ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΚΒΑΝΤΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΗ ΧΗΜΕΙΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΣΤΟ ΕΠΙΠΕΔΟ DFT ΣΕ ΔΙΑΛΥΜΑ ΤΟΛΟΥΟΛΙΟΥ ΤΟΥ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΥ ΠΡΟΦΙΛ ΤΗΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΤΟΥ Ν-ΑΚΕΤΥΛΟ-1,2- ΔΙΣ(ΤΡΙΦΛΟΥΟΡΟΜΕΘΑΝΟΣΟΥΛΦΟΝΑΜΙΔΙΟΥ) ΜΕ ΤΗΝ S-1-ΦΑΙΝΥΛΑΙΘΥΛΑΜΙΝΗ της μεταπτυχιακής φοιτήτριας του τμήματος Χημείας Γούλα Χριστίνας Επιβλέπων: Μπακάλμπασης Ευάγγελος, Καθηγητής Θεσσαλονίκη 2012

2 Ευχαριστίες Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια της ολοκλήρωσης των σπουδών µου στο Μεταπτυχιακό Πρόγραµµα Σπουδών του Χημικού Τµήµατος του ΑΠΘ στο Εργαστήριο της Κβαντικής και Υπολογιστικής Χημείας. Θα ήθελα στο σημείο αυτό, να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή της διπλωματικής μου εργασίας κ. Ευάγγελο Μπακάλμπαση, για την καθοδήγησή του και την πολύτιμη συμβολή του σε κάθε φάση της δημιουργίας της, για την εμπιστοσύνη και το ενδιαφέρον που έδειξε τόσο κατά την ανάθεση της εργασίας, όσο και κατά τη διάρκεια διεξαγωγής των μαθημάτων του προπτυχιακού και μεταπτυχιακού προγράμματος. Θα ήθελα επίσης να τον ευχαριστήσω και για τη συμπαράσταση του καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης της εργασίας μου. Οφείλω όμως να απευθύνω τις ευχαριστίες μου στους καθηγητές του τομέα της Κβαντικής και Υπολογιστικής Χημείας, καθώς και στους συμφοιτητές µου στο μεταπτυχιακό πρόγραμμα για την εξαιρετική συνεργασία μας κατά τη διάρκεια των σπουδών µου. Τέλος, ευχαριστώ τους φίλους μου για την υποστήριξη και τους γονείς μου Γιώργο-Ελένη, όπως και την αδερφή μου Παναγιώτα για την αμέριστη συμπαράσταση τους (ηθική και οικονομική) και την υπομονή τους. 1

3 Περιεχόμενα 1. Εικόνες των μοριακών δομών σελ Εισαγωγή σελ 5 3. Σκοπός της εργασίας σελ Θεωρητικό μέρος σελ Θεωρία Συναρτησιακών της Πυκνότητας (DFT) σελ Συναρτησιακή m06l σελ Υπολογιστικό μέρος σελ Υπολογισμοί αντιδρώντων & προϊόντων σε αέρια φάση σελ Υπολογισμοί αντιδρώντων & προϊόντων σε διάλυμα τολουολίου σελ Αποτελέσματα και συζήτηση σελ Σύγκριση δομικών χαρακτηριστικών σελ Α) της αντίδρασης 1+2S σελ Β) της αντίδρασης 1+2R σελ Ενεργειακά προφίλ αντιδράσεων σελ Α) της αντίδρασης 1+2S σελ Β) της αντίδρασης 1+2R σελ Συμπεράσματα σελ Βιβλιογραφία σελ

4 1 2S 2R

5

6 Εισαγωγή Η έρευνα για τα φυσικά προϊόντα (natural products) έχει μια μεγάλη ιστορία [1] και φυσικά αφορά στη προσπάθεια των ερευνητών να συνθέσουν στο εργαστήριο χρήσιμα φυσικά (βιολογικά) προϊόντα. Οι στόχοι σ αυτή τη σύνθεση παραμένουν πολλαπλοί, με κυριότερους βέβαια : α) Τη μίμηση κατά το δυνατό των «πειραματικών τεχνικών» της φύσης, γεγονός που σημαίνει ότι θα χρησιμοποιηθούν ήπιες ενεργειακές συνθήκες και απλούστερες συνθετικές μέθοδοι, στο χημικό εργαστήριο, β) Τη σύνθεση νέων προϊόντων, όπως φαρμάκων, πολυμερών, κ.ά., γ) Την ενδεχόμενη χρησιμοποίηση βιοκαταλυτών στη σύνθεση των ίδιων προϊόντων, δ) Την υποβοήθηση της φύσης για την αυξημένη παραγωγή χρήσιμων για τον άνθρωπο γνήσιων φυσικών προϊόντων, ε) Τη διευκρίνιση των μηχανισμών παρασκευής των φυσικών προϊόντων, γεγονός που θα οδηγήσει ενδεχόμενα, σε απλούστερες πειραματικές συνθήκες και μεθόδους κ.λπ. Στο πλαίσιο του τελευταίου σημείου ε), σκεφτήκαμε να διευκρινίσουμε το μηχανισμό σύνθεσης του N-1-φαινυλο-αιθυλ-ακεταμίδιο (7) χρησιμοποιώντας σαν αρχικές ενώσεις τα Ν-ακετυλο-1,2-δισ(τριφλουορομεθανοσουλφοναμίδιου) (1) και S-1- φαινυλαιθυλαμίνη (2S). Σύμφωνα με τις γνωστές ήδη πειραματικές μεθόδους [13], οι συνθήκες για τη σύνθεση του N-1-φαινυλο-αιθυλ-ακεταμίδιου (7) εξαρτώνται κυρίως από την πολικότητα του διαλύτη της αντίδρασης. Έτσι σε μη πολικούς διαλύτες προκύπτει κατά κύριο λόγο το R ισομερές ενώ σε πολικούς το S. Πιο συγκριμένα, διαλέξαμε να μελετήσουμε με θεωρητικούς υπολογισμούς του τύπου DFT (επειδή τα μόρια μας είναι πολύ μεγάλα για την εκτέλεση υπολογισμών του τύπου ab initio) το μηχανισμό αντίδρασης του Ν-ακετυλο-1,2- δισ(τριφλουορομεθανοσουλφοναμίδιου) (1) και της S-1-φαινυλαιθυλαμίνη (2S) σε μη πολικό διαλύτη και συγκεκριμένα σε τολουόλιο. Έγινε επίσης, μια διερευνητική προσπάθεια, μελέτης της αντίδρασης του 1 και με τη R-1-φαινυλαιθυλαμίνη (2R). 5

7 Σκοπός Σκοπός της διπλωματικής είναι η θεωρητική μελέτη του μηχανισμού της αντίδρασης του Ν-ακετυλο-1,2-δισ(τριφλουορομεθανοσουλφοναμίδιου) με τη S-1- φαινυλαιθυλαμίνη και R-1-φαινυλαιθυλαμίνη, για τον σχηματισμό του ακετυλοπαραγώγου του 2S και του 2R, σε διάλυμα τολουολίου. Όπως προκύπτει από τη μελέτη του μηχανισμού της αντίδρασης η ακετυλίωση περιλαμβάνει στην ουσία, το σχηματισμό ενός πεπτιδικού δεσμού, με ταυτόχρονη απόσπαση ενός ατόμου Η από το σύστημα των δύο αντιδρώντων και τη μεταφορά του στο δεύτερο προϊόν. Αυτό δείχνει και τη μεγάλη σημασία μιας τέτοιας μελέτης, η οποία στην ουσία, προσπαθεί να μιμηθεί τη φύση, με το σχηματισμό ενός πεπτιδικού δεσμού. Αυτό όμως, σημαίνει ταυτόχρονα, ότι η συναρτησιακή που θα επιλέξουμε για τη δομική και ενεργειακή μελέτη του συστήματος, θα πρέπει να είναι σε θέση να αντιμετωπίσει α) τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις του ατόμου του Η που αποσπάται με τα ισχυρά ηλεκτραρνητικά άτομα του συστήματος (Ο και Ν), β) το σχηματισμό του πεπτιδικού δεσμού, και γ) τις ενεργειακές μεταβολές των διαφόρων σταδίων του προφίλ της αντίδρασης, που περιλαμβάνει ο σχηματισμός του πεπτιδικού δεσμού. 6

8 Αντιδρώντα Προϊόν με πεπτιδικό δεσμό 7

9 Θεωρητικό μέρος Βασικός πυρήνας για την διεξαγωγή της εργασίας είναι η χρήση του θεωρητικού επιπέδου, DFT. Η Θεωρία Συναρτησιακών της πυκνότητας, ή απλά DFT, αφορά βασικές ηλεκτρονιακές καταστάσεις και επιτρέπει την απευθείας χρήση της ηλεκτρονιακής πυκνότητας, P παρά της κυματοσυνάρτησης πολλών ηλεκτρονίων [2]. Σύμφωνα με το θεώρημα των Kohn-Hohenberg, οι οποίοι δεν έδωσαν και τις αντίστοιχες εξισώσεις, η ενέργεια της κυματοσυνάρτησης μιας βασικής κατάστασης μπορεί να ορισθεί ακριβώς και μόνο με βάση την P. Αυτό συμβαίνει όταν η πυκνότητα είναι ακριβώς ίση με την πραγματική ηλεκτρονιακή πυκνότητα και τότε η ενέργεια αντιστοιχεί σ ένα ελάχιστο. Εξισώσεις για την απόδειξη του παραπάνω θεωρήματος δόθηκαν από τους Kohn και Sham, οι οποίες υπερτερούν των εξισώσεων HF, επειδή περιλαμβάνουν και τη συσχέτιση ηλεκτρονίων. Οι συναρτησιακές (functionals) της DFT, οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν εκτεταμένα στην παρούσα εργασία «κατατέμνουν» την ηλεκτρονιακή ενέργεια σε διάφορες συνιστώσες, που υπολογίζονται ξεχωριστά. Οι συνιστώσες αυτές είναι η κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων, η αλληλεπίδραση ηλεκτρονίων-πυρήνα και οι απώσεις των πυρήνων (δυναμική ενέργεια), η άπωση Coulomb (απώσεις μεταξύ ηλεκτρονίων) και η ενέργεια συσχέτισης-ανταλλαγής των ηλεκτρονίων, που περιλαμβάνει το υπόλοιπο μέρος των αλληλεπιδράσεων ηλεκτρονίου-ηλεκτρονίου. Ο τελευταίος αυτός όρος αναφέρεται στην ενέργεια ανταλλαγής, που προέρχεται από την αντισυμμετρία της κυματοσυνάρτησης και στη δυναμική συσχέτιση λόγω των κινήσεων των επιμέρους ηλεκτρονίων. Αναφέρεται λοιπόν, και στην ηλεκτρονιακή πυκνότητα των δύο τύπων σπιν, Pα και Pβ. Χωρίζεται σε δύο μέρη: το μέρος της ανταλλαγής, Εxc(P) και το μέρος της συσχέτισης, Εc(P). Εάν και τα δύο μέρη είναι συνάρτηση μόνο της ηλεκτρονιακής πυκνότητας, P τότε γίνεται λόγος για 8

10 τις τοπικές συναρτησιακές, ενώ αν είναι συνάρτηση και της πυκνότητας και της κλίσης της, τότε πρόκειται για τις διορθωμένες για την κλίση συναρτησιακές. Μια πολύ γνωστή και ευρέως χρησιμοποιούμενη σήμερα υβριδική τριπαραμετρική συναρτησιακή είναι η B3LYP [3] του Becke. xc lyp b3 E = E X LD + co (E X HF - E LD) X + cxδe X B88 + E C VWN + cc (E C LYP - E C VWN ) Σ αυτό τον τύπο ο Becke χρησιμοποιεί μια σειρά από διαφορετικές συναρτησιακές, καθώς και 3 παραμέτρους. Οι τιμές των παραμέτρων προσδιορίστηκαν από τον ίδιο, και βρέθηκαν ίσες με: co = 0,20, cx = 0,72 και cc = 0,81. Το γεγονός ότι οι ίδιες τιμές των παραμέτρων χρησιμοποιούνται με επιτυχία από διαφορετικές συναρτησιακές, αποδεικνύει την ορθότητα της επιλογής του Becke, να χρησιμοποιήσει δηλ., αυτό το μίγμα των όρων ανταλλαγής της HF και της DFT. Παρ όλ αυτά, ο όρος, Εxc(P) των εξισώσεων της DFT δεν υπολογίζεται με αναλυτικό τρόπο, αλλά με αριθμητική ολοκλήρωση. Η ολοκλήρωση αυτή χρησιμοποιεί ένα πλέγμα σημείων του χώρου, που ορίζονται από έναν αριθμό ακτινικών φλοιών γύρω από το κάθε άτομο και έναν αριθμό σημείων ολοκλήρωσης πάνω στον κάθε φλοιό. Ένα πλέγμα (35,102) π.χ., σημαίνει 35 ακτινικούς φλοιούς επί 102 σημεία στον καθένα, δηλ., συνολικά, 3570 σημεία ολοκλήρωσης. Τα πλέγματα με τη σειρά τους, χωρίζονται σε ομοιόμορφα, όταν περιέχουν τον ίδιο αριθμό σημείων στον κάθε φλοιό και σε περιορισμένα, όταν μειώνουν τον αριθμό των σημείων στους κεντρικούς φλοιούς του ατόμου και τον αυξάνουν στους εξωτερικούς. Το περιορισμένο πλέγμα αναφοράς, (75,302)p των διαφόρων υπολογιστικών προγραμμάτων αυτού του τύπου, περιλαμβάνει μόνο 7500 σημεία ολοκλήρωσης, σε σύγκριση με τα του αντίστοιχου ομοιόμορφου. Στις περιπτώσεις μάλιστα, όπου χρησιμοποιούνται σταθερές τιμές για το πλέγμα, στους υπολογισμούς του τύπου DFT, πρέπει να ελέγχεται το αποτέλεσμα για την περίπτωση εμφάνισης του σφάλματος της περιστροφικής εσωαπόκλισης (rotational invariance). Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε διαφορετική τιμή ολικής ηλεκτρονιακής ενέργειας του μορίου, με αλλαγή και μόνο του προσανατολισμού του. Οι Kohn και Sham απέδειξαν ότι οι υπολογισμοί του τύπου DFT πρέπει να εκτελούνται μέσω μιας μεθόδου αυτοσυνέπειας ανάλογης προς την SCF. Τέλος, πολλές από τις έννοιες της ποιοτικής δομικής χημείας, όπως 9

11 η ηλεκτραρνητικότητα κατά Pauling, η σκληρότητα και μαλακότητα κατά Pearson και οι δείκτες δραστικότητας του Fukui προκύπτουν αβίαστα με βάση τη DFT. Χρησιμοποιώντας λοιπόν σαν οδηγό την DFT και τις συναρτησιακές της, καταλήξαμε σε μια συναρτησιακή, τη m06l [4] που έδωσε τα κατάλληλα αποτελέσματα. Η m06l ανήκει στην κατηγορία των αυτόνομων συναρτησιακών, ένα κομμάτι των υβριδικών συναρτησιακών και είναι η απλή συναρτησιακή των Truhlar και Zhao. Η συναρτησιακή αυτή είναι κατάλληλη και για τον υπολογισμό ακριβών ενεργειακών τιμών και για τον υπολογισμό μορίων που περιλαμβάνουν δεσμούς υδρογόνου. Συγκεκριμένα, η συναρτησιακή m06l σχεδιάστηκε για να καταγράφει τη βασική εξάρτηση της ενέργειας συσχέτισης-ανταλλαγής σχετικά με την τοπική πυκνότητα spin, την κλίση πυκνότητας spin και της πυκνότητας spin κινητικής ενέργειας και παραμετροποιείται για να ικανοποιεί το όριο ηλεκτρονίου σε αέρια φάση και να έχει καλή επίδοση για τη μελέτη της Χημείας των κύριων ομάδων και της Χημείας των μεταβατικών μετάλλων. Συγκριτικά με άλλες συναρτησιακές συμπεριλαμβανόμενες και τις γνωστές B3LYP, BLYP [5] και BP86 [6], η m06l συναρτησιακά σημειώνει την καλύτερη συνολική επίδοση για το συνδυασμό θερμοχημείας κύριων ομάδων, θερμοχημικής κινητικής και οργανομεταλλικών, ανοργανομεταλλικών, βιολογικών και μη ομοιοπολικών αλληλεπιδράσεων. Επίσης, είναι εξαιρετικά χρήσιμη για προβλεπόμενες γεωμετρίες και συχνότητες δόνησης. Για πολλές εφαρμογές στη Χημεία, ειδικά για προσομοιώσεις συστημάτων μέτριου και μεγάλου μεγέθους, η συναρτησιακή αυτή φαίνεται να είναι η πλέον κατάλληλη. 10

12 Υπολογιστικό μέρος Λόγω του μεγέθους του χημικού μας συστήματος δεν μπορέσαμε να κάνουμε υπολογισμούς του τύπου ab initio, αλλά DFT. Επίσης, λόγω των πιθανών ασθενών αλληλεπιδράσεων μεταξύ του Η που μετακινείται, με τα ηλεκτραρνητικά άτομα Ο (της CO ομάδας) και το Ν, διαλέξαμε κατάλληλες συναρτησιακές της DFT. Οι συναρτησιακές αυτές ήταν κατά σειρά οι: B3LYP, MPWPW91[7], mpwb1k[8], m06l, WB97X[9] και WB97[9], τόσο σε αέρια φάση όσο και σε διάλυμα τολουολίου. Για τους ίδιους λόγους που προαναφέρθηκαν, επιλέχθηκε το σύνολο βάσης 6-31+G**, για όλες τις συναρτησιακές που χρησιμοποιήθηκαν ώστε να δώσουμε τη δυνατότητα στα βαριά άτομα και να διαχυθούν στο χώρο (+) και να πολωθούν (*) και στο υδρογόνο να πολωθεί. Σε όλους τους υπολογισμούς μας χρησιμοποιήθηκε το υπολογιστικό πακέτο Gaussian 09W ή G09W [10]. Επίσης, για την εμφάνιση των δομών που προέκυψαν, χρησιμοποιήθηκαν τα προγράμματα μοριακού μοντελισμού, Chem3D v. 7.0 [11] και GaussView v.5.0 [12]. Επειδή οι υπολογισμοί βελτιστοποίησης της δομής του 1 σε τολουόλιο με τη B3LYP έδειξαν ότι: α) Στο Ν που έχει συναρμοσμένη την ομάδα CH3C=O υπάρχει δυνατότητα εύκολης προσέγγισης του C του CO από δύο αντίθετες κατευθύνσεις, ενώ β) Στο Ν χωρίς συναρμοσμένη την παραπάνω ομάδα δεν υπάρχουν εύκολες πλευρές προσέγγισης εκ μέρους άλλων αντιδραστηρίων. Γι αυτό όλες οι αρχικές δομές μας δομήθηκαν με δύο τρόπους. Το 2S ή το 2R να προσεγγίζει δηλαδή, την ακετυλομάδα του 1 τόσο από αριστερά (κωδικός αρχικής δομής το LF) όσο και από δεξιά (κωδικός αρχικής δομής το RT). 11

13 Υπολογισμοί με βάση τις συναρτησιακές B3LYP και MPWPW91 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΑΝΤΙΔΡΩΝΤΩΝ ΚΑΙ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΣΕ ΑΕΡΙΑ ΦΑΣΗ Για τον υπολογισμό των αντιδρώντων 1, 2S και 2R σε αέρια φάση, χρησιμοποιήσαμε αρχικά, τη συναρτησιακή B3LYP. ΠΡΟΣΠΑΘΕΙΕΣ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥ ΔΙΜΕΡΩΝ ΜΟΡΙΩΝ Α) Συναρτησιακή B3LYP Για το σχηματισμό των διμερών του 1 με τα 2S και 2R, βελτιστοποιήσαμε πρώτα τη δομή των δύο τελευταίων σε αέρια φάση στο επίπεδο B3LYP/6-31+G**. Στη συνέχεια δημιουργήσαμε τέσσερις διμερείς αρχικές δομές ως εξής: α) 2S 1 Reag-1-2S-LF β) 1 2S Reag-1-2S-RT γ) 2R 1 Reag-1-2R-LF δ) 1 2R Reag-1-2R-RT 12

14 Σχήμα 1: Αρχική δομή του υπολογισμού β) Σχήμα 2: Αρχική δομή του υπολογισμού γ) Σχήμα 3: Αρχική δομή του υπολογισμού δ) 13

15 Β) Συναρτησιακή MPWPW91 Επίσης τρέξαμε τους ίδιους παραπάνω υπολογισμούς σε αέρια φάση στο επίπεδο MPWPW91/6-31+G**. Απ αυτούς τους υπολογισμούς, διμερές προέκυψε μόνο για το α) ενώ τo β) σταμάτησε από αστοχία του νέου βελτιστοποιητή του G09W δ) σταμάτησε μετά από 13 βήματα λόγω αδυναμίας σύγκλισης (ούτε μετά από 1000 κύκλους), και γ) σταμάτησε αναίτια έπειτα από 35 βήματα. Ανοίξαμε το output του α) που τελείωσε με το Gaussview και διαπιστώσαμε πως, ενώ το διμερές που ξεκινήσαμε είχε το 2S αριστερά από την ομάδα του CO του 1, στην τελική δομή αυτό βρέθηκε μπροστά του, γεγονός που δικαιολογεί ίσως και το αναίτιο σταμάτημα του υπολογισμού. Το τελικό διμερές του α) είχε μια ασθενή αλληλεπίδραση (NH)H O(CO)= 2,2 Å, όπως και μια ισχυρότερη (NH)H N(NH2)=1,83 Å. Αυτό το τελευταίο σημαίνει ότι το διμερές που σχηματίστηκε θα οδηγήσει σε αντίδραση την αμινομάδα του 2S με την ιμινομάδα του 1 αντί για την προσδοκώμενη αντίδραση μεταξύ της αμινομάδας του 2S με την καρβονυλική του 1. Επίσης, επειδή η ασθενής αλληλεπίδραση (NH)H N(NH2) είναι μικρότερη, σε σχέση με εκείνη του (NH)H O(CO), γι αυτό καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι μάλλον αυτό το διμερές δεν είναι κατάλληλο για την αντίδραση που επιδιώκουμε. Σχήμα 4: Τελική δομή του υπολογισμού α) 14

16 ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΩΝ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ Χρησιμοποιώντας τις ίδιες αρχικές δομές των διμερών (α-δ) τρέξαμε τέσσερις νέους υπολογισμούς για τον προσδιορισμό των μεταβατικών καταστάσεων των ίδιων ζευγών ενώσεων με βάση το keyword ts. Απ αυτούς, ο γ)-ts σταμάτησε από αστοχία του βελτιστοποιητή του G09W, α)-ts οδήγησε σε βελτιστοποιημένη δομή μετά από δύο βήματα που δεν κρίθηκε κατάλληλη για τη συνέχεια, β)-ts οδήγησε σε μεταβατική κατάσταση με τρεις αρνητικές συχνότητες. Επίσης διαπιστώθηκε ότι οι ισχυρές αλληλεπιδράσεις της αμινομάδας του 2S με το Ο της νιτρομάδας [(NH2)Η O(NO2)=2,43 Å] ήταν ισχυρότερες, παρά με το Ο της καρβονυλικής ομάδας [(NH2)Η O(CO)=3,74 Å]. Έτσι, πάλι δεν έχουμε την κατάλληλη δομή μεταβατικής κατάστασης για την αντίδραση που μελετάμε. δ)-ts Ο πρώτος υπολογισμός με το G09W σταμάτησε μετά από 328 βήματα αναίτια. Έπειτα από τα ανεπιτυχή αποτελέσματα των δύο παραπάνω συναρτησιακών επιλέξαμε μια καινούργια. Πιο συγκεκριμένα, τρέξαμε υπολογισμούς στο επίπεδο mpwb1k/6-31+g** με τη συναρτησιακή του Truhlar, mpwb1k, η οποία συστήνεται ως κατάλληλη εκτός των άλλων τόσο για αξιόπιστους υπολογισμούς ενεργειών σε προφίλ αντιδράσεων όσο και για συστήματα που περιλαμβάνουν ασθενείς αλληλεπιδράσεις δεσμών υδρογόνου κ.λπ. Προέκυψε ένα διμερές με πολύ καλά αποτελέσματα για την αρχική δομή α). 15

17 Υπολογισμοί με βάση τη συναρτησιακή mpwb1k Γ) Συναρτησιακή mpwb1k ΠΡΟΣΠΑΘΕΙΕΣ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥ ΔΙΜΕΡΩΝ ΜΟΡΙΩΝ Η χρησιμοποίηση της νέας συναρτησιακής υπήρξε πολύ επιτυχής, αφού οδήγησε στο σχηματισμό και των τεσσάρων διαφορετικών τελικών διμερών. Πιο συγκεκριμένα, το α) Υπήρξε το καλύτερο διμερές επειδή έδωσε τις αλληλεπιδράσεις (CO)O H(NH2) = 2,445 Å και (C6H10)Η N(NH2) = 2,682 Å γ) Υπήρξε το δεύτερο καλύτερο διμερές επειδή έδωσε τις αλληλεπιδράσεις (CO)Ο H(NH2) = 2,598 Å και (C6H10)Η N(NH2) = 2,527 Å δ) Το διμερές αυτό, επειδή έδωσε τις αλληλεπιδράσεις (CO)Ο H(NH2) = 2,709 Å και (ΝΗ)Η N(NH2) = 1,808 Å δε θεωρείται καλό. β) Το διμερές αυτό, επειδή έδωσε τις αλληλεπιδράσεις (CO)Ο H(NH2) = 3,464 Å, (CH2)Η N(NH2) = 2,347Å και (NH2)Η O(SO2)= 2,247 Å δε θεωρείται καλό. 16

18 ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΩΝ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ Χρησιμοποιώντας τις ίδιες αρχικές δομές των διμερών που προέκυψαν με τη νέα συναρτησιακή, τρέξαμε υπολογισμούς για τον προσδιορισμό των μεταβατικών καταστάσεων των ίδιων ζευγών ενώσεων. Απ αυτούς, ο γ)-ts σταμάτησε και δεν έδωσε αποτελέσματα, λόγω αδυναμίας σύγκλισης β)-ts σταμάτησε από αδυναμία σύγκλισης. Έκανε 145 βήματα από 390. Σταμάτησε αναίτια (best ΔE= 10-9 με 3 YES). δ)-ts Παρ όλο που έκανε 390 βήματα δεν έφτασε σε σύγκλιση. Συμπερασματικά, για τις τρεις συναρτησιακές που χρησιμοποιήθηκαν ήδη σε αέρια φάση, θα είχαμε να πούμε ότι, αν εξαιρέσουμε τα σωστά τους αποτελέσματα για τα τρία αντιδρώντα (1, 2S, 2R) και τα τρία προϊόντα (6, 7, 10), μόνο η τελευταία συναρτησιακή, δηλαδή η mpwb1k μας οδήγησε σε ένα αποδεκτό διμερές. Γι αυτό το λόγο, και επειδή τα διαθέσιμα πειραματικά αποτελέσματα μιλούν για εξάρτηση των προϊόντων της αντίδρασης από το διαλύτη που χρησιμοποιείται κάθε φορά, επιλέξαμε να κάνουμε τους υπολογισμούς μας στο μη πολικό διαλύτη του τολουολίου τόσο για το 2R όσο και για το 2S με τη συναρτησιακή που οδήγησε στο αποδεκτό διμερές σε αέρια φάση, δηλαδή την mpwb1k. 17

19 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΑΝΤΙΔΡΩΝΤΩΝ ΚΑΙ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΣΕ ΔΙΑΛΥΜΑ ΤΟΛΟΥΟΛΙΟΥ Για τους υπολογισμούς των προϊόντων 6, 7 και 10 σε διάλυμα τολουολίου χρησιμοποιήσαμε τη συναρτησιακή mpwb1k. ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΔΙΜΕΡΩΝ ΜΟΡΙΩΝ ΣΕ ΔΙΑΛΥΤΗ Α) Συναρτησιακή mpwb1k Η χρησιμοποίηση της νέας συναρτησιακής υπήρξε επίσης επιτυχής για το σχηματισμό τεσσάρων διαφορετικών διμερών μορίων σε διαλύτη τολουόλιο. Πιο συγκεκριμένα, το β)-tol Υπήρξε το καλύτερο γιατί έδωσε τις αλληλεπιδράσεις (CO)Ο H(NH2) = 2,322 Å και (CH3)Η N(NH2) = 2,763 Å. Σχήμα 5: Τελική δομή του β)-tol 18

20 α)-tol Υπήρξε το δεύτερο καλύτερο διμερές σε τολουόλιο επειδή έδωσε τις αλληλεπιδράσεις (CO)Ο H(NH2) = 2,735 Å και (C6Η10)Η N(NH2) = 2,893 Å. Σχήμα 6: Τελική δομή του α)-tol γ)-tol Υπήρξε αρκετά καλό, επειδή έδωσε τις αλληλεπιδράσεις (CO)Ο H(NH2)= 2,615 Å και (C6Η10)Η N(NH2) = 2,529 Å. Σχήμα 7: Τελική δομή του γ)-tol 19

21 δ)-tol Το διμερές αυτό σε τολουόλιο δε θεωρείται τόσο καλό, επειδή έδωσε τις αλληλεπιδράσεις (CO)Ο H (NH2) = 2,642 Å και (ΝΗ)Η N(NH2) = 1,785 Å. Σχήμα 8: Τελική δομή του δ)-tol 20

22 ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΩΝ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ ΣΕ ΔΙΑΛΥΤΗ Με βάση τα προηγούμενα διμερή μόρια σε διαλύτη τολουολίου τρέξαμε μεταβατικές καταστάσεις και ελέγξαμε τα αποτελέσματα τους που όμως: α)-ts-tol Δεν έδωσαν καλά αποτελέσματα, αφού δεν μας οδήγησαν σε μια αρνητική συχνότητα ούτε και παρατηρήσαμε απόσπαση ενός υδρογόνου από την πρωτοταγή αμινομάδα (NH2) ή/και την τάση του να κινηθεί προς το οξυγόνο (Ο) της ομάδας CH3CO. Σχήμα 9: Τελική δομή του α)-tol-ts 21

23 ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΜΟΡΙΑΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΓΙΑ ΤΟ 1 Επειδή το 1 είναι ένα πολύ μεγάλο μόριο, το οποίο λόγω του μεγέθους του καθυστερεί πολύ τους υπολογισμούς μας, γι αυτό σκεφτήκαμε, προκειμένου να έχουμε ένα γρήγορο αποτέλεσμα σχετικά με την πιο κατάλληλη συναρτησιακή που μπορεί να μας οδηγήσει σε αποδεκτά διμερή, αποδεκτές μεταβατικές καταστάσεις κ.λπ., να τρέξουμε υπολογισμούς χρησιμοποιώντας ένα μικρότερο μοντέλο στη θέση του 1. Το μοντέλο αυτό θα πρέπει να διατηρεί βέβαια: α) την ακετυλομάδα του 1, β) τον ίδιο προσανατολισμό στο χώρο και των δύο αμινομάδων του 1, όπως και γ) το ηλεκτρονικό αποτέλεσμα που επιφέρουν στα δύο Ν οι ομάδες (-CO2CF3). Για το σκοπό αυτό αφαιρέθηκαν τα τέσσερα από τα 6 άτομα C του κυκλοεξανικού δακτυλίου με τα αντίστοιχα Η (αυτό είχε ως αποτέλεσμα τη δημιουργία διπλού δεσμού C=C αντί του αρχικού απλού που ενώνει τις δύο αμινομάδες) και καταργήθηκαν και οι δύο ομάδες CF3. Προκειμένου όμως, να διατηρηθεί το ηλεκτρονικό αποτέλεσμα των προηγούμενων ομάδων (CF3) πάνω στην ομάδα SO2, αντικαταστάθηκαν από ένα άτομο F που ενώθηκε με το S της ομάδας SO2. Με τον τρόπο αυτό προέκυψαν τρία διαφορετικά μοντέλα για το 1, δηλαδή Σχήμα 10: trans-μοντέλο 22

24 trans- Μοντέλο : Επειδή παρουσίασε τις δυο αμινομάδες σε trans θέση ως προς το διπλό δεσμό C=C που σχηματίστηκε, γι αυτό, παρ όλη τη σχετική μεγαλύτερη σταθερότητα του μορίου σε σύγκριση με το cis- διαμορφομερές, δε χρησιμοποιήθηκε παρακάτω γιατί δε πληρούσε την προϋπόθεση οι δύο αμινομάδες να είναι σε θέση cis ως προς το διπλό δεσμό. Σχήμα 11: cis-μοντέλο cis- Μοντέλο: Παρ όλο που βρέθηκε το ενεργειακά ασταθέστερο και από τα τρία, επιλέχθηκε ως το καταλληλότερο, επειδή (1) περιείχε τις δύο αμινομάδες σε θέση cis ως προς το C=C και (2) δεν περιείχε σχηματισμό δεσμού Η μεταξύ του Η της μιας αμινομάδας με τα απέναντι ηλεκτραρνητικά άτομα Ο και F. 23

25 Σχήμα 12: cis-2-μοντέλο cis-2- Μοντέλο: Παρ όλο που βρέθηκε το πιο σταθερό και από τα τρία (λόγω σχηματισμού ενδομοριακού δεσμού υδρογόνου μεταξύ υδρογόνου του ΝΗ της μίας με το Ο της ομάδας COCH3 της άλλης) δε θεωρήθηκε για το λόγο αυτό, σαν το καταλληλότερο να ξεκινήσουμε τις δοκιμές μας. 24

26 Συμπέρασμα για τα μοντέλα των διμερών Δυστυχώς, παρ όλη την ταχύτητα που εξασφάλισε στους υπολογισμούς μας η χρησιμοποίηση του συντομευμένου μοντέλου του 1, οι προσπάθειες μας για την δημιουργία διμερών ή/και μεταβατικών καταστάσεων σε διάλυμα τολουολίου, δεν οδήγησαν σε επιτυχή αποτελέσματα. Ένας από τους λόγους ήταν και το γεγονός ότι ο υπολογισμός των μεταβατικών καταστάσεων, «ξεγελιόταν» από την εμφάνιση ασθενών αρνητικών συχνοτήτων δόνησης της τάξης των -53 και -133 cm -1, που δεν οφείλονταν σε μετακινήσεις ατόμων αλλά σε δονήσεις της μεθυλικής ομάδας του CH3CO, καθώς και άλλων πολύ μικρότερων της τάξης των -20 και -6 cm -1 που οφείλονταν σε σκελετικές δονήσεις. Για το λόγο αυτό εγκαταλείφτηκαν οι υπολογισμοί με το συντομευμένο μοντέλο του 1. Έτσι, προέκυψε η ανάγκη να χρησιμοποιηθεί και η λέξη-κλείδι (keyword) του προγράμματος G09W που να εξαλείφει τις παραπάνω αρνητικές συχνότητες. Ανατρέξαμε δηλαδή στο manual του νέου προγράμματος, Gaussian 09 User s Reference, όπου στη σελίδα προτείνει ένα καινούργιο keyword Int(Grid= UltrafineGrid) το οποίο βοηθάει στην απαλοιφή των αρνητικών συχνοτήτων που οφείλονται στις αρνητικές δονήσεις των μεθυλενικών ομάδων ή στις αντίστοιχες μικρές των σκελετικών δονήσεων των μορίων. Σε όλους λοιπόν, τους κατοπινούς υπολογισμούς μας, χρησιμοποιήθηκε το keyword Int(Grid=UltrafineGrid), το οποίο πράγματι τις εξάλειψε. Δυστυχώς όμως αυτό, είχε και μια αρνητική συνέπεια, αφού βράδυνε ακόμα περισσότερο την εκτέλεση των υπολογισμών μας. 25

27 Β) Συναρτησιακή m06l Η προηγούμενη συναρτησιακή (mpwb1k) που χρησιμοποιήθηκε μας βοήθησε μεν να φτάσουμε σ ένα αρκετά ικανοποιητικό αποτέλεσμα όχι όμως και στο απόλυτα επιθυμητό, αφού μας έδωσε μόνο ένα διμερές αποδεκτό σε διάλυμα. Στραφήκαμε λοιπόν σε μια καινούργια και σύγχρονη συναρτησιακή, την m06l, που σύμφωνα με την βιβλιογραφία, κρίνεται κατάλληλη για δύο βασικές χρήσεις: (α) για τον αποδεκτό υπολογισμό ενεργειακών διαφορών σε προφίλ αντιδράσεων, και (β) για τον υπολογισμό μορίων που περιλαμβάνουν ασθενείς αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους. Το σύνολο βάσης δεν διαφοροποιείται, παραμένει το ίδιο, δηλαδή 6-31+G**, ενώ εξακολουθεί να χρησιμοποιείται το keyword Int(Grid= UltraFineGrid). Έτσι, επαναλήφθηκαν οι υπολογισμοί των τριών αντιδρώντων (1, 2S και 2R), των τριών προϊόντων (6, 7 και 10), των διμερών και των μεταβατικών καταστάσεων. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΔΙΜΕΡΩΝ Στην περίπτωση του διμερούς 3, αυτό δεν έχει καμία σχέση με τα αποτελέσματα των προηγούμενων συναρτησιακών. Εδώ δηλαδή, έχουμε δύο πολύ ασθενείς αλληλεπιδράσεις της αμινομάδας του 2S με το οξυγόνο της καρβονυλομάδας του 1, με μήκη 3,06 και 3,08 Å, αντίστοιχα. Οι αλληλεπιδράσεις αυτές δεν περιγράφουν διαμοριακούς δεσμούς υδρογόνου, παρουσιάζουν όμως κάποιες πολύ ασθενείς απώσεις μεταξύ του αζώτου της NH2 με το οξυγόνο της MeCO, που θα μπορούσαν να δικαιολογήσουν την υψηλότερη ενέργεια που παρουσιάζει το διμερές αυτό, σε σχέση με τα δύο αντιδρώντα. Γι αυτό το λόγο, χρησιμοποιήσαμε αυτό το τελευταίο διμερές στο σχηματισμό του προφίλ της αντίδρασης του 2S με το 1. 26

28 Σχήμα 13: Τελική δομή του 3 Ανάλογο διμερές (8) προέκυψε και για το άλλο προφίλ αντίδρασης όπου τα δύο υδρογόνα τώρα της αμινομάδας του 2R απέχουν από το οξυγόνο του καρβονυλίου του 1 κατά 3,07 και 3,30 Å, αντίστοιχα. Το συμπέρασμα στο σημείο αυτό είναι, ότι δεν έχουμε σχηματισμό διαμοριακών δεσμών υδρογόνου, επειδή και τα δύο υδρογόνα της NH2 είναι κάθετα στην διεύθυνση (NH2) Ν Ο(COCH3). Σχήμα 14: Τελική δομή του 8 27

29 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΩΝ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ Οι τέσσερις πρώτες πιθανές μεταβατικές καταστάσεις προκύπτουν από την αλληλεπίδραση των 2S ή/και 2R με το 1. Επειδή τόσο το 2S όσο και το 2R περιέχουν ένα ασύμμετρο άτομο άνθρακα, όταν θα προσβάλουν το 1 στιγμιαία θα σχηματιστεί και ένας νέος ασύμμετρος άνθρακας, οπότε μιλάμε για συνολικά τέσσερις πιθανές αρχικές μεταβατικές καταστάσεις δηλαδή: TS11-Reag-1-2R-LF (βλ. σχήμα): Σχήμα 15: Αρχική δομή του TS11-Reag-1-2R-LF TS12-Reag-1-2R-RT (βλ. σχήμα): Σχήμα 16: Αρχική δομή του TS12-Reag-1-2R-RT 28

30 TS11-Reag-1-2S-LF (βλ. σχήμα): Τα δύο μόρια πλησίασαν κι ενώθηκαν με δεσμό, οπότε απομακρύναμε το υδρογόνο της ομάδας COH και το φέραμε μεταξύ του οξυγόνου (του CO) και του αζώτου (της ΝΗ2). Σχήμα 17: Αρχική δομή του TS11-Reag-1-2S-LF TS12-Reag-1-2S-RT (βλ. σχήμα): Δούλεψα όπως στην περίπτωση του TS11-Reag-1-2S-LF Σχήμα 18: Αρχική δομή του TS12-Reag-1-2S-RT 29

31 Επειδή καμία από τις σχεδιασμένες αυτές αρχικές μεταβατικές καταστάσεις, δεν έδωσε επιθυμητό αποτέλεσμα με τη χρησιμοποίηση του keyword ts, γι αυτό σκεφτήκαμε νέες αρχικές τοποθετήσεις των μορίων, θεωρώντας μια υποθετική αρχική κατάσταση σύγχρονου μηχανισμού της αντίδρασης, τόσο για τον υπολογισμό διμερών όσο και μεταβατικών καταστάσεων. ΝΕΕΣ ΑΡΧΙΚΕΣ ΔΟΜΕΣ ΔΙΜΕΡΩΝ ΚΑΙ ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΩΝ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ, ΘΕΩΡΩΝΤΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΟ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΣ (CONCERTED MECHANISM) Το concerted mechanism σημαίνει σύγχρονος μηχανισμός, που σ αυτή την περίπτωση σχηματίζεται μια μεταβατική κατάσταση τεσσάρων κέντρων (οι σχετικές τους θέσεις φαίνονται στα αντίστοιχα σχήματα). Α) ΔΟΜΕΣ ΔΙΜΕΡΩΝ Conc-Mech-Dimer-Reag-1-2S-LF: Οδήγησε στο σωστό διμερές, όπου τα δύο υδρογόνα της αμινομάδας του 2S έχουν ασθενείς αλληλεπιδράσεις με το οξυγόνο του καρβονυλίου και αποστάσεις ίσες με 3,06 και 3,08 Å, αντίστοιχα. Αυτό περιλήφθηκε στο αντίστοιχο προφίλ της αντίδρασης. Σχήμα 19: Αρχική δομή του Conc-Mech-Dimer-Reag-1-2S-LF 30

32 Conc-Mech-Dimer-Reag-1-2R-LF: Οδήγησε πάλι στο σωστό διμερές, όπου τα δύο υδρογόνα της αμινομάδας του 2S έχουν ασθενείς αλληλεπιδράσεις με το οξυγόνο του καρβονυλίου και αποστάσεις ίσες με 3,07 και 3,30 Å, αντίστοιχα. Και αυτό περιλήφθηκε στο αντίστοιχο προφίλ της αντίδρασης. Σχήμα 20: Αρχική δομή του Conc-Mech-Dimer-Reag-1-2R-LF Β) ΔΟΜΕΣ ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΩΝ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ Για την εύρεση των μεταβατικών δομών χρησιμοποιήθηκαν οι ίδιες αρχικές δομές, όπως παραπάνω στην περίπτωση των διμερών. Έτσι, η αρχική Conc-Mech-TS- Reag-1-2R-LF δεν έφτασε σε σύγκλιση παρ όλα τα 339 βήματα, ενώ η Conc-Mech-TS- Reag-1-2S-LF οδήγησε στη σωστή TS, όπου το ένα από τα δύο υδρογόνα της αμινομάδας του 2S αποσπάστηκε απ αυτήν και κινείται μεταξύ του αζώτου και του οξυγόνου (του CO). 31

33 Σχήμα 21: Τελική δομή του Conc-Mech-TS-Reag-1-2S-LF Δοκιμάστηκαν κι άλλες δύο μεταβατικές καταστάσεις, όπου τα 2S και 2R προσβάλουν το οξυγόνο του καρβονυλίου από το δεξί μέρος του μορίου 1, δηλαδή: TS-Reag-1-2S-RT: Ξεκίνησε ένας υπολογισμός TS με αρχική δομή εκείνη στην οποία τα τρία άτομα O(CO) H N(NH2) τοποθετήθηκαν σε ευθεία με αντίστοιχες αποστάσεις Ο Η= 0,91 Å και Ν Η= 1,46 Å. Στην αρχική αυτή δομή, το υδρογόνο σχηματίζει με το οξυγόνο κανονικό δεσμό, ενώ η απόσταση του από το άζωτο είναι πολύ μεγαλύτερη ακόμα και από το δεσμό Ν Η= 1,00 Å. Μετά από μερικά βήματα, ο υπολογισμός οδήγησε το άζωτο του 2S κοντά στο υδρογόνο του ΟΗ το οποίο και το απόσπασε δημιουργώντας ξανά την ομάδα ΝΗ2. Σχήμα 22: Τελική δομή του TS-Reag-1-2S-RT 32

34 TS-Reag-1-2R-RT: Σχεδιάστηκε ένα αρχικό μόριο απόλυτα ανάλογο με εκείνο που περιγράφτηκε παραπάνω, με αντίστοιχα αρχικά μήκη δεσμών Ο Η = 0,93 Å και Ν Η= 1,66 Å. Σχήμα 23: Τελική δομή του TS-Reag-1-2R-RT Πάλι το άζωτο επανέκτησε το δεύτερο υδρογόνο του, σχηματίζοντας την ομάδα ΝΗ2. Το διακόψαμε γιατί έκανε δεσμό και ο ασύμμετρος άνθρακας του 2R με το οξυγόνο της ομάδας SO2OH του 1. 33

35 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟ ΤΗΣ ΔΕΥΤΕΡΗΣ ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΗΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΤΗΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΤΟΥ 1 ΜΕ ΤΟ 2S A) ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ QST3 ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟ ΤΗΣ ΔΕΥΤΕΡΗΣ ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΗΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΤΗΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΤΟΥ 1 ΜΕ ΤΟ 2S Επειδή για το 2S διαθέτουμε τις βελτιστοποιημένες δομές τόσο του τοπικού ελαχίστου όσο και των προϊόντων του, γι αυτό τρέξαμε έναν υπολογισμό του τύπου QST3, όπου ως αντιδρών χρησιμοποιήθηκε το τοπικό ελάχιστο, ως προϊόντα τα δύο βελτιστοποιημένα του προϊόντα που απείχαν μεταξύ τους μεγαλύτερη απόσταση από 6 Å και ως πιθανή μεταβατική του κατάσταση, η ανάλογη με βάση τις παραπάνω δομές. Ο υπολογισμός αυτός δεν οδήγησε σε σύγκλιση μιας μεταβατικής κατάστασης. Για το λόγο αυτό, αντιστρέψαμε στον QST3 υπολογισμό και τα προϊόντα του παραπάνω γίνανε αντιδρώντα στον καινούργιο και τα αντιδρώντα προϊόντα χωρίς και πάλι να φτάσουμε σε σύγκλιση. Μετά τα παραπάνω αποτελέσματα δεν προχωρήσαμε σε άλλους υπολογισμούς για τον εντοπισμό της δεύτερης μεταβατικής κατάστασης του 2S. B) ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΥΠΟΥ TS ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟ ΤΗΣ ΔΕΥΤΕΡΗΣ ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΗΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΤΗΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΤΟΥ 1 ΜΕ ΤΟ 2S Λόγω της παραπάνω αποτυχίας του QST3, σκεφτήκαμε να τρέξουμε και απλούς υπολογισμούς του τύπου TS για τον εντοπισμό της δεύτερης μεταβατικής κατάστασης του 2S. Για το σκοπό αυτό, σαν αρχική δομή στον TS, χρησιμοποιήσαμε εκείνη που προερχόταν από την βελτιστοποιημένη δομή του τοπικού ελαχίστου, στην οποία σπάσαμε τον δεσμό N-C [αρχική απόσταση (ΝΗ)Ν C(MeCO)=1,75 Å και Ν Η Ο με Ν Η=1,36 Å και Η Ο=1,34 Å]. Δυστυχώς ούτε και αυτός ο υπολογισμός μας οδήγησε στη δεύτερη TS της αντίδρασης. 34

36 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΓΙΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟ ΤΗΣ ΔΕΥΤΕΡΗΣ ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΗΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΤΗΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΤΟΥ 1 ΜΕ ΤΟ 2R A) ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ QST3 ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟ ΤΗΣ ΔΕΥΤΕΡΗΣ ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΗΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΤΗΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΤΟΥ 1 ΜΕ ΤΟ 2R Η περίπτωση του 2R δεν διαφέρει από τις αντίστοιχες του 2S. Και για το 2R διαθέτουμε τις βελτιστοποιημένες δομές τόσο του τοπικού ελαχίστου όσο και των προϊόντων του, επομένως τρέξαμε έναν υπολογισμό του τύπου QST3, όπου ως αντιδρών χρησιμοποιήθηκε το τοπικό ελάχιστο, ως προϊόντα τα δύο βελτιστοποιημένα του προϊόντα που απείχαν μεταξύ τους μεγαλύτερη απόσταση από 6 Å και ως πιθανή μεταβατική του κατάσταση η ανάλογη με βάση τις παραπάνω δομές. Επειδή και στην περίπτωση αυτή, ο προηγούμενος υπολογισμός δεν οδήγησε σε σύγκλιση μιας μεταβατικής κατάστασης, αντιστρέψαμε στον QST3 υπολογισμό και τα προϊόντα του παραπάνω γίνανε αντιδρώντα στον καινούργιο και τα αντιδρώντα προϊόντα, χωρίς και πάλι να φτάσουμε σε σύγκλιση. Έτσι, δεν προχωρήσαμε σε άλλους υπολογισμούς για τον εντοπισμό της δεύτερης μεταβατικής κατάστασης του 2R. 35

37 Γ) Συναρτησιακές WB97X και WB97 Η αποτυχία των QST3 υπολογισμών μας στην περίπτωση της εύρεσης της δεύτερης TS του 2S, μας ώθησε στη χρησιμοποίηση και δύο άλλων συναρτησιακών των WB97X και WB97, για την εκτέλεση των ίδιων υπολογισμών. Δυστυχώς, ούτε αυτοί οι υπολογισμοί οδήγησαν στην εύρεση της πιθανής δεύτερης μεταβατικής κατάστασης του αντίστοιχου προφίλ της αντίδρασης. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ IRC ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ 2R ΜΕ ΤΟ 1 Με βάση την TS που προέκυψε για το 2S έκανα τους εξής IRC υπολογισμούς: 1) TS-1-2S-IRC 2) TS-1-2S-IRC-20 Και τους δύο υπολογισμούς τους τρέξαμε με το λήμμα GS2, ώστε να τους τρέξει όπως το G03W δηλαδή, 6 βήματα πριν και 6 βήματα μετά από την TS. Ο υπολογισμός TS-1-2S-IRC πέτυχε (έκανε βέβαια 10 αντί για 6 βήματα και πριν και μετά την TS). Αντίθετα ο υπολογισμός TS-1-2S-IRC-20 δεν έφτασε σε σύγκλιση. Επίσης, ο TS-1-2S-IRC υπολογισμός απέδειξε, με τα ±10 βήματα, ότι πράγματι ξεκινάμε από ένα διμερές και καταλήγουμε σε ένα local (αφού εννοείται ότι περνάμε από την TS). Και τις δυο ακραίες δομές τις έδωσα στη συνέχεια, για βελτιστοποίηση: 3) step 20 of 21 of IRC-tol-int-m06L που οδήγησε σε τοπικό ελάχιστο όπου το ένα υδρογόνο της αμινομάδας του 2S έφυγε και ενώθηκε με το οξυγόνο της MeCO δίνοντας ΟΗ, με ταυτόχρονο σχηματισμό ενός νέου ασύμμετρου άνθρακα αφού και το άζωτο του 2S ενώθηκε με τον άνθρακα της MeCO. Αυτό περιλήφθηκε στο προφίλ της αντίδρασης. 36

38 4) step 2 of 21 of IRC-tol-int-m06L που οδήγησε σ ένα διμερές με λίγο ψηλότερη ενέργεια σε σχέση μ αυτό που χρησιμοποιήσαμε ήδη στο προφίλ της αντίδρασης. (Η αστάθεια οφείλεται στις μικρότερες αποστάσεις μεταξύ της αμινομάδας και της ομάδας MeCO). Για το λόγο αυτό δεν το χρησιμοποιήσαμε στο προφίλ της αντίδρασης. 5) TS-freq-corr-tol-int-m06L που οδήγησε σε διμερές σχεδόν ταυτόσημο με το παραπάνω απλά λίγο σταθερότερο από κείνο κατά 0,2 kcal/mol. Έκανα δηλαδή, διόρθωση της δομής της TS με βάση τις μετατοπίσεις της στήλης από το IR της μεγάλης αρνητικής συχνότητας και την έδωσα και αυτή για βελτιστοποίηση. Τα προηγούμενα αποδεικνύουν την ορθή χρήση των 3 μορίων στο προφίλ της αντίδρασης του 1 με το 2S. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΔΟΜΩΝ ΤΟΠΙΚΩΝ ΕΛΑΧΙΣΤΩΝ Τόσο στην περίπτωση του 2S όσο και στου 2R, ως τοπικά ελάχιστα θεωρήθηκαν εκείνες οι δομές που προκύπτουν από την αντίδραση αντίστοιχα του 2S ή του 2R με το 1, αφού πρώτα αποσπάστηκε το ένα από τα υδρογόνα της αμινομάδας (ΝΗ2) του 2S ή του 2R, ενώθηκε με το οξυγόνο της ομάδας CH3CO του 1 και στη συνέχεια ενώθηκε το N της προηγούμενης ομάδας με τον C της ομάδας CH3CO. Αξίζει να τονιστεί ότι και τα δύο αρχικά αντιδραστήρια (2S και 2R) έδωσαν τελικές δομές τοπικών ελαχίστων με βάση αυτή τη συναρτησιακή, που περιλήφθηκαν στα αντίστοιχα προφίλ των αντιδράσεών τους. 37

39 Αποτελέσματα-Συζήτηση Μελετήθηκαν οι δομές των αντιδρώντων, των διμερών και των προϊόντων που προέκυψαν, καθώς και των ενδιάμεσων μεταβατικών καταστάσεων και των τοπικών ελαχίστων. Συγκεντρώθηκαν λοιπόν, όλα τα τελικά αποτελέσματα σε δύο προφίλ αντιδράσεων. Το ένα προφίλ, αναφέρεται στην αντίδραση του N-ακετυλο-1,2-δισ- (τριφλουορομεθανοσουλφοναμίδιου) με το αντιδρών που βρίσκεται σε S διαμόρφωση και το άλλο στην αντίδραση του N-ακετυλο-1,2-δισ(τριφλουορομεθανοσουλφοναμίδιου) με το αντιδρών που εμφανίζει R διαμόρφωση. Α) ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΔΟΜΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΔΟΜΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΤΗΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ 1+2S Στο αντιδρών N-ακετυλο-1,2-δισ(τριφλουορομεθανοσουλφοναμίδιο) (1) συγκρίναμε τα πιο σημαντικά μήκη δεσμών, και τις γωνίες που σχηματίζονται μεταξύ των ατόμων του αντιδρώντος, με τα αντίστοιχα πειραματικά του ίδιου αντιδρώντος, που προέκυψε από τη βιβλιογραφία [13]. Σχήμα 24: Δομή του 1 38

40 Ο παρακάτω πίνακας δίνει τα συγκριτικά αποτελέσματα για τα μήκη δεσμών: Πίνακας 1: Επιλεγμένα θεωρητικά και πειραματικά μήκη δεσμών (Å) του 1. ΜΗΚΗ ΔΕΣΜΩΝ ΤΟΥ 1 ΔΕΣΜΟΙ Παρούσα Εργασία Βιβλιογραφία [12] (C6H10)C-N(N-CO) 1,493 1,499 (C6H10)C-N(NH) 1,469 1,475 (CO)C-O(CO) 1,218 1,182 (CO-N)N-S(SO2) 1,695 1,637 (CO)C-N(N-CO) 1,424 1,446 (CO)C-C(CH3-CO) 1,496 1,480 Δημιουργήθηκε ακόμα ένας πίνακας όπου φαίνονται οι σημαντικότερες γωνίες του 1: Πίνακας 2: Επιλεγμένες θεωρητικές και πειραματικές γωνίες ( ) του 1. ΓΩΝΙΕΣ ΤΟΥ 1 ΓΩΝΙΕΣ Παρούσα Εργασία Βιβλιογραφία C(C6H10)-C(C6H10)-N(N-CO) 114,5 113,2 C(C6H10)-C(C6H10)-N(NH) 108,6 109,2 N(N-CO)-C(CO)-O(CO) 118,8 117,4 N(N-CO)-C(CO)-C(CH3CO) ,8 O(CO)-C(CO)-C(CH3CO) 122,2 122,8 39

41 Παρ όλο που δεν επιτρέπεται να συγκρίνονται τα αποτελέσματα για τη δομή μιας ένωσης που έχουν προκύψει με βάση ακτίνες Χ (στερεή φάση), με θεωρητικούς υπολογισμούς της ίδιας δομής σε διάλυμα τολουολίου, η σύγκριση των δεσμών και των γωνιών έδειξε εξαιρετική σύμπτωση των αποτελεσμάτων. Παρατηρώντας το συγκριτικό πίνακα καταλήγουμε στο συμπέρασμα, ότι οι δύο δομές είναι σχεδόν ταυτόσημες και ότι, και στις δύο δομές το κυκλοεξάνιο βρίσκεται σε μορφή ανάκλιντρου. Ακόμα και η απόκλιση θετική ή αρνητική φαίνεται να είναι μικρότερη από 5%. (πράγματι, η απόκλιση υπολογίζεται γύρω στο 2 %). Το αντιδρών S-1-φαινυλαιθυλαμινη (2S), εμφανίζει ενδιαφέρον ως προς τα μήκη ορισμένων δεσμών, τα οποία παρατίθενται στον παρακάτω πίνακα. Σχήμα 25: Δομή του 2S Πίνακας 3: Επιλεγμένα θεωρητικά μήκη δεσμών (Å) του 2S. ΔΕΣΜΟΙ ΤΟΥ 2S ΜΗΚΗ ΔΕΣΜΩΝ (NH2)N-C(CH) 1,465 (Me)C-C(CH) 1,525 (NH2)N-H(NH2) 1,015 40

42 Να σημειώσουμε ότι o ασύμμετρος C του αντιδρώντος 2S, ως προς τους υποκαταστάτες του, εμφανίζει τη S διαμόρφωση. Το διμερές 3 που σχηματίζεται από την αλληλεπίδραση των παραπάνω αντιδρώντων (1+2S) και διατηρεί επίσης, τη μορφή του ανάκλιντρου στο κυκλοεξάνιο, εμφανίζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον, ως προς τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις που παρατηρούνται μεταξύ της ομάδας NH2 του 2S και του οξυγόνου της ομάδας COCH3 του 1, με αντίστοιχες αποστάσεις των δύο ατόμων υδρογόνου της ΝΗ2 από το Ο της COCH3 τα 3,06 και 3,08 Å. Οι αλληλεπιδράσεις αυτές δεν περιγράφουν διαμοριακούς δεσμούς υδρογόνου, λόγω των μεγάλων προηγούμενων αποστάσεων και του γεγονότος ότι τα δύο άτομα υδρογόνου είναι σχεδόν κάθετα στη διεύθυνση (NH2)N O(CH3CO). Έχουμε όμως, κάποιες πολύ ασθενείς απώσεις μεταξύ του N της ΝΗ2 με το Ο της CH3CO, που θα μπορούσαν να δικαιολογήσουν την υψηλότερη ενέργεια που παρουσιάζει το διμερές αυτό σε σχέση με τα δύο αντιδρώντα (βλέπε σχήμα 26). Σχήμα 26: Δομή του 3 Έπειτα από την μελέτη του διμερούς, ακολουθεί η αξιολόγηση της μεταβατικής κατάστασης 4 στην οποία όπως φαίνεται και στο προφίλ της αντίδρασης απομακρύνεται ένα άτομο υδρογόνου της αμινομάδας του 2S και κατευθύνεται προς το οξυγόνο του καρβονυλίου του 1. 41

43 Σχήμα 27: Δομή του 4 Η απόσταση του υδρογόνου από το άζωτο της αμινομάδας του 2S είναι 1,25 Å ενώ από το οξυγόνο του καρβονυλίου του 1 είναι 1,32 Å. Παρατηρείται λοιπόν, ότι ο δεσμός Ν-Η έχει μεγαλώσει από 1,015 Å που ήταν αρχικά στην ΝΗ2, στα 1,25 Å και ταυτόχρονα αρχίζει να σχηματίζεται ο δεσμός Ο-Η, που τώρα είναι 1,32 Å. Στη συνέχεια, το προφίλ της αντίδρασης οδηγεί σε ένα τοπικό ελάχιστο 5. Τα δύο αρχικά μόρια ενώθηκαν δίνοντας το τοπικό ελάχιστο, στο οποίο έχουμε σχηματισμό ενός νέου ασύμμετρου ατόμου άνθρακα, (βλέπε σχήμα 29) που προέκυψε από το σχηματισμό του νέου δεσμού μεταξύ του άνθρακα της ομάδας CO του 1 και του N της ομάδας NH του 2S. Σχήμα 28: Δομή του 5 42

44 Σχήμα 29: Δομή του νέου ασύμμετρου άνθρακα Στο σημείο αυτό δίνεται πίνακας με τα μήκη δεσμών που περιβάλλουν το νέο ασύμμετρο άνθρακα. Πίνακας 4: Τα μήκη δεσμών (Å) που σχηματίστηκαν γύρω από το νέο ασύμμετρο άτομο άνθρακα. ΔΕΣΜΟΙ ΤΟΥ 5 ΜΗΚΗ ΔΕΣΜΩΝ (COH)C-O(OH) (COH)C-N(N-SO2) (COH)C-N(NH-C2H4) (COH)C-C(CH3) (OH)O-H(OH) Στο τελευταίο στάδιο της αντίδρασης, όπως φαίνεται και στο προφίλ της αντίδρασης, σχηματίζονται τα προϊόντα 2S+COCH3-H (6) και 1-COCH3+H (7). Τα μήκη των νέων δεσμών που σχηματίστηκαν παρατίθενται στους παρακάτω πίνακες. 43

45 Σχήμα 30: Δομή των 6 και 7 Πίνακας 5: Σύγκριση των επιλεγμένων μηκών δεσμών (Å) του 6 με τους αντίστοιχους του 1. ΔΕΣΜΟΙ ΔΕΣΜΟΙ ΤΟΥ 6 ΔΕΣΜΟΙ ΤΟΥ 1 (C6H10)C-N(NH)left (C6H10)C-N(NH)right (NH)N-H(NH)right Πίνακας 6: Σύγκριση των επιλεγμένων μηκών δεσμών (Å) του 7 με τους αντίστοιχους του 2S. ΔΕΣΜΟΙ ΔΕΣΜΟΙ ΤΟΥ 7 ΔΕΣΜΟΙ ΤΟΥ 2S (NH)N-C(CHCH3) (CH)C-C(Me) (ΝΗ)Ν-Η(ΝΗ)

46 Όπως προκύπτει από τους πίνακες, οι αντίστοιχες τιμές των μηκών δεσμών είναι σχεδόν ταυτόσημες, όπως το περιμέναμε. Αξίζει να τονιστεί στο σημείο αυτό ότι, σε αντίθεση με δημοσιευμένες υποθέσεις στις εργασίες του κ. Αρσενιάδη [13], ότι δηλαδή, οι μεταβατικές καταστάσεις των μελετούμενων αντιδράσεων, είναι του τύπου εκείνων των δομών που περιλαμβάνουν δύο αντί για ένα ασύμμετρα άτομα άνθρακα, οι υπολογισμοί μας απέδειξαν ότι οι υποθέσεις αυτές δεν είναι σωστές. Πράγματι, οι υποθετικές δομές των πειραματικών εργασιών του [13] αποδείχθηκε από τους υπολογισμούς μας ότι αντιστοιχούν σε τοπικά ελάχιστα αντί για μεταβατικές καταστάσεις. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΔΟΜΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΤΗΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ 1+2R Στο προφίλ της αντίδρασης των N-ακετυλο-1,2-δισ(τριφλουορομεθανοσουλφαμίδιο) (1) και R-1-φαινυλαιθυλαμίνη (2R) εργαζόμαστε με τον ίδιο τρόπο, όπως και στο παραπάνω προφίλ. Το αντιδρών (1) παίζει σημαντικό ρόλο και σ αυτή την αντίδραση (η δομή του μελετήθηκε νωρίτερα). Αυτή τη φορά ως δεύτερο αντιδρών χρησιμοποιούμε το R-1- φαινυλαιθυλαμίνη, το οποίο διαφέρει από το S-1-φαινυλαιθυλαμίνη ως προς τον προσανατολισμό του υδρογόνου της ομάδας CH(ΝΗ2) (CH3). Οι υποκαταστάτες του ασύμμετρου άνθρακα βρίσκονται σε R διαμόρφωση. Συγκεκριμένα, στη S διαμόρφωση ο ασύμμετρος άνθρακας είναι ενωμένος με ένα άτομο υδρογόνου προσανατολισμένο προς τα εμπρός όπως το κοιτάμε, ενώ στην R διαμόρφωση ο ασύμμετρος άνθρακας είναι ενωμένος με το υδρογόνο να βρίσκεται προς τα πίσω. Τόσο στην S όσο και στην R διαμόρφωση, το κυκλοεξάνιο έχει τη μορφή ανάκλιντρου. Επιλεγμένοι δεσμοί του αντιδρώντος R-1-φαινυλαιθυλαμίνη ή 2R παρατίθενται στον παρακάτω πίνακα. 45

47 Σχήμα 31: Δομή του 2R Πίνακας 7: Επιλεγμένα θεωρητικά μήκη δεσμών (Å) του 2R και του 2S ΔΕΣΜΟΙ ΜΗΚΗ ΔΕΣΜΩΝ ΤΟΥ 2R ΜΗΚΗ ΔΕΣΜΩΝ ΤΟΥ 2S (NH2)N-C(CH) 1,469 1,465 (Me)C-C(CH) 1,522 1,525 (NH2)N-H(NH2) 1,016 1,015 (Me)C-H(Me) 1,093 1,095 Όπως προκύπτει από τον πίνακα, τα αντίστοιχα μήκη δεσμών του 2R και του 2S είναι ταυτόσημα. Το διμερές και σε αυτή την περίπτωση προκύπτει από το συνδυασμό των αντιδρώντων 1 + 2R (8). Παρ όλο που οι αποστάσεις μεταξύ των δύο ατόμων υδρογόνου της NH2 με το οξυγόνο της COCH3 είναι αντίστοιχα 3,07 και 3,30 Å, ούτε εδώ έχουμε σχηματισμό διαμοριακών δεσμών υδρογόνου, επειδή και τα δύο άτομα υδρογόνου της NH2 είναι κάθετα στην διεύθυνση (NH2) Ν Ο(COCH3). 46

48 Σχήμα 32: Δομή του 8 Η ενεργειακή αστάθεια επομένως του διμερούς αυτού, σε σύγκριση με τα δύο αντιδρώντα είναι πιθανόν να οφείλεται: α) Στην άπωση μεταξύ του αζώτου της ομάδας NH2 με το οξυγόνο της COCH3 του απέναντι μορίου (απόσταση 3,16 Å). β) Στην άπωση μεταξύ του ενός ατόμου υδρογόνου της NH2 με ένα υδρογόνο του κυκλοεξανικού δακτυλίου του απέναντι μορίου (2,57 Å), και γ) Στην άπωση μεταξύ ενός ατόμου υδρογόνου του μεθυλίου της COCH3 με ένα αντίστοιχο του μεθυλίου του 2R (η απόστασή τους είναι 2,56 Å). Στο προφίλ της αντίδρασης, στο τρίτο στάδιο συγκεκριμένα, παρατηρείται ο σχηματισμός του τοπικού ελάχιστου 9. Σχήμα 33: Δομή του 9 47

49 Το ενιαίο αυτό μόριο δημιουργείται λόγω των αλληλεπιδράσεων των μορίων με βασικά χαρακτηριστικά τον δεσμό Ο-Η ο οποίος έχει μήκος 0,969 Å και την εμφάνιση ενός νέου ασύμμετρου άνθρακα, που περιβάλλεται από τους δεσμούς, τα μήκη των οποίων δίνονται στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας 8: Σύγκριση των επιλεγμένων μηκών δεσμών (Å) του 9 με τους αντίστοιχους του 5. ΔΕΣΜΟΙ ΔΕΣΜΟΙ ΤΟΥ 9 ΔΕΣΜΟΙ ΤΟΥ 5 (COH)C-O(OH) (COH)C-N(N-SO2) (COH)C-N(NH-C2H4) (COH)C-C(CH3) (OH)O-H(OH) Όπως προκύπτει από τον παραπάνω πίνακα, οι τιμές των μηκών των αντίστοιχων δεσμών είναι σχεδόν ταυτόσημες, όπως το περιμέναμε. Σχήμα 34: Νέος ασύμμετρος άνθρακας 48

50 Στο τελευταίο στάδιο του προφίλ της αντίδρασης δίνονται οι δομές των προϊόντων που προέκυψαν. Τα προϊόντα 1-COCH3+H (6) και 2R+COCH3-H (10) εμφανίζουν κάποιους χαρακτηριστικούς δεσμούς, τα μήκη των οποίων δίνονται στον πίνακα που ακολουθεί. Σχήμα 35: Δομή των προϊόντων 6 και 10 Πίνακας 9: Σύγκριση των επιλεγμένων μηκών δεσμών (Å) του 6 με τους αντίστοιχους του 1. ΔΕΣΜΟΙ ΔΕΣΜΟΙ ΤΟΥ 6 ΔΕΣΜΟΙ ΤΟΥ 1 (C6H10)C-N(NH)left (C6H10)C-N(NH)right (NH)N-H(NH)right

51 Πίνακας 10: Σύγκριση των επιλεγμένων μηκών δεσμών (Å) του 10 με τους αντίστοιχους του 7. ΔΕΣΜΟΙ ΔΕΣΜΟΙ ΤΟΥ 10 ΔΕΣΜΟΙ ΤΟΥ 7 (CO)C-O(CO) (CO)C-C(CH3) (CO)C-N(NH) (NH)N-C(CHCH3) (CH)C-C(Me) Όπως φαίνεται από τους πίνακες, προκύπτουν ταυτόσημα αντίστοιχα μήκη δεσμών μεταξύ των μορίων που συγκρίνονται, παρ όλο που ο προσανατολισμός των ομάδων NHCOMe στο χώρο διαφέρει. 50

52 Β) ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΠΡΟΦΙΛ ΤΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΦΙΛ ΤΗΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ 1+2S Εκτός από τις δομές που προέκυψαν, στα αποτελέσματα συζητείται και το ενεργειακό προφίλ των δύο αντιδράσεων. Αρχικά παρατηρείται, ότι το διμερές που προκύπτει από την αλληλεπίδραση των αντιδρώντων μορίων είναι ασταθέστερο από τα απομακρυσμένα μόρια 1 και 2S κατά 4,6 kcal/mol. Η αστάθεια του διμερούς μπορεί να οφείλεται στις απώσεις μεταξύ των μορίων, που είναι το αποτέλεσμα του σχηματισμού των δύο ασθενών αλληλεπιδράσεων που αναφέρθηκαν αναλυτικότερα στην περιγραφή της δομής του διμερούς. Πράγματι, στην περίπτωση αυτή έχουμε απώσεις ουσιαστικά, τόσο μεταξύ του οξυγόνου της COCH3 με το άζωτο της ΝΗ2 του απέναντι μορίου (η απόσταση είναι 3,13 Å), όσο και μεταξύ ενός ατόμου υδρογόνου του κυκλοεξανικού δακτυλίου με ένα υδρογόνο της ΝΗ2 του 2S (απόσταση 2,42 Å). Την ίδια αστάθεια παρατηρούμε και στην μεταβατική κατάσταση 4 που προκύπτει, με ενέργεια ενεργοποίησης 52,1 kcal/mol, όπου το ένα από τα υδρογόνα της αμινομάδας του 2S έχει αποσπαστεί και κατευθύνεται προς το οξυγόνο του καρβονυλίου του 1. Το διάνυσμα (βέλος) της δόνησης, που αντιστοιχεί σε αρνητική συχνότητα 1703,7i cm -1, απεικονίζει την απομάκρυνση του υδρογόνου από την αμινομάδα του 2S και την κίνηση του προς το Ο της MeCO ομάδας, για το σχηματισμό ενός δεσμού Ο-Η. Στη συνέχεια, η δημιουργία του δεσμού Ο-Η οδήγησε σε μια επίσης ασταθή δομή, αυτή του τοπικού ελάχιστου, με ενέργεια ενεργοποίησης 25,6 kcal/mol. Στο σημείο αυτό να αναφέρουμε και τα αποτελέσματα ενός υπολογισμού του τύπου IRC. Ο υπολογισμός αυτός απέδειξε ότι και οι τρεις προηγούμενες δομές, σχετίζονται άριστα μεταξύ τους, αφού ένα από τα υδρογόνα της NH2 του μορίου 2S, απομακρύνεται για να σχηματίσει διαδοχικά τη μεταβατική κατάσταση και εν συνεχεία, τη δομή του τοπικού ελαχίστου. 51

53 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΦΙΛ ΤΗΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ 1+2S 52

54 Παρ όλες τις πολλές δοκιμές μας με διάφορες συναρτησιακές και μεθόδους εντοπισμού μεταβατικών καταστάσεων, δεν κατορθώθηκε να βρεθεί η δεύτερη πιθανή μεταβατική κατάσταση της αντίδρασης. Είναι όμως πολύ πιθανό, επειδή καμία από τις συναρτησιακές που χρησιμοποιήσαμε δεν οδήγησε στη δεύτερη μεταβατική κατάσταση, να μην είναι θέμα συναρτησιακής. Πράγματι, η πολύ υψηλή τιμή της ενέργειας ενεργοποίησης της πρώτης μεταβατικής κατάστασης, ( 52 kcal/mol), σε σύγκριση με την πολύ μικρότερή της του τοπικού ελαχίστου σχεδόν η μισή της προηγούμενης ( 26 kcal/mol) θα δικαιολογούσε ως πιθανότερη την αντίστροφη πορεία της αντίδρασης. Αντί δηλαδή, να οδηγηθεί η αντίδραση προς τα τελικά προϊόντα, να οδηγηθεί πάλι προς τα πίσω, προς τα αντιδρώντα, αφού η πορεία αυτή είναι ενεργειακά η πιο συμφέρουσα στο σύστημα. Τα προηγούμενα βρίσκονται επίσης σε άριστη συμφωνία με το πείραμα. Προκειμένου να ελέγξουμε την ικανότητα της συναρτησιακής m06l, να υπολογίζει σωστά και τις ενεργειακές διαφορές μεταξύ των διαδοχικών σταδίων του ενεργειακού προφίλ της αντίδρασης, εκτελέσαμε και ενεργειακούς υπολογισμούς μοναδικού σημείου (single point calculations), στο επίπεδο MP2, χρησιμοποιώντας το ίδιο σύνολο βάσης με τους υπολογισμούς της DFT. Οι υπολογισμοί αυτοί απόδειξαν ότι η συναρτησιακή m06l, κρίνεται ως αρκετά αξιόπιστη, αφού ειδικά για την περίπτωση της ενεργειακής διαφοράς αντιδρώντων-πρώτης μεταβατικής κατάστασης (ενέργεια ενεργοποίησης) που μας ενδιαφέρει, οι τελευταίοι προσδιόρισαν μια τιμή 52,1 kcal/mol, συγκρινόμενη με την τιμή 37,1 kcal/mol, που υπολογίσθηκε στο επίπεδο MP2. Παρόλη τη σημαντική διαφορά μεταξύ των τιμών των δύο μεθόδων, το δεύτερο συμπέρασμα που προκύπτει είναι ότι το σύστημα που μελετάμε, δεν μπορεί να οδηγήσει στο σχηματισμό του πεπτιδικού δεσμού, στη θερμοκρασία δωματίου και στο συγκεκριμένο διαλύτη, λόγω της πολύ μεγάλης τιμής που προσδιορίσθηκε για την τιμή της ενέργειας ενεργοποίησης με βάση και τις δύο μεθόδους. Έπειτα από αυτή τη διαδικασία περιγραφής των ενδιάμεσων σταδίων φτάνουμε στον σχηματισμό των προϊόντων 2S+COCH3-H (6) και 1-COCH3+H (7) τα οποία είναι σταθερότερα από τα αρχικά αντιδρώντα μόρια κατά 13,2 kcal/mol. Το αποτέλεσμα αυτό αποδεικνύει την ορθότητα των υπολογισμών μας, επειδή τα ίδια με εμάς 6 και 7, προέκυψαν και πειραματικά. [13] 53

55 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΦΙΛ ΤΗΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ 1+2R Παράλληλα με τις δομές, στο προφίλ της αντίδρασης 1+2R σημειώνονται και οι ενέργειες των ενδιάμεσων σταδίων. Αξίζει να τονιστεί στο σημείο αυτό, ότι παρ όλες τις τόσες διαφορετικές συναρτησιακές που χρησιμοποιήσαμε στη μελέτη μας, δεν κατορθώσαμε να βρούμε τις δύο μεταβατικές καταστάσεις της αντίδρασης 1+2S. Σχετικά με την ενέργεια των δύο αντιδρώντων 2S και 2R, των οποίων οι δομές μελετήθηκαν νωρίτερα στην εργασία, βρέθηκε ότι το αντιδρών με S διαμόρφωση είναι λίγο πιο σταθερό από εκείνο με R διαμόρφωση κατά 0,4 kcal/mol. Αρχικά, το διμερές φαίνεται να είναι ασταθέστερο από τα απομακρυσμένα μόρια 1 και 2R κατά 6,4 kcal/mol. Η αστάθεια του διμερούς οφείλεται για ακόμη μια φορά σε ανάλογες απώσεις μεταξύ των μορίων, όπως και στο διμερές 1+2S. Σε υψηλή ενέργεια εμφανίζεται και το τοπικό ελάχιστο, κάτι που το κάνει ασταθέστερο, σε σχέση με τα αρχικά μόρια κατά 27,9 kcal/mol, ενώ στο τελευταίο στάδιο του προφίλ της αντίδρασης φαίνεται ότι τα τελικά μόρια (6 και 10) είναι σταθερότερα από τα αρχικά αντιδρώντα κατά 13 kcal/mol. Εκτός από την ενεργειακή σύγκριση των προϊόντων με τα αρχικά αντιδρώντα και στις δύο αντιδράσεις, έγινε και μια παρατήρηση που αφορά τη διαφορά της ενέργειας μεταξύ των προϊόντων 7 και 10, όπου το 10 που προκύπτει από την αλληλεπίδραση των 1+2S και βρέθηκε σταθερότερο από το 7 της αντίδρασης των 1+2R κατά 0,2 kcal/mol. Αξίζει τέλος, να τονιστεί ότι οι διάφορες ενέργειες που έχουν προκύψει για το διμερές, το τοπικό ελάχιστο και τα προϊόντα της αντίδρασης 1+2R είναι της τάξης μεγέθους των αντίστοιχων δομών της αντίδρασης 1+2S. Αυτό μπορεί να σημαίνει ότι η συναρτησιακή m06l είναι ακατάλληλη για τη μελέτη της αντίδρασης 1+2R. 54

56 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΦΙΛ ΤΗΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ 1+2R 55

57 Συμπεράσματα 1) Οι θεωρητικοί υπολογισμοί απέδειξαν ότι μόνο το S διαμορφωμερές δίνει μια μεταβατική κατάσταση και στη συνέχεια ένα τοπικό ελάχιστο, ενώ δεν εντοπίστηκε και μια ακόμη πιθανή μεταβατική κατάσταση, πριν να οδηγηθούμε στα τελικά προϊόντα. Προέκυψε βέβαια (m06l), μια ασυνήθιστα υψηλή τιμή ενέργειας ενεργοποίησης για την πρώτη μεταβατική κατάσταση, της τάξης των 52,1 kcal/mol, (37,1 kcal/mol υπολογίσθηκε στο επίπεδο MP2). Το γεγονός αυτό βρίσκεται σε άριστη συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα της υπό μελέτη αντίδρασης [12], τα οποία αναφέρουν ότι η αντίδραση αυτή δεν ευνοείται σε διάλυμα τολουολίου, ενώ αντίθετα ευνοείται η αντίδραση του άλλου διαμορφωμερούς, του R, η οποία μάλιστα γίνεται με απλή ανάδευση των αντιδρώντων σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτό σημαίνει ότι το προφίλ της αντίδρασης του αντιδραστηρίου S με το 1 σε διάλυμα τολουολίου και σε θερμοκρασία δωματίου το οποίο δεν κατορθώσαμε να μελετήσουμε θεωρητικά θα έπρεπε να δώσει μια ενέργεια ενεργοποίησης πολύ μικρότερη από την παραπάνω του R, της τάξης των 10 ή 15 kcal/mol. Η περαιτέρω μελέτη αυτού του τελευταίου προφίλ της αντίδρασης, θα αποτελέσει το αντικείμενο μιας καινούργιας μελέτης. 2) Η αδυναμία εντοπισμού της δεύτερης μεταβατικής κατάστασης στο σύστημα 1+2S όπως και των δύο αντίστοιχων στο σύστημα 1+2R, είναι πιθανό να οφείλεται στην ακαταλληλότητα της συναρτησιακής που χρησιμοποιήσαμε. 3) Είναι πολύ πιθανό όμως, επειδή καμία από τις συναρτησιακές που χρησιμοποιήσαμε δεν οδήγησε στη δεύτερη μεταβατική κατάσταση, να μην είναι θέμα συναρτησιακής. Πράγματι, η πολύ υψηλή τιμή της ενέργειας ενεργοποίησης της πρώτης μεταβατικής κατάστασης, ( 52 kcal/mol), σε σύγκριση με την πολύ μικρότερή της του τοπικού ελαχίστου σχεδόν η μισή της προηγούμενης ( 26 kcal/mol) θα δικαιολογούσε ως πιθανότερη την αντίστροφη πορεία της αντίδρασης. 56