Bài viết này trình bày kết quả khảo sát cấu trúc của các dẫn xuất halogen, tác nhân nucleophin và sự ảnh hưởng của cấu trúc đến hoạt tính hóa học của các dẫn xuất này trong phản ứng thế nucleophin lưỡng phân tử (SN2) giữa C2H5Cl với Br- .
Trang 1ẢNH HƯỞNG CỦA CẤU TRÚC ĐẾN KHẢ NĂNG PHẢN ỨNG CỦA CÁC DẪN XUẤT
HALOGEN TRONG PH ẢN ỨNG THẾ NUCLEOPHIN LƯỠNG PHÂN TỬ
Phạm Phát Tân1, Nguyễn Minh Lý1
1 Trường Đại học An Giang
Thông tin chung:
Ngày nh ận bài: 01/10/2017
Ngày nhận kết quả bình duyệt:
02/12/2017
Ngày chấp nhận đăng: 04/2018
Title:
Effects of the structure to
reaction ability of halogenated
hydrocarbon in bimolecular
nucleophilic substitution
Keywords:
Halogenated hydrocarbon,
substitution reaction,
nucleophile, quantum
computing
Từ khóa:
D ẫn xuất halogen, phản
ứng thế, tác nhân
nucleophin,
tính toán lượng tử
ABSTRACT
In this paper, the quantum calculation results of halogenated hydrocarbons, nucleophile and the influences of the structures on reaction ability in the bimolecular nucleophilic substitution reaction (S N 2) between C 2 H 5 Cl and Br
-were presented The structures of the halogenated hydrocarbon and the nucleophile were calculated by ab initio method applying density functional theory (DFT) with the B3LYP/6-31G(d) basis in Gaussian 03W-B.04 program and were displayed by GaussView 3.0 The results of the thermodynamic and chemical kinetic parameters of reactions show that the influence of the structure
on the reaction ability are completely suitable for experimental researches in bimolecular nucleophilic substitution reactions
TÓM T ẮT
Bài báo này trình bày kết quả khảo sát cấu trúc của các dẫn xuất halogen, tác nhân nucleophin và sự ảnh hưởng của cấu trúc đến hoạt tính hoá học của các dẫn xuất này trong phản ứng thế nucleophin lưỡng phân tử (S N 2) giữa C 2 H 5 Cl với Br - Cấu trúc của dẫn xuất halogen và tác nhân nucleophin được tính toán với phương pháp ab initio áp dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) ở mức B3LYP/6-31G(d) b ằng chương trình Gaussian 03W B.04 và được biểu diễn
b ằng GaussView 3.0 Kết quả về thông số nhiệt động và động học cho thấy, sự ảnh hưởng của cấu trúc chất nền, tác nhân nucleophin đến khả năng phản ứng của các dẫn xuất halogen trong phản ứng thế nucleophin lưỡng phân tử hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm
1 GI ỚI THIỆU
Với những thành tựu vượt bậc của ngành công
nghệ thông tin cùng sự phát triển mạnh mẽ của
khoa học hóa học, việc áp dụng các phần mềm
chuyên ngành như Gaussian, HyperChem,
Mopac,… đã mang lại hiệu quả nhất định trong
nghiên cứu hiện nay Chẳng hạn như, chúng hỗ
trợ các nhà khoa học dự đoán tính chất các chất,
ật khoa học với độ chính xác cao trong việc
nhà nghiên cứu rút ngắn đáng kể thời gian và định hướng thực nghiệm cho một công trình khoa học (Rogers, 2003; Sherrill, 2000)
Hiện nay, có nhiều công trình nghiên cứu cơ chế
phản ứng hữu cơ trên cơ sở lượng tử hóa với mong muốn nghiên cứu chi tiết hơn về cơ chế và khả năng phản ứng thế nucleophin của dẫn xuất halogen trên cơ sở lượng tử hoá tính toán với sự
ỗ trợ của chương trình Gaussian và GaussView
Trang 2đề tài này như nghiên cứu về cơ chế phản ứng thế
SN2 của phản ứng giữa CH3Cl và OH- trong nước
Trong đó, bằng tính toán với mức DFT và
CCSD(T), tác giả đã cho thấy hệ phản ứng có
năng lượng tự do là 24,5 kcal/mol cao hơn năng
lượng hoạt hóa của phản ứng (~ 18,9 kacl/mol)
(Yin, Wang & Valiev, 2011) Như vậy, việc mô
tả, giải thích và chứng minh các kết quả từ các
phần mềm trên phù hợp với thực nghiệm nhằm
khẳng định vai trò của tính toán lượng tử đối với
việc nghiên cứu khoa học nói chung và khoa học
hoá học nói riêng là điều rất cần thiết
Trong đề tài này, phản ứng thế nucleophin SN2
được chọn, cụ thể là cơ chế phản ứng giữa C2H5Cl
và Br- vì nó thuộc nhóm cơ chế phản ứng phổ
biến trong hóa học hữu cơ Phản ứng trên được sử
dụng nhiều trong chương trình học tập của sinh
viên chuyên ngành, cận chuyên ngành và các
trường phổ thông chuyên Vì vậy, việc khảo sát
phản ứng theo cơ chế SN sẽ hỗ trợ đắc lực cho các
đối tượng nghiên cứu và học tập môn hóa học hữu
cơ nói trên
2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Cơ sở lý thuyết
Việc khảo sát các ảnh hưởng của cấu trúc đến
hoạt tính hoá học của dẫn xuất halogen trong phản
ứng thế nucleophin SN2 dựa trên cơ sở nghiên cứu
cơ chế của phản ứng thế nucleophin SN2 cùng các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng (Bruckner, 2001; Carey & Sundberg, 2007; Thái Doãn Tĩnh, 2008) Các lý thuyết về phương pháp tính toán lượng tử (Hammond & Soc, 1955), obitan biên phân tử (Bạch Việt Anh, 2008), thuyết phức hoạt động và tiên đề Hammond (Thái Doãn Tĩnh, 2008) cũng được sử dụng để phục vụ cho việc dự đoán và giải thích cơ chế phản ứng với những yếu tố ảnh hưởng đến tiến trình phản ứng
2.2 Phương pháp tính toán
Khảo sát hoạt tính hoá học của các dẫn xuất halogen được thực hiện bằng việc tối ưu hoá cấu trúc, tính toán tần số, tính năng lượng obitan biên, xác định trạng thái chuyển tiếp và đường phản ứng bằng phần mềm Gaussian 03 phiên bản B04 với phương pháp DFT và bộ hàm cơ sở tương quan cao B3LYP/6-31G(d) trong dung môi nước
với mô hình môi trường liên tục và phân cực (polarized continuum model, PCM) (Huỳnh Thành Đạt & Lê Văn Hiếu, 2004; Haule, 2009; Viskolcz, 2003) Năng lượng điểm không (zero point energy, ZPE) được hiệu chỉnh (Bùi Thọ Thanh, 2007) Các hình ảnh đầu vào (input), đầu
ra (output) và các kết quả đồ hoạ được biểu diễn
bằng GaussView 03
Động học của phản ứng theo cơ chế SN2 là bậc 2, được biểu diễn:
d RX d Nu d R Nu
−
Trong đó, RX là dẫn xuất halogen, Nu là tác nhân nucleophin
3 K ẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Kh ảo sát cơ chế phản ứng thế nucleophin
lưỡng phân tử
Một yếu tố quan trọng trong việc xác định trung
tâm phản ứng là năng lượng HOMO – LUMO
(obitan phân tử bị chiếm đầy có năng lượng cao
nhất – Highest Occupied Molecular Orbital,
HOMO và obitan phân tử không bị chiếm có năng lượng thấp nhất – Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO) Sự tương tác chủ yếu sẽ là tương tác có độ chênh lệch về năng lượng nhỏ nhất Theo đó, khi tính toán hệ số obitan trên Br–
và C2H5Cl, áp dụng việc tính toán và phân tích năng lượng obitan, xem xét các hệ số obitan, thu được kết quả như sau:
Trang 3B ảng 1 Giá trị hệ số HOMO, LUMO của Br- và C2H5Cl
Phân tích số liệu Bảng 1 cho thấy:
Trong Br-, hệ số obitan đầy cao nhất là 0,59628 lớn hơn tất cả các hệ số obitan khác Do đó, obitan này
về cơ bản ứng với HOMO của Br- Đối với obitan trống thấp nhất của Br-, hệ số obitan lớn nhất là 4,72767 Vì vậy, đây sẽ là LUMO của Br-
Tương tự khi xét với C2H5Cl, hệ số obitan đầy cao nhất 3pz là 0,67916 nên đây sẽ là HOMO của C2H5Cl Obitan 3s của nguyên tử cacbon liên kết với Cl ứng với hệ số 1,08287 là LUMO trong C2H5Cl
Sự tương tác giữa HOMO của Br- và LUMO của C2H5Cl là tương tác chủ yếu với độ chênh lệch về hệ số obitan 0,48659 nhỏ hơn độ chênh lệch hệ số obitan trong tương tác LUMO Br- và HOMO C2H5Cl 4,04851 Vì vậy, trong quá trình phản ứng, HOMO của Br- sẽ tấn công vào LUMO của C2H5Cl
HOMO Br - LUMO C 2 H 5 Cl Hình 1 LUMO c ủa etyl clorua và HOMO của Br
Sau khi tối ưu hoá, tính toán tần số bằng Gaussian
đối với C2H5Cl và Br- đã tìm được trạng thái
chuyển tiếp (Transition State – TS) với từ khoá
Opt = QST2 (Foresman & Frisch, 2003; Young,
2001)
Độ dài liên kết: sau khi tối ưu hóa các cấu trúc
chất phản ứng và sản phẩm, thu được độ dài liên
kết C – Cl là 1,83780 Ao , C – Br là 2,00110
o
A Đối với C – Cl, có sự tăng về khoảng cách giữa C
và Cl từ 1,83780 Ao đến 2,43635 Ao Còn
khoảng cách C và Br trong TS là 2,59784 Ao lớn
hơn so với trong phân tử etyl bromua 2,00110 Ao
Điều này có thể dự đoán rằng, trong tiến trình
phản ứng, liên kết C – Cl ngày càng dài ra và cùng lúc đó, liên kết C – Br cũng hình thành Mật độ điện tích của phân tử C2H5Cl và TS trong
phản ứng SN2 giữa C2H5Cl và Br- thể hiện ở Hình
2 Đối với Cl- và Br- thì điện tích sẽ là -1 Mặt khác, điện tích của Br trong TS là -0,699 ít âm hơn trong Br- nên có thể khẳng định trong tiến trình phản ứng Br- có xu hướng hình thành liên kết với nguyên tử cacbon trong phân tử C2H5Cl Đồng thời, điện tích của Cl trong TS là -0,702 âm hơn so với -0,160 khi trong phân tử C2H5Cl nên
có xu hướng tách ra để tạo Cl- điện tích -1 Hơn nữa, điện tích của nguyên tử cacbon trung tâm của
TS là -0,185 > -0,353 trong phân tử C2H5Cl Nói cách khác, nguyên tử cacbon này đang bị thiếu hụt điện tử Kết hợp với dữ kiện về độ dài liên
Trang 4công của tác nhân Br- và sự xuất ra của Cl- diễn ra
đồng thời
Góc liên kết: góc liên kết HCH và HCC trong
phân tử C2H5Cl là 109,37440 và 112,438020 do
nguyên tử cacbon liên kết với Cl lai hóa sp3 (số đo
góc gần với góc tứ diện đều 109,50) Mặt khác,
HCH và HCC trong TS là 117,464320 và
122,059280 gần với góc của lai hóa sp2 Do đó, ở
trạng thái này, cacbon chuyển từ lai hóa sp3 sang
sp2 thuận lợi cho sự tác kích của tác nhân nucleophin
Kết quả tính toán tần số cấu trúc của trạng thái chuyển tiếp sau khi tối ưu hóa cho thấy, cấu trúc này có một tần số ảo là –386,296i cm-1 Như vậy, đây là trạng thái chuyển tiếp cần tìm
Hình 2. M ật độ điện tích của C 2 H 5 Cl và tr ạng thái chuyển tiếp trong phản ứng S N 2 gi ữa C 2 H 5 Cl và Br
-Kết quả tính toán IRC (Intrinsic Reaction
Coordinate – tọa độ nội phản ứng) cho thấy, năng
lượng cao nhất thuộc về trạng thái chuyển tiếp và
giảm dần về hai phía chất ban đầu và sản phẩm
Trong đó, Forward IRC (IRC chuyển về hình ảnh
của chất ban đầu), Reverse IRC (IRC chuyển về
cấu trúc của sản phẩm) Điều đó chứng tỏ rằng, cấu trúc trạng thái chuyển tiếp tìm được là phù hợp
Hình 3 K ết quả IRC của trạng thái chuyển tiếp [Br C 2 H 5 Cl]
Kết quả này cho phép dự đoán cơ chế và mô tả cơ
chế phản ứng một cách chính xác với đường phản
ứng phù hợp với thực nghiệm (Nguyễn Minh Lý,
2012) Cơ chế phản ứng một giai đoạn thông qua
trạng thái chuyển tiếp Cơ chế phản ứng SN2 thu được từ việc tính toán với Gaussian hoàn toàn phù
hợp
Trang 5
Hình 1 C ấu trúc chất phản ứng, trạng thái chuyển tiếp
và s ản phẩm trong phản ứng thế S N 2 c ủa C 2 H 5 Cl và Br
-3.2 Kh ảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả
năng phản ứng của dẫn xuất halogen
Nghiên cứu tiến hành tối ưu hoá với từ khoá Opt
(tối ưu hóa – optimizations), tính toán tần số với
từ khoá Freq (tần số - frequencies) các cấu trúc để
xác định các thông số nhiệt động của phản ứng
thông qua ESCF, EZPE để tìm ra năng lượng tổng
cộng, entropi, năng lượng tự do Gibbs, năng lượng tự do hoạt hoá, hằng số tốc độ phản ứng
nhằm khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng SN2 Ảnh hưởng của gốc hiđrocacbon trong dẫn xuất halogen được khảo sát thông qua sự phân nhánh ở Cα, sự phân nhánh ở Cβ, gốc anlyl và benzyl, gốc xicloankyl
B ảng 2 Hằng số tốc độ các phản ứng khi khảo sát sự ảnh hưởng của gốc hiđrocacbon
hóa (kcal.mol -1 )
H ằng số tốc độ (mol -1 L.s -1 )
Sự phân nhánh
ở Cα
Sự phân nhánh
ở Cβ
Gốc anlyl và
benzyl
Gốc xicloankyl
+ Br
+ Br
Trang 6không gian ở Cα và Cβ thì tốc độ phản ứng SN2
giảm dần, khả năng phản ứng theo cơ chế SN2 của
dẫn xuất allyl và benzyl cao hơn nhiều so với các
dẫn xuất thông thường, khả năng phản ứng SN2
của vòng bốn cạnh kém hơn các dẫn xuất thông
thường, còn vòng năm cạnh thì có khả năng phản
ứng như các dẫn xuất thông thường Kết quả tính
hằng số tốc độ k đã làm sáng tỏ kết luận chung về
khả năng phản ứng của các dẫn xuất halogen khi
xét sự ảnh hưởng của gốc hiđrocacbon đến hoạt
tính của chúng trong phản ứng SN2 (Nguyễn Minh
Lý, 2012) Thành công này chứng minh được vai trò của những nghiên cứu hoá học bằng tính toán lượng tử trong việc giải thích và dự đoán các vấn
đề trong hoá học
B ảng 3 Năng lượng liên kết C – X sau khi tính toán và trong th ực nghiệm
Để tính năng lượng liên kết C – X của các dẫn xuất halogen trong phản ứng SN2, xét các sự phân
cắt đồng li sau:
(a) CH CH CHFCH3 2 3 → CH CH CH CH3 2 • 3+ F•
(b) CH CH CHClCH3 2 3 → CH CH CH CH3 2 • 3+ Cl•
(c) CH CH CHBrCH3 2 3 → CH CH CH CH3 2 • 3+ Br•
Liên k ết Độ dài liên kết ( o
A)
Năng lượng liên kết (Kcal/mol)
Th ực nghiệm (Kcal/mol)
Từ các khảo sát về sự ảnh hưởng của nhóm xuất
ra X trên ba dẫn xuất halogen khác nhau, nghiên
cứu cho thấy, kết quả số liệu thu được về độ dài
liên kết, năng lượng liên kết và độ phân cực của
liên kết C – X phù hợp với thực nghiệm Qua đó
thấy được ảnh hưởng của nhóm xuất ra X đối với
khả năng phản ứng SN2 của RX Theo kết quả tính
toán, thứ tự nhóm dễ xuất ra tăng dần từ F < Cl <
Br Điều này có thể giải thích như sau: trong cùng
nhóm A, cụ thể là nhóm VIIA, theo thứ tự điện tích hạt nhân tăng dần thì bán kính nguyên tử tăng dần, từ đó độ dài liên kết C – X tăng dần, dẫn đến năng lượng phá vỡ liên kết này giảm dần tức phần
tử X xuất ra càng dễ
Kết quả này chứng tỏ phương pháp mà nghiên cứu đã lựa chọn phù hợp với thực nghiệm
Bảng 4 Năng lượng HOMO, LUMO của OH - , SH
B3LYP/6 – 31G(d)
Năng lượng obitan biên được tính toán với từ
khoá Pop = Full, nghiên cứu đã tìm ra hướng tấn
công chính trong phản ứng SN2 khảo sát đối với
dẫn xuất C2H5Cl (Nguyễn Minh Lý, 2012) Sau
khi xác định được tương tác chủ yếu trong các
phản ứng đang khảo sát là HOMO của HO- và
LUMO của C2H5Cl với sự chênh lệch về hệ số
obitan là 0,48375; HOMO HS- và LUMO C2H5Cl với sự chênh lệch về hệ số obitan là 0,46958 Sự sai biệt trong phản ứng với HO- là 0,48375 lớn hơn trong phản ứng với HS- 0,46958 Do vậy, trong trường hợp này có thể khẳng định tính nucleophin HS- > HO- Kết quả tính toán đã thể
hiện được quy luật ảnh hưởng của tác nhân
Trang 7nucleophin phù hợp với các nghiên cứu trước đây
và dữ kiện thực nghiệm
4 K ẾT LUẬN
Nghiên cứu đã khảo sát thành công phản ứng thế
nucleophin SN2 giữa C2H5Cl và Br- thông qua
tham số điện tích Muliken, độ dài và độ phân cực
liên kết, góc liên kết, momen lưỡng cực của liên
kết và phân tử, năng lượng obitan biên và trạng
thái chuyển tiếp nhằm xác định trung tâm, cơ chế
và tiến trình phản ứng
Bằng phần mềm Gaussian 03-B04 với phương
pháp DFT và bộ hàm cơ sở tương quan cao
B3LYP/6-31G(d) trong dung môi nước với mô
hình PCM chứng tỏ, phản ứng giữa C2H5Cl và Br
-diễn ra theo cơ chế SN2, trong đó tương tác chính
của phản ứng giữa LUMO của C2H5Cl và HOMO
của Br- Đường IRC cho thấy có sự xuất ra của
nhóm Cl- và thay thế bới tác nhân Br-
Dựa vào kết quả tính toán tần số của cấu trúc ban
đầu và trạng thái chuyển tiếp để xác định được
năng lượng dao động điểm không Kết quả tính
toán các giá trị nhiệt động và động học của nghiên
cứu cho thấy khá phù hợp với các dữ kiện thực
nghiệm và các nghiên cứu trước đó; đồng thời
cũng làm sáng tỏ những yếu tố về cấu trúc ảnh
hưởng đến phản ứng qua các kết quả thích hợp
cho từng yếu tố
Gốc R trong RX có ảnh hưởng đến khả năng phản
ứng được quyết định bởi các yếu tố về hiệu ứng
như: cảm ứng, liên hợp và hiệu ứng không gian
Nhóm xuất ra liên kết càng kém chặt chẽ với gốc
R thì khả năng phản ứng của dẫn xuất càng dễ
TÀI LI ỆU THAM KHẢO
Bạch Việt Anh (2008) Khảo sát hoạt tính hóa
Thạc sĩ) Trường Đại học Khoa học Tự nhiên,
Hồ Chí Minh, Việt Nam
Béla Viskolcz (2003) Molecular Design and
Quantum Chemistry Hungary, University of
Szeged
Bruckner, R (2001) Advanced
Organic Chemistry: Reaction Mechanisms
Publisher: Academic Press
Bùi Thọ Thanh (2007) Xác định cấu trúc và cơ
Thơ, Việt Nam
Carey, F A & Richard, J S (2007) Advanced
Organic Chemistry Virginia, University of
Virginia Charlottesville
David Sherrill (2000) An Introduction to
Hartree-Fock Molecular Obitan Theory
America, School of Chemistry and Biochemistry
David C Young (2001) Computational
Chemistry: A Practical Guide for Applying Techniques to Real – World Problems New
York, John Wiley & Sons, Inc
Donald W Rogers (2003) Computational
Chemistry Using the PC Third Edition Central
Connecticut State University, A John Wiley & Sons, Inc
George S Hammond, J Am Chem Soc (1955)
Hammond’s Postulate America, California
Institute of Technology
Huỳnh Thành Đạt & Lê Văn Hiếu (2004)
Phương pháp tính toán lượng tử và mô phỏng
Khoa học Tự nhiên, Hồ Chí Minh, Việt Nam James B Foresman Æleen Frisch (2003)
Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods Pittsburg, Gaussian Inc
Kristjan Haule (2009) Computational Physics
America, Rutgers University
Nguyễn Minh Lý (2012) Ảnh hưởng của cấu
trúc đến hoạt tính hóa học các dẫn xuất halogen trong phản ứng thế nucleophin Đại
học An Giang, An Giang, Việt Nam
Thái Doãn Tĩnh (2008) Cơ chế và phản ứng hóa
Thuật
Yin, H., Wang D., Valiev M (2011) Hybrid Quantum Mechanical/Molecular Mechanics Study of the SN2 Reaction of CH3Cl+OH– in
Water J Phys Chem As, 115 (43), 12047 –
12052 http://doi 10.1021/jp2076808