Ugrás a tartalomhoz

A kvantumkémia alapjai és alkalmazása

Veszprémi Tamás, Fehér Miklós

Educatio Társadalmi Szolgáltató Nonprofit Kft.

14.5. Az N-metilformamid bázis-katalizált hidrolízise ∗

14.5. Az N-metilformamid bázis-katalizált hidrolízise

J.F. O'Brien és J. Pranata dolgozata alapján ( J. Phys. Chem . 99 , 12759–12763 (1995).).

A másodrendű amidok hidrolízise nagy jelentőséggel bír a szerves kémiában és a biokémiában. Fontosságát elsősorban az indokolja, hogy a másodrendű amidok a fehérjék létfontosságú építőelemei.

A következő példában a számítások alapvető célja az volt, hogy modellezzék egy molekula hidrolízisét vákuumban, amikor a molekula semmilyen más kölcsönhatásban nem vesz részt. A reakció egyes lépései némi szerves kémiai ismeret alapján megjósolhatók (1. séma): először a hidroxidion nukleofil addíciója megy végbe az amidon, és kialakul egy tetraéderes intermedier. A következő lépésben egy protonátmenet kíséretében a metilamid anion eltűnik, és végtermékként metilamin és formiát anion keletkezik.

   

Ha a fenti sémát józan kémikusi ésszel végiggondoljuk, legalább öt stacionárius pontot várhatunk a reakcióban a kiindulási állapoton és a végtermékeken kívül: egy bimolekulás komplexet az N-metilformamid és a OH között (1), egy átmeneti állapotot a nukleofil addícióra (2), egy tetraéderes köztiterméket (3), egy átmeneti állapotot az eliminációra (4) és egy bimolekulás komplexet (5) a metilamin és a formiát anion között. Ha ezen elmerengtünk, már rátérhetünk a reakció részletesebb elemzésére.

A szerkezeteket MP2-szinten 6-31+G(d) bázis felhasználásával optimálták. A minimumokat és nyeregpontokat frekvenciaszámítással ellenőrizték, a nagy számítási igény miatt csak RHF/6-31+G(d) szinten. Elhanyagolták viszont a bázis-szuperpozíciós hibát. A frekvenciákat felhasználták a reakció folyamán változó termodinamikai tulajdonságok számítására is. A stacionárius pontok közti átalakulásokat a belső reakciókoordináta számításával közelítették.

Az N-metilformamid eltérő konformációkban létezik, amelyek közül a számítások alapján a legalacsonyabb energiájú a transz-forma, melyben a metil- és karbonil csoportok a lehető legtávolabb helyezkednek el egymástól. A különböző konformációk energiakülönbsége elég kicsi, C–N-kötés menti elfordulás esetén mindössze néhány kcal mólonként, a metil C–H-kötések elfordulásakor még kisebb, mindössze néhány tized kcal/mol.

A (3) tetraéderes intermediernek 24 lehetséges konformerje van, közülük 12 a 14.19. ábrán látható, a többi pedig a megfelelő azonos energiájú enantiomer alak. Az energetikailag legkedvezőbb út felderítésében fontos lépés e konformációk egyensúlyi szerkezeteinek és energiájának meghatározása. A számítások szerint ezek többsége tényleg valódi energia minimumnak felel meg az MP2/6-31+G(d) szinten. Relatív energiájuk, entrópiájuk, entalpiájuk és szabadenergiájuk a 14.5. táblázatban találhatók.

 

14.19. ábra. A várható konformerek Newman-projekciói.

 

   

A legstabilisabb konformerek a (3d), (3c) és (3a) szerkezetek. A stabilitás sorrendje a molekulán belüli kölcsönhatások analízise alapján válik világossá. Először is a (3a3f) konformációk amelyekben a hidroxil-csoport syn helyzetű, várhatóan stabilisabb a CO és az O–H kötésdipólusok kedvező kölcsönhatásának köszönhetően. E molekulacsoporton belül két párhuzamos hatás érvényesül: egyrészt növeli a stabilitást, ha a nitrogén magányos párja anti-helyzetben van az oxigén magányos párjaihoz képest, másrészt a metil-csoport igyekszik elkerülni a kétszeres gauche pozíciót. Az energiasorrendet a (3g3l) konformációk esetében hasonló meggondolások alapján érthetjük meg.

 

14.5. táblázat. A tetraéderes intermedier különböző konformerjeinek relatív energiái

 

   

A 3c-hez viszonyítva. Az adatok dimenziója kcal/mol, kivéve Δ S 2 9 8 , melyé cal/(molK).

Még mielőtt a további számításokba belekezdenénk, próbáljuk ismét magunk elé képzelni a nukleofil addíció menetét. Tudjuk azt, hogy a (3d, 3c) és esetleg (3a) konformerek a legmélyebb energiájúak. Az is nyilvánvaló, hogy a metil-csoport és az NH hidrogén térállása a (3a) és (3e) konformerekben felel meg a transz-amidban található térállásnak. Ezek alapján azt jósolnánk, hogy a (3a) konformer a legvalószínűbb a reakcióúton.

Miután tudjuk, hogy milyen intermediereket keresünk, a stratégiánk a következő: először megkeressük a reagenseket és a köztitermékeket összekötő összes átmeneti állapotot, intermediert, valamint a termékeket. Ezek után fordulhatunk a belső reakciókoordináta felé, amely ezeket összekapcsolja. Sok esetben újabb jellegzetességeket és alternatív utakat fedezhetünk föl, ha fordított irányban követjük az IRC-t.

Nézzük az eredményeket. A nukleofil addíció átmeneti állapotában a karbonil szén és a hidroxil oxigén várhatóan egy „hosszú” kötéssel kapcsolódik, míg az eliminációs lépés átmeneti állapotában egy hosszú C-N kötésre számítunk. A kapott komplexek a 14.20. ábrán láthatók, (2) az első lépésé, (4a) és (4b) pedig a második lépésé.

 

14.20. ábra. Optimált szerkezetek az IRC mentén RHF/6-31+G(d) számítások alapján.

 

   

Most már megvizsgálhatjuk a teljes IRC utat, amely a 14.20. és 14.21. ábrán található. (1)-ből kiindulva (2)-n át tényleg a tetraéderes intermedier (3a) konformerjéhez jutunk. A másik irányba haladva az IRC visszavezet az N-metilformamid (1) hidroxi-komplexéhez, Ha ezt MP2 szinten újraoptimáljuk, egy spontán protontranszfer észlelhető, mely az (1)-nél jelentősen mélyebb energiájú (8) N-metilformamidát-víz komplexhez vezet. RHF szinten (1) és 8 között egy további átmeneti állapotot található (az ábrán 7-el jelölve), ami MP2 szinten nem létezik.

 

14.21. ábra. RHF/6-31+G(d) energiaprofil az IRC mentén. (A reakciókoordináta tömegsúlyozott belső koordinátákban, amu12bohr egységben).

 

   

A helyzet még bonyolultabbnak tűnik a reakció második lépésében. Az IRC 4a-ból hangyasav és metilamid anion (6) bimolekulás komplexéhez vezet. (6)-ból semmilyen ésszerű reakcióút nem vezet sehová, ezért ez a mechanizmus zsákutcának tűnik. 4b-ből kiindulva és az IRC-t követve (5)-n keresztül egy gát nélkül lezajló protontranszfer eredményeként a várt termékkomplexhez jutunk. Az eliminációs lépés (4a) és (4b) átmeneti állapotaiból a kiindulási irányba fordulva a tetraéderes komplex (3c) és (3i) konformerjeit érjük el. A megfelelő előremutató reakciók határozzák meg, hogy a két átmeneti állapot közül melyik a valószínűbb.

Ezen a ponton már csak a reakció közepe homályos, mivel itt három tetraéderes komplex is szerepet játszik, melyek közül (3c) zsákutcába vezet. Úgy tűnik azonban, hogy (3c)-nek másfajta szerepe is van: mintha egy közbülső állapot lenne a két másik stabilis konformer (3a) és (3i) között. Ha ez igaz, akkor átmeneti állapotoknak is kell létezniük, melyek összekötik e két konformerrel. Meg is találták az átmeneti állapotokat rendre, ezek a (3m) és (3n) szerkezetek. Látjuk tehát, hogy (3) különböző konformerjei közötti átmenetet végül is az IRC-számítások bizonyították.

Bármilyen sokat tudhatunk meg egy ilyen komplikált, összetett kémiai reakcióról, figyelembe kell vennünk a módszer korlátait is. Először is a mechanizmust egyedi molekulák között képzeltük el, ami a ritkított gázfázisnak feleltethető meg. Elhanyagoltuk tehát a kondenzált fázis hatásait, melyek különösen fontosak oldószeres közegben. Ez kritikus lépés például akkor, ha biokémiai folyamatokra vonatkozóan szeretnénk következtetéseket levonni. Másrészt a számított potenciális energia felület adiabatikus volt, minden dinamikát elhanyagolt. A leírt út valóban a minimális energiájú ebben a reakcióban, de mondani se kell, hogy nem az egyetlen gyakorlati szempontból fontos út. Mivel a reagensek rendelkezhetnek belső energiával, magasabb energiájú utak is szerepet játszhatnak a reakcióban, melyek esetlegesen más köztitermékeket és átmeneti állapotokat is érinthetnek. Ezért nem szabad azt hinnünk, hogy a fentihez hasonló számításokkal egy kémiai reakció lefutását tetszőleges pontossággal modellezni tudjuk. Mégis, a minimális energiájú út kiszámítása, mint a folyamatok első közelítése értékes és használható képet ad a folyamatok lejátszódásáról.