Кинетический изотопный эффект

${\ displaystyle {\ begin {matrix} \\ {\ ce {{CN ^ {-}} + {^ {12} CH3-Br} -> [k_ {12}] {^ {12} CH3-CN} + Br ^ {-}}} \\ {\ ce {{CN ^ {-}} + {^ {13} CH3-Br} -> [k_ {13}] {^ {13} CH3-CN} + Br ^ {-}}} \\ {} \ end {matrix}} \ qquad {\ text {KIE}} = {\ frac {k_ {12}} {k_ {13}}} = 1.082 \ pm 0.008}$

Пример кинетического изотопного эффекта.
В реакции бромистого метила с цианидом ,
кинетический изотопный эффект углерода в метильной группе было установлено, что 1,082 ± 0,008. ^{[1] [2]}

В физической органической химии , А кинетический изотопный эффект ( КИЙ ) является изменением скорости реакции в виде химической реакции , когда один из атомов в реагентах заменяются одним из его изотопов . ^[3] Формально это соотношение констант скорости реакций с участием легких ( k _L ) и тяжелых ( k _H ) изотопно замещенных реагентов (изотопологов):

${\ displaystyle {\ text {KIE}} = {\ frac {k_ {L}} {k_ {H}}}}$

Это изменение скорости реакции является квантово-механическим эффектом, который в первую очередь является результатом того, что более тяжелые изотопологи имеют более низкие частоты колебаний по сравнению с их более легкими аналогами. В большинстве случаев это означает, что более тяжелым изотопологам требуется больше энергии для достижения переходного состояния (или, в редких случаях, предела диссоциации ), и, следовательно, более медленная скорость реакции. Изучение кинетических изотопных эффектов может помочь в выяснении механизма реакции определенных химических реакций и иногда используется при разработке лекарств для улучшения неблагоприятной фармакокинетики путем защиты метаболически уязвимых связей CH.

Фон [ править ]

Кинетический изотопный эффект считается одним из наиболее важных и чувствительных инструментов для изучения механизмов реакции , знание которого позволяет улучшить желаемые качества соответствующих реакций. Например, кинетические изотопные эффекты могут использоваться для определения того, идет ли реакция нуклеофильного замещения мономолекулярным (S _N 1) или бимолекулярным (S _N 2) путем.

В реакции бромистого метила и цианида (показано во введении) наблюдаемый кинетический изотопный эффект метильного углерода указывает на механизм S _N 2. ^[1] В зависимости от пути могут использоваться различные стратегии для стабилизации переходного состояния на стадии, определяющей скорость реакции, и улучшения скорости и селективности реакции , что важно для промышленного применения.

Изотопные изменения скорости наиболее выражены, когда относительное изменение массы является наибольшим, поскольку эффект связан с колебательными частотами затронутых связей. Например, замена атома водорода (H) на его изотоп дейтерий (D) означает увеличение массы на 100%, тогда как при замене углерода- 12 на углерод-13 масса увеличивается только на 8%. Скорость реакции с участием связи C – H обычно в 6–10 раз выше, чем скорость соответствующей связи C – D, тогда как реакция ¹² C всего на 4 процента быстрее, чем соответствующая реакция ¹³ C ^{[4] : 445} (хотя , в обоих случаях изотоп составляет одну атомную единицу массы тяжелее).

Изотопное замещение может изменять скорость реакции множеством способов. Во многих случаях, разница в скорости можно рационализировать, отметив , что масса атома влияет на частоту колебаний в химической связи , что он образует, даже если поверхность потенциальной энергии для реакции почти идентичны. Более тяжелые изотопы ( классически ) будут приводить к более низким частотам колебаний или, с квантово-механической точки зрения , будут иметь более низкую энергию нулевой точки . При более низкой энергии нулевой точки необходимо подавать больше энергии для разрыва связи, что приводит к более высокой энергии активации для разрыва связи, что , в свою очередь, снижает измеренную скорость (см., Например,Уравнение Аррениуса ). ^{[3] [4] : 427}

Классификация [ править ]

Первичные кинетические изотопные эффекты [ править ]

Первичный кинетический изотопный эффект может быть найден , когда связь с изотопно-меченого атома формируется или сломан. ^{[3] [4] : 427} В зависимости от способа исследования кинетического изотопного эффекта (параллельное измерение скорости против межмолекулярной конкуренции против внутримолекулярной конкуренции), наблюдение первичного кинетического изотопного эффекта указывает на разрыв / образование связи с изотопа на стадии ограничения скорости или последующей стадии (стадиях) определения продукта. (Заблуждение о том, что первичный кинетический изотопный эффект должен отражать разрыв / образование связи с изотопом на стадии ограничения скорости, часто повторяется в учебниках и основной литературе: см.эксперименты ниже. ) ^[5]

Для ранее упомянутых реакций нуклеофильного замещения первичные кинетические изотопные эффекты были исследованы как для уходящих групп, так и для нуклеофилов, и для α-углерода, на котором происходит замещение. Интерпретация кинетических изотопных эффектов уходящей группы поначалу была затруднена из-за значительного вклада факторов, не зависящих от температуры. Кинетические изотопные эффекты на α-углероде могут быть использованы для развития некоторого понимания симметрии переходного состояния в реакциях S _N 2, хотя этот кинетический изотопный эффект менее чувствителен, чем то, что было бы идеальным, также из-за вклада не колебательных факторы. ^[1]

Вторичные кинетические изотопные эффекты [ править ]

Вторичный кинетический изотопный эффект наблюдается , когда нет связи с изотопно-меченого атомом в реагенте не нарушаются или формует. ^{[3] [4] : 427} Вторичные кинетические изотопные эффекты обычно намного меньше, чем первичные кинетические изотопные эффекты; однако вторичные изотопные эффекты дейтерия могут достигать 1,4 на атом дейтерия, и были разработаны методы для измерения изотопных эффектов тяжелых элементов с очень высокой точностью, поэтому вторичные кинетические изотопные эффекты по-прежнему очень полезны для выяснения механизмов реакции.

Для вышеупомянутых реакций нуклеофильного замещения вторичные кинетические изотопные эффекты водорода на α-углероде обеспечивают прямое средство различения реакций S _N 1 и S _N 2. Было обнаружено, что реакции S _N 1 обычно приводят к большим вторичным кинетическим изотопным эффектам, приближающимся к их теоретическому максимуму примерно при 1,22, в то время как реакции S _N 2 обычно приводят к первичным кинетическим изотопным эффектам, которые очень близки или меньше единицы. Кинетические изотопные эффекты, которые больше единицы, называются нормальными кинетическими изотопными эффектами , а кинетические изотопные эффекты, которые меньше единицы, называются обратными кинетическими изотопными эффектами.. В общем, ожидается, что меньшие силовые константы в переходном состоянии приведут к нормальному кинетическому изотопическому эффекту, а большие силовые константы в переходном состоянии, как ожидается, приведут к обратному кинетическому изотопическому эффекту, когда вклады валентных колебаний доминируют над кинетическим изотопическим эффектом. ^[1]

Величины таких вторичных изотопных эффектов на α-углероде в значительной степени определяются колебаниями C _α -H (D). Для реакции S _N 1, поскольку углерод превращается в sp ² -гибридизированный ион карбения во время переходного состояния для стадии, определяющей скорость, с увеличением порядка связи C _α -H (D), обратный кинетический изотопный эффект будет можно было бы ожидать, если бы были важны только растягивающие колебания. Обнаружено, что наблюдаемые большие нормальные кинетические изотопные эффекты вызваны значительными внеплоскостными изгибными колебательными вкладами при переходе от реагентов к переходному состоянию образования карбения. Для S _N2, деформационные колебания по-прежнему играют важную роль для кинетического изотопного эффекта, но вклады валентных колебаний более сопоставимы по величине, и результирующий кинетический изотопный эффект может быть нормальным или обратным в зависимости от конкретных вкладов соответствующих колебаний. ^{[1] [6] [7]}

Теория [ править ]

Теоретическая трактовка изотопных эффектов в значительной степени опирается на теорию переходного состояния , которая предполагает наличие единственной поверхности потенциальной энергии для реакции и барьера между реагентами и продуктами на этой поверхности, поверх которого находится переходное состояние. ^{[8] [9]} Кинетический изотопный эффект возникает в основном из-за изменений основных колебательных состояний, вызванных изотопическим возмущением вдоль пути минимальной энергии на поверхности потенциальной энергии, что может быть объяснено только с помощью квантово-механической обработки системы. В зависимости от массы атома, движущегося по координате реакции, и характера (ширины и высоты) энергетического барьера квантово-механическое туннелированиеможет также вносить большой вклад в наблюдаемый кинетический изотопический эффект и может нуждаться в отдельном рассмотрении в дополнение к «полуклассической» модели теории переходного состояния. ^[8]

Кинетический изотопный эффект дейтерия ( ²H KIE), безусловно, является наиболее распространенным, полезным и хорошо изученным типом кинетического изотопного эффекта. Точное предсказание численного значения кинетического изотопного эффекта дейтерия с использованием расчетов по теории функционала плотности в настоящее время является относительно обычным делом. Более того, несколько качественных и полуколичественных моделей позволяют делать грубые оценки изотопных эффектов дейтерия без расчетов, часто предоставляя достаточно информации для рационализации экспериментальных данных или даже для подтверждения или опровержения различных механистических возможностей. Исходные материалы, содержащие дейтерий, часто имеются в продаже, что делает синтез исходных материалов, обогащенных изотопами, относительно простым. Кроме того, из-за большой относительной разницы в массе дейтерия и протия и связанных с этим различий в частотах колебаний,величина изотопного эффекта больше, чем у любой другой пары изотопов, кроме протия и трития,^[10], что позволяет легко измерить и интерпретировать как первичные, так и вторичные изотопные эффекты. Напротив, вторичные эффекты обычно очень малы для более тяжелых элементов и близки по величине к экспериментальной неопределенности, что усложняет их интерпретацию и ограничивает их полезность. В контексте изотопных эффектов водород часто используется для обозначения легкого изотопа, в частности, протия ( ¹ H). В остальной части этой статьи ссылки на водород и дейтерий в параллельных грамматических конструкциях или прямые сравнения между ними следует интерпретировать как относящиеся к протию и дейтерию. ^[11]

Теория кинетических изотопных эффектов была впервые сформулирована Якобом Бигелейзеном в 1949 году. ^{[12] [4] : 427} Общая формула Бигелейзена для кинетических изотопных эффектов дейтерия (которая также применима к более тяжелым элементам) приводится ниже. Он использует теорию переходного состояния и статистическую механическую обработку поступательных, вращательных и колебательных уровней для расчета констант скорости k _H и k _D.. Однако эта формула является «полуклассической» в том смысле, что она не учитывает вклад квантового туннелирования, который часто вводится как отдельный поправочный коэффициент. Формула Бигелейзена также не рассматривает различия в несвязанных отталкивающих взаимодействиях, вызванных немного более короткой связью C – D по сравнению со связью C – H. В уравнении величины с нижними индексами H или D относятся к замещенным водородом или дейтерием частицам соответственно, в то время как величины с или без двойного крестика ‡ относятся к переходному состоянию или основному состоянию реагента соответственно. ^{[7] [13]} (Строго говоря, следует также включить член , являющийся результатом изотопной разницы в коэффициентах передачи. ^[14] )${\ Displaystyle \ каппа _ {\ mathrm {H}} / \ kappa _ {\ mathrm {D}}}$

${\displaystyle {\frac {k_{{\ce {H}}}}{k_{{\ce {D}}}}}=\left({\frac {\sigma _{{\ce {H}}}\sigma _{{\ce {D}}}^{\ddagger }}{\sigma _{{\ce {D}}}\sigma _{{\ce {H}}}^{\ddagger }}}\right)\left({\frac {M_{{\ce {H}}}^{\ddagger }M_{{\ce {D}}}}{M_{{\ce {D}}}^{\ddagger }M_{{\ce {H}}}}}\right)^{\frac {3}{2}}\left({\frac {I_{x{\ce {H}}}^{\ddagger }I_{y{\ce {H}}}^{\ddagger }I_{z{\ce {H}}}^{\ddagger }}{I_{x{\ce {D}}}^{\ddagger }I_{y{\ce {D}}}^{\ddagger }I_{z{\ce {D}}}^{\ddagger }}}{\frac {I_{x{\ce {D}}}I_{y{\ce {D}}}I_{z{\ce {D}}}}{I_{x{\ce {H}}}I_{y{\ce {H}}}I_{z{\ce {H}}}}}\right)^{\frac {1}{2}}\left({\frac {\prod \limits _{i=1}^{3N^{\ddagger }-7}{\frac {1-e^{-u_{i{\ce {D}}}^{\ddagger }}}{1-e^{-u_{i{\ce {H}}}^{\ddagger }}}}}{\prod \limits _{i=1}^{3N-6}{\frac {1-e^{-u_{i{\ce {D}}}}}{1-e^{-u_{i{\ce {H}}}}}}}}\right)e^{-{\frac {1}{2}}\left[\sum \limits _{i=1}^{3N^{\ddagger }-7}(u_{i{\ce {H}}}^{\ddagger }-u_{i{\ce {D}}}^{\ddagger })-\sum \limits _{i=1}^{3N-6}(u_{i{\ce {H}}}-u_{i{\ce {D}}})\right]}}$,

где мы определяем

${\displaystyle u_{i}:={\frac {h\nu _{i}}{k_{\mathrm {B} }T}}={\frac {hcN_{\mathrm {A} }{\tilde {\nu }}_{i}}{RT}}}$и .${\displaystyle u_{i}^{\ddagger }:={\frac {h\nu _{i}^{\ddagger }}{k_{\mathrm {B} }T}}={\frac {hcN_{\mathrm {A} }{\tilde {\nu }}_{i}^{\ddagger }}{RT}}}$

Здесь h - постоянная Планка , k _B - постоянная Больцмана , - частота колебаний, выраженная в волновых числах , c - скорость света , N _A - постоянная Авогадро , а R - универсальная газовая постоянная . Σ _Х (Х = Н или D) , являются числом симметрии для реагентов и переходных состояний. М _Х являются молекулярными массами соответствующих видов, а я _{д Х} ( Q${\displaystyle {\tilde {\nu }}_{i}}$= x , y или z ) члены представляют собой моменты инерции относительно трех главных осей. В U _{I Х} прямо пропорциональны соответствующие колебательные частоты, ν _я и колебательная энергии нулевой точки (см ниже). Целые числа N и N ^‡ - это количество атомов в реагентах и ​​переходных состояниях соответственно. ^[7] Сложное выражение, данное выше, может быть представлено как произведение четырех отдельных факторов: ^[7]

${\displaystyle {\frac {k_{{\ce {H}}}}{k_{{\ce {D}}}}}=\mathbf {S} \times \mathbf {MMI} \times \mathbf {EXC} \times \mathbf {ZPE} }$.

Для частного случая изотопных эффектов дейтерия мы будем утверждать, что первые три члена можно рассматривать как равные или хорошо приближенные к единице. Первый фактор S (содержащий σ _X ) - это отношение чисел симметрии для различных видов. Это будет рациональное число (отношение целых чисел), которое зависит от количества вращений молекул и связей, приводящих к перестановке идентичных атомов или групп в реагентах и ​​переходном состоянии. ^[13] Для систем с низкой симметрией все σ _X (реагент и переходное состояние) будут равны единице; таким образом, S часто можно пренебречь. MMI фактор (содержащий M _X и I _дX ) относится к соотношению молекулярных масс и моментов инерции. Поскольку водород и дейтерий имеют тенденцию быть намного легче по сравнению с большинством реагентов и переходных состояний, существует небольшая разница в молекулярных массах и моментах инерции между молекулами, содержащими H и D, поэтому коэффициент MMI обычно также приближается к единице. ЕХС фактор (содержащий продукт колебательных функций распределения ) корректирует кинетический изотопный эффект , вызванное реакции колебательно - возбужденных молекул. Доля молекул с достаточной энергией, чтобы иметь колебания связи A – H / D в возбужденном состоянии, обычно мала для реакций при комнатной температуре или около нее (связи с водородом обычно колеблются при 1000 см ^−1.или выше, поэтому exp (- u _i ) = exp (- hν _i / k _B T ) <0,01 при 298 K, что приводит к незначительному вкладу факторов 1 – exp (- u _i )). Следовательно, для кинетических изотопных эффектов водорода / дейтерия в наблюдаемых значениях обычно преобладает последний фактор, ZPE (экспоненциальная функция разностей нулевой энергии колебаний), состоящий из вкладов разностей нулевой энергии для каждого колебательного режимы реагентов и переходное состояние, которое можно представить следующим образом: ^[7]

${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {k_{{\ce {H}}}}{k_{{\ce {D}}}}}&\cong \exp \left\{-{\frac {1}{2}}\left[\sum \limits _{i=1}^{3N^{\ddagger }-7}(u_{i{\ce {H}}}^{\ddagger }-u_{i{\ce {D}}}^{\ddagger })-\sum \limits _{i=1}^{3N-6}(u_{i{\ce {H}}}-u_{i{\ce {D}}})\right]\right\}\\&\cong \exp \left[\sum _{i}^{\mathrm {(react.)} }{\frac {1}{2}}\Delta u_{i}-\sum _{i}^{\mathrm {(TS)} }{\frac {1}{2}}\Delta u_{i}^{\ddagger }\right]\end{aligned}}}$,

где мы определяем

${\displaystyle \Delta u_{i}:=u_{i\mathrm {H} }-u_{i\mathrm {D} }}$и .${\displaystyle \Delta u_{i}^{\ddagger }:=u_{i\mathrm {H} }^{\ddagger }-u_{i\mathrm {D} }^{\ddagger }}$

Суммы в показателе степени второго выражения можно интерпретировать как пробегающие по всем колебательным модам основного состояния реагента и переходного состояния. В качестве альтернативы их можно интерпретировать как переход по тем режимам, которые уникальны для реагента или переходного состояния, или чьи частоты колебаний существенно изменяются при продвижении по координате реакции. Остальные пары колебательных мод реагента и переходного состояния очень похожи и , и отмены происходят при вычислении сумм в показателе степени. Таким образом, на практике, дейтерий Kies, часто в значительной степени зависит от нескольких ключевых колебательных мод из - за этой отменой, что делает качественный анализ K _H / K _D возможно. ^[13]${\displaystyle \Delta u_{i}}$${\displaystyle \Delta u_{i}^{\ddagger }}$

Как уже упоминалось, особенно для замещения водород / дейтерий, большинство кинетических изотопных эффектов возникает из-за разницы в энергии нулевой точки (ZPE) между реагентами и переходным состоянием рассматриваемых изотопологов, и это различие можно понять качественно с помощью следующего описания : в приближении Борна – Оппенгеймера, поверхность потенциальной энергии одинакова для обоих изотопов. Однако квантово-механическое рассмотрение энергии вводит дискретные колебательные уровни на эту кривую, и самое низкое возможное энергетическое состояние молекулы соответствует самому низкому уровню колебательной энергии, который немного выше по энергии, чем минимум кривой потенциальной энергии. Эта разница, называемая энергией нулевой точки, является проявлением принципа неопределенности Гейзенберга, который требует неопределенности в длине связи CH или CD. Поскольку более тяжелые (в данном случае дейтерированные) частицы ведут себя более «классически», их уровни колебательной энергии ближе к классической кривой потенциальной энергии, и она имеет более низкую нулевую энергию. Разница в нулевой энергии между двумя изотопными частицами, по крайней мере, в большинстве случаев,уменьшаются в переходном состоянии, так как постоянная силы связи уменьшается во время разрыва связи. Следовательно, более низкая энергия нулевой точки дейтерированного вещества переводится в большую энергию активации его реакции, как показано на следующем рисунке, что приводит к нормальному кинетическому изотопному эффекту.^[15] Этот эффект, в принципе, должен быть принят во внимание для всех 3 N - 6 колебательных мод для исходного материала и 3 N ^‡ - 7 колебательных мод в переходном состоянии (одна мода, соответствующая координате реакции, является отсутствует в переходном состоянии, так как связь разрывается и нет восстанавливающей силы против движения). Гармонический осциллятор является хорошим приближением для вибрационной связи,крайней мередля низкоэнергетических колебательных состояний. Квантовая механика определяет колебательную нулевую энергию как. Таким образом, мы можем легко интерпретировать множитель ½ и суммы${\displaystyle \epsilon _{i}^{(0)}={\frac {1}{2}}h\nu _{i}}$${\displaystyle u_{i}=h\nu _{i}/k_{\mathrm {B} }T}$члены по колебательным модам основного состояния и переходного состояния в показателе степени упрощенной формулы выше. Для гармонического осциллятора частота колебаний обратно пропорциональна квадратному корню из приведенной массы колебательной системы:

${\displaystyle \nu _{\mathrm {X} }={\frac {1}{2\pi }}{\sqrt {\frac {k_{\mathrm {f} }}{\mu _{\mathrm {X} }}}}\cong {\frac {1}{2\pi }}{\sqrt {\frac {k_{\mathrm {f} }}{m_{\mathrm {X} }}}}}$,

где k _f - силовая постоянная . Более того, приведенная масса приблизительно равна массе легкого атома системы, X = H или D. Поскольку m _D составляет приблизительно 2 м _H ,

${\displaystyle \Delta u_{i}\cong \left(1-{\frac {1}{\sqrt {2}}}\right){\frac {h\nu _{i\mathrm {H} }}{k_{\mathrm {B} }T}}}$.

В случае гомолитической диссоциации связи C – H / D член переходного состояния исчезает, и, если пренебречь другими колебательными модами, k _H / k _D = exp (½Δ u _i ). Таким образом, больший изотопный эффект наблюдается для более жесткой («более сильной») связи C – H / D. Для большинства представляющих интерес реакций атом водорода переносится между двумя атомами, при этом необходимо учитывать переходное состояние [A ··· H ··· B] ^‡ и колебательные моды в переходном состоянии. Тем не менее, по-прежнему верно, что разрыв связи с более высокой частотой колебаний даст больший изотопный эффект.

Чтобы вычислить максимально возможное значение для нетуннелирующего дейтериевого КИЭ, мы рассмотрим случай, в котором разность нулевой энергии между валентными колебаниями типичной углерод-водородной связи (3000 см ^-1 ) и углерод-дейтерийной связи (2200 см ^-1 ). см ^-1 ) исчезает в переходном состоянии (разность энергий (1/2) (3000 - 2200 см ^-1 ) = 400 см ^-1 , или около 1,15 ккал / моль) без какой-либо компенсации из нулевой энергии различие в переходном состоянии (например, от симметричного участка A ··· H ··· B, который уникален для переходного состояния). Упрощенная формула, приведенная выше, предсказывает максимум для k _H / k _Dкак 6.9. Если также включить полное исчезновение двух изгибных колебаний, можно прогнозировать значения k _H / k _D до 15-20. Однако маловероятно, что частоты изгиба исчезнут в переходном состоянии, и есть лишь несколько случаев, когда значения k _H / k _D превышают 7-8 вблизи комнатной температуры. Более того, часто обнаруживается, что туннелирование является основным фактором, когда они превышают такие значения. Значение k _H / k _D ~ 10 считается максимальным для полуклассического первичного кинетического изотопного эффекта (без туннелирования) для реакций, протекающих при температуре около 298 К. (Формула для k _H /k _D имеет температурную зависимость, поэтому при более низких температурах возможны большие изотопные эффекты). ^[16] В зависимости от природы переходного состояния переноса водорода (симметричный по сравнению с «ранним» или «поздним» и линейный по сравнению с изогнутым), степень приближения эффекта первичного изотопа дейтерия к этому максимуму варьируется. Модель, разработанная Вестхаймером, предсказывала, что симметричные (термонейтральные, согласно постулату Хаммонда ) линейные переходные состояния имеют наибольшие изотопные эффекты, в то время как переходные состояния являются «ранними» или «поздними» (для экзотермических или эндотермических реакций соответственно) или нелинейными. (например, циклический) проявляют меньшие эффекты. С тех пор эти предсказания получили широкую экспериментальную поддержку. ^[17]

Для вторичных изотопных эффектов дейтерия Стрейтвизер предположил, что ослабление (или усиление, в случае обратного изотопического эффекта) изотопных режимов из основного состояния реагента в переходное состояние в значительной степени ответственны за наблюдаемые изотопические эффекты. Эти изменения объясняются изменением стерического окружения, когда углерод, связанный с H / D, подвергается повторной гибридизации с sp ³ на sp ² или наоборот (эффект вторичного кинетического изотопа α), или ослабление связи из-за гиперконъюгации в случаях, когда карбокатион генерируется на расстоянии одного атома углерода (β-вторичный кинетический изотопный эффект). Эти изотопные эффекты имеют теоретический максимум k _H / k _D = 2 ^0,5.≈ 1,4. Для вторичного кинетического изотопного эффекта в положении α, регибридизация от sp ³ к sp ² дает нормальный изотопный эффект, в то время как регибридизация от sp ² к sp ³ приводит к обратному изотопному эффекту с теоретическим минимумом k _H / k _D = 2. ^-0,5 ≈ 0,7. На практике для α вторичных кинетических изотопных эффектов характерны k _H / k _D ~ 1,1-1,2 и k _H / k _D ~ 0,8-0,9, тогда как k _H / k _D~ 1,15–1,3 характерны для β вторичного кинетического изотопного эффекта. Для реагентов, содержащих несколько изотопно-замещенных β-атомов водорода, наблюдаемый изотопный эффект часто является результатом согласованного действия нескольких H / D в β-положении. В этих случаях эффект каждого изотопно-меченого атома является мультипликативным, и нередки случаи, когда k _H / k _D > 2. ^[18]

Следующие простые выражения, связывающие кинетические изотопные эффекты дейтерия и трития, которые также известны как уравнение Суэйна (или уравнения Суэйна-Шаада-Стиверса), могут быть получены из общего выражения, приведенного выше, с использованием некоторых упрощений: ^{[8] [19]}

${\displaystyle \left({\frac {\ln \left({\frac {k_{{\ce {H}}}}{k_{{\ce {T}}}}}\right)}{\ln \left({\frac {k_{{\ce {H}}}}{k_{{\ce {D}}}}}\right)}}\right)_{s}\cong {\frac {1-{\sqrt {m_{{\ce {H}}}/m_{{\ce {T}}}}}}{1-{\sqrt {m_{{\ce {H}}}/m_{{\ce {D}}}}}}}={\frac {1-{\sqrt {1/3}}}{1-{\sqrt {1/2}}}}\cong 1.44}$;

т.е.

${\displaystyle \left({\frac {k_{{\ce {H}}}}{k_{{\ce {T}}}}}\right)_{s}=\left({\frac {k_{{\ce {H}}}}{k_{{\ce {D}}}}}\right)_{s}^{1.44}}$.

При выводе этих выражений использовалось разумное приближение, согласно которому приведенные массы приблизительно равны массам водорода, дейтерия или трития. Кроме того, предполагалось, что колебательное движение аппроксимируется гармоническим осциллятором, так что (X = H, D или T). Нижний индекс « s » относится к этим «полуклассическим» кинетическим изотопным эффектам, которые не учитывают квантовое туннелирование. Вклады в строительство туннелей следует рассматривать отдельно как поправочный коэффициент.${\displaystyle u_{i\mathrm {X} }\propto \mu _{\mathrm {X} }^{-1/2}\cong m_{\mathrm {X} }^{-1/2}}$

Для изотопных эффектов с участием элементов, отличных от водорода, многие из этих упрощений недействительны, и величина изотопного эффекта может сильно зависеть от некоторых или всех игнорируемых факторов. Таким образом, кинетические изотопные эффекты для элементов, отличных от водорода, часто гораздо труднее рационализировать или интерпретировать. Во многих случаях, особенно в реакциях переноса водорода, вклад в кинетические изотопные эффекты от туннелирования значительный (см. Ниже).

Туннелирование [ править ]

В некоторых случаях наблюдается дополнительное увеличение скорости для более легкого изотопа, возможно, из-за квантово-механического туннелирования . Обычно это наблюдается только для реакций с участием связей с атомами водорода. Туннелирование происходит, когда молекула проникает через барьер потенциальной энергии, а не через него. ^{[20] [21]} Хотя это и не разрешено законами классической механики , частицы могут проходить через классически запрещенные области пространства в квантовой механике, основанной на дуальности волна-частица . ^[22]

Анализ туннелирования может быть выполнен с использованием модификации Белла уравнения Аррениуса , которая включает добавление коэффициента туннелирования Q:

${\displaystyle k=QAe^{-E/RT}}$

где A - параметр Аррениуса, E - высота барьера и

${\displaystyle Q={\frac {e^{\alpha }}{\beta -\alpha }}(\beta e^{-\alpha }-\alpha e^{-\beta })}$

где и${\displaystyle \alpha ={\frac {E}{RT}}}$${\displaystyle \beta ={\frac {2a\pi ^{2}(2mE)^{1/2}}{h}}}$

Исследование β- члена показывает экспоненциальную зависимость от массы частицы. В результате туннелирование более вероятно для более легкой частицы, такой как водород. Простое удвоение массы туннельного протона путем замены его изотопом дейтерия резко снижает скорость таких реакций. В результате наблюдаются очень большие кинетические изотопные эффекты, которые нельзя объяснить различиями в энергиях нулевой точки.

Кроме того, член β линейно зависит от ширины барьера 2a. Как и в случае с массой, туннелирование лучше всего при небольшой ширине барьера. Оптимальное туннельное расстояние протонов между донорным и акцепторным атомами составляет 0,4 Å. ^[24]

Переходный кинетический изотопный эффект [ править ]

Изотопный эффект, выраженный приведенными выше уравнениями, относится только к реакциям, которые можно описать с помощью кинетики первого порядка . Во всех случаях, когда это невозможно, переходные кинетические изотопные эффекты следует учитывать с помощью уравнений GEBIK и GEBIF. ^[35]

Эксперименты [ править ]

Симмонс и Хартвиг называют следующие три случая основными типами экспериментов с кинетическим изотопным эффектом, включающими функционализацию связи CH: ^[5]

А) КИЭ определяется по абсолютным скоростям двух параллельных реакций.

В этом эксперименте константы скорости для нормального субстрата и его изотопно-меченного аналога определяются независимо, и KIE получают как соотношение двух. Точность измеренного KIE сильно ограничена точностью, с которой может быть измерена каждая из этих констант скорости. Более того, воспроизведение точных условий в двух параллельных реакциях может быть очень сложной задачей. Тем не менее, измерение большого кинетического изотопного эффекта путем прямого сравнения констант скорости указывает на то, что разрыв связи CH происходит на стадии, определяющей скорость. (Меньшее значение может указывать на изотопный эффект из-за предварительного равновесия, так что разрыв связи CH происходит где-то до этапа, определяющего скорость.)

Б) КИЭ определяется в результате межмолекулярного соревнования

В эксперименте этого типа используются те же субстраты, что и в эксперименте А, но они могут реагировать в одном и том же контейнере, а не в двух отдельных контейнерах. Кинетический изотопный эффект в этом эксперименте определяется относительным количеством продуктов, образованных из CH по сравнению с функционализацией CD (или его можно вывести из относительных количеств непрореагировавших исходных материалов). Чтобы наблюдать кинетический изотопный эффект, необходимо остановить реакцию до того, как она дойдет до завершения (см. Раздел «Оценка» ниже). Обычно реакцию останавливают при низкой конверсии (от ~ 5 до 10% конверсии) или при использовании большого избытка (> 5 экв.) Смеси изотопов. Этот тип эксперимента гарантирует, что функционализация связей CH и CD происходит в одинаковых условиях,и соотношение продуктов функционализации связей CH и CD может быть измерено с гораздо большей точностью, чем константы скорости в эксперименте A. Более того, требуется только однократное измерение концентраций продукта из одного образца. Однако наблюдаемый кинетический изотопный эффект в этом эксперименте труднее интерпретировать, поскольку он может означать либо то, что разрыв связи CH происходит во время стадии определения скорости, либо на стадии определения продукта, следующей за стадией определения скорости. Отсутствие кинетического изотопного эффекта, по крайней мере, согласно Симмонсу и Хартвигу, тем не менее указывает на то, что разрыв связи CH не происходит во время стадии, определяющей скорость.требуется только однократное измерение концентраций продукта в одном образце. Однако наблюдаемый кинетический изотопный эффект в этом эксперименте труднее интерпретировать, поскольку он может означать либо то, что разрыв связи CH происходит во время стадии определения скорости, либо на стадии определения продукта, следующей за стадией определения скорости. Отсутствие кинетического изотопного эффекта, по крайней мере, согласно Симмонсу и Хартвигу, тем не менее указывает на то, что разрыв связи CH не происходит во время стадии, определяющей скорость.требуется только однократное измерение концентраций продукта в одном образце. Однако наблюдаемый кинетический изотопный эффект в этом эксперименте труднее интерпретировать, поскольку он может означать либо то, что разрыв связи CH происходит во время стадии определения скорости, либо на стадии определения продукта, следующей за стадией определения скорости. Отсутствие кинетического изотопного эффекта, по крайней мере, согласно Симмонсу и Хартвигу, тем не менее указывает на то, что разрыв связи CH не происходит во время стадии, определяющей скорость.по крайней мере, согласно Simmons и Hartwig, тем не менее указывает на то, что разрыв связи CH не происходит во время стадии, определяющей скорость.по крайней мере, согласно Simmons и Hartwig, тем не менее указывает на то, что разрыв связи CH не происходит во время стадии, определяющей скорость.

C) KIE, определенный в результате внутримолекулярного соревнования

Этот тип эксперимента аналогичен эксперименту B, за исключением того, что на этот раз существует внутримолекулярная конкуренция за функционализацию связи CH или CD. В большинстве случаев субстрат имеет направляющую группу (DG) между связями CH и CD. Расчет кинетического изотопного эффекта в этом эксперименте и его интерпретация следуют тем же соображениям, что и в эксперименте B. Однако результаты экспериментов B и C будут отличаться, если необратимое связывание изотопного субстрата имеет место в эксперименте B док разрыву связи CH или CD. В таком сценарии изотопный эффект может наблюдаться в эксперименте C (где выбор изотопа может иметь место даже после связывания субстрата), но не в эксперименте B (поскольку выбор между расщеплением связи CH или CD уже сделан, как только субстрат связывается необратимо). В отличие от эксперимента B, реакцию не нужно останавливать при низком расходе изотопного исходного материала для получения точного значения k _H / k _D , поскольку соотношение H и D в исходном материале составляет 1: 1, независимо от степень конверсии.

Одним из примеров не-CH активации различных изотопных эффектов, наблюдаемых в случае межмолекулярной (эксперимент B) и внутримолекулярной (эксперимент C) конкуренции, является фотолиз дифенилдиазометана в присутствии трет- бутиламина. Чтобы объяснить этот результат, было предложено образование дифенилкарбена с последующей необратимой нуклеофильной атакой трет- бутиламином. Поскольку существует небольшая изотопная разница в скорости нуклеофильной атаки, межмолекулярный эксперимент привел к KIE, близкому к 1. Однако во внутримолекулярном случае соотношение продуктов определяется переносом протона, который происходит после нуклеофильной атаки, процесс для который имеет существенный KIE 2.6. ^[36]

Таким образом, эксперименты A, B и C дадут результаты с разным уровнем точности и потребуют различных экспериментальных установок и способов анализа данных. В результате осуществимость каждого типа эксперимента будет зависеть от кинетического и стехиометрического профиля реакции, а также от физических характеристик реакционной смеси (например, гомогенный или гетерогенный). Более того, как отмечалось в предыдущем абзаце, эксперименты предоставляют данные о кинетическом изотопном эффекте для различных стадий многостадийной реакции, в зависимости от относительного расположения стадии ограничения скорости, стадий определения продукта и / или расщепления CH / D. шаг.

Приведенные ниже гипотетические примеры иллюстрируют распространенные сценарии. Рассмотрим следующую диаграмму координат реакции. Для реакции с этим профилем все три эксперимента (A, B и C) дадут значительный первичный кинетический изотопный эффект:

С другой стороны, если реакция следует следующему энергетическому профилю, в котором разрыв связи CH или CD является необратимым, но происходит после стадии, определяющей скорость (RDS), в эксперименте A не будет наблюдаться значительного кинетического изотопного эффекта, поскольку общая скорость не зависит от изотопного замещения. Тем не менее, стадия необратимого разрыва связи CH даст первичный кинетический изотопный эффект с двумя другими экспериментами, поскольку вторая стадия по-прежнему будет влиять на распределение продукта. Следовательно, с помощью экспериментов B и C можно наблюдать кинетический изотопный эффект, даже если разрыв связи CH или CD происходит не на этапе определения скорости, а на этапе определения продукта.

Оценка соотношений констант скорости из реакций межмолекулярной конкуренции [ править ]

В реакциях конкуренции кинетический изотопный эффект рассчитывается по изотопному продукту или остающимся соотношениям реагентов после реакции, но эти соотношения сильно зависят от степени завершения реакции. Чаще всего изотопный субстрат состоит из молекул, помеченных в определенном положении, и их немеченых обычных аналогов. ^[8] Также возможно в случае кинетических изотопных эффектов ¹³ C, а также в подобных случаях, просто полагаться на естественное содержание изотопного углерода для экспериментов с кинетическим изотопным эффектом, устраняя необходимость изотопного мечения. ^[38] Два изотопных субстрата будут реагировать по одному и тому же механизму, но с разной скоростью. Соотношение между количествами двух частиц в реагентах и ​​продуктах, таким образом, будет постепенно изменяться в ходе реакции, и это постепенное изменение можно рассматривать следующим образом: ^[8] Предположим, что две изотопные молекулы, A ₁ и A ₂ , претерпевают необратимые реакции конкуренции следующим образом:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\ce {{A1}+{B}+{C}+\cdots }}\ &{\ce {->[k_{1}]P1}}\\{\ce {{A2}+{B}+{C}+\cdots }}\ &{\ce {->[k_{2}]P2}}\end{aligned}}}$

Кинетический изотопный эффект для этого сценария составляет:

${\displaystyle {\text{KIE}}={k_{1} \over k_{2}}={\frac {\ln(1-F_{1})}{\ln(1-F_{2})}}}$

Где F ₁ и F ₂ относятся к доле превращений для изотопных форм A ₁ и A ₂ , соответственно.

Изотопное обогащение исходного материала может быть рассчитано из зависимости R / R ₀ от F ₁ для различных кинетических изотопных эффектов, что дает следующий рисунок. Из-за экспоненциальной зависимости даже очень низкие кинетические изотопные эффекты приводят к большим изменениям изотопного состава исходного материала при высоких конверсиях.

При отслеживании продуктов кинетический изотопный эффект может быть рассчитан с использованием отношения продуктов R _P вместе с R ₀ следующим образом:

${\displaystyle {k_{1} \over k_{2}}={\frac {\ln(1-F_{1})}{\ln[1-(F_{1}R_{P}/R_{0})]}}}$

Измерение кинетического изотопного эффекта при естественном изобилии [ править ]

Измерение кинетического изотопного эффекта при естественном изобилии - это простой общий метод измерения кинетического изотопного эффекта (KIE) для химических реакций, проводимых с материалами, имеющими естественное изобилие . Этот метод измерения KIE преодолевает многие ограничения предыдущих методов измерения KIE. Измерения KIE из материалов, меченных изотопами, требуют нового синтеза для каждого материала, меченного изотопами (процесс часто чрезвычайно труден), реакции конкуренции и анализа. ^[5] Измерение KIE в естественной среде позволяет избежать этих проблем за счет использования высокоточных количественных методов ( спектроскопия ядерного магнитного резонанса ,изотоп отношение масс - спектрометрия ) к месту измерения выборочно кинетическое фракционирования из изотопов , в любом продукте или исходный материала для данной химической реакции .

Одноимпульсный ЯМР [ править ]

Количественный одноимпульсное спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) представляет собой метод для измерения поддается кинетическую фракционирование из изотопов для измерения КИЕ природное содержание. Паскаль и др. были вдохновлены исследованиями, демонстрирующими резкие вариации содержания дейтерия в идентичных соединениях из разных источников, и выдвинули гипотезу о том, что ЯМР можно использовать для измерения кинетических изотопных эффектов дейтерия при естественном содержании. ^{[41] [42]} Паскаль и его коллеги проверили свою гипотезу, изучив реакцию введения диметилдиазомалоната в циклогексан . Паскаль и др. измерил KIE 2,2, используя²
ЧАС
ЯМР для материалов с естественным изобилием. ^[42]

Синглтон и его коллеги продемонстрировали возможности ¹³
C
ЯМР - спектр на основе измерения КИЕ природное содержание для изучения механизма [4 + 2] циклоприсоединения из изопрена с малеиновым ангидридом . ^[38] Предыдущие исследования Gajewski на изотопно обогащенных материалах наблюдали результаты KIE, которые предполагали асинхронное переходное состояние, но всегда были согласованы, в пределах ошибки, для идеально синхронного механизма реакции . ^[43]

Эта работа Синглтона и др. установил измерение нескольких¹³
C
KIE в рамках единого эксперимента. Эти²
ЧАС
а также ¹³
C
Измерения KIE, определенные при естественном изобилии, показали, что «внутренние» водороды диена испытывают более выраженный ²
ЧАС
KIE, чем «внешние» водороды », и C1 и C4 испытывают значительный KIE. Эти ключевые наблюдения показывают , асинхронный механизм реакции для циклоприсоединения из изопрена с малеиновым ангидридом .

Ограничения для определения KIE в естественном изобилии с помощью ЯМР заключаются в том, что извлеченный материал должен иметь подходящее количество и чистоту для анализа ЯМР (интересующий сигнал должен отличаться от других сигналов), интересующая реакция должна быть необратимой, а механизм реакции не должен изменяться в течение химической реакции .

Экспериментальные детали для использования количественного одноимпульсного ЯМР для измерения кинетического изотопного эффекта при естественном изобилии следующим образом: эксперимент необходимо проводить в количественных условиях, включая время релаксации 5 Тл _, измеренный угол поворота 90 °, цифровое разрешение не менее 5 указывает на пик, и сигнал: шум больше 250. Необработанный FID заполняется нулями по крайней мере до 256K точек перед преобразованием Фурье. Спектры ЯМР фазируются и затем обрабатываются с поправкой нулевого порядка базовой линии без какой-либо поправки на наклон. Интеграция сигналов определяется численно с минимальным допуском для каждого интегрированного сигнала. ^{[38] [ требуется пояснение ]}

Примеры выяснения механизма металлоорганических реакций [ править ]

Colletto et al. разработали региоселективное -арилирование бензо [b] тиофенов при комнатной температуре с арилиодидами в качестве партнеров по связыванию и стремились понять механизм этой реакции, выполнив измерения кинетического изотопного эффекта естественного содержания с помощью одноимпульсного ЯМР. ^[44]${\displaystyle \beta }$

Региоселективное -арилирование бензо [b] тиофенов${\displaystyle \beta }$

Наблюдение первичного изотопного эффекта ¹³ C в C3, обратного изотопного эффекта ² H, вторичного изотопного эффекта ¹³ C в C2 и отсутствия изотопного эффекта ² H в C2, ведущий Colletto et al. предложить механизм реакции типа Хека для региоселективного -арилирования бензо [b] тиофенов при комнатной температуре с арилиодидами в качестве партнеров по связыванию. ^[44]${\displaystyle \beta }$

Frost et al. стремились понять влияние добавок кислоты Льюиса на механизм энантиоселективной активации связи CN, катализируемой палладием, с использованием измерений кинетического изотопного эффекта естественного содержания с помощью одноимпульсного ЯМР. ^[45]

Первичный кинетический изотопный эффект ¹³ C, наблюдаемый в отсутствие BPh _3, предполагает механизм реакции с ограничивающим скорость цис-окислением в связь C – CN цианоформамида . Добавление BPh ₃ вызывает относительное уменьшение наблюдаемого кинетического изотопного эффекта ¹³ C, что привело Frost et al. чтобы предложить изменение стадии ограничения скорости с цис-окисления на координацию палладия с цианоформамидом. ^[45]

ЯМР DEPT-55 [ править ]

Хотя измерения кинетического изотопного эффекта при естественном изобилии являются мощным инструментом для понимания механизмов реакции, количество материала, необходимое для анализа, может сделать этот метод недоступным для реакций, в которых используются дорогие реагенты или нестабильные исходные материалы. Чтобы смягчить эти ограничения, Якобсен и его коллеги разработали перенос поляризации от ¹ H до ¹³ C в качестве средства для сокращения времени и материалов, необходимых для измерения кинетического изотопного эффекта при естественном изобилии. Повышение неискаженный путем переноса поляризации (DEPT) имеет преимущество большего гиромагнитное отношение от ¹ H более ¹³C для теоретического повышения чувствительности измерения в 4 раза или уменьшения времени эксперимента в 16 раз. Этот метод измерения кинетических изотопов естественного содержания удобен для анализа реакций, содержащих нестабильные исходные материалы, а также катализаторы или продукты, которые относительно дороги. ^[46]

Якобсен и его коллеги определили гликозилирование галактозы, катализируемое тиомочевиной, как реакцию, которая соответствовала обоим вышеупомянутым критериям (дорогие материалы и нестабильные субстраты), и была реакцией с плохо изученным механизмом. ^[47] Гликозилирование - это особый случай нуклеофильного замещения, в котором отсутствует четкое определение механистического характера S _N 1 и S _N 2. Присутствие кислорода рядом с местом смещения (например, C1) может стабилизировать положительный заряд. Эта стабилизация заряда может привести к тому, что любой потенциальный согласованный путь станет асинхронным и приближается к промежуточным продуктам с оксокарбениевым характером механизма S _N 1 для гликозилирования.

Якобсен и его коллеги наблюдали небольшие нормальные КИЭ в С1, С2 и С5, что указывает на значительный характер оксокарбения в переходном состоянии и асинхронный механизм реакции с большой степенью разделения зарядов.

Масс-спектрометрия изотопного отношения [ править ]

Высокая точность изотопа соотношение массы - спектрометрия (ИСУРЫ) является еще одним методом для измерения кинетического фракционирования из изотопов для измерения КИЕ природного содержания. Видлански и его коллеги продемонстрировали³⁴
S
КИЕ в естественных измерениях численности для гидролиза из сульфата моноэфиры. Их наблюдение за большим KIE предполагает, что разрыв связи SO контролирует скорость и, вероятно, исключает механизм ассоциированной реакции . ^[48]

Основным ограничением для определения KIE в естественном изобилии с помощью IRMS является требуемая сайт-селективная деградация без изотопного фракционирования до анализируемой небольшой молекулы, что является нетривиальной задачей. ^[38]

Тематические исследования [ править ]

Эффекты первичного изотопа водорода [ править ]

Первичные кинетические изотопные эффекты водорода относятся к случаям, в которых связь с меченным изотопом водородом образуется или разрывается на стадии реакции, определяющей скорость и / или продукт. ^[5]Это наиболее часто измеряемые кинетические изотопные эффекты, и большая часть ранее рассмотренной теории относится к первичным кинетическим изотопным эффектам. Когда есть достаточные доказательства того, что перенос меченого водорода происходит на стадии, определяющей скорость реакции, если наблюдается довольно большой кинетический изотопный эффект, например, kH / kD не менее 5-6 или kH / kT около 10-13 при комнатной температуре вполне вероятно, что перенос водорода является линейным и что водород довольно симметрично расположен в переходном состоянии. Обычно невозможно комментировать туннельные вклады в наблюдаемый изотопический эффект, если эффект не очень велик. Если первичный кинетический изотопный эффект не так велик, он обычно считается показателем значительного вклада движения тяжелого атома в координату реакции,хотя это также может означать, что перенос водорода происходит по нелинейному пути.^[8]

Вторичные изотопные эффекты водорода [ править ]

Вторичный изотопный эффект водорода или вторичный кинетический изотопный эффект (SKIE) возникает в тех случаях, когда изотопное замещение удалено от разрываемой связи. Тем не менее удаленный атом влияет на внутренние колебания системы, которые через изменения нулевой энергии (ZPE) влияют на скорость химических реакций. ^[49] Такие эффекты выражаются как отношения скорости легкого изотопа к скорости тяжелого изотопа и могут быть «нормальными» (отношение больше или равно 1) или «обратными» (отношение меньше 1) эффектами. ^[50] SKIE определяются как эффекты вторичных изотопов α, β (и т. Д.), Где такие префиксы относятся к положению изотопного замещения относительно реакционного центра (см. Альфа- и бета-углерод ).^[51] Префикс α относится к изотопу, связанному с реакционным центром, тогда как префикс β относится к изотопу, связанному с атомом, соседним с реакционным центром, и так далее.

В физической органической химии SKIE обсуждается с точки зрения электронных эффектов, таких как индукция, гибридизация связей или гиперконъюгация . ^[52] Эти свойства определяются распределением электронов и зависят от колебательно-усредненной длины связи и углов, на которые не сильно влияет изотопное замещение. Таким образом, использование термина «электронный изотопный эффект», хотя и законное, не рекомендуется, поскольку его можно неверно истолковать, чтобы предположить, что изотопный эффект имеет электронную природу, а не колебательный. ^[51]

SKIE можно объяснить изменениями в орбитальной гибридизации. Когда гибридизация атома углерода изменяется с sp ³ на sp ² , это влияет на ряд колебательных мод (растяжения, изгиб в плоскости и вне плоскости). Изгиб в плоскости и вне плоскости в sp ³ -гибридизированном углероде схожи по частоте из-за симметрии sp ^3- гибридизированного углерода. В гибридизированном углероде sp ² изгиб в плоскости намного жестче, чем изгиб вне плоскости, что приводит к большой разнице в частоте, ZPE и, следовательно, SKIE (которая существует, когда есть разница в ZPE реагент и переходное состояние). ^[20]Теоретическое максимальное изменение, вызванное разностью частот изгиба, было рассчитано как 1,4. ^[20]

Когда углерод претерпевает реакцию, которая изменяет его гибридизацию с sp ³ на sp ² , константа изгибающей силы вне плоскости в переходном состоянии становится слабее, поскольку он приобретает характер sp ^2, и наблюдается «нормальный» SKIE с типичными значениями от 1,1 до 1.2. ^[20] И наоборот, когда гибридизация углерода изменяется с sp ² на sp ³ , константы силы изгиба вне плоскости в переходном состоянии увеличиваются, и наблюдается обратная SKIE с типичными значениями от 0,8 до 0,9. ^[20]

В более общем смысле SKIE для обратимых реакций может быть «нормальным» в одном направлении и «обратным» в другом, если связывание в переходном состоянии находится на полпути по жесткости между субстратом и продуктом, или они могут быть «нормальными» в обоих направлениях, если связывание слабее в переходное состояние или "обратное" в обоих направлениях, если связь в переходном состоянии сильнее, чем в любом из реагентов. ^[50]

Пример «обратного» вторичного кинетического изотопного эффекта α можно увидеть в работе Фитцпатрика и Курца, которые использовали такой эффект, чтобы различить два предложенных пути реакции оксидазы d-аминокислот с анионами нитроалканов . ^[53] Путь A включает нуклеофильную атаку на кофермент FAD , тогда как путь B включает промежуточное соединение свободных радикалов. Поскольку путь A приводит к гибридизации с промежуточным изменением углерода с sp ² на sp ^3, ожидается "обратная" SKIE. Если существует путь B, то SKIE не должно наблюдаться, поскольку промежуточный продукт свободных радикалов не изменяет гибридизацию. Наблюдалось значение SKIE 0,84, и путь A подтверждался, как показано на схеме ниже.

Другой пример SKIE - окисление бензиловых спиртов диметилдиоксираном, где были предложены три переходных состояния для различных механизмов. Опять же, рассмотрев, как и если бы атомы водорода были задействованы в каждом из них, исследователи предсказали, ожидают ли они эффекта изотопного замещения их. Затем анализ экспериментальных данных для реакции позволил им выбрать, какой путь наиболее вероятно основан на наблюдаемом изотопном эффекте. ^[54]

Эффекты вторичных изотопов водорода от метиленовых водородов также использовались, чтобы показать, что перегруппировка Коупа в 1,5-гексадиене идет по согласованному пути перегруппировки связи, а не по одному из альтернативно предлагаемых аллильных радикалов или 1,4-диильных путей, которые все являются представлен на следующей схеме. ^[55]

Альтернативные механизмы для перегруппировки Коупа 1,5-гексадиена: (сверху вниз), аллильный радикал, синхронные согласованные пути и пути 1,4-диила. Обнаружено, что преобладающим путем является средний путь, который имеет шесть делокализованных π-электронов, соответствующих ароматическому промежуточному соединению. ^[55]

Стерические изотопные эффекты [ править ]

${\displaystyle {\frac {k_{(X=D)}}{k_{(X=H)}}}=1.15}$

Стерический изотопный эффект - это SKIE, который не предполагает разрыва или образования связей. Этот эффект объясняется разной амплитудой колебаний изотопологов . ^[56] Примером такого эффекта является рацемизация 9,10-дигидро-4,5-диметилфенантрена. ^[57]Меньшая амплитуда колебаний дейтерия по сравнению с водородом в связях C – H (углерод – водород), C – D (углерод – дейтерий) приводит к меньшему ван-дер-ваальсовому радиусу или эффективному размеру в дополнение к разнице в ZPE между два. Когда существует большая эффективная масса молекул, содержащих одну над другой, это может проявляться стерическим эффектом на константу скорости. В приведенном выше примере дейтерий рацемизируется быстрее, чем изотополог водорода, что приводит к стерическому изотопному эффекту. Модель стерического изотопного эффекта была разработана Бартеллом. ^[58] Стерический изотопный эффект обычно невелик, если трансформации не проходят через переходное состояние с серьезными стерическими препятствиями, как в процессе рацемизации, показанном выше.

Другой пример стерического изотопного эффекта - это реакция удаления скольжения ротаксанов. Изотоп дейтерия, благодаря своему меньшему эффективному размеру, обеспечивает более легкий проход стопоров через макроцикл, что приводит к более высокой скорости удаления дейтерированных ротаксанов . ^[59]

Обратные кинетические изотопные эффекты [ править ]

Известны реакции, при которых дейтерированные частицы реагируют быстрее, чем недейтерированный аналог, и в этих случаях, как говорят, проявляются обратные кинетические изотопные эффекты (IKIE). IKIE часто наблюдаются при восстановительном удалении алкилгидридов металлов, например ( Me 2 NCH 2 CH 2 NMe 2 ) PtMe (H). В таких случаях связь CD в переходном состоянии, агостическая разновидность, сильно стабилизирована относительно связи C – H. ^{[ необходима цитата ]}

Обратный эффект также может иметь место в многоступенчатой ​​реакции, если общая константа скорости зависит от предварительного равновесия перед этапом определения скорости, который имеет обратный равновесный изотопный эффект . Например, скорости реакций, катализируемых кислотой , обычно в 2-3 раза выше для реакций в D ₂ O, катализируемых D ₃ O ^+, чем для аналогичных реакций в H ₂ O, катализируемых H ₃ O ^{+ [4] : 433} Это можно объяснить механизм специфического водородно-ионного катализа реагента R H ₃ O ⁺(или D ₃ O ⁺ ).

H ₃ O ⁺ + R ⇌ RH ⁺ + H ₂ O

RH ⁺ + H ₂ O → H ₃ O ⁺ + П

Тогда скорость образования продуктов равна d [P] / dt = k ₂ [RH ⁺ ] = k ₂ K ₁ [H ₃ O ⁺ ] [R] = k _obs [H ₃ O ⁺ ] [R]. На первом этапе H ₃ O ⁺ обычно более сильная кислота, чем RH ⁺ . Дейтерирование смещает равновесие в сторону более прочно связанных разновидностей кислоты RD ^+, в которых влияние дейтерирования на нулевую колебательную энергию больше, так что дейтерированная константа равновесия K _1D больше, чем K _1H.. Этот равновесный изотопный эффект на первом этапе обычно перевешивает кинетический изотопный эффект на втором этапе, так что наблюдается очевидный обратный изотопный эффект и наблюдаемая общая константа скорости k _obs = k ₂ K ₁ уменьшается. ^{[4] : 433}

Кинетические изотопные эффекты водорода в растворителе [ править ]

Чтобы изотопные эффекты растворителя можно было измерить, конечная часть растворителя должна иметь другой изотопный состав, чем остальная часть. Следовательно, должны быть доступны большие количества менее распространенных изотопных соединений, что ограничивает наблюдаемые изотопные эффекты растворителя изотопными замещениями с участием водорода. Обнаруживаемые кинетические изотопные эффекты возникают только тогда, когда растворенные вещества обмениваются водородом с растворителем или когда существует определенное взаимодействие растворенного вещества и растворителя вблизи места реакции. Оба эти явления характерны для протонных растворителей, в которых водород может быть обменным, и они могут образовывать диполь-дипольные взаимодействия или водородные связи с полярными молекулами. ^[8]

Изотопные эффекты углерода-13 [ править ]

Большинство органических реакций включают разрыв и образование связей с углеродом; таким образом, разумно ожидать обнаруживаемых изотопных эффектов углерода. Однако, когда ¹³ C используется в качестве метки, изменение массы изотопа составляет всего ~ 8%, что ограничивает наблюдаемые кинетические изотопные эффекты гораздо меньшими значениями, чем те, которые наблюдаются с изотопными эффектами водорода.

Компенсация изменений естественного содержания ¹³ C [ править ]

Часто самый большой источник ошибок в исследовании, который зависит от естественного содержания углерода, - это небольшое изменение самого естественного содержания ¹³ C. Такие вариации возникают из-за того, что исходные материалы, используемые в реакции, сами являются продуктами некоторых других реакций, которые имеют кинетические изотопные эффекты и соответствующие изотопные обогащения в продуктах. Чтобы компенсировать эту ошибку, когда ЯМР-спектроскопия используется для определения кинетического изотопного эффекта, были предложены следующие рекомендации: ^{[39] [40]}

• Выберите углерод, удаленный от реакционного центра, который будет служить эталоном, и предположите, что он не имеет кинетического изотопного эффекта в реакции.
• В исходном материале, который не подвергался какой-либо реакции, определяют отношения интегралов пиков других углеродных ЯМР к таковому у эталонного углерода.
• Получите такое же соотношение углеродов в образце исходного материала после того, как он претерпел некоторую реакцию.
• Отношение последних соотношений к первым дает R / R ₀ .

При соблюдении этих, а также некоторых других мер предосторожности, перечисленных Янковским, могут быть достигнуты кинетические изотопные эффекты с точностью до трех знаков после запятой. ^{[39] [40]}

Изотопные эффекты с элементами тяжелее углерода [ править ]

Интерпретация изотопных эффектов углерода обычно осложняется одновременным образованием и разрывом связей с углеродом. Даже реакции, которые включают только разрыв связи с углеродом, такие как реакции S _N 1, включают усиление оставшихся связей с углеродом. Во многих таких реакциях изотопные эффекты уходящей группы легче интерпретировать. Например, реакции замещения и элиминирования, в которых хлор действует как уходящая группа, удобно интерпретировать, особенно потому, что хлор действует как одноатомная разновидность без внутренних связей, усложняющих координату реакции, и он имеет два стабильных изотопа, ³⁵ Cl и ³⁷ Cl. , оба с высокой численностью. Основной проблемой при интерпретации таких изотопных аффектов является сольватация уходящей группы.^[8]

Из-за экспериментальных неопределенностей измерение изотопного эффекта может повлечь за собой значительную неопределенность. Часто изотопные эффекты определяются путем дополнительных исследований ряда изотопомеров. Соответственно, весьма полезно сочетать изотопные эффекты водорода с изотопными эффектами тяжелых атомов. Например, определение изотопного эффекта азота наряду с изотопным эффектом водорода было использовано, чтобы показать, что реакция иона 2-фенилэтилтриметиламмония с этоксидом в этаноле при 40 ° C следует по механизму E2, в отличие от альтернативных несогласованных механизмов. Этот вывод был сделан после того, как было показано, что эта реакция дает изотопный эффект азота, k ₁₄ / k ₁₅ , 1,0133 ± 0,0002 вместе с кинетическим изотопным эффектом водорода 3,2 на выходящем водороде.^[8]

Точно так же сочетание изотопных эффектов азота и водорода было использовано, чтобы показать, что син-элиминирование простых солей аммония также следует согласованному механизму, который ранее был предметом дискуссий. В следующих двух реакциях иона 2-фенилциклопентилтриметиламмония с этоксидом, обе из которых дают 1-фенилциклопентен, оба изомера проявляют изотопный эффект азота k ₁₄ / k ₁₅ при 60 ° C. Хотя реакция транс-изомера, которая следует за син-элиминированием, имеет меньший кинетический изотопный эффект азота (1.0064) по сравнению с цис-изомером, который подвергается антиэлиминированию (1.0 · 108), оба результата достаточно велики, чтобы указывать на ослабление связи CN. в переходном состоянии, которое произойдет в согласованном процессе.

Другие примеры [ править ]

Поскольку кинетические изотопные эффекты возникают из-за различий в массах изотопов, наибольшие наблюдаемые кинетические изотопные эффекты связаны с изотопными замещениями водорода дейтерием (увеличение массы на 100%) или тритием (увеличение массы на 200%). Кинетические изотопные эффекты от отношений изотопных масс могут достигать 36,4 при использовании мюонов. Они создали самый легкий атом водорода, ^0,11 H (0,113 а.е.м.), в котором электрон вращается вокруг положительного мюонного (μ ⁺ ) «ядра», которое имеет массу 206 электронов. Они также подготовили аналог самого тяжелого атома водорода, заменив один электрон в гелии отрицательным мюоном (μ ^-) с образованием Heμ с атомной массой 4,116 а.е.м. Поскольку отрицательный мюон намного тяжелее электрона, он вращается гораздо ближе к ядру, эффективно экранируя один протон, заставляя Heμ вести себя как ^4,1 H. С этими экзотическими частицами была исследована реакция H с ¹ H ₂ . Константы скорости реакции самых легких и тяжелых аналогов водорода с ¹ H ₂ затем были использованы для расчета k _0,11 / k _4,1кинетический изотопный эффект, при котором разница изотопных масс в 36,4 раза. В этой реакции изотопное замещение вызывает обратный кинетический изотопный эффект, и авторы сообщают, что кинетический изотопный эффект составляет всего 1,74 x 10 ^-4 , что является наименьшим кинетическим изотопным эффектом, о котором когда-либо сообщалось. ^[60]

Кинетический изотопный эффект приводит к определенному распределению изотопов дейтерия в природных продуктах в зависимости от того, каким путем они были синтезированы в природе. Таким образом, с помощью ЯМР-спектроскопии легко определить, был ли спирт в вине сброжен из глюкозы или из незаконно добавленной сахарозы .

Еще механизмы реакций , что было выяснено с помощью кинетического изотопного эффекта является галогенирование из толуола : ^[61]

В этом конкретном исследовании «внутримолекулярного KIE» ​​бензильный водород подвергается радикальному замещению бромом с использованием N- бромсукцинимида в качестве бромирующего агента. Было обнаружено, что PhCH ₃ бромирует в 4,86 ​​раза быстрее, чем PhCD ₃ . Большой КИЭ 5,56 связан с реакцией кетонов с бромом и гидроксидом натрия . ^[62]

В этой реакции лимитирующей стадией является образование енолята путем депротонирования кетона. В этом исследовании KIE рассчитывается на основе констант скорости реакции для обычного 2,4-диметил-3-пентанона и его дейтерированного изомера путем измерения оптической плотности .

При асимметричном катализе в редких случаях кинетический изотопный эффект проявляется как значительная разница в энантиоселективности, наблюдаемой для дейтерированного субстрата по сравнению с недейтерированным. Один пример был описан Toste и соавторами, в котором дейтерированный субстрат давал энантиоселективность 83% ее по сравнению с 93% ее для недейтерированного субстрата. Эффект был предпринят для подтверждения дополнительных данных KIE о меж- и внутримолекулярной конкуренции, которые предполагали разрыв связи CH / D на стадии энантиодетерминации. ^[63]

См. Также [ править ]

• Кроссовер эксперимент (химия)
• Константа равновесия # Эффект изотопного замещения
• Магнитный изотопный эффект
• Механизм реакции
• Переходное кинетическое фракционирование изотопов
• Изотопный эффект на перекисное окисление липидов

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]