如何判斷親核反應 親電反應的難易程度?

時間 2021-05-29 23:05:31

1樓:

傳統有機教學裡,親電親核位點的判斷總是很玄學,尤其是在多個效應衝突的時候,產生很多「規則」和「特例」。但其實,我們可以採取定量的理論計算,脫離定性yy與滿嘴跑火車。

(本人入門計算不太久,難免疏漏,各位發現低階錯誤煩請指出~)

福井函式被定義為空間中某一點的電子密度對電子數的偏微分結果:

其中 為位矢, 為化學勢, 為電子密度,N為電子數, 為原子核對某位置的電子的吸引勢(構型相關)。考慮到N為整數,此函式不連續,用有限差分近似從兩側分別求極限。

從1式可知,當乙個分子得到電子時,該電子傾向於跑到 值大的地方,因為在該位點加上電子可以使得分子整體被穩定,化學勢降低。該 大的位點即容易受到親核進攻的位點

從2式可知,當乙個分子被親電攻擊時, 值大處的電子被奪走後,體系失穩(destabilize)的程度較小。則此處為容易受到親電攻擊的位點。

我們可以利用基於福井函式的雙描述符來同時考察親電與親核性:

該數值在某處越負,則某處越容易受到親電進攻;越正,則越易受到親核進攻。

將雙描述符收縮到原子上,我們可以得出該原子處的簡縮雙描述符(condensed dual descriptor) :

此式也可以採取自旋代替總電荷作為近似,通常效果更佳。以此基礎進行定量計算,進而比較各個位點發生親電或親核反應的難易程度。

前面都是公式,還是來點形象的吧(趴)

舉【間硝基甲苯】分子作為例子。此分子中硝基為間位定位的強吸電子的鈍化基,而甲基為鄰間定位的弱給電子的活化基。其中存在著活化與鈍化的衝突、間鄰位取代的衝突以及電子效應的衝突,似乎不太容易依照經驗規則進行判斷。

讓我們試著採用福井函式來分析這個分子。

用密度泛函理論計算進行結構優化,計算單點能,輸出波函式資訊。

首先,讓我們定性看看該分子的親電親核位點。作出雙描述符在空間中的分布圖,等值面取0.005:

其中,藍色代表易受親電進攻,綠色代表易受親核進攻。硝基的共軛吸電子能力太過強大,碾壓了甲基的供電子效應,導致了苯環整體的鈍化。硝基的鄰對位碳原子都成為了易受親核進攻的位點,只有4號碳原子可以被親電進攻。

接下來進行親電親核性的定量計算。利用電子密度等值面定義分子表面,以生成的表面與原子座標為基礎計算簡縮雙描述符,得出1、2、4、6號碳原子的值分別為:

由此可以按受到親核進攻從易到難排序:6>2>4

而1號碳原子為這四個位點中唯一可以受到親電進攻的,有良好的定位效應。

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