计算化学公社

标题: 轴手性化合物旋转能垒计算值与实验值相差很大 [打印本页]

作者
Author: sai77 时间: 2021-4-22 08:52
标题: 轴手性化合物旋转能垒计算值与实验值相差很大
本帖最后由 sai77 于 2021-4-23 10:49 编辑

很简单的四取代联芳基化合物，opt+freq以及IRC都使用M06-2X/6-31g(d,p)，单点能计算使用M06-2X/def2tzvp，单点能计算加了溶剂模型（SMD，solvent=toluene）。
计算得出旋转能垒为36.6 kcal/mol，根据文献这么高的能垒应该很难发生消旋，但是实验却发现化合物在80度下差不多完全消旋了。
请问是哪里出了问题？谢谢指教！

附图是化合物结构、基态以及找的两个过渡态，其中ts-2能量更低，以它为过渡态计算的能垒和IRC。
基态的数据 E(RM062X) =  -772.497623573    ΔG校正= 0.161831    校正后能量 E = -772.335792573
TS-1的数据 E(RM062X) =  -772.438444345    ΔG校正= 0.162558    校正后能量 E = -772.275886345
TS-2的数据 E(RM062X) =  -772.441026235    ΔG校正= 0.163548    校正后能量 E = -772.277478235

作者
Author: wull 时间: 2021-4-22 11:25
优化用M06-2X/def2SVP呢？

作者
Author: Accelerator 时间: 2021-4-22 11:55
过渡态是否是开壳层单重态？
实验是怎么测的？借助位移试剂测变温核磁还是加热后过手性柱还是其他方法？溶剂纯吗（是否有酸碱、金属）？

作者
Author: sai77 时间: 2021-4-22 12:15
本帖最后由 sai77 于 2021-4-22 12:18 编辑

Accelerator 发表于 2021-4-22 11:55
过渡态是否是开壳层单重态？
实验是怎么测的？借助位移试剂测变温核磁还是加热后过手性柱还是其他方法？溶 ...

过渡态应该是闭壳层。
制备柱拆分得到光学纯的样品后，在甲苯中80°加热6小时，再用手性柱测。分析纯的溶剂，无酸碱添加剂和金属。

作者
Author: sai77 时间: 2021-4-22 12:19

wull 发表于 2021-4-22 11:25
优化用M06-2X/def2SVP呢？

好的，我再用这个基组跑一遍~谢谢

作者
Author: sai77 时间: 2021-4-22 16:10

wull 发表于 2021-4-22 11:25
优化用M06-2X/def2SVP呢？

优化M06-2X/def2SVP，能量M06-2X/def2TZVP，重跑了一遍，结果也差不多：
基态 E = -772.511447915, ΔG校正 = 0.161434, 校正后能量E = -772.350013915
过渡态 E = -772.455712058, ΔG校正 = 0.163402, 校正后能量E = -772.292310058
算出来能垒36.2 kcal/mol

作者
Author: wull 时间: 2021-4-23 07:52
直接M06-2X/def2TZVP opt,或者换泛函

作者
Author: granvia 时间: 2021-4-23 08:48
看计算模型貌似形成了F...H—N氢键阻碍了旋转

作者
Author: zjxitcc 时间: 2021-4-23 09:36

wull 发表于 2021-4-23 07:52
直接M06-2X/def2TZVP opt,或者换泛函

6-31G(d,p)与def2SVP差不多大小，二者必然相差不到哪里去。DFT对基组依赖性没那么强，这种常见有机分子结构优化用def2TZVP也不会有多少改善（当然，仍值得一算，但不会有多少改善）。现在就“换泛函”就有点像凑数据了，还是应该先分析一下其他原因。

作者
Author: sai77 时间: 2021-4-23 09:43

granvia 发表于 2021-4-23 08:48
看计算模型貌似形成了F...H—N氢键阻碍了旋转

但是能量更低的过渡态构象是两个F在同侧的结构，这种情况应该不会和NH形成氢键

作者
Author: zjxitcc 时间: 2021-4-23 15:59
你的过渡态振动模式是对的么？

作者
Author: sai77 时间: 2021-4-23 17:05

zjxitcc 发表于 2021-4-23 15:59
你的过渡态振动模式是对的么？

我感觉应该是对的，一个 -67.5的虚频

作者
Author: wzkchem5 时间: 2021-4-25 01:44

sai77 发表于 2021-4-23 17:05
我感觉应该是对的，一个 -67.5的虚频

可能氨基要先转成和苯环垂直的构象，然后再消旋

作者
Author: sai77 时间: 2021-4-25 08:26

wzkchem5 发表于 2021-4-25 01:44
可能氨基要先转成和苯环垂直的构象，然后再消旋

转成垂直于苯环，那能量可能更高了。
这类联芳基化合物消旋的过渡态还是比较简单的，文献有类似的报道，我找的过渡态与文献结构比较接近。
ACS Omega 2019, 4, 6044–6049.

作者
Author: sai77 时间: 2021-4-25 08:50
我现在有一个猜想，会不会是由于F和NH形成的氢键阻碍了旋转，所以室温条件下消旋经历的是能量更低、Syn构型的过渡态TS-2；而加热条件下氢键被破坏，导致Anti构型的TS-1能量大大降低？

作者
Author: wzkchem5 时间: 2021-4-25 15:39

sai77 发表于 2021-4-25 08:26
转成垂直于苯环，那能量可能更高了。
这类联芳基化合物消旋的过渡态还是比较简单的，文献有类似的报道， ...

你要注意文献是羟基，氢可以摆向远离另一个苯环的方向而不破坏共轭。但是氨基不一样，如果氨基保持和苯环共轭，就会有一个氢是指向另一个苯环的，会和另一个苯环的F或者NH2之间有很大位阻

作者
Author: wzkchem5 时间: 2021-4-25 15:45

sai77 发表于 2021-4-25 08:50
我现在有一个猜想，会不会是由于F和NH形成的氢键阻碍了旋转，所以室温条件下消旋经历的是能量更低、Syn构型 ...

氢键对于旋转能垒的提高作用不会超过氢键本身的键能。如果单单是一个氢键就能把能垒提高10 kcal/mol，那这个氢键本身的强度必然至少是10 kcal/mol，否则即使不加热，反应也会以断开氢键然后再消旋的途径为主。但是N-H...F氢键（乃至NH2...N氢键）都远没有这么强

作者
Author: 喵星大佬 时间: 2021-4-25 19:07

sai77 发表于 2021-4-25 08:50
我现在有一个猜想，会不会是由于F和NH形成的氢键阻碍了旋转，所以室温条件下消旋经历的是能量更低、Syn构型 ...

那你可以用orca跑个aimd看看

作者
Author: skdmax 时间: 2021-4-25 19:26
静待大佬解答。

作者
Author: 张家铭 时间: 2021-4-26 20:25

sai77 发表于 2021-4-25 08:50
我现在有一个猜想，会不会是由于F和NH形成的氢键阻碍了旋转，所以室温条件下消旋经历的是能量更低、Syn构型 ...

有可能

作者
Author: sai77 时间: 2021-4-29 11:31

wzkchem5 发表于 2021-4-25 15:45
氢键对于旋转能垒的提高作用不会超过氢键本身的键能。如果单单是一个氢键就能把能垒提高10 kcal/mol，那 ...

我把两个氟换成一个甲基，算出来消旋能垒比氟的稍低，33 kcal/mol左右，后续再用实验验证一下，看看是否是氢键的影响。

作者
Author: sai77 时间: 2021-4-29 11:31

喵星大佬发表于 2021-4-25 19:07
那你可以用orca跑个aimd看看

惭愧...高斯刚入门，这个更不会了

作者
Author: Accelerator 时间: 2021-4-29 14:10
本帖最后由 Accelerator 于 2021-4-29 14:18 编辑

如果计算和实验确实都万无一失，我认为很有可能是隐式溶剂化的问题。我在2019年发现溶剂熵可能显著影响一些存在活化体积的反应的势能面（https://doi.org/10.26434/chemrxiv.7782797.v1），并且一直认为联苯二面角旋转是一个十分适合研究这一现象的模型（反应过程中几乎只有体积的变化，而偶极变化很小），但一直由于没有时间而在这一课题上缺乏后续进展。根据我目前对溶剂熵现象的认识，这一现象也确实会导致隐式溶剂化高估旋转能垒。如果你后续确认这类化合物计算值与实验值的系统偏离情况属实，或许可以展开合作，基于你测定的实验事实，在溶剂熵现象上做出一些新进展。

作者
Author: wzkchem5 时间: 2021-4-29 16:29

Accelerator 发表于 2021-4-29 14:10
如果计算和实验确实都万无一失，我认为很有可能是隐式溶剂化的问题。我在2019年发现溶剂熵可能显著影响一些 ...

我们遇到过一个体系，一个金属-金属键配合物，每个金属上都带一个大环平面配体，然后发现键能对溶剂模型特别敏感，SMD的键能比CPCM小8kcal/mol，推测是解离以后暴露出很多溶剂可及表面。但是我们研究的是热力学不是动力学，如果你们感兴趣，可以研究一下我们这个体系。https://pubs.rsc.org/en/content/ ... 01269E#!divAbstract

作者
Author: fatpig 时间: 2021-5-10 19:00
既然实验是80度，那校正不应该用80度时的delta G么...

作者
Author: 加州旅馆雨 时间: 2021-12-1 20:00
是不是因为轴手性过渡态变得更加平面了，分子间的pai-pai堆积弱相互作用力更强了？我瞎猜的啊

欢迎光临计算化学公社 (http://bbs.keinsci.com/)