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(20180107更新HF计算)使用ADCH电荷及最大静电势评估碳正离子的稳定性

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发布时间: 2018-1-1 18:11

正文摘要:

本帖最后由 liaibo 于 2018-1-7 11:26 编辑 近来工作中想到一个想法,如何评估碳正离子的稳定性?(为后续评估SN1反应做准备,评估SN2反应也在思考中,离去基团离去能力评估?共轭酸的稳定性?)经典化学中的看法 ...

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我本是个娃娃 发表于 Post on 2018-2-26 17:16:30
邢其毅的大本里说,碳正离子的稳定性顺序为三级碳正离子>二级碳正离子>一级碳正离子>CH3+
另外还有两个影响碳正离子的稳定性的因素:
1,连接在中心碳原子上的给电子基越多,碳正离子越稳定;例如碳碳双键,苯基等
2,超共轭效应也有助于稳定碳正离子。
以上结果都有实验依据。所以我认为,现阶段应该探讨的是,不同的给电子基对于稳定碳正离子的能力。至于超共轭效应先不予考虑吧。
sobereva 发表于 Post on 2018-1-8 11:29:52
liaibo 发表于 2018-1-8 10:53
键的极性应该怎么查看?能从轨道的层面上看得到嘛?

做法很多,诸如NBO里用dipole关键词等等,有六七种
liaibo 发表于 Post on 2018-1-8 10:53:36
sobereva 发表于 2018-1-7 11:43
HF的电子分布准确度明显差于DFT,会出现明显高估键的极性等问题,是解释层面的问题

加弥散没必要

键的极性应该怎么查看?能从轨道的层面上看得到嘛?
liaibo 发表于 Post on 2018-1-8 10:52:19
ggdh 发表于 2018-1-7 22:11
羟基和羧基比
羟基明显是个σ拉要强,在π上是个Donor
而羧基σ是个弱的A(因为O的诱导效应以及C的sp2 ...

昨天把乙醇,乙酸,苯酚,苯甲酸的轨道都算了一下看了,果然乙醇和乙酸里没有看到阿尔法位共轭的轨道,苯酚里羟基有向邻位C给电子共轭的轨道,苯甲酸里苯环向羰基碳上给电子共轭的轨道,和经典化学描述一致,感觉还是挺神奇的,就是羰基C和烷基C之间的sigma键不是很能看出轨道偏向,有点类似于吸电子的一种描述,这种能看得到极性偏向嘛?
ggdh 发表于 Post on 2018-1-7 22:11:45
liaibo 发表于 2018-1-7 12:40
还有一个,DFT方法,CH3CH2OH中,OH整体-0.129(HF:-0.159),CH3CH2COOH中,COOH整体-0.073(HF:-0.082) ...

羟基和羧基比
羟基明显是个σ拉要强,在π上是个Donor
而羧基σ是个弱的A(因为O的诱导效应以及C的sp2杂化),在π上是个中等强度的A。
如果连饱和烷烃,就以σ诱导为主。
连共轭体系,就是共轭效应为主了。
其实要深入研究,还得把超共轭从诱导效应中剔除出。
到底诱导效应得本质是什么呢?诱导效应为啥没有共轭效应显著呢?
都值得研究啊
liaibo 发表于 Post on 2018-1-7 12:40:31
本帖最后由 liaibo 于 2018-1-7 20:58 编辑
ggdh 发表于 2018-1-7 11:45
DFT算出来硝基吸电子能力比氰基弱
这个有意思,有4种作用可以考虑:
1硝基烷中有中有NO和CH的超共轭效 ...

还有一个,DFT方法,CH3CH2OH中,OH整体-0.129(HF:-0.159),CH3CH2COOH中,COOH整体-0.073(HF:-0.082),让我怀疑事实是不是就是这样了,(sigma-π共轭?)。又验证了苯酚和苯甲酸的电荷,定位效应都很正确,虽然羟基和羧基整体表现出来都是吸电子基团(-0.05),但在苯环上就呈现出邻位电荷增加(苯酚,邻位-0.04)和邻位电荷减少(苯甲酸,邻位0.04)两种效应,与有机理论里面的给电子共轭和吸电子共轭的定位效应一致。越算越觉得博大精深,在重重迷雾中找寻真相还是有点艰难,不过,很有意思。
ggdh 发表于 Post on 2018-1-7 11:45:57
liaibo 发表于 2018-1-7 11:20
重新用HF方法算了下,感觉HF方法比DFT更适合描述电荷分布?又比如算硝基乙烷和氰基乙烷中硝基和氰基的吸 ...

DFT算出来硝基吸电子能力比氰基弱
这个有意思,有4种作用可以考虑:
1硝基烷中有中有NO和CH的超共轭效应,而腈是没有的。
2硝基乙烷中是NC和CH的超共轭,丙腈中是CC和CH的超共轭,
3.sigma-超共轭也是不同的
4.然后基团本身的σ诱导也是不同的,
这四种作用都是什么效果?比较复杂
可以考虑算个硝基甲烷和CN甲烷,以及O2NH和HCN以及硝基苯和CN苯。把上面的作用区分一下
sobereva 发表于 Post on 2018-1-7 11:43:44
liaibo 发表于 2018-1-7 11:20
重新用HF方法算了下,感觉HF方法比DFT更适合描述电荷分布?又比如算硝基乙烷和氰基乙烷中硝基和氰基的吸 ...

HF的电子分布准确度明显差于DFT,会出现明显高估键的极性等问题,是解释层面的问题

加弥散没必要
liaibo 发表于 Post on 2018-1-7 11:20:11
sobereva 发表于 2018-1-4 00:29
LBO本身不适合含有很重元素(从第四周期开始)的情况,因为此时电子密度拉普拉斯函数对电子结构的描述 ...

重新用HF方法算了下,感觉HF方法比DFT更适合描述电荷分布?又比如算硝基乙烷和氰基乙烷中硝基和氰基的吸电性:即基团带的负电荷。DFT算出来硝基吸电子能力比氰基弱,HF算出来两者差不多。
另外发现使用弥散基组和不使用弥散基组比(6311+**和6311**;ma-def2TZVP和def2TZVP),计算结果绝对值有增加,但两者相比相对值几乎不变,那么算这种有明显偶极但无负电荷的还需要加弥散基组嘛?
sobereva 发表于 Post on 2018-1-4 00:29:18
liaibo 发表于 2018-1-2 19:28
考察了一下Hirshfeld电荷,只看碳原子:叔丁基+:0.254,烯丙基+:0.192,苄基+:0.125,乙基+:0.277, ...


LBO本身不适合含有很重元素(从第四周期开始)的情况,因为此时电子密度拉普拉斯函数对电子结构的描述已经不好了。这一系列进行对比用柔性力常数更好。
ggdh 发表于 Post on 2018-1-3 10:03:43
liaibo 发表于 2018-1-2 17:12
按计算的话是0.268,确实比较稳定,真实情况是怎么样的?溶剂确实能增加正电荷,使用SMD模型甲醇溶剂算 ...

这说明有机化学中的概念不是完全正确的,就算没有共轭,正电荷也能分散出去,而碳正离子能够稳定也不完全是因为正电荷被分散导致。
liaibo 发表于 Post on 2018-1-2 19:28:14
本帖最后由 liaibo 于 2018-1-3 00:36 编辑
sobereva 发表于 2018-1-2 00:34
这个研究挺好
可以也考察下Hirshfeld电荷,看看此时只看C原子电荷时是否能有点用。
靠表面静电势极值点数 ...

考察了一下Hirshfeld电荷,只看碳原子:叔丁基+:0.254,烯丙基+:0.192,苄基+:0.125,乙基+:0.277,和静电势有点类似,同一类的比较还可以,不同类的就没法比了。另外,本来打算考察碱的共轭酸的酸性来考察离去能力的,想到算H-X键的键强度来考察,然后又看到了LBO键级,尝试算算了一下,遇到了一个奇怪的现象:
LBO:使用def2tzvp进行优化,计算LBO键级。结果如下:
H-I:0.408
H-Br:0.526
H-Cl:0.642
H-F:0.362

看到前3个我还挺满意的,可是到HF这里怎么算(改变基组)都只有0.3,没有预期中出现0.7的状况,这如何解释?
ggdh 发表于 Post on 2018-1-2 12:09:27
本帖最后由 ggdh 于 2018-1-2 12:17 编辑


用你的这个方法算这么一个伯碳正离子,会发现这个伯碳正离子非常的稳定吧?
另外SN1反应都是在溶剂中进行的,我估计溶剂对正电荷的分布影响会比较大。应该是能够让正电荷更加的局域化。所以你可以加个scrf(solvent=甲醇,乙醇,水)试试看
不知道溶剂化效应会怎么影响ADCH电荷?

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