Изучение механизмов органических реакций в растворах методами квантовой химии

Размещено на http://www.allbest.ru/

11

ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМОВ ОРГАНИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ В РАСТВОРАХ МЕТОДАМИ КВАНТОВОЙ ХИМИИ

Диссоциация молекул в полярных растворителях.

Рассмотрим вопрос о механизме диссоциации молекул в полярных растворителях. Химики-экспериментаторы очень часто имеют дело с такими процессами при изучении многих органических реакций, поэтому необходимо уметь их моделировать в квантовохимических расчетах. На первый взгляд эта задача кажется очень простой, однако при более близком знакомстве с ней выясняется, что механизм этих процессов весьма сложен и общепринятые представления о нем являются неточными. В квантовохимических работах образование ионов в полярных растворителях наиболее часто рассматривалось на примере следующей модельной реакции:

FH + NH₃ > F^- + NH₄⁺. (I)

FH - кислота, a NH₃ - основание, поэтому в водных растворах эта система должна существовать в ионной форме F^- + NH₄⁺. Однако в квантохимических расчетах удавалось получить лишь локальный минимум для ионной пары и то только при фиксированном и достаточно большом расстоянии между атомами фтора и азота. Включение этого расстояния в число варьируемых параметров неизменно приводило к исчезновению локального минимума для ионизированной системы. В качестве примера на рис. 2.1 приведены результаты такого расчета методом МПДП/Н, сольватация моделировалась в приближении супермолекулы шестью молекулами воды.

Рис.1. Сечение ППЭ для реакции переноса протона (I).

Рис. 2. Сечение ППЭ для реакций переноса протона.

Рис. 2.3 Сечение ППЭ для реакции переноса протона.

При дальнейшем исследовании этой системы было установлено, что минимум для электрически нейтральной системы является локальным, а глобальный минимум соответствует разделенной ионной паре, в которой расстояние между ионами составляет около 1 нм (рис. 2.2). Для контактных ионных пар минимума обнаружено не было, что свидетельствует о невозможности их существования в водных растворах.

Из этих данных становится очевидной причина неудачного рассмотрения многими авторами реакций диссоциации молекул в водной среде. Делались попытки найти контактные ионные пары. Модель выбиралась такой, что образование разделенных ионных пар было невозможно. В результате удавалось получить лишь один минимум для электрически нейтральной системы.

Мы привыкли считать, что с увеличением полярности среды на профиле потенциальной энергии реакции диссоциации первоначально образуется минимум для контактной ионной пары и лишь потом - для разделенной. В действительности это не так. Если растворитель можно рассматривать как непрерывную (континуальную) среду, то минимумы (и локальные, и глобальные) на профиле потенциальной энергии для контактных ионных пар будут отсутствовать при любой его полярности. Действительно контактные ионные пары в водных растворах практически не образуются, поскольку молекулы воды почти непрерывно увеличивают размер гидратационной оболочки с ростом напряженности электрического поля растворенного соединения. Для маленьких ионов образуется до трех гидратационных оболочек. Этот эффект непрерывности не позволяет образовываться контактным ионным парам.

Контактные ионные пары могут существовать только в растворителях, которые имеют качественно иную структуру по сравнению с водой и в которых сольватная оболочка не может непрерывно увеличивать свой размер. Например, в ацетонитриле, диметилсульфоксиде и многих других полярных растворителях дипольный момент локализован на одном конце молекулы, а на другом находится неполярная группа большого размера. Для таких растворителей характерны дискретные свойства: после заполнения первого сольватационного слоя происходит резкое уменьшение величины энергии последовательной сольватации и вторая сольватная оболочка практически не формируется.

В модель точечных диполей дискретные свойства сред такого типа можно ввести, например, путем ограничения количества точечных диполей, которые могут взаимодействовать с растворенной молекулой. На рис. 2.3 показаны результаты расчета сечения поверхности потенциальной энергии для реакции переноса протона в предположении, что количество точечных диполей объемом V_т.д= 10^-3 нм³ не может превышать 200. Видно, что при таком ограничении количества точечных диполей глобальный минимум соответствует контактным ионным парам. Получить его без введения в использованную сольватационную модель элемента дискретности невозможно.

Реакции нуклеофильного замещения, протекающие по механизму S_N2

За последние, годы существенно расширились наши знания о детальных механизмах реакций нуклеофильного замещения, широко распространенных в химии [117, 118]. Методами масс-спектрометрии высоких давлений [119], ионного циклотронного резонанса [120] и квантовой химии [121 - 123] показано, что в газовой фазе первоначально образуется устойчивый предреакционный комплекс (K₁). Ему соответствует первый минимум на профиле потенциальной энергии. При дальнейшем движении вдоль координаты реакционная система преодолевает активационный барьер, после чего образуется второй комплекс (К₂), который распадается на конечные продукты:

Таблица 2.2 Энтальпия (ДН) и активационный барьер (Е^#) реакции (III) в водном растворе (кДж/моль).

Экспериментально эти реакции обычно изучаются в растворах. Влияние сольватации на профиль потенциальной энергии было установлено на основе результатов квантовохимических расчетов.

В работе [124] рассчитано сечение поверхности потенциальной энергии для реакции Сl^- + Н₃ССl > СlСН₃ + Сl^- неэмпирическим методом 3-21ГФ. Для моделирования сольватации использовано приближение супермолекулы (к реагентам добавлено две молекулы воды). Было показано, что сольватация существенно повышает активационный барьер реакции. Однако вычисленное значение энергии активации оказалось сильно заниженным по сравнению с экспериментом. Это связано, во-первых, с недостаточным количеством молекул воды, включенным в гидратационную оболочку реагентов, и, во-вторых, с использованием базиса 3-21 ГФ, расчеты в котором существенно переоценивают стабильность комплексов K₁ и К₂ и переходного состояния (ПС) реакции (II) в газовой фазе.

В работе [125] модифицированным методом ППДП/2 вычислен профиль потенциальной энергии для реакций [126],

X^- + Н₃СY > XСН₃ + Y^- (X,Y=H,F,Cl) (III)

для учета сольватации использована модель точечных зарядов. Полученные результаты приведены в табл. 2.2, из которой видно, что гидратация качественно изменяет профиль потенциальной энергии исследованных реакций и приводит к появлению активационных барьеров. Их высота, вычисленная квантовохимическим методом, близка к экспериментальным значениям.

В работе [127] профиль потенциальной энергии для реакции

Сl^- + Н₃ССl > СlСН₃ + Сl^- (IV)

ОН^- + Н₃СВr > НОСН₃ + Вr^- (V)

рассчитан методом МПДП. Для учета гидратации использована модель точечных диполей. Полученные результаты приведены на рисунке 2.4 и в таблице 2.3. Видно, что гидратация существенно изменяет профиль потенциальной энергии исследованных реакций, однако траектория движения реагентов, которая проходит по дну долины на поверхности потенциальной энергии, при этом остается практически неизменной. Аналогичные результаты были получены в работах [128, 129], выполненных методом МПДП/Н с использованием приближения супермолекулы для расчета гидратации. Приблизительно такая же форма профиля потенциальной энергии для этих реакций получена и в работе [111], в которой расчеты проводились неэмпирическим методом в большом гауссовом базисе и методом Монте- Карло с атом-атомными потенциалами. Влияние сольватации на траекторию движения реагентов в последней работе не рассматривалось.

Рис. 2.4 Сечение ППЭ для реакций (IV) (a) и (V) (б).

1 - в газовой фазе; 2 - в водном растворе. Д = R₁ - R ₂; R₁ - расстояние между атомом углерода и уходящим атомом хлора (брома); R₂ - расстояние между атомом углерода и атакующим атомом хлора (брома).

Таблица 2.3 Характеристики траектории движения реагентов в газовой фазе и в водном растворе.

Таким образом, результаты, полученные разными методами, качественно совпадают. В связи с этим возникает вопрос, каким методом предпочтительнее проводить расчеты в прикладных работах: неэмпирическим методом и методом Монте-Карло или полуэмпирическими методами с использованием простых моделей? В первом случае результаты получаются более надежными, но расчеты очень трудно провести из-за недостаточного быстродействия современных ЭВМ, поэтому неэмпирические расчеты и расчеты методом Монте-Карло обычно проводят для существенно упрощенных модельных систем, которые далеки от экспериментально изучаемых реакций. Во втором случае расчеты удается проделать для более реалистичных моделей. Поэтому, с нашей точки зрения, для решения большинства прикладных задач следует пользоваться полуэмпирическими методами. Неэмпирические расчеты нужно проводить лишь для простейших модельных систем и тестировать по этим данным результаты полуэмпирических расчетов в тех случаях, когда необходимая экспериментальная информация отсутствует. Пример такого сочетания полуэмпирических и неэмпирических методов приведен ниже.

Нуклеофильные реакции карбонильных соединений

Реакции нуклеофильного присоединения и замещения карбонильных соединений играют важную роль в химии и биологии. В частности, к ним относятся реакции образования пептидных связей в условиях биосинтеза белка. Обычно эти реакции идут в водной среде. При этом растворитель играет роль резервуара, с которым происходит обмен протонами. Поэтому при подходе нуклеофильного реагента NuH к карбонильному соединению XCOY возможно образование интермедиатов с разным характером протонирования:

Наименее устойчивым является интермедиат Т^±. До настоящего времени его не удалось обнаружить экспериментально, и вывод о том, что он существует, сделан на основе косвенных данных. Для решения этого вопроса в работах [130, 131] рассчитан профиль потенциальной энергии для простейшей модельной реакции

NH₃ + Н₂СО - H₃N⁺--СH₂--О ^-. (VI)

Расчеты проведены и неэмпирическими, и полуэмпирическими (рис. 2.5) методами. По данным неэмпирических расчетов биполярный интермедиат в газовой фазе существовать не может. Полуэмпирический метод МПДП привел к такому же результату, причем профили потенциальной энергии, вычисленные неэмпирическим методом (в расширенных базисах) и методом МПДП, получились почти одинаковыми. Все остальные полуэмпирические методы (ППДП/2, ППДП/БУ, МЧПДП/2, МЧПДП/3) привели к противоположному результату. Данные неэмпирических расчетов являются более надежными, поэтому в работах [130, 131] был сделан вывод о том, что биполярный интермедиат в газовой фазе существовать не может и из полуэмпирических методов только метод МПДП дает правильный результат.

Метод МПДП был использован для дальнейшего исследования профиля потенциальной энергии реакции (VI) в растворах. Сольватация моделировалась в приближении супермолекулы. Полученные результаты приведены на рис. 2.6. Видно, что включение в реакционную систему четырех молекул воды достаточно для появления локального минимума в случае биполярного интермедиата. Этот результат показывает, что в полярных растворителях биполярный интермедиат может существовать.

Рис. 2.4 Влияние гидратации на сечение ППЭ реакции присоединения аммиака к формальдегиду с образованием биполярного интермедиата.

диссоциация реагент нуклеофильное замещение карбонильное соединение

1 -- расчет для газовой фазы; 2 - 4 -- гидратация моделировалась двумя (2), четырьмя (3) и шестью (4) молекулами воды.

Таким образом, неэмпирические методы были использованы [130, 131] для расчета термодинамических параметров простейшей модельной системы и решения вопроса, какой из полуэмпирических методов правильно передает профиль потенциальной энергии. После того как было установлено, что метод МПДП дает правильные результаты, им были проведены вычисления для более сложной системы с несколькими молекулами воды. Такое сочетание полуэмпирических и неэмпирических расчетов, с нашей точки зрения, является наиболее разумным.

При изучении механизмов многих органических реакций кванто-вохимическими методами необходимо учитывать взаимодействие реагентов и растворителей. Это утверждение в первую очередь относится к ион-молекулярным реакциям. При решении прикладных задач мы часто имели дело с реакциями такого типа и на большом числе примеров убедились, что результаты квантовохимических расчетов для газофазных моделей нельзя использовать для рассмотрения этих реакций в растворах, так как сольватация качественно меняет вычисленный профиль потенциальной энергии.

Для учета сольватации в настоящее время наиболее широко применяются метод Монте-Карло с атом-атомными потенциалами, приближение супермолекулы и модель точечных диполей. Все эти методы качественно правильно передают изменение профиля потенциальной энергии ион-молекулярных реакций при переходе из газовой фазы в раствор. Метод Монте-Карло дает, по-видимому, наиболее достоверные результаты, но его использование для вычисления потенциальных профилей органических реакций в полярных растворителях требует очень больших затрат машинного времени и для реальных реакций практически невозможно.

Приближение супермолекулы используют для изучения влияния сольватации на реакционную способность органических соединений лишь в случае растворителей, молекулы которых содержат небольшое число атомов. Таким растворителем, в частности, является вода. Присоединение к реагентам нескольких молекул воды позволяет понять, как влияет полярный растворитель на профиль потенциальной энергии органической реакции.

Модель точечных диполей также может быть использована для изучения влияния сольватационных эффектов на реакционную способность органических соединений. Она дает менее точные результаты, но вполне пригодна для изучения сольватационных эффектов на качественном уровне. Эта модель необычайно экономична, поэтому при решении большинства прикладных задач мы рекомендуем отдавать предпочтение именно ей. Более сложными моделями следует пользоваться лишь в исключительных случаях.

Размещено на Allbest.ru