Скачать 1.93 Mb.
|
Использование атом-атомных потенциалов весьма перспективно и может существенно расширить наши представления о сольватации и ее влиянии на реакционную способность органических соединений. Банк параметров в настоящее время достаточно велик, и можно надеяться, что в будущем он будет еще расширен. Однако следует подчеркнуть те допущения, которые делаются в этих расчетах. 1. Используется приближенный квантовохимический метод (для молекул среднего размера весьма грубый) для вычисления параметров атом-атомных потенциалов. В случае небольшого числа молекул растворителя ошибки могут быть невелики, но по мере увеличения их количества они будут накапливаться. 2. Ошибки в расчетах могут возникать за счет аппроксимации численного потенциала весьма простыми аналитическими функциями. 3. Атом-атомные потенциалы, которые обычно используют для изучения сольватации, не являются аддитивными функциями, а взаимодействия трех тел учесть довольно сложно и этого почти никогда не делают, хотя эти коллективные взаимодействия существенно влияют на результаты расчета (это, по-видимому, самый большой недостаток метода Клементи). В ряде работ подход Клементи к учету сольватации был использован для изучения влияния растворителя на поверхности потенциальной энергии органических реакций [111, 112]. Эти работы будут более подробно рассмотрены ниже. Здесь же мы только отметим, что проведение таких расчетов требует очень больших затрат машинного времени. Их порядок таков: 1) вычисляют полную энергию для какой-либо точки на поверхности потенциальной энергии газофазной реакции; 2) в этой точке рассчитывают параметры атом-атомных потенциалов, описывающих взаимодействие реагентов с молекулой растворителя; 3) с помощью атом-атомных потенциалов, полученных на предыдущем этапе расчета (см. пункт 2), методом Монте-Карло вычисляют энергию сольватации. Такую цепочку расчетов приходится проводить для каждой точки поверхности потенциальной энергии, так как в ходе реакции электронная структура реагентов существенно меняется, что приводит к изменению параметров эмпирической потенциальной функции, описывающей взаимодействие с молекулой растворителя. Из-за этого нельзя пользоваться банком готовых параметров для атом-атомных потенциалов, более того, их приходится пересчитывать в каждой новой точке поверхности потенциальной энергии. Именно эта стадия расчета связана с очень большим объемом вычислений. 2.6. МОДЕЛЬ ТОЧЕЧНЫХ ДИПОЛЕЙ Основной недостаток методов приближения супермолекулы и Монте-Карло с атом-атомными потенциалами заключается в исключительной сложности расчета. Поэтому вполне естественным было появление методов, сохраняющих принцип этих подходов, т.е. учитывающих в явном виде дискретный набор молекул растворителя вокруг растворенного соединения, но моделирующих его с помощью точечных диполей. В этом приближении влияние внешнего электрического поля, созданного растворителем, на растворенное соединение приводит к появлению определенных добавочных членов, которые необходимо прибавить к матричным элементам гамильтониана. Модель точечных диполей широко использовалась разными авторами для учета сольватации. Однако почти все эти работы имели один существенный недостаток - в них не учитывалось ван-дер-ваальсово отталкивание между растворенным соединением и молекулами растворителя и молекул растворителя между собой. Из-за этого было нельзя рассчитать геометрию сольватной оболочки и точечные диполи, моделирующие молекулы растворителя, расставлялись на основе интуитивных соображений. Последовательная электростатическая модель, в которой учитывалось отталкивание в потенциале, описывающем межмолекулярные взаимодействия, была предложена в работе Уоршела [113]. Молекулы растворителя в ней моделировались шариками с фиксированным дипольным моментом и ван-дер-ваальсовым радиусом. Если молекул растворителя немного, то использование метода Уоршела не вызывает затруднений. Однако при увеличении количества молекул растворителя возникают трудности, связанные с поиском оптимальной структуры сольватной оболочки. Использование для этой цели метода Монте-Карло связано с очень большим объемом вычислений и не годится для решения прикладных задач, а методы оптимизации геометрии типа наискорейшего спуска позволяют найти лишь один из многочисленных локальных минимумов (не обязательно самый глубокий). Поэтому метод Уоршела в настоящее время применяется редко. В качестве примера его использования приведем работу [114], в которой с его помощью было учтено влияние гидратации на потенциальный профиль реакции OH- + CO2 → Н3СО-. Было показано, что гидратация существенно уменьшает тепловой эффект реакций. Кроме того, было установлено, что в газовой фазе эта реакция идет без активационного барьера, а в растворе - с активационным барьером. Другой вариант модели точечных диполей был предложен в работе [115]. Чтобы избежать вычисления оптимальной структуры сольватной оболочки, дипольные моменты молекул растворителя были раздроблены и почти непрерывно и равномерно "размазаны" по объему растворителя, т.е. каждая молекула растворителя была заменена большим количеством точечных диполей с малыми дипольными моментами. Такое ''размазывание" дипольного момента молекул растворителя ранее было использовано Уоршелом при построении модели ланжевеновских диполей [113]. Точечные диполи с малыми дипольными моментами могут быть расположены в узлах любой упорядоченной решетки. Из них следует выделить ту часть точечных диполей, которые вносят существенный вклад в энергию сольватации. Положение в пространстве этой части точечных диполей должно удовлетворять следующим двум условиям. Во-первых, точечный диполь не может находиться ближе некоторого критического расстояния ни к одному из атомов растворенной молекулы. Во-вторых, энергия взаимодействия между точечными диполями и растворенной молекулой должна превышать некоторую пороговую величину. Физический смысл первого условия очевиден (точечные диполи не должны попасть внутрь растворенного соединения). Суть второго условия заключается в учете взаимодействия растворенного соединения лишь с теми точечными диполями, которые находятся в области достаточно сильного электрического поля растворенного соединения. Их дипольные моменты будут ориентированы в направлении этого поля, и поэтому будут вносить основной вклад в энергию сольватации. Дипольные моменты остальных точечных диполей из-за взаимодействия молекул растворителя между собой будут ориентированы в произвольных направлениях, поэтому энергия их взаимодействия с электрическим полем растворенного соединения будет мала. Этим вкладом в работе [115] предложено пренебречь. Таблица 2.1 Энергии гидратации простых ионов и супермолекул, вычисленные с помощью модели точечных диполей (кДж/моль) [115]
Результаты расчета энергий гидратации простых ионов и некоторых супермолекул (комплексов, образованных ионом и одной или двумя молекулами воды) методом МПДП с использованием модели точечных диполей [115] приведены в табл. 2.1, из которой видно, что получается хорошее согласие с экспериментом. Однако не следует переоценивать возможности модели точечных диполей в описанном выше варианте. Она годится лишь для достаточно грубого качественного учета сольватационных эффектов. Основное ее достоинство - малые затраты машинного времени, поэтому ее легко применять в прикладных расчетах для получения качественно правильных результатов для реакций в полярных растворителях. 2.7. ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМОВ ОРГАНИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ В РАСТВОРАХ МЕТОДАМИ КВАНТОВОЙ ХИМИИ 2.7.1. 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 [116]: 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. 2.1. Сечение ППЭ для реакции переноса протона (I) 1 - расстояние между атомами F и N фиксировано; 2 - расстояние между атомами F и N оптимизировано Е, кДж/моль Е, кДж/моль
При дальнейшем исследовании этой системы [116] 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 Vт.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. 2.7.2. Реакции нуклеофильного замещения, протекающие по механизму SN2 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 (ΔН) и активационный барьер (Е#) реакции (III) в водном растворе (кДж/моль) [125]
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. Δ = 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. 2.7.3. 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. 2.5. Сечения ППЭ для реакции присоединения аммиака к формальдегиду с образованием биполярного интермедиата: а - расчеты полуэмпирическими методами: 1 - МПДП; 2 - МЧПДП/2; 3 - МЧПДП/2; 4 -МЧПДП/3; 5 - ППДП/БУ; 6 - ППДП/2; б - расчеты неэмпирическими методами: 1 - ОСТ-ЗГФ; 2 - 4-31ГФ; 3 - 6-31ГФ; 4 - 6-31ГФ*. Рис. 2.4. Влияние гидратации на сечение ППЭ реакции присоединения аммиака к формальдегиду с образованием биполярного интермедиата: 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. |
Тематическое планирование по химии 11 класс Предмет органической химии. Краткий исторический очерк: виталистическая теория. Связь органической и неорганической химии. Органические... | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Повторение курса органической химии. Строение и номенклатура органических веществ. Вывод молекулярной формулы вещества | ||
Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Знать : определение органической химии, что изучает данная наука; различия между органическими и неорганическими веществами, особенности... | Тема Форма проведения Свойство атомов углерода образовывать прямые, разветвленные и замкнутые цепи, одинарные и краткие связи. Гомология, изомерия. Значение... | ||
Ключевые слова Ключевые слова: структура молекул, водородная связь, ик спектроскопия, спектроскопия ямр, квантовохимические расчеты, молекулярные... | Учебно-методический комплекс учебной дисциплины методика изучения... Программа учебной дисциплины обсуждена и утверждена на заседании кафедры органической химии Протокол №9 от 23. 05. 2012 г | ||
Основные результаты, полученные в исследованиях по оптике и спектроскопии,... Методические указания разработаны кандидатом физико-математических наук, доцентом Нойкиным Ю. М | Рабочая программа по дисциплине ен. Ф. 04. 2 Органичская химия Целью дисциплины является освоение системы знаний о фундаментальных законах, теориях, фактах органической химии необходимых для понимания... | ||
Характеристика молекулярной патологии в увеальных меланомах Работа выполнена в лаборатории молекулярной генетики человека нии молекулярной медицины Московской медицинской академии им. И. М.... | Программа дисциплины дпп. Ф. 10 Органический синтез цели и задачи... Курс «Органический синтез» проводится после изучения систематического курса органической химии и выполнения практических работ малого... | ||
Магнитной радиоспектроскопии в биофизических и медико-биологических исследованиях Диамагнетизм и парамагнетизм атомов и молекул. Ядерный магнетизм. Основы эпр-спектроскопии и ямр-спектроскопии | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Элективный курс предназначен для учащихся 10-х классов, изучающих химию на базовом уровне. Курс рассчитан на 34 часа. Введение данного... | ||
Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Элективный курс предназначен для учащихся 10-х классов, изучающих химию на базовом уровне. Курс рассчитан на 34 часа. Введение данного... | Рабочая программа дисциплины Теоретические основы органической химии... Целями освоения дисциплины Теоретические основы органической химии биологически активных добавок являются | ||
Реакции гетероциклизации с участием цианаминопиранов ... | Урок по химии по разделу «Химические реакции в органической химии» Раннев П. П. Философия религии : Учебно-метод комплекс. Ростов н/Д.: Изд-во рсэи, 2011. 63 с |