A DFT study of hydrogen bond formation into nucleophilic diamines in aprotic solvent media

Abstract

Realizamos un estudio teórico detallado de las moléculas 3-dimetilamino-l- ropilamina (DMPA), 1- (2-aminoetil)-piperidina (2-AEPip) y 3-(aminopropil)-morfolina (3-APMo). En estudios cinéticos previos, utilizamos estas diaminas como nucleófilos en reacciones de Sustitución Nucleofílica Aromática (SNAr) realizadas en solventes apróticos, debido a que presentan apropiadas estructuras flexibles que pueden formar uniones hidrógeno (unión-H) inter- e intramoleculares. De acuerdo a dichos resultados, las reacciones de 1-halo-2,4-dinitrobencenos con DMPA y 2-AEPip en tolueno presentan cinéticas de tercer orden en amina (cuarto orden global), resultados que pueden ser interpretados en términos del “mecanismo del dímero nucleófilo”. Por el contrario, las reacciones con 3-APMo muestran segundo orden en amina, de acuerdo al mecanismo clásico de descomposición base catalizada del intermediario zwitteriónico, sugiriendo que 3-APMo reacciona en estado monomérico debido a la formación de unión-H intramolecular (“dímero intramolecular”). Desarrollamos cálculos ab initio basados en la Teoría de la Funcional Densidad en las aminas mencionadas, analizando el tipo predominante de unión-H formada. Considerando cálculos al nivel B3LYP/6-31++G(d) determinamos sus geometrías óptimas y energías en vacío para los monómeros y dímeros. Implementamos una metodología para evaluar simultáneamente correcciones por error de superposición de bases y efectos del solvente mediante el modelo de polarización del continuo (PCM). Consistente con los resultados cinéticos, la energía de dimerización de 3-APMo es mucho menor que para 2-AEPip y DMPA. Los resultados teóricos presentados concuerdan con los obtenidos experimentalmente, sugiriendo el efecto crucial de la estructura del nucleófilo en determinar el tipo de unión-H predominante en las reacciones de SNAr realizadas en solventes apróticos.

A detailed theoretical study on 3-dimethylamino-l-propylamine (DMPA), 1-(2-aminoethyl)- piperidine (2-AEPip) and 3-(aminopropyl)-morpholine (3-APMo) is resented. These are special nucleophiles of appropriate flexible structure, regarding their inter- and intramolecular hydrogen bond (H-bond) self-aggregation states, that are of interest in connection with our last studies of Aromatic Nucleophilic Substitution (ANS) carried out in aprotic solvents. According to kinetic results, ANS reactions of 1-halo-2,4-dinitrobenzenes with DMPA and 2-AEPip in toluene are third-order in amine (overall fourth order kinetics), results that can be interpreted in terms of the “dimer nucleophile mechanism”. By contrast, the reactions with 3-APMo shows second-order in amine, consistent with the classical ANS mechanism, suggesting that this diamine reacts in the monomeric state due to an internal H-bond formation (“intramolecular dimer”). To provide valuable insight into the predominant type of H-bond formed we performed ab initio Density Funcional Theory calculations on the above mentioned amines determining the optimal geometry and its corresponding energy in vacuum for monomers and dimers at the B3LYP/6- 31++G(d) level. We implemented a methodology to simultaneously evaluate Counterpoise corrections and solvent effects within the polarized continuum model (PCM). In all cases we found that solvation energies are favorable and H-bonded dimers are more stable than their monomers. Consistent with kinetic results, for 3-APMo the dimerization energy is much lower than for 2-AEPip and DMPA. These theoretical findings are significant and are in line with available experimental results that shows the nucleophile structure is crucial to determine the predominant type of H-bonds in ANS reactions of diamines in aprotic solvents.