计算苯胺和苯甲酰氯反应自由能垒数值大小求助

naoki

我计算了苯胺和苯甲酰氯在正己烷中反应的自由能垒，发现高达119 kJ/mol，由过渡态理论得到的反应速率常数k非常小了。想请教一下各位老师我的计算步骤有没有问题，以及这个数值是否合理。
1. 摆TS初猜，优化TS结构，关键词：#p opt=(calcfc,tight,ts,gdiis,maxstep=5,notrust,noeigen,recalc=3) freq b3lyp/6-311g(d) em=gd3bj int=ultrafine scrf=(smd,solvent=n-hexane)。优化结束后仅有一数值为-116.52的虚频，震动方向与亲核进攻路线一致。


2. 基于优化的TS走IRC，关键词： #p IRC=(calcfc,tight,LQA,maxpoints=200,stepsize=10,recalc=3) geom=allcheck b3lyp/6-311g(d) em=gd3bj int=ultrafine scrf=(smd,solvent=n-hexane)。发现能跑出底物和产物，但是最后有苯环上氢震动导致IRC曲线跳动。



3. 分别优化苯胺和苯甲酰氯的结构并做振动分析，关键词：#p b3lyp/6-311g(d) em=gd3bj opt freq scrf(smd,solvent=n-hexane)。

4. 基于已经优化好的结构，分别计算苯胺和苯甲酰氯以及TS在真空下的单点能，关键词：#p b2plypd3/def2tzvp geom=allcheck。

5. 在隐式溶剂模型下计算苯胺、苯甲酰氯、TS的溶剂化自由能。用三者在 #p m052x/6-31g(d) scrf(smd,solvent=n-hexane) geom=allcheck计算得到的SCF Done后面的数值，减去#p m052x/6-31g(d) geom=allcheck得到的SCF Done后面的数值。

5. 读取苯胺、苯甲酰氯、TS结构优化输出中Thermal correction to Gibbs Free Energy的数值，与4中算出的真空下的单点能相加，再加上5中计算得到的溶剂化自由能，加上1.89/627.51。得到苯胺、苯甲酰氯、TS在溶剂中的自由能。

6. 用TS在溶剂中的自由能减去苯胺和苯甲酰氯在溶剂中的自由能，得到反应的自由能垒，为119 kJ/mol。

希望各位老师能帮我看看有没有问题，谢谢！

wzkchem5

naoki 发表于 2020-12-7 16:54
好的，谢谢王老师。这个反应实际是在己烷中进行的，没有水参与。这个反应本身非常快，我感觉能垒应该很低 ...

你不是说界面反应嘛，水在己烷里会稍微溶一点，尤其是同时有苯胺的话，会增溶。
119kJ/mol肯定偏大了，室温几个小时反应完的反应，能垒应该是90kJ/mol左右。
另外我觉得还应该考虑一个可能性，就是可能是酰氯扩散到水相里和苯胺反应的，假如这个反应特别快的话，实验上完全可能造成酰氯完全在有机相的假象，进而误导人相信反应是在己烷相里发生的

naoki

wzkchem5 发表于 2020-12-7 16:44
虽然对你的结果应该不会有定性影响，但是优化的时候应该对H也加极化。
另外考虑水分子与过渡态形成氢键， ...

好的，谢谢王老师。这个反应实际是在己烷中进行的，没有水参与。这个反应本身非常快，我感觉能垒应该很低才对，算出119 kJ/mol您觉得合理吗

wzkchem5

虽然对你的结果应该不会有定性影响，但是优化的时候应该对H也加极化。
另外考虑水分子与过渡态形成氢键，稳定过渡态的可能性。

naoki

北大-陶豫 发表于 2020-12-7 13:28
额，这个反应难道是苯胺一步进攻就把氯离子打下来的吗……
首先要分两步进行（加成，然后消除），另外过渡 ...

谢谢指点~我也认为是亲核加成-消除两步反应，但是文献中给出的是类似SN2的四元环协同过渡态机理（DOI: 10.1002/ejoc.201800656，但是论文只优化了TS，没走IRC），我参考了一下他这个过程做的。还有就是这个反应实际做的时候是个界面反应，胺解溶在水里，酰氯溶解在己烷里，反应由胺扩散进入己烷中与酰氯反应，所以酰氯是远远过量的，也没有加其他碱做缚酸剂，理论上来说是完整的胺基直接亲核进攻羰基碳，然后再脱掉质子或者氯化氢，最后产率93%左右。如果按照我这个机理，我算间苯二胺和苯甲酰氯反应的IRC走出产物是氯化氢和酰胺。我再去按您说的，有其他胺参与过渡态计算一下看看。

北大-陶豫

用 pm6 半经验方法给你大致算了一下。

北大-陶豫

额，这个反应难道是苯胺一步进攻就把氯离子打下来的吗……
首先要分两步进行（加成，然后消除），另外过渡态可能需要另一分子的苯胺，或者别的什么碱，帮助拔去进攻苯胺的氮上的氢，增加其亲核性。