應(yīng)用量子化學(xué)計(jì)算理解溶劑對(duì)CH3O-/CH3S-親核性的影響

朱榮秀，王小莫，郭今心，張冬菊

山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，濟(jì)南 250100

1 前言

雙分子親核取代反應(yīng)(SN2)是有機(jī)化學(xué)中最基本、最具代表性的經(jīng)典反應(yīng)類(lèi)型，用于將一個(gè)官能團(tuán)置換為另一個(gè)官能團(tuán)，在有機(jī)合成領(lǐng)域有重要應(yīng)用。如式(1)所示，SN2反應(yīng)是一個(gè)一步反應(yīng)，親核試劑從離去基團(tuán)的背面進(jìn)攻親電碳原子，經(jīng)歷瓦爾登(Walden)型過(guò)渡態(tài)形成相應(yīng)的構(gòu)型反轉(zhuǎn)產(chǎn)物[1]。

親核試劑的親核性強(qiáng)弱對(duì)SN2反應(yīng)有重要影響,其親核性越強(qiáng)，反應(yīng)越容易發(fā)生。研究表明，親核試劑的親核性不僅取決于其本身的結(jié)構(gòu)，而且與反應(yīng)溶劑密切相關(guān)。溶劑類(lèi)型及極性大小對(duì)親核試劑的反應(yīng)活性有很大的影響，闡明不同溶劑對(duì)親核試劑親核性的影響是化學(xué)類(lèi)各專(zhuān)業(yè)有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的重要內(nèi)容[2,3]。CH3O-和CH3S-是一類(lèi)重要的親核試劑，有機(jī)化學(xué)教材中強(qiáng)調(diào)[3]，其親核能力受溶劑影響顯著，在極性質(zhì)子溶劑中，親核性是CH3S-＞ CH3O-；而在極性非質(zhì)子溶劑中，親核性則是CH3S-＜ CH3O-。教材中通常通過(guò)比較兩種親核試劑的可極化程度、與溶劑形成氫鍵能力的強(qiáng)弱等解釋其親核能力的變化，缺少定量、直觀的信息。本文以CH3O-/CH3S-與CH3Cl的SN2反應(yīng)為例，探討溶劑對(duì)CH3O-和CH3S-親核性的影響，以期加深學(xué)生對(duì)相關(guān)內(nèi)容的理解，探討計(jì)算化學(xué)在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。

2 模型反應(yīng)與計(jì)算方法

本文研究的模型反應(yīng)如式(2)、式(3)所示?；诿芏确汉碚撚?jì)算首先研究了氣相中的反應(yīng)，繼而采用隱含溶劑模型以及顯含+隱含溶劑模型方法探討了溶劑對(duì)反應(yīng)性能的影響。計(jì)算中涉及的溶劑包括極性非質(zhì)子溶劑(乙腈、丙酮和氯仿)和極性質(zhì)子溶劑(水和甲醇)。隱含溶劑模型采用溶質(zhì)全電子密度(SMD)溶劑化模型方法進(jìn)行模擬，而顯含+隱含溶劑模型則是在隱含溶劑模型的基礎(chǔ)上在反應(yīng)中心加入一個(gè)溶劑分子。

全部計(jì)算使用Gaussian 09程序[4]完成。結(jié)構(gòu)優(yōu)化使用M06-2x[5]泛函和aug-cc-pvtz基組，對(duì)勢(shì)能面上的各駐點(diǎn)(包括反應(yīng)物、中間體、過(guò)渡態(tài)及產(chǎn)物等)進(jìn)行了幾何構(gòu)型全優(yōu)化，并使用同樣的理論水平進(jìn)行了振動(dòng)頻率分析，確認(rèn)了穩(wěn)定點(diǎn)的性質(zhì)，極小點(diǎn)無(wú)虛頻、過(guò)渡態(tài)有且僅有一個(gè)虛頻。對(duì)全部過(guò)渡態(tài)進(jìn)行了內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)(IRC)計(jì)算，確認(rèn)了對(duì)應(yīng)的產(chǎn)物和反應(yīng)物。自然鍵軌道(NBO)分析使用Gaussian 09軟件包中的NBO 3.1程序進(jìn)行[6]。為了獲得更精確的相對(duì)吉布斯自由能量，在CCSD(T)[7]/aug-cc-pvtz水平上對(duì)各駐點(diǎn)進(jìn)行了單點(diǎn)能計(jì)算。

親核試劑的親核能力可通過(guò)其最高占據(jù)分子軌道(HOMO)的能級(jí)(εHOMO)高低予以評(píng)估，εHOMO值越大，分子活性越高，其親核能力越強(qiáng)。通常將四氰乙烯(TCE，εHOMO最低的有機(jī)分子)的HOMO能級(jí)作為參考，定義親核試劑的親核指數(shù)(N)如下[8,9]：

其中，εHOMO(Nu)和εHOMO(TCE)分別表示親核試劑和TCE的HOMO能級(jí)。文中給出的親核指數(shù)，均考慮了溶劑的影響。各結(jié)構(gòu)名字的前綴g-，w-，m-和a-分別代表氣相、水、甲醇和乙腈中的反應(yīng)；與CH3OS-相關(guān)的結(jié)構(gòu)，在其相應(yīng)的名字上加上撇號(hào)，以區(qū)別于CH3O-對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)果與討論

3.1 氣相模型

計(jì)算的兩個(gè)氣相反應(yīng)的勢(shì)能剖面示于圖1，其中孤立反應(yīng)物的能量設(shè)為能量零點(diǎn)。對(duì)于CH3S-的反應(yīng)(圖1a)，計(jì)算的反應(yīng)機(jī)制與教科書(shū)中的描述一致，是一步完成的協(xié)同反應(yīng)，勢(shì)能面呈雙勢(shì)阱特征。親核試劑CH3S-首先與CH3Cl形成初始離子-偶極復(fù)合物IM1’，放熱9.3 kJ·mol-1；然后經(jīng)歷過(guò)渡態(tài)TS1’形成產(chǎn)物型離子-偶極復(fù)合物IM2’，需克服的能壘為17.7 kJ·mol-1，反應(yīng)放熱107.7 kJ·mol-1；最后IM2’解離為產(chǎn)物CH3SCH3和Cl-，該過(guò)程吸熱7.0 kJ·mol-1。

對(duì)于CH3O-的反應(yīng)，計(jì)算的機(jī)理涉及兩個(gè)基元步驟，反應(yīng)呈現(xiàn)三勢(shì)阱特征，這與文獻(xiàn)中報(bào)道的F-與CH3Cl的親核取代反應(yīng)類(lèi)似[10]。由于氧的電負(fù)性較強(qiáng)，CH3O-容易與CH3Cl形成較穩(wěn)定的氫鍵絡(luò)合物IM0，放熱31.5 kJ·mol-1；氫鍵絡(luò)合物經(jīng)TS0轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定性相對(duì)較差的離子-偶極配合物IM1；隨后IM1經(jīng)歷瓦爾登轉(zhuǎn)化過(guò)渡態(tài)TS1，形成產(chǎn)物型離子-偶極配合物IM2；最后IM2解離得到取代的產(chǎn)物CH3OCH3和Cl-。總的反應(yīng)能壘為15.4 kJ·mol-1，反應(yīng)放熱180.8 kJ·mol-1。

圖1 計(jì)算的氣相中SN2反應(yīng)的勢(shì)能剖面圖

顯然，氣相中的兩個(gè)反應(yīng)都是放熱反應(yīng)，能壘低，是熱力學(xué)可行和動(dòng)力學(xué)有利的過(guò)程。與CH3S-相比，CH3O-更容易與CH3Cl發(fā)生SN2親核取代反應(yīng)，即在氣相中CH3O-的親核性大于CH3S-。兩個(gè)反應(yīng)有明顯差異，CH3O-的反應(yīng)，涉及氫鍵絡(luò)合物和離子-偶極復(fù)合物的形成；而CH3S-的反應(yīng)，由于硫的電負(fù)性較弱，不能形成穩(wěn)定的氫鍵絡(luò)合物，反應(yīng)中僅涉及離子-偶極復(fù)合物。

3.2 隱含溶劑模型

采用隱含溶劑模型SMD方法進(jìn)一步研究了極性溶劑中上述兩個(gè)親核取代反應(yīng)，使用的溶劑包括乙腈、丙酮、氯仿、水和甲醇等常用溶劑。這些極性溶劑可分為兩類(lèi)，極性非質(zhì)子溶劑(乙腈、丙酮、氯仿)和極性質(zhì)子溶劑(水和甲醇)。圖2中給出了使用水和乙腈分別作為極性質(zhì)子溶劑和極性非質(zhì)子溶劑的計(jì)算結(jié)果，并和其它三種溶劑的計(jì)算結(jié)果一并列于表1。

圖2 使用隱含溶劑模型計(jì)算的勢(shì)能剖面，使用水(a)或乙腈(b)做溶劑

表1 不同極性溶劑中反應(yīng)勢(shì)能面上各駐點(diǎn)的相對(duì)吉布斯自由能(kJ·mol-1)

與氣相中反應(yīng)相比，極性溶劑對(duì)反應(yīng)的影響體現(xiàn)在如下三個(gè)方面：1)兩個(gè)親核試劑的反應(yīng)，均經(jīng)歷兩個(gè)基元步驟，在通常的瓦爾登轉(zhuǎn)化之前，涉及氫鍵絡(luò)合物到離子-偶極配合物的轉(zhuǎn)化；2)氫鍵絡(luò)合物和離子-偶極配合物的形成，由氣相中的放熱過(guò)程變?yōu)槲鼰徇^(guò)程；3)反應(yīng)能壘明顯增大。這些結(jié)果表明，極性溶劑不僅顯著影響反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，而且對(duì)反應(yīng)機(jī)制有一定影響。

更重要的是，計(jì)算發(fā)現(xiàn)，兩類(lèi)溶劑對(duì)兩個(gè)親核試劑親核性的影響是截然不同的。在極性質(zhì)子溶劑中，親核性是CH3O-＜ CH3S-；而極性非質(zhì)子溶劑中，則是CH3O-＞ CH3S。如圖2所示，水溶劑中，CH3O-與CH3Cl反應(yīng)的能壘為89.4 kJ·mol-1，而CH3S-與CH3Cl反應(yīng)的能壘為76.4 kJ·mol-1，二者相差13.0 kJ·mol-1，逆轉(zhuǎn)氣相中兩個(gè)親核試劑的相對(duì)親核能力，使CH3S-的親核性更強(qiáng)，CH3S-與CH3Cl的反應(yīng)更容易發(fā)生。在乙腈溶劑中，兩個(gè)親核試劑的反應(yīng)性則恰好相反，CH3O-體系的能壘為60.4 kJ·mol-1，而CH3S-體系的能壘為77.1 kJ·mol-1，這與氣相中二者的相對(duì)親核能力一致，CH3O-的親核性更強(qiáng)，CH3O-與CH3Cl的親核取代反應(yīng)動(dòng)力學(xué)上更有利。

從這些結(jié)果還可以看出，極性質(zhì)子溶劑對(duì)CH3O-的親核性的影響遠(yuǎn)大于對(duì)CH3S-的影響，如CH3S-與CH3Cl反應(yīng)的能壘在水和乙腈中非常接近(76.4 vs. 77.1 kJ·mol-1)，而CH3O-與CH3Cl的反應(yīng)在水中的能壘比在乙腈中高29.0 kJ·mol-1。這可以從兩個(gè)親核試劑的堿性和變形性不同予以理解，CH3O-中氧的電負(fù)性較大，堿性較強(qiáng)，容易與極性質(zhì)子溶劑形成氫鍵絡(luò)合物，削弱其親核能力；而CH3S-中硫的電負(fù)性相對(duì)較小，堿性較弱，但其變形性較大，其親核性主要與溶劑的極性大小有關(guān)。計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了有機(jī)化學(xué)教材中關(guān)于溶劑對(duì)親核試劑親核性的定性描述，即在極性非質(zhì)子溶劑中同族的親核試劑親核性順序與堿性一致(堿性：CH3O-＞ CH3S-)；在極性質(zhì)子溶劑中，親核性與其堿性大小順序相反，而與可極化性順序一致(可極化性：CH3O-＜ CH3S-)。

3.3 隱含溶劑模型+顯含溶劑模型

為進(jìn)一步理解甲醇和水等極性質(zhì)子溶劑對(duì)反應(yīng)性能的影響，我們?cè)陔[含溶劑模型的基礎(chǔ)上將計(jì)算模型增加了一個(gè)溶劑分子，計(jì)算結(jié)果示于圖3。結(jié)果表明，將一個(gè)溶劑分子引入反應(yīng)體系，二者均為一步反應(yīng)，只涉及經(jīng)典的瓦爾登型過(guò)渡態(tài)，隱含溶劑模型識(shí)別的初始?xì)滏I絡(luò)合物不再是勢(shì)能面上的穩(wěn)定點(diǎn)。

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，甲醇和水作為氫鍵供體對(duì)反應(yīng)的影響幾乎相同，對(duì)于兩個(gè)反應(yīng)，計(jì)算的能壘差值均小于2kJ·mol-1(圖3a)，過(guò)渡態(tài)的構(gòu)型參數(shù)也幾乎相同(圖3b)。與隱含溶劑模型的計(jì)算結(jié)果類(lèi)似，CH3S-體系的能壘明顯低于CH3O-體系的能壘，進(jìn)一步證實(shí)極性質(zhì)子溶劑中，CH3S-的親核性大于CH3O-。與隱含溶劑模型相比，使用顯含+隱含溶劑模型計(jì)算的反應(yīng)能壘較高，升高約10kJ·mol-1，表明極性質(zhì)子溶劑不利于本文討論的SN2反應(yīng)。

圖3 使用隱含溶劑+顯含溶劑模型的計(jì)算結(jié)果

另外，親核試劑的親核性也可以計(jì)算其親核指數(shù)予以評(píng)估。根據(jù)計(jì)算的親核試劑的HOMO能級(jí)以及TCE的HOMO能級(jí)(在水和甲醇中分別為-11.46和-11.49 eV)，表2列出了計(jì)算的兩個(gè)親核試劑的親核指數(shù)(N)?？梢钥闯?，無(wú)論使用隱含溶劑模型還是顯含+隱含溶劑模型，無(wú)論是水溶劑還是甲醇溶劑，CH3S-的親核指數(shù)均大于相應(yīng)CH3O-的親核指數(shù)，進(jìn)一步證實(shí)在極性質(zhì)子溶劑中CH3S-的親核性大于CH3O-。

表2 CH3O-和CH3S-的親核指數(shù)(N)

4 結(jié)語(yǔ)

采用量子化學(xué)計(jì)算研究了不同類(lèi)型溶劑中親核試劑CH3O-/CH3S-與CH3Cl的親核取代反應(yīng)，計(jì)算了反應(yīng)的熱力學(xué)(反應(yīng)熱)和動(dòng)力學(xué)(能壘)性質(zhì)，明確了溶劑對(duì)親核試劑親核性的影響。研究結(jié)果給出了描述兩種親核試劑在極性質(zhì)子溶劑和極性非質(zhì)子溶劑中親核性變化規(guī)律的定量信息，有助于加深學(xué)生對(duì)相關(guān)內(nèi)容的理解和掌握。本文內(nèi)容可作為計(jì)算化學(xué)輔助有機(jī)化學(xué)教學(xué)的典型案例，豐富有機(jī)化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)和計(jì)算化學(xué)的興趣。