Ảnh hưởng của cấu trúc đến khả năng phản ứng của các dẫn xuất halogen trong phản ứng thế nucleophin lưỡng phân tử - Phạm Phát Tân

An Giang University Journal of Science – 2018, Vol. 19 (1), 28 – 34 28 ẢNH HƯỞNG CỦA CẤU TRÚC ĐẾN KHẢ NĂNG PHẢN ỨNG CỦA CÁC DẪN XUẤT HALOGEN TRONG PHẢN ỨNG THẾ NUCLEOPHIN LƯỠNG PHÂN TỬ Phạm Phát Tân1, Nguyễn Minh Lý1 1Trường Đại học An Giang Thông tin chung: Ngày nhận 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: Dẫn 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 (SN2) between C2H5Cl 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 TẮT 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 (SN2) giữa C2H5Cl 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) bằng chương trình Gaussian 03W B.04 và được biểu diễn bằng 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. GIỚI 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, quy luật khoa học với độ chính xác cao trong việc nghiên cứu sâu cơ sở lý thuyết; từ đó có thể giúp 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 hỗ trợ của chương trình Gaussian và GaussView. Trong đó, có những nghiên cứu khá gần gũi với An Giang University Journal of Science – 2018, Vol. 19 (1), 28 – 34 29 đề 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 v k RX Nu dt dt dt − = − = − = = Trong đó, RX là dẫn xuất halogen, Nu là tác nhân nucleophin. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Khảo sát cơ chế phản ứng thế nucleophin lưỡng phân tử 3.1.1 Năng lượng HOMO – LUMO 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: An Giang University Journal of Science – 2018, Vol. 19 (1), 28 – 34 30 Bảng 1. Giá trị hệ số HOMO, LUMO của Br- và C2H5Cl Cấu trúc HOMO LUMO B3LYP/6 – 31G(d) Br– 0,59628 4,72767 CH3CH2Cl 0,67916 1,08287 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 C2H5Cl Hình 1. LUMO của etyl clorua và HOMO của Br- 3.1.2 Trạng thái chuyển tiếp và cơ chế phản ứng 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 o A , C – Br là 2,00110 o A . Đối với C – Cl, có sự tăng về khoảng cách giữa C và Cl từ 1,83780 o A đến 2,43635 o A . Còn khoảng cách C và Br trong TS là 2,59784 o A lớn hơn so với trong phân tử etyl bromua 2,00110 o A . 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 kết, có thể khẳng định trong phản ứng này, sự tấn An Giang University Journal of Science – 2018, Vol. 19 (1), 28 – 34 31 công 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. Mật độ điện tích của C2H5Cl và trạng thái chuyển tiếp trong phản ứng SN2 giữa C2H5Cl 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. Kết quả IRC của trạng thái chuyển tiếp[Br . . . C2H5 . . . 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. An Giang University Journal of Science – 2018, Vol. 19 (1), 28 – 34 32 Hình 1. Cấu trúc chất phản ứng, trạng thái chuyển tiếp và sản phẩm trong phản ứng thế SN2 của C2H5Cl và Br- 3.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản ứng của dẫn xuất halogen 3.2.1 Ảnh hưởng của gốc hidrocacbon 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. Bảng 2. Hằng số tốc độ các phản ứng khi khảo sát sự ảnh hưởng của gốc hiđrocacbon Ảnh hưởng Phản ứng Năng lượng tự do hoạt hóa (kcal.mol-1) Hằng số tốc độ (mol-1.L.s-1) Sự phân nhánh ở Cα CH3Cl + Br- 18,5122 172,1660.10-3 CH3CH2Cl + Br- 21,1668 1,9582.10-3 CH3CHClCH3 + Br- 23,0108 0,0874.10-3 Sự phân nhánh ở Cβ CH3CH2CH2Cl + Br- 21,0907 2,2262.10-3 (CH3)2CHCH2Cl + Br- 23,0140 8,6927.10-5 Gốc anlyl và benzyl CH2 = CH – CH2 – Cl + Br- 17,3073 1,3133 CH2Cl + Br- 16,3457 6,6461 Gốc xicloankyl + Br-Cl 23,8482 2,1287.10-5 + Br-Cl 21,3765 1,3809.10-3 Kết quả tổng thể thu được đã phản ánh được sự ảnh hưởng của gốc hiđrocacbon đến hoạt tính hoá học của dẫn xuất halogen: khi tăng sự ảnh hưởng An Giang University Journal of Science – 2018, Vol. 19 (1), 28 – 34 33 không 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. 3.2.2 Ảnh hưởng của nhóm xuất ra Bảng 3. Năng lượng liên kết C – X sau khi tính toán và trong thực 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) 3 2 3 3 2 3CH CH CHFCH CH CH CH CH F • •→ + (b) 3 2 3 3 2 3CH CH CHClCH CH CH CH CH Cl • •→ + (c) 3 2 3 3 2 3CH CH CHBrCH CH CH CH CH Br • •→ + Liên kết Độ dài liên kết ( o A ) Năng lượng liên kết (Kcal/mol) Thực nghiệm (Kcal/mol) C – F 1,41856 112,6418729 116,2679426 C – Cl 1,86639 78,32567738 78,2296651 C – Br 2,03234 71,87436276 68,1818182 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. 3.2.3 Ảnh hưởng của tác nhân nucleophin Bảng 4. Năng lượng HOMO, LUMO của OH-, SH- Cấu trúc HOMO LUMO B3LYP/6 – 31G(d) HO- 0,59912 1,57693 HS- 0,61329 1,61780 CH3CH2Cl 0,67916 1,08287 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 An Giang University Journal of Science – 2018, Vol. 19 (1), 28 – 34 34 nucleophin phù hợp với các nghiên cứu trước đây và dữ kiện thực nghiệm. 4. KẾT 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 LIỆU THAM KHẢO Bạch Việt Anh. (2008). Khảo sát hoạt tính hóa học của một số siêu thân điện tử. (Luận văn 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 chế phản ứng hóa học. Đại học Cần Thơ, Cần 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 trong quang phổ. Đại học Quốc gia, Đại học 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 học hữu cơ. Hà Nội: NXB Khoa Học và Kỹ 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. 10.1021/jp2076808.