基于量子化学计算的动力学控制与热力学控制竞争反应主产物及其产率的确定

doi:10.7503/cjcu20250357

摘要/Abstract

摘要：

化学反应尤其是有机化学反应中存在着诸多竞争反应, 如何通过量子化学计算确定竞争反应尤其是动力学控制产物(Kinetically-controlled product, KP)和热力学控制产物(Thermodynamically-controlled product, TP)不一致反应的主产物及其产率, 是分析反应产物组成、占比及获得高产率目标产物的关键, 但也仍是困扰研究人员的难题. 本文定义KP和TP产率相等的时间点为临界时间（t_c）, 反应时间t与t_c的比值为临界时间比ζ, 基于数值解法分析得到了t_c和产率比r_y=c(KP)/c(TP)的公式, 分别为t_c=pK_(KP)/k_(TP)和r_y={r_k, ζ<0.3/r_k; 1/(2 ^ζ -1), 5/r_k <ζ<log₂(r_K /5+1); 1/r_K, ζ>log₂(5r_K )}. 运用上述公式研究了呋喃与马来酰亚胺的Diels-Alder反应, 研究发现, 50 ℃以下主产物为endo型产物, 65 ℃以上为exo型产物, 与实验中25和90 ℃时分别得到endo和exo型产物相符合, 验证了所得公式确定竞争反应主产物的准确性. 此外, 对核苷氯化反应的研究结果表明, APT电荷和静电势仅适用于预测氯化反应中动力学控制反应的主产物, 但无法预测包含热力学控制的反应.

关键词: 竞争反应, 主产物, 产率, 动力学控制产物, 热力学控制产物, 量子化学计算

Abstract:

There are many competitive reactions in chemical reactions， especially in organic chemical reactions. However， how to determine the main products and their yields in the competitive reactions whose kinetically- controlled product（KP） and thermodynamically-controlled product（TP） are inconsistent is of significance to analyze the compositions and proportions of products and to obtain high-yield target product and is also a problem puzzled the researchers. In this study， a critical time（t_c） was defined as the time when the yield of KP is equal to that of TP and critical time ratio ζ was defined as the ratio of reaction time t to t_c. Based on numerical solution and further analysis， formulas of t_c and ratio of yields r_y=c（KP）/c（TP） were obtained as follows： t_c=pK_（KP）/k_（TP） and r_y=｛r_k， ζ<0.3/r_k； 1/（2 ^ζ -1）， 5/r_k <ζ<log₂（r_K /5+1）； 1/r_K， ζ>log₂（5r_K ）｝. Based upon above formulas， the main products of Diels-Alder reaction between furan and maleimide were investigated. The results indicated that the main product is endo-product and exo-product when temperature is below 50 ℃ and above 65 ℃， respectively， which is in good agreement with experimental results that endo-product and exo-product were obtained at 25 and 90 ℃， respectively. This verified the accuracy of the obtained formula in determining the main product in the competitive reaction. Moreover， studies on chlorination of nucleosides showed that the APT charge and electrostatic potential parameters are only applicable for kinetically-controlled reaction to predict main products， but not for thermodynamically-controlled reaction.

Key words: Competitive reaction, Main product, Yield, Kinetically-controlled product, Thermodynamically- controlled product, Quantum chemical computation

中图分类号:

O643.1

TrendMD:

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图/表 7

Fig.1 Two competitive model reactions of reaction pathways(A) and Gibbs free energies(B)

Fig.2 Relationship between lgtc and lgk(TP/KP)/lgK(TP/KP) under two conditions（A， B） k（TP）=10-3 s-1 and K（KP）=104，（A） lgtc-lgK（TP），（B） lgtc -lgk（KP）；（C， D） k（KP）=107 s-1 and K（TP）=1030，（C） lgtc-lgK（KP），（D） lgtc-lgk（TP）.

Fig.3 Relationship between lgry and lgt under three conditions of k(TP)=10-3 s-1 and K(KP)=104(A), k(KP)=107 s-1 and K(TP)=1030(B), k(KP)=107 s-1 and K(KP)=104(C)

Fig.4 lgry⁃lgζ(ζ<1) and lgry⁃ζ(ζ>1) under conditions of rk >100 and rK >100(A), lgry⁃lgζ with different rk values(B), lgry⁃ζ with different rK values(C)

Fig.5 Three competitive model reaction pathways

Fig.6 Relationship between tc and temperature of cycloaddition between furan and maleimide(A), dimerization of cyclopentadiene(B)

Table 1 Critical time tc, main products obtained from Eq.(12), 24 h yields of chlorinated products obtained from Eq.(8) and numerical method, and four parameters including APT charge, ESP, CFF f - and CDD for each reactive site of pyrimidine nucleosides during chlorination*

Glycoside	Reactive site	t_c for two sites in the parenthesis/s	Main product by Eq.（9）	Yield by Eq.（8）（%）	Yield by numerical method（%）	Error of yield（%）	APT charge	ESP	CFF f^-	CDD
Uridine	N3	9.3×10³（N3—C5） 8.2×10⁴²（C5—C6）	5⁃Cl⁃ Uridine	0.16	0.34	0.18	-1.13	2.77	0.035	0.029
	C5			99.84	99.66	0.12	-0.72	3.79	0.141	-0.004
	C6			0	0	0	0.75	10.75	0.065	0.182
Thymidine	N3	1.2×10⁷（N3—C5） 9.2×10²⁴（C5—C6）	3⁃Cl⁃ Thymidine	99.51	99.43	0.08	-1.10	1.87	0.031	0.035
	C5			0.49	0.50	0.01	-0.52	5.71	0.148	-0.021
	C6			0	0	0	0.70	8.88	0.086	0.142
Cytidine	N3	1.1×10^-4（N3—N4） 6.3×10⁶（N4—C5） ∞（C5—C6）	N⁴⁃Cl⁃ Cytidine	2×10^-6	2×10^-6	0	-1.43	-44.24	0.129	-0.038
	N4			99.05	98.93	0.12	-1.29	1.67	0.096	-0.015
	C5			0.95	1.03	0.08	-0.76	4.46	0.125	-0.011
	C6			0	0	0	0.70	2.55	0.143	0.174

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