Квантово-химические правила отбора элементарных стадий

Любая термодинамически разрешенная реакция, в которой происходит незначительное перемещение ядер (близость минимумов энергетических термов) и мало изменяются электронные состояния (принцип наименьшего движения), и молекулярность которой не превышает 2, имеет шанс быть согласованным процессом, элементарной стадией. Однако, для того, чтобы величина была небольшой и реакция протекала с измеряемой скоростью, необходимо выполнение двух требований, вытекающих из квантово-химической теории. Эффективное взаимодействие двух частиц с достаточно низкой величиной барьера может происходить в случае, когда симметрия перекрывающихся молекулярных орбиталей (МО) будет одинаковой, а энергии этих МО будут близки. Например, бимолекулярная реакция (27)

H₂ + I₂ = 2HI (27)

с небольшим изменением координат ядер и валентных оболочек не является элементарным процессом (ЭС), поскольку запрещена по симметрии граничных МО. Рассмотрим подробнее некоторые квантово-химические подходы к проблеме реакционной способности.

Теория возмущений в приближении граничных МО

Из правила БЭП следует, что знание энергетического состояния исходных и конечных продуктов позволяет оценивать кинетические характеристики ЭС (вероятность реализации элементарного акта). Метод возмущения МО (МВМО), оперируя только граничными занятыми и свободными МО (ВЗМО, НСМО) и зарядами (на атомах в молекулах и на атомных орбиталях в МО) в исходных реагентах, позволяет в ряде случаев предсказать вероятность, направление и эффективность взаимодействия двух реагентов.

Чем эффективнее взаимодействие, тем ниже Е_акт и тем выше вероятность согласованного (элементарного) акта.

Если энергии граничных орбиталей ₁ и ₂ близки, то энергия взаимодействия определяется резонансным (обменным) интегралом ₁₂

(28)

где H - гамильтониан системы, - элемент объема, в котором происходит перекрывание орбиталей. Величина ₁₂ в этом случае определяет и величину расщепления новых МО ₁ и ₂ или энергию стабилизации = ₁₂.

Если энергии ₁ и ₂ различаются сильно, то величина определяется не только ₁₂, а зависит и от разности энергий ₁ и ₂ по уравнению (29):

(29)

где Е₁ и Е₂ - энергии низшей и высшей МО

Чем больше величина , тем стабильнее образующийся аддукт, тем ниже Е_акт его образования.

МВМО не дает оценки Е переходного состояния и Е_акт. Рассчитывается лишь разница между полной электронной энергией реагирующей системы Е и энергиями исходных реагентов и (малое возмущение):

Е = Е - - , (30)

справедливое только для начальных участков координаты реакции. Только на больших расстояниях между реагентами не происходит смешения МО, нет межмолекулярного отталкивания и можно говорить о чистых МО исходных реагентов. Вместе с тем, такое приближение позволяет оценить наиболее вероятный путь реакции.

Энергию возмущения Е при взаимодействии реагентов S и Т (S и Т - молекулы или активные центры в молекулах) рассчитывают по уравнению (31):

(31)

В случае только двух граничных МО (например, молекул донора и акцептора) уравнение упрощается (32):

(32)

В уравнениях (31, 32) q_S и q_T - эффективные заряды на центрах S и Т, R_ST - расстояние между центрами в ходе взаимодействия, - диэлектрическая проницаемость среды. Таким образом, первый член (возмущение 1^го порядка) отражает энергию кулоновского взаимодействия. Второй член (возмущение 2^го порядка) определяет энергию орбитального перекрывания и включает: _ST - коэффициент, учитывающий заселенность электронами орбиталей ₁ и ₂, и - квадраты коэффициентов при атомных орбиталях центров S и Т волновой функции граничных МО ₁ и ₂, - квадрат обменного интеграла, Е₁ и Е₂ - энергии орбиталей ₁ и ₂. Разные случаи заселенности орбиталей ₁ и ₂ реагирующих частиц и коэффициент _ST приведены ниже:

Если Е₁ - Е₂ в знаменателе уравнения (32) мало, заселенность _ST равна 1 и 2, симметрия орбиталей одинакова (₁₂ > 0), геометрия орбиталей удобна для перекрывания (коэффициенты C_S и C_T имеют большие значения в одинаковых областях пространства) и второй член существенно больше первого, можно говорить об орбитально-контролируемой реакции.

Если Е₁ - Е₂ величина большая, второй член становится небольшим даже при больших C_S и C_T. Если при этом q_S и q_T также велики, говорят о зарядово-контролируемой реакции. Эти простые оценки полуэмпирическими методами МО ЛКАО позволяют определить (без расчетов ППЭ), в каком направлении (по каким центрам) пойдет та или другая реакция и можно ли ожидать высокой скорости от выбранной элементарной стадии. Естественно, что все соображения об оценке энергии Е относятся только к элементарным стадиям.

Предположим, что донорная молекула, типичный нуклеофил SCN- реагирует с акцептором, имеющим НСМО. Если энергии ВЗМО донора (₁) и НСМО акцептора (₂) близки, реакция будет орбитально-контролируемой. Такая реакция будет протекать между молекулой акцептора и тем центром нуклеофила (донора), который обладает наивысшей плотностью заряда () на граничных орбиталях донора. Высшая занятая МО нуклеофила SCN- ₂ имеет вид:

₂ = 0.74_S + 0.33_C - 0.59_N

= 0.55 = 0.35 >

Поэтому реакция с акцептором пойдет через атом S

(33)

Если орбиталь акцептора лежит высоко и Е₁ - Е₂ велика, реакция контролируется зарядовым взаимодействием. В этом случае, первый (кулоновский) член в уравнении (32) будет больше для того центра нуклеофила, у которого выше q_i. Для расчета q_S и q_N необходимо учесть коэффициент при этих центрах на всех орбиталях, т.е. кроме ₂ нужно учесть и НЗМО ₁

₁ = 0.33_S + 0.59_C + 0.74_N

q_i рассчитывается по уравнению

q_S = 1 - 2(0.33² + 0.74²) = - 0.313

q_N = 1 - 2(0.59² + 0.74²) = - 0.7914

т.е. в анионе на атоме N эффективный отрицательный заряд выше |q_N| > |q_S| (заряд на атоме С, q_С 0.1). Таким образом, в условиях кулоновского контроля нуклеофил SCN- будет взаимодействовать с акцептором атомом азота

(34)

МВМО дал теоретическое объяснение ряду эмпирических правил и обобщений. В 1958 г Арланд, Чатт и Дэвис предложили классификацию комплексов металлов, разделив их на две группы (а) и (б). К группе (а) были отнесены ионы металлов (в наиболее распространенных степенях окисления), которые образуют наиболее устойчивые комплексы с лигандами, имеющими донорные атомы N, O, F. К группе (б) они отнесли ионы, образующие наиболее стабильные комплексы с лигандами, содержащими донорные атомы элементов третьего и последующих периодов (P, S, Cl, Br, J). Так, например, устойчивость галогенидных комплексов Zn²⁺ (группа (а)) и Hg²⁺ (группа (б)) меняется в следующих рядах:

Zn²⁺ F- >> Cl- > Br- > I-

Hg²⁺ I- > Br- > Cl- >> F-

При переходе к Hg²⁺ происходит обращение ряда устойчивости по сравнению с “обычным” рядом (Zn²⁺), согласующимся с простыми электростатическими представлениями.

Очевидно, что в случае первой группы ионов определяющим является зарядовый, а в случае второй группы ионов - орбитальный фактор. Аналогичные объяснения получили правило взаимодействия жестких и мягких кислот и оснований (Пирсон, 1963) и правило Корнблюма.

В терминах теории Пирсона взаимодействие жестких частиц (кислот и оснований, акцепторов и доноров) соответствует зарядовому контролю, взаимодействие мягких частиц - орбитальному контролю. Степень жесткости и мягкости акцептора (A) и донора (D) можно оценивать по различным критериям. Приведем величины орбитальных электроотрицательностей E_n(A) E_m(D) (в эВ) по Клопману:

В приведенной таблице самая жесткая кислота - Al³⁺, самое жесткое основание - F-. Самая мягкая кислота - Hg²⁺, самое мягкое основание - H-.

Орбитальная симметрия и правила отбора

Общие правила отбора ЭС по симметрии МО в реагирующей системе с циклическим многоцентровым переходным состоянием сформулировали Р.Вудворд и Р.Хоффман - правила сохранения орбитальной симметрии в ходе согласованных реакций.

Если заполненные связывающие МО реагентов коррелируют по симметрии (имеют одинаковую симметрию) с заполненными связывающими МО продуктов реакции, такая реакция будет идти согласованно термически (как ЭС). В ходе такой реакции симметрия взаимодействующих орбиталей сохраняется вдоль координаты реакции по ППЭ. Если такой корреляции нет, согласованная реакция пойдет только фотохимически.

В простых молекулах анализ симметрии граничных орбиталей позволяет сделать заключение о возможности согласованной ЭС. Например, симметрии занятой -МО молекулы Н₂ и свободной *-МО молекулы I₂ не позволяют реализоваться циклическому переходному состоянию

Это же касается и разрыхляющей *-МО H₂ и высшей занятой -МО I₂. Граничные ВЗМО и НСМО двух молекул этилена имеют разную симметрию и не могут образовать 4-членного переходного состояния при протекании ЭС

Занятая -МО одной молекулы этилена

не может перекрываться синхронно со свободной *-МО второй молекулы. Симметрия этих МО различна (относительно плоскости, проходящей перпендикулярно связи С-С через ее центр). В реакции бутадиена с этиленом, НСМО C₄H₆ (₁*-C₄H₆) имеет одинаковую симметрию с ВЗМО C₂H₄ и процесс протекает по согласованному 6-центровому механизму

Аналогично и для перекрывания *-C₂H₄ и НЗМО C₄H₆ (₂-C₄H₆).

Запрещенными по симметрии как элементарные стадии являются реакции присоединения молекул H₂, Cl₂, HCl, HF, HCN к кратным связям олефинов и алкинов (через 4-членное циклическое переходное состояние).

Реакции нуклеофильного и электрофильного присоединения и замещения, протекающие через линейные переходные состояния разрешены по симметрии. Участие переходных металлов (d-орбитали и d-электроны) в ЭС снимает запреты по симметрии и делает реакции согласованного присоединения по кратным связям металлосодержащих фрагментов разрешенными ЭС.

, , ,

Разрешены по симметрии орбиталей также реакции присоединения молекул НХ к координированным атомом металла алкенам.

Правило сохранения 16-18 электронной оболочки Толмена в элементарных стадиях