Нові підходи до оцінки стабільності карбенів

Carbenes are known to be highly reactive compounds, which can, in turn, spontaneously transform to dimers and products of rearrangements. Therefore, the question about the estimation of stability of carbenes is fundamental in the design of compounds for their subsequent synthesis and application.Aim. To consider the known methods for assessing the stability and stabilization of carbenes, first of all, created by the authors of the article, and show their possibilities in predicting the properties of carbenes.Materials and methods. The study was performed using the DFT method (B3LYP5, 6-311G**, RHF) to estimate the stabilization energies, and the DFT (B3LYP5, 6-31G, RHF) to obtain dimerization energies.Results and discussion. The ways of solving the problem of stability of carbenes by the methods of quantum chemistry are discussed, in particular the application of new criteria for the stabilization of cyclic compounds – energies of the general and cyclic stabilization, energies of non-aromatic conjugations. To assess the possibility of isolating compounds the study of standard dimerization enthalpies (according to the ESP electronic and steric parameter proposed) for different classes of heterocyclic carbenes has been performed taking into account conformational factors. The scale of substituent effects on the stability of carbenes has been developed. It has been shown that sterically shielding substituents cause not only the kinetic stabilization, but also the thermodynamic one. The skeletons of the molecules have been estimated for their degree of influence on the stability of the compounds.Conclusions. The parameters proposed for assessing the energies of the total and cyclic stabilization of carbenes, the dimerization energies of complex carbenes (electronic and steric parameter) allow identifying the most stable structures in the design of compounds for their subsequent synthesis and application.Известно, что карбены относятся к весьма реакционноспособным соединениям, которые к тому же могут автотрансформироваться в димеры и перегруппировываться. Поэтому вопрос об оценке стабильности карбенов является основным в дизайне соединений для их дальнейшего синтеза и применения.Цель. Рассмотреть известные методы оценки стабильности и стабилизации карбенов, прежде всего созданные авторами статьи, показать их возможности в предсказании свойств карбенов.Обсуждение результатов. Обсуждаются пути решения проблемы стабильности карбенов методами квантовой химии, в частности применение новых критериев стабилизации циклических соединений – энергий общей и циклической стабилизации, энергий неароматической конъюгации. Для оценки возможности выделения карбенов в индивидуальном состоянии проведено изучение их стандартных энтальпий димеризации (электронный и стерический параметр ESP) в различных классах гетероциклических карбенов. Предложены ряды влияния заместителей на стабильность карбенов. Показано, что стерически экранирующие заместители вызывают не только кинетическую, но и термодинамическую стабилизацию. Остовы молекул оценены по степени влияния на стабильность соединений.Методы расчетов. Исследование проводили, используя метод DFT (B3LYP5, 6-311G**, RHF) для оценки энергий стабилизации и DFT (B3LYP5, 6-31G, RHF) для получения энергий димеризации.Выводы. Предложенные параметры оценки энергий общей и циклической стабилизации карбенов и энергий димеризации (электронный и стерический параметры) карбенов позволяют выявлять наиболее стабильные структуры в дизайне соединений для их дальнейшего синтеза и применения.Відомо, що карбени відносяться до вельми реактивних сполук, які до того ж можуть самоперетворюватися на димери та перегруповуватися. Тому питання про визначення стабільності карбенів є основним у дизайні сполук для їх подальшого синтезу та застосування.Мета. Розглянути відомі методи оцінки стабільності та стабілізації карбенів, передусім створені авторами статті, показати їх можливості в передбаченні властивостей карбенів.Обговорення результатів. Розглядаються шляхи вирішення проблеми стабільності карбенів методами квантової хімії, зокрема застосування нових критеріїв стабілізації циклічних сполук – енергій загальної та циклічної стабілізації, енергій неароматичної кон’югації. Для оцінки можливості виділення сполук в індивідуальному стані проведено дослідження їх стандартних ентальпій димеризації (за запропонованим електронним і стеричним параметром ESP) у різних класах гетероциклічних карбенів з врахуванням конформаційних факторів. Укладено ряди впливу замісників на стабільність карбенів. Показано, що стерично екрануючі замісники викликають не тільки кінетичну, але й термодинамічну стабілізацію. Остови молекул оцінено за рівнем впливу на стабільність сполук.Методи розрахунків. Дослідження проводили, використовуючи метод DFT (B3LYP5, 6-311G**, RHF) для оцінки енергій стабілізації, DFT (B3LYP5, 6-31G, RHF) для отримання енергій димеризації.Висновки. Запропоновані параметри оцінки енергій загальної і циклічної стабілізації карбенів та енергій димеризації (електронний і стеричний параметри) складних карбенів дозволяють виявляти найстабільніші структури в дизайні сполук для їх подальшого синтезу та застосування

Електронні властивості карбенів

For carbenes as ambiphilic compounds there is no single scale for estimating their electron properties.Aim. To consider the known methods of estimating the electron-donating and electron-withdrawing properties of carbenes, first of all, created by the authors of the article, and show their possibilities in predicting the properties of carbenes.Materials and methods. The studies were performed using the DFT (B3LYP5/6-311G/RHF) method to estimate proton affinity, DFT (B3LYP5/3-21G/RHF and B3LYP5/3-21G/UHF) to determine chemical hardness and electronic indices.Results and discussion. The electronic properties of carbenes, including thermodynamic parameters, such as proton affinity (PA), chemical hardness η, and new electronic indices Ie, are discussed in the paper. With their help, the electron-donating and electron-withdrawing ability of a wide range of carbenes of both nucleophilic and electrophilic type has been estimated. It has been shown quantitatively that the electronic properties of carbenes depend both on the backbone of the molecule (for example, the type of the heterocyclic nucleus) and on substituents. The above data show the ways of regulating the structure of carbenes to achieve certain characteristics, which together with stability factors can be used in the design of structures for the synthesis and practical application.Conclusions. The author’s results of estimating proton affinity, chemical hardness and electronic indices for the design and use of carbene compounds are considered. Electronic indices have been shown to have some advantages over others for determining the nature (electron-donating and electron-withdrawing) of carbenes.Для карбенов как амбифильных соединений до сих пор нет единой шкалы оценки их электронных свойств.Цель. Рассмотреть известные методы оценки електронодонорных и электроноакцепторных свойств карбенов, прежде всего разработанные авторами статьи, показать их возможности в предсказании свойств карбенов.Обсуждение результатов. В статье обсуждаются электронные свойства карбенов, в частности такие термодинамические показатели как сродство к протону (РА), химическая жесткость η, а также новые электронные индексы Ie. С их помощью проведена оценка электронодонорной и электроноакцепторной способности широкого ряда карбенов как нуклеофильного, так и электрофильного типа. Количественно показано, что электронные свойства карбенов зависят как от остова молекулы (например, типа гетероциклического ядра), так и от заместителей. Из приведенных данных вытекают пути регулирования структуры карбенов для достижения определенных характеристик, которые вместе с факторами стабильности могут использоваться в дизайне структур для синтеза и практического применения.Методы расчетов. Исследования проводили, используя метод DFT (B3LYP5/6-311G/RHF) для оценки сродства к протону, DFT (B3LYP5/3-21G/RHF и B3LYP5/3-21G/UHF) для определения химических жесткостей и электронных индексов.Выводы. Рассматриваются авторские результаты оценки сродства к протону, химических жесткостей и электронных индексов для дизайна и использования карбеновых соединений. Показано, что электронные индексы имеют преимущества перед другими для оценки природы (электронодонорности и электроноакцепторности) карбенов.Для карбенів як амбіфільних сполук досі немає єдиної шкали оцінки їх електронних властивостей.Мета. Розглянути відомі методи оцінки електронодорних та електроноакцепторних властивостей карбенів, передусім розроблені авторами статті, показати їх можливості в передбаченні властивостей карбенів.Обговорення результатів. В статті обговорюються електронні властивості карбенів, зокрема такі термодинамічні показники як протонна спорідненість (РА), хімічна жорсткість η, а також нові електронні індекси Іе. За їх допомогою проведено оцінку електронодонорної та електроноакцепторної здатності широкого ряду карбенів як нуклеофільного, так і електрофільного типу. Встановлені кількісні залежності електронних властивостей карбенів як від структури остову молекули (зокрема типу гетероциклічного ядра), так і від замісників, що дозволяє регулювати структуру карбенів для досягнення певних характеристик, що разом з факторами стабільності можуть використовуватися в дизайні структур для синтезу та практичного застосування.Методи розрахунків. Дослідження проводили з використанням методу DFT (B3LYP5/6-311G/RHF) для оцінки протонної спорідненості, DFT (B3LYP5/3-21G/RHF та B3LYP5/3-21G/UHF) для визначення хімічних жорсткостей та електронних індексів.Висновки. Розглянуто авторські результати оцінки протонної спорідненості, хімічних жорсткостей та електронних індексів для дизайну та використання карбенових сполук. Показано, що електронні індекси мають певні переваги перед іншими для визначення природи (електронодонорності та електроноакцепторності) карбенів

Синтез і антимікробна активність металокарбенових сполук ряду триазолів

Мetalcarbene compounds of a series of [1,2,4] and [1,2,3]triazoles have been synthesized to study their antimicrobial activity. Monocarbene complexes of palladium (9a) and copper(I) (9b,12,15), biscarbene complexes of palladium (4a) and copper(I) (4b,14), a carbenoid complex of cobalt (5) have been synthesized by the direct interaction of stable carbenes with transition metal salts or by analogous in situ reactions. The intermediate sterically hindered carbenes – [1,2,4]triazol-5-ylidenes 3a-c have been isolated in the individual state. Being intermediate in the synthesis of mesoionic complexes 9a,b 1-adamantyl-4-phenyl-[1,2,3]triazole has been synthesized by [3+2]-cycloaddition of 1-adamantylazide to phenylacetylene in the presence of the biscarbene complex of copper(I) iodide 14. Characteristic signals of the carbenoid carbon atoms are detected in the 13С NMR spectra of complexes in the range of 165-203 ppm. A high antimicrobial activity has been found for complexes 5.12; for compound 12 it corresponds to the minimal bacteriostatic concentration (MBsC) 15.6 mkG/mL, the minimal bactericidal concentration (MBcC) 31.2 mkG/mL (М. luteum), and MBsC 31.2 mkG/mL, MBcC 62.5 mkG/mL (S. aureus). The highest activity in the series studied is observed for the carbenoid complex of cobalt (5) on the test-culture of M. luteum (MBsC 15.6 mkG/mL and MBcC 31.2 mkG/mL), and on the test-culture of C. tenuis (the minimal fungistatic concentration is 7.8 mkG/mL and the minimal fungicidal concentration is 31.2 mkG/mL).Синтезированы металлокарбеновые комплексы ряда [1,2,4] и [1,2,3]триазолов для изучения их антимикробной активности. Монокарбеновые комплексы палладия (9a) и меди(I) (9b,12,15) и бискарбеновые комплексы палладия (4a) и меди (I) (4b,14), карбеноидный комплекс кобальта (5) получены прямым взаимодействием стабильных карбенов с солями переходных металлов или аналогичными in situ реакциями. Промежуточные стерически затрудненные карбены – [1,2,4]триазол-5-илидены 3a-c выделены в индивидуальном состоянии. Промежуточный в синтезе мезоионных комплексов 9a,b 1-адамантил-4- фенил-[1,2,3]триазол синтезировали реакцией [3+2]-циклоприсоединения 1-адамантилазида к фенилацетилену в присутствии бискарбенового комплекса йодида меди(І) 14. В спектрах ЯМР 13С комплексов характерны сигналы карбеноидных атомов углерода в области 165-203 м.д. Обнаружена высокая антимикробная активность комплексов 5,12, что для соединения 12 соответствует минимальной бактериостатической концентрации (МБсК) 15,6 мкг/мл, минимальной бактерицидной концентрации (МБцК) 31,2 мкг/мл (М. luteum) и МБсК 31,2 мкг/мл, МБцК 62,5 мкг/мл (S. aureus). Для карбеноидного комплекса кобальта 5 зафиксирована наивысшая активность в исследованном ряду (МБсК 15,6 мкг/мл, МБцК 31,2 мкг/мл на тест-культуре М. luteum и минимальная фунгистатическая концентрация 7,8 мкг/мл, минимальная фунгицидная концентрация 31,2 мкг/мл тест-культуре С. tenuis).Синтезовано металокарбенові сполуки ряду [1,2,4] та [1,2,3]триазолів для вивчення їх антимікробної активності. Монокарбенові комплекси паладію (9a) та міді(І) (9b,12,15), біскарбенові комплекси паладію (4а) та міді(І) (4b,14), карбеноїдний комплекс кобальту (5) отримані взаємодією стабільних карбенів з солями перехідних металів або аналогічними in situ реакціями. Проміжні стерично ускладнені карбени [1,2,4]триазол-5-ілідени 3a-c виділені в індивідуальному стані. Проміжний в синтезі мезоіонних комплексів 9a,b 1-адамантил-4-феніл-[1,2,3]триазол синтезовано реакцією [3+2]-циклоприєднання 1-адамантилазиду до фенілацетилену в присутності біскарбенового комплексу йодиду міді(І) 14. У спектрах ЯМР 13С комплексів характерними є сигнали карбеноїдних атомів вуглецю в області 165-203 м.ч. Виявлено високу антимікробну активність комплексів 5,12, що для сполуки 12 відповідає мінімальній бактеріостатичній концентрації (МБсК) 15,6 мкг/мл, мінімальній бактерицидній концентрації (МБцК) 31,2 мкг/мл (M. luteum) та МБсК 31,2 мкг/мл, МБцК 62,5 мкг/мл (S. aureus). Для карбеноїдного комплексу кобальту 5 знайдено найвищу активність у дослідженому ряду (МБсК 15,6 мкг/мл, МБцК 31,2 мкг/мл на тест-культурі M. luteum та мінімальну фунгістатичну концентрацію 7,8 мкг/мл, мінімальну фунгіцидну концентрацію 31,2 мкг/мл на тест-культурі С. tenuis)

Synthesis and properties of heteroaromatic carbenes of the imidazole and triazole series and their fused analogues

Published VersionThe present review deals with the syntheses and properties of individual heteroaromatic carbenes of the imidazole, 1,2,4- and 1,2,3-triazole series, their fused analogs and mesoionic carbenes including unprecedented structures such as hyperbasic and hypernucleophilic carbenes. Particular emphasis is placed on their physical properties, novel chemical transformations, and catalytic properties

Синтез і антимікробна активність прекарбенових та металокарбенових сполук ряду імідазолу

Precarbene and metalcarbene compounds of a series of imidazole have been synthesized to study their antimicrobial activity. Calix[4]arene imidazolium salts 3,4a,b have been obtained from the corresponding chloromethyl derivatives of calix[4]arenes and N-substituted imidazoles in dimethylformamide or tetrahydrofuran, and salt 5 – from p-xylylenediimidazoles and 1-bromoadamantane in o-dichlorobenzene. Monocarbene complexes of palladium 8a-c, copper(I) 8d and biscarbene complexes of nickel 9a and cobalt 9b have been synthesized by the direct interaction of stable carbenes with transition metal salts or by the analogous reactions in situ in tetrahydrofuran. The NMR spectra data of the compounds synthesized are given. The most characteristic signals of the carbenoid carbon atoms are detected in the 13С NMR spectra of complexes 8a-d, 9a in the range of 165-178 ppm. A high antimicrobial activity has been found for carbenoid salts 4a,b, 5 on the test-culture of M. Luteum. It corresponds to the minimal bacteriostatic concentration (MBsC) of 15.6 mkg/mL and the minimal bactericidal concentration (MBcC) of 62.5 mkg/mL for compound 2. The higher activity has been found for carbene complexes of nickel 9a and cobalt 9b on the test-culture of M. luteum (MBsC is 7.8 mkg/mL and MBcC is 15.6 mkg/mL), and the highest 9b on the test-cultures of M. luteum and C. tenuis (the minimal fungistatic concentration is 1.9 mkg/mL and the minimal fungicidal concentration is 3.9 mkg/mL).Синтезированы прекарбеновые и металлокарбеновые соединения ряда имидазола для изучения антимикробной активности. Соли каликс[4]арентетраимидазолия 3, 4a,b получены из соответствующих хлорметильных производных каликс[4]аренов и N-замещенных имидазолов в диметилформамиде или тетраги­дрофуране, соль 5 – из п-ксилилендиимидазола и 1-бромадамантана в о-дихлорбензоле. Взаимодействием стабильных карбенов с солями переходных металлов или аналогичными in situ реакциями в тетрагидрофуране синтезированы монокарбеновые комплексы палладия 8a-c, меди (I) 8d и бискарбеновые комплексы никеля 9a и кобальта 9b. Приведены данные спектров ЯМР синтезированных соединений. В спектрах ЯМР 13С комплексов 8a-d, 9a,b наиболее характерны сигналы карбеноидных атомов углерода в области 165- 178 м.д. Обнаружена высокая антимикробная активность карбеноидных солей 4a,b, 5 на тест-культуре M. luteum, что для соединения 4a соответствует минимальной бактериостатической концентрации (МБсК) 15,6 мкг/мл и минимальной бактерицидной концентрации (МБцК) 62,5 мкг/мл. Для карбеновых комплексов никеля 9a и кобальта 9b на тест-культуре M. luteum найдена более высокая активность (МБсК 7,8 мкг/мл и МБцК 15,6 мкг/мл), а для комплекса 9b на тест-культуре C. tenuis – наивысшая (минимальная фунгистатическая концентрация 1,9 мкг/мл и минимальная фунгицидная концентрация 3,9 мкг/мл).Синтезовані прекарбенові та металокарбенові сполуки ряду імідазолу для вивчення їх антимікробної активності. Солі калікс[4]арентетраімідазолію 3, 4a,b отримані з відповідних хлорометильних похідних калікс[4]аренів і N-заміщених імідазолів у диметилформаміді або тетрагідрофурані, сіль 5 – з п-ксилілендіімідазолу та 1-бромадамантану в о-дихлоробензені. Взаємодією стабільних карбенів з солями перехідних металів або аналогічними in situ реакціями в тетрагідрофурані синтезовано монокарбенові комплекси паладію 8a-c, міді(І) 8d і біскарбенові комплекси нікелю 9a та кобальту 9b. Наведені дані спектрів ЯМР синтезованих сполук. У спектрах ЯМР 13С комплексів 8a-d, 9a найхарактернішими є сигнали карбеноїдних атомів вуглецю в області 165-178 м.ч. Виявлено високу антимікробну активність карбеноїдних солей 4a,b, 5 на тест-культурі M. luteum, що для сполуки 4a відповідає мінімальній бактеріостатичній концентрації (МБсК) 15,6 мкг/мл і мінімальній бактерицидній концентрації (МБцК) 62,5 мкг/мл. Для карбенових комплексів нікелю 9a і кобальту 9b на тест-культурі M. luteum знайдено вищу актив­ність (МБсК 7,8 мкг/мл і МБцК 15,6 мкг/мл), а для комплексу 9b на тест-культурі C. tenuis – найвищу (мінімальна фунгістатична концентрація 1,9 мкг/мл і мінімальна фунгіцидна концентрація 3,9 мкг/мл)