Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Dung Môi Đến Tốc Độ Phản Ứng Thế S2

Phản ứng thế SN2 là một phản ứng một bước, trong đó sự tấn công của tác nhân ái nhân và sự rời đi của nhóm rời đồng thời xảy ra. Dung môi ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng bằng cách tương tác với các chất phản ứng, trạng thái chuyển tiếp và sản phẩm. Polarity of solvent đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định các ion hoặc các phần tích điện, ảnh hưởng đến năng lượng hoạt hóa. Nghiên cứu này tập trung vào việc làm sáng tỏ các tương tác dung môi-chất tan bằng phần mềm Gaussian. Nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm cho kết quả chính xác, có sức thuyết phục cao. Tuy nhiên, việc nghiên cứu bằng phương pháp này đòi hỏi nhiều thời gian, công sức, đặc biệt là phải có những trang thiết bị phù hợp mà không phải lúc nào cũng có thể đáp ứng được.

Phần mềm Gaussian là một công cụ mạnh mẽ trong computational chemistry, cho phép tính toán các tính chất của phân tử, bao gồm năng lượng, cấu trúc, tần số dao động và transition state theory. Molecular modeling bằng Gaussian giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về cơ chế phản ứng và dự đoán tốc độ phản ứng. Sử dụng phương pháp này không những có thể giải thích những quá trình hóa học một cách định tính mà còn có thể đưa ra những kết quả định lượng phù hợp với thực nghiệm, thời gian nghiên cứu sẽ được rút ngắn. Hơn nữa, khi đưa vào thực nghiệm, chúng ta không phải mò mẫm từ đầu.

Độ chính xác của mô phỏng ảnh hưởng của dung môi phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm lựa chọn solvation models, phương pháp DFT, và tập cơ sở. Các mô hình dung môi liên tục như PCM (Polarizable Continuum Model) đơn giản hơn về mặt tính toán nhưng có thể không chính xác cho các tương tác dung môi-chất tan cụ thể. Tính toán cấu trúc phân tử một cách chính xác là bước đầu tiên quan trọng. Density Functional Theory (DFT) được sử dụng rộng rãi vì sự cân bằng giữa độ chính xác và chi phí tính toán. Tuy nhiên, cần lựa chọn hàm trao đổi-tương quan phù hợp.

Mặc dù computational chemistry đã có những tiến bộ vượt bậc, nhưng các phương pháp tính toán lượng tử vẫn có những giới hạn nhất định. Các phương pháp ab initio có độ chính xác cao có chi phí tính toán lớn, giới hạn kích thước của hệ thống có thể nghiên cứu. Các phương pháp gần đúng hơn như phương pháp DFT có thể không chính xác cho một số hệ thống nhất định. Tính toán năng lượng hoạt hóa chính xác vẫn là một thách thức.

Phương pháp bán thực nghiệm là phương pháp sử dụng các thông số thực nghiệm để đơn giản hóa phương trình Schrodinger. Vì vậy chúng không quá khó và được áp dụng cho những phân tử rất lớn. Có nhiều phương pháp bán thực nghiệm. Những phương pháp tốt nhất trong số đó là AMI, PM3. Phương pháp bán thực nghiệm thích hợp cho những hệ thống rất lớn mà trong đó phương pháp bán thực ngiệm là cách duy nhất để tính toán theo phương pháp cơ học lượng tử. Phương pháp bán thực nghiệm được sử dụng như bước đầu cho những hệ thống lớn, Ví dụ có thể thực hiện tối ưu bằng phương pháp bán thực nghiệm cho một hệ thống lớn để có được cấu trúc tối ưu đầu, sau đó tối ưu lại bằng phương pháp HF hoặc phương pháp hàm mật độ. Phương pháp này dùng cho hệ thống phân tử ở trạng thái cơ bản mà phương pháp bán thực nghiệm có những tham số tốt. Nói chung phương pháp bán thực nghiệm thường được dùng để khảo sát những phân tử hữu cơ đơn giản. Sử dụng phương pháp bán thực nghiệm để đạt được những thông tin định tính của một phân tử. Ví dụ obitan phân tử, điện tích nguyên tử, kiểu dao động.

Vì hạt nhân có khối lượng rất lớn-chuyển động rất chậm so với các điện tử nhỏ bé-chuyển động rất nhanh nên các hạt nhân xem như là cố định. Theo sự đơn giản hóa của Born-Oppenheimer thì hàm sóng Schrodinger cho một hệ thống thuần điện tử có thể viết: H,W-=E.W. Phương pháp trường tự hợp Hatree có ưu điểm là mặc dù đã có chú ý đến spin của electron và nguyên lý ngoại trừ Pauli bằng cách đặt không quá 2 electron trong mỗi không gian obitan. Tuy nhiên nhược điểm là bất kỳ sự ước tính gần đúng nào đối với hàm sóng thực nên bao gồm sự ngoại trừ spin và nên là bất đối xứng với những electron trao đổi. Vì vậy thay vì dùng obitan không gian, chúng ta phải dùng những obitan spin và thực hiện tổ hợp tuyến tính không đối xứng là tích của các obitan spin. Thực hiện tính toán bằng phương pháp trường tự hợp có sử dụng những obitan spin bất đối được gọi là phương pháp tính toán theo Hatree-Fock.

Có nhiều mô hình dung môi liên tục khác nhau, mỗi mô hình có những ưu điểm và nhược điểm riêng. PCM là một mô hình phổ biến, trong khi SMD (Solvation Model Based on Density) và IEFPCM (Integral Equation Formalism PCM) cung cấp các cải tiến. Việc lựa chọn mô hình phụ thuộc vào hệ thống nghiên cứu cụ thể và mức độ chính xác mong muốn.

Ưu điểm chính của mô hình dung môi liên tục là hiệu quả tính toán của chúng. Chúng cho phép nghiên cứu các hệ thống lớn trong dung môi với chi phí hợp lý. Tuy nhiên, chúng bỏ qua các tương tác dung môi-chất tan cụ thể, có thể quan trọng đối với một số hệ thống. Những mô hình này có thể không chính xác khi có sự hình thành liên kết hydro hoặc các tương tác đặc biệt khác giữa dung môi và chất tan.

Việc tìm kiếm trạng thái chuyển tiếp trong Gaussian thường bao gồm việc sử dụng các thuật toán tối ưu hóa để tìm điểm yên ngựa bậc nhất trên bề mặt năng lượng thế (PES). Một phân tích tần số dao động sau đó được thực hiện để xác nhận rằng cấu trúc tìm thấy thực sự là một trạng thái chuyển tiếp (có một và chỉ một tần số ảo).

Năng lượng hoạt hóa là sự khác biệt năng lượng giữa trạng thái chuyển tiếp và các chất phản ứng. Gaussian có thể được sử dụng để tính toán năng lượng của cả hai trạng thái, và sau đó xác định năng lượng hoạt hóa. So sánh năng lượng hoạt hóa trong pha khí và trong dung môi cung cấp thông tin về ảnh hưởng của dung môi đến tốc độ phản ứng.

Hiểu biết về ảnh hưởng của dung môi cho phép lựa chọn dung môi phù hợp để tăng tốc độ phản ứng, cải thiện độ chọn lọc, hoặc kiểm soát stereochemistry. Ví dụ, một dung môi phân cực aprotic có thể tăng tốc độ của phản ứng SN2 bằng cách ổn định các ion.

Các phương pháp QM/MM kết hợp các tính toán lượng tử (QM) cho vùng phản ứng với các phương pháp cơ học phân tử (MM) cho phần còn lại của hệ thống, bao gồm cả dung môi. Cách tiếp cận này cho phép mô tả chính xác hơn các tương tác dung môi-chất tan trong khi vẫn duy trì chi phí tính toán hợp lý.