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[综合交流] 烯胺的trans-cis异构化中的能量变化

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发表于 2018-10-1 15:26:01 | 显示全部楼层 |阅读模式
对于一个典型的烯胺RCH=CHNHR',当R和R'都是共轭基团的时候,存在trans cis两个通过平面共轭体系得到稳定的烯胺异构体(即芳环R和R‘同烯胺接近共平面)以及至少两个席夫碱异构体,并且之间存在异构化现象: QQ截图20181001000042.jpg
这个烯胺可以通过重结晶得到纯度很高的样品。将样品溶于没有额外酸、碱的氘代苯中,平衡后可以得到左边的第一个平衡。实验值Em:Im=93:7,理论计算(b3lyp,单点def2tzvp,频率6-31g*)能量差9.61kJ/mol,算下来平衡比例是97:3。考虑到NMR本身的误差,可以说符合的很好了。

但是,这个平衡得到的席夫碱产物本身可绕单键旋转,扫描得到的能量变化也在单键旋转所需要客服的能垒级别(<20kJ/mol)。也就是说足够长的平衡后应当有相当比例的右边两个产物,尤其是cis构型的烯胺,仅仅比trans构型高3kJ/mol,也就是3:1的比例。然而在实验中,从来没有观察到cis构型烯胺。

同时,我对烯胺-席夫碱异构化过程的过渡态进行了计算。由于没有酸、碱催化剂,所以所跟踪的是直接的N-C质子转移过程。优化后得到的过渡态经过IRC检验确实分别指向左边和右边平衡两侧产物,但是其能量高达250kJ/mol级别,也就是说在室温下该异构化应当难以发生。然而实验结果是高温下的平衡在室温中放置两天后可以回到室温平衡比例,也就是说该异构化在室温下是很容易发生的。

也就是说,室温下可以轻松跨越TS1这个能垒的第一个平衡很容易发生,但是单键旋转能垒的第二个平衡或者仅仅高了20kJ/mol的第三个平衡是无法跨过的。这是相当难以想象的。

对于理论计算部分,我想问问是不是我的过渡态计算本身就不合理?包括烯胺-亚胺的异构化(TS1及TS2)以及中间的单键旋转扫描。如果是的话,应该如何改进?

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发表于 2018-10-2 02:05:35 | 显示全部楼层
关于TS1,如果实验数据表明这一步转化可以在室温下很容易进行的话,那么(Em, trans)到(Im, trans)可能是经由别的反应路径。你可能需要考虑体系中痕量的水催化了这一过程。

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 楼主| 发表于 2018-10-2 02:27:14 | 显示全部楼层
Daniel_Arndt 发表于 2018-10-2 02:05
关于TS1,如果实验数据表明这一步转化可以在室温下很容易进行的话,那么(Em, trans)到(Im, trans)可能是经 ...

所有实验都在严格无水无氧的手套箱中操作,这就是头大的地方。
我考虑的一个点是,可能体系中的烯胺或席夫碱底物,本身具有一定碱性,作为有机碱参与了催化。
但是还是无法理解为什么没有得到右边的两个平衡产物。中间的平衡是单键自由旋转,右边应当和左边有类似的反应路径和活化能。

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发表于 2018-10-2 02:59:41 | 显示全部楼层
本帖最后由 一颗赛艇 于 2018-10-2 03:12 编辑

建议两个TS在M062X/Def2TZVP,ultrafine下面重新找一次,然后算一下高精度自由能看看

第一个能垒245,“室温下可以轻松跨越”,这明显高估。室温下可以轻松跨越起码应该不大于100kJ吧?
如果第一个245得到确认,我想分子间 质子/氢原子/氢负离子 转移有没有考虑过?这在其他体系是很常见的。

甚至你这两个分子形成二聚体,分子间 双质子/氢原子/氢负离子 转移也不是没有可能,formic acid dimer double proton transfer也很典型

第一步双氢转移可以试一下

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 楼主| 发表于 2018-10-2 04:08:27 | 显示全部楼层
一颗赛艇 发表于 2018-10-2 02:59
建议两个TS在M062X/Def2TZVP,ultrafine下面重新找一次,然后算一下高精度自由能看看

第一个能垒245,“ ...

感谢。
正是因为实验里第一个平衡可以在室温下轻松达成,包括温度-平衡常数的关系实验值和计算值符合都很好,所以才觉得奇怪。
我现在考虑的就是这个烯胺本身可以作为碱催化异构化反应的发生。

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发表于 2018-10-2 09:58:37 | 显示全部楼层
本帖最后由 霜晨月 于 2018-10-2 10:09 编辑

就像楼上所说,245KJ/mol的活化能太高,室温下很难进行
所以,推测两个可能原因:

1. 计算方法不够恰当,比如B3LYP是否加了D3校正?有没有加隐式溶剂?
还有,既然是氢转移反应,为什么不给氢加极化函数?

2. 实际的过渡态可能不是四元环,有可能是先接受一个氢然后脱掉一个氢,这个氢可能来自水、溶剂,或者其他烯胺、亚胺分子。

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 楼主| 发表于 2018-10-2 10:13:29 | 显示全部楼层
霜晨月 发表于 2018-10-2 09:58
就像楼上所说,245KJ/mol的活化能太高,室温下很难进行
所以,推测两个可能原因:

第一点,加了D3校正;
因为是苯/甲苯体系,介电常数小,所以没有用隐式溶剂;
用的是6-31g**,主楼不小心打错了。

第二点是我在考虑的方向。但是可以的思路太多,不知道往哪儿尝试比较好。

开始想法是利用频率校正因子来节约资源,而现在正在用楼上推荐的M062X-def2tzvp重新优化过渡态,再准备用def2qzvp算单点,看看是不是低精度算法本身的问题。

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发表于 2018-10-2 10:35:28 | 显示全部楼层
本帖最后由 霜晨月 于 2018-10-2 10:38 编辑

如果仅仅是计算精度的问题,可能不会导致这么大的差异吧。B3LYP+D3对有机体系来说还算稳健?

假如你的体系中确实没有水和其他氢源的话,估计氢是来自另一个烯胺。
看看底下这个机制有无可能发生:
烯胺氢转移.png

(其实就是 一颗赛艇 说的:甚至你这两个分子形成二聚体,分子间 双质子/氢原子/氢负离子 转移也不是没有可能,formic acid dimer double proton transfer也很典型)

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发表于 2018-10-2 10:40:24 | 显示全部楼层
这条件下绝对不可能是四元环过渡态,这两个TS找的没有与实验对应的化学意义。考虑楼上所说的几种机理是必须的。

即使溶剂的介电常数小,也与真空有很大区别,差别(或者说差别的差)的程度可能接近你的“9.61 kJ/mol”,更可能超过你的“2.99 kJ/mol”,很重要,应当加上。

氘代溶剂就是用 Na 蒸过,一般的 “严格无水无氧” 各种东西里引入的水也是 1E-4 mol/L 级别,做到显著更低还是要些特殊的手段,虽然可能性不大,但我感觉还是不要完全排除水在反应中有一定贡献的可能。

很可能你注意到了,但还是提醒一下,(如果整个转变都很快)实验上排除了trans和cis在核磁时间尺度上快速平衡,观察到的信号是trans为主的trans/cis平均化之后的信号可能性了吗?如果平均化了,那核磁上看起来与“只有trans的信号”是差不多的。

另外一般的计算里能量保留一位小数足矣。

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 楼主| 发表于 2018-10-2 10:46:40 | 显示全部楼层
liyuanhe211 发表于 2018-10-2 10:40
这条件下绝对不可能是四元环过渡态,这两个TS找的没有与实验对应的化学意义。考虑楼上所说的几种机理是必须 ...

谢谢老师指导。
和做有机的人讨论了一下,猜测是烯胺/亚胺本身作为碱催化了该反应,现在正在往这个方向重新优化计算。
至于trans-cis平均化问题,由于二者的耦合常数不同,还是比较容易分辨的。同时,我有二烯胺的晶体结构,是完全的trans,基本可以排除cis构象。

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发表于 2018-10-2 11:14:31 | 显示全部楼层
本帖最后由 一颗赛艇 于 2018-10-2 11:17 编辑
望月凝香 发表于 2018-10-2 04:08
感谢。
正是因为实验里第一个平衡可以在室温下轻松达成,包括温度-平衡常数的关系实验值和计算值符合都 ...

没什么好奇怪的。平衡常数是热力学的事,势垒是动力学的事,两者没有什么关系。

这个烯胺各种构象、手性,粗略看了下应该有八种,反应的立体选择性也考虑考虑

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 楼主| 发表于 2018-10-2 11:26:48 | 显示全部楼层
一颗赛艇 发表于 2018-10-2 11:14
没什么好奇怪的。平衡常数是热力学的事,势垒是动力学的事,两者没有什么关系。

这个烯胺各种构象、手 ...

等下,哪儿八种?
这个enamine不存在手性,trans-trans, trans-cis, cis-trans, cis-cis加起来四个构型吧?
文献里关于C2上有吸电子基团的总结倒是很丰富了,但是C2上是简单苯基或者烷基的确实几乎没有。。。

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发表于 2018-10-2 11:34:48 | 显示全部楼层
望月凝香 发表于 2018-10-2 11:26
等下,哪儿八种?
这个enamine不存在手性,trans-trans, trans-cis, cis-trans, cis-cis加起来四个构型 ...

你提到的这是四种,你往C-C-N最中间那个碳上面看,镜面不重合。就像 螺烯 一样

你说的没有手性还是没有旋光性?双键翻转很费劲,肯定有手性。有外消旋体的可能。

涉及到手性就有一个选择性的问题了。

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 楼主| 发表于 2018-10-2 11:47:07 | 显示全部楼层
一颗赛艇 发表于 2018-10-2 11:34
你提到的这是四种,你往C-C-N最中间那个碳上面看,镜面不重合。就像 螺烯 一样

你说的没有手性还是没 ...

...没想到这层...
考虑把问题扔给我带的刚进组的博一,反正她本科也做了不少计算。

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发表于 2018-10-2 13:45:51 | 显示全部楼层
望月凝香 发表于 2018-10-2 10:46
谢谢老师指导。
和做有机的人讨论了一下,猜测是烯胺/亚胺本身作为碱催化了该反应,现在正在往这个方向 ...

晶体和溶液两回事儿,如果二者可以快速转化,晶体的倾向完全不能用于佐证溶液的倾向。
我知道二者耦合常数不同,我是说平均化的问题,例如放到-80°C做核磁会不会分成两个峰。
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