

– 

5,40 quartet (11;9) 

5,41 quartet (11;9) 

Н-3 

4,90 broad doublet of doublets (10;5)

4,40 broad doublet (9) 

4,45 doublet (9) 

Н-5 

4,86 broad doublet (8,5) 

2,24 broad doublet (11) 

2,18 doublet (11) 

Н-6 

4,12 quartet (10;8,5) 

3,98 triplet (11) 

4,21 triplet (11) 

Н-13а 

5,52 doublet (3,5) 

5,40 doublet (3) 

5,35 doublet (3) 

Н-13b 

6,26 doublet (3,5) 

6,06 doublet (3) 

6,14 doublet (3) 

Н-15а –  5,25 

doublet 

(1) – 

Н-15b – 

5,90 

doublet 

(1) – 

1

H NMR spectra of all obtained compounds were registered on a spectrometer Bruker Avance-400 (operating fre-

quency 400,13 MHz), solvent CDCl

3

, internal reference TMS. 

 

Treatment of hanphilline (1) with formic acid at room temperature led to stereocontrolled products of 

5,10-carbocyclization — optically active keto,hydroxy-5(α),10(β)-trans-eudesmanolides (5) and (6) with 68 

and 20 % yields (Fig. 2). Reaction occurred more rapidly than with N-bromosuccinimide. Apparently, acid-

catalyzed 5,10-carbocyclization occurred by the same mechanism as with NBS through regiospesific proto-

nation of the most electron-donor and space available Δ

1,10

-double bond of hanphilline (1) with configuration 

1

D

14 

and 

15

D

5

. Following nucleophilic attack of Δ

4,5

-double bond (Markovnikov's rule) led to only trans-

condensed eudesmanolides (5) and (6). 

1

H-NMR spectrum data of obtained compounds are shown in Ta-

ble 2. 

 

O

O

H

O

O

HO

(2)

(3)

HO

HO

H

H

H

H

H

1. H

+

-15

2. -HBr

1. H

2

O

2. -HBr

HO

O

O

(4)

Stereocontrolled synthesis of trans-eudesmanolides … 

Серия «Химия». № 3(75)/2014 

41 

 

Figure 2. The obtaining of eudesmanolides (5) and (6) 

T a b l e   2  

жүктеу/скачать 4,74 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: