用Hirshfeld 电荷定量标度亲电性和亲核性: 含氮体系

周夏禹 荣春英 卢天 刘述斌

引用本文: 周夏禹, 荣春英, 卢天, 刘述斌. 用Hirshfeld 电荷定量标度亲电性和亲核性: 含氮体系[J]. 物理化学学报, 2014, 30(11): 2055-2062. doi: 10.3866/PKU.WHXB201409193 shu
Citation:  ZHOU Xia-Yu, RONG Chun-Ying, LU Tian, LIU Shu-Bin. Hirshfeld Charge as a Quantitative Measure of Electrophilicity and Nucleophilicity: Nitrogen-Containing Systems[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2014, 30(11): 2055-2062. doi: 10.3866/PKU.WHXB201409193 shu

用Hirshfeld 电荷定量标度亲电性和亲核性: 含氮体系

  • 基金项目:

    湖南省高校科技创新团队支持计划(湘教通[2012]318 号) (湘教通[2012]318 号)

    湖南省自然科学基金(12JJ2029) (12JJ2029)

    湖南省高校创新平台开放基金(12K030) (12K030)

    常德市科技局重点项目(2014JF15) (2014JF15)

    湖南省省级科技计划项目(2013FJ4220)资助 (2013FJ4220)

摘要:

准确预测化学过程中分子内各原子提供或接受电子的能力以及化学反应可能的位点, 即定量确定亲电性、亲核性和区域选择性, 是一个十分重要却仍然亟待解决的课题. 此前, 基于我们新近提出的信息守恒原理,曾建议使用Hirshfeld 电荷和信息增益作为两个等价的描述符用于此目的. 我们的这个想法已经被成功地应用于两个系列的分子体系, 且其有效性得到了充分的验证. 然而, 先前我们只考察了碳元素的这些性质, 所以其结论的普遍性仍存在疑问. 我们尚不清楚它是否适用于其他元素, 而且对于同一元素的不同价态该结论是否适用也不清楚. 为此, 本文将考察含氮体系. 对5 个不同类别的含氮体系共计40 个分子进行了研究, 其中包括重氮苯、偶氮、重氮、一级和二级胺体系. 结果表明, 对所有五个含氮体系其Hirshfeld 电荷与实验得到的亲电性和亲核性标度之间仍然存在着较强的线性关联. 然而, 这些相关性却依赖于氮元素的化合价类型和键合环境. 该线性关系只能在同一类型中成立. 我们对其可能的原因进行了讨论.

English

    1. [1]

      (1) March, J. Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure;Wiley: New York, USA, 1985.

      (1) March, J. Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure;Wiley: New York, USA, 1985.

    2. [2]

      (2) Swain, C. G.; Scott, C. B. J. Am. Chem. Soc. 1953, 75, 141. doi: 10.1021/ja01097a041(2) Swain, C. G.; Scott, C. B. J. Am. Chem. Soc. 1953, 75, 141. doi: 10.1021/ja01097a041

    3. [3]

      (3) Ritchie, C. D. Accounts Chem. Res. 1972, 5, 348. doi: 10.1021/ar50058a005(3) Ritchie, C. D. Accounts Chem. Res. 1972, 5, 348. doi: 10.1021/ar50058a005

    4. [4]

      (4) Mayr, H.; Patz, M. Angew. Chem. Int. Edit. 1994, 33, 938.(4) Mayr, H.; Patz, M. Angew. Chem. Int. Edit. 1994, 33, 938.

    5. [5]

      (5) Parr, R. G.; Yang,W. Density-Functional Theory of Atoms and Molecules. In International Series of Monographs on Chemistry; Clarendon Press: Oxford, England, 1989.(5) Parr, R. G.; Yang,W. Density-Functional Theory of Atoms and Molecules. In International Series of Monographs on Chemistry; Clarendon Press: Oxford, England, 1989.

    6. [6]

      (6) Geerlings, P.; DeProft, F.; Langenaeker,W. Chem. Rev. 2003, 103, 1793. doi: 10.1021/cr990029p(6) Geerlings, P.; DeProft, F.; Langenaeker,W. Chem. Rev. 2003, 103, 1793. doi: 10.1021/cr990029p

    7. [7]

      (7) Chattaraj, P. K.; Sarkar, U.; Roy, D. R. Chem. Rev. 2006, 106, 2065. doi: 10.1021/cr040109f(7) Chattaraj, P. K.; Sarkar, U.; Roy, D. R. Chem. Rev. 2006, 106, 2065. doi: 10.1021/cr040109f

    8. [8]

      (8) Liu, S. B. Acta Phys. -Chim. Sin. 2009, 25, 590. [刘述斌. 物理化学学报, 2009, 25, 590.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20090332(8) Liu, S. B. Acta Phys. -Chim. Sin. 2009, 25, 590. [刘述斌. 物理化学学报, 2009, 25, 590.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20090332

    9. [9]

      (9) Parr, R. G.; Yang,W. J. Am. Chem. Soc. 1984, 106, 4049. doi: 10.1021/ja00326a036(9) Parr, R. G.; Yang,W. J. Am. Chem. Soc. 1984, 106, 4049. doi: 10.1021/ja00326a036

    10. [10]

      (10) Parr, R. G.; von Szentpaly, L.; Liu, S. B. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 1922. doi: 10.1021/ja983494x(10) Parr, R. G.; von Szentpaly, L.; Liu, S. B. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 1922. doi: 10.1021/ja983494x

    11. [11]

      (11) Jaramillo, P.; Perez, P.; Contreras, R.; Tiznado,W.; Fuentealba, P. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 8181. doi: 10.1021/jp057351q(11) Jaramillo, P.; Perez, P.; Contreras, R.; Tiznado,W.; Fuentealba, P. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 8181. doi: 10.1021/jp057351q

    12. [12]

      (12) Ayers, P.W.; Anderson, J. S. M.; Rodriguez, J. I.; Jawed, Z. Phys. Chem. Chem. Phys. 2005, 7, 1918. doi: 10.1039/b500996k(12) Ayers, P.W.; Anderson, J. S. M.; Rodriguez, J. I.; Jawed, Z. Phys. Chem. Chem. Phys. 2005, 7, 1918. doi: 10.1039/b500996k

    13. [13]

      (13) Morell, C.; Grand, A.; Toro-Labbe, A. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 205. doi: 10.1021/jp046577a(13) Morell, C.; Grand, A.; Toro-Labbe, A. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 205. doi: 10.1021/jp046577a

    14. [14]

      (14) Ayers, P.W.; Morell, C.; De Proft, D.; Geerlings, P. Chem. Eur. J. 2007, 13, 8240.(14) Ayers, P.W.; Morell, C.; De Proft, D.; Geerlings, P. Chem. Eur. J. 2007, 13, 8240.

    15. [15]

      (15) Liu, S. B.; Ess, D. H.; Schauer, C. K. J. Phys. Chem. A 2011, 115, 4738. doi: 10.1021/jp112319d(15) Liu, S. B.; Ess, D. H.; Schauer, C. K. J. Phys. Chem. A 2011, 115, 4738. doi: 10.1021/jp112319d

    16. [16]

      (16) Kumar, N.; Liu, S. B.; Kozlowski, P. M. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 1035.(16) Kumar, N.; Liu, S. B.; Kozlowski, P. M. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 1035.

    17. [17]

      (17) Markownikoff,W. Ann. Pharm. (Lem , Ger.) 1870, 153, 228.(17) Markownikoff,W. Ann. Pharm. (Lem , Ger.) 1870, 153, 228.

    18. [18]

      (18) Baldwin, J. E. J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1976, 1976, 734.(18) Baldwin, J. E. J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1976, 1976, 734.

    19. [19]

      (19) Fürst, A.; Plattner, P. A. Helv. Chim. Acta 1949, 32, 275.(19) Fürst, A.; Plattner, P. A. Helv. Chim. Acta 1949, 32, 275.

    20. [20]

      (20) Liu, S. B.; Rong, C. Y.; Lu, T. J. Phys. Chem. A 2014, 118, 3698. doi: 10.1021/jp5032702(20) Liu, S. B.; Rong, C. Y.; Lu, T. J. Phys. Chem. A 2014, 118, 3698. doi: 10.1021/jp5032702

    21. [21]

      (21) Hirshfeld, F. Theor. Chim. Acc. 1977, 44, 129. doi: 10.1007/BF00549096(21) Hirshfeld, F. Theor. Chim. Acc. 1977, 44, 129. doi: 10.1007/BF00549096

    22. [22]

      (22) Shannon, C. E. Bell Syst. Tech. J. 1948, 27, 379. doi: 10.1002/bltj.1948.27.issue-3(22) Shannon, C. E. Bell Syst. Tech. J. 1948, 27, 379. doi: 10.1002/bltj.1948.27.issue-3

    23. [23]

      (23) Liu, S. B. J. Chem. Phys. 2007, 126, 191107. doi: 10.1063/1.2741244(23) Liu, S. B. J. Chem. Phys. 2007, 126, 191107. doi: 10.1063/1.2741244

    24. [24]

      (24) Kullback, S.; Leibler, R.A. Ann. Math. Stat. 1951, 22, 79.(24) Kullback, S.; Leibler, R.A. Ann. Math. Stat. 1951, 22, 79.

    25. [25]

      (25) Bader, R. F.W. Atoms in Molecules: A Quantum Theory; Oxford University Press: Oxford, England, 1990.(25) Bader, R. F.W. Atoms in Molecules: A Quantum Theory; Oxford University Press: Oxford, England, 1990.

    26. [26]

      (26) Rong, C. Y.; Lu, T.; Liu, S. B. J. Chem. Phys. 2014, 140, 024109. doi: 10.1063/1.4860969(26) Rong, C. Y.; Lu, T.; Liu, S. B. J. Chem. Phys. 2014, 140, 024109. doi: 10.1063/1.4860969

    27. [27]

      (27) Lu, T.; Chen, F.WActa Phys. -Chim. Sin. 2012, 28, 1. [卢天, 陈正武. 物理化学学报, 2012, 28, 1.] doi: 10.3866/PKU.WHXB2012281(27) Lu, T.; Chen, F.WActa Phys. -Chim. Sin. 2012, 28, 1. [卢天, 陈正武. 物理化学学报, 2012, 28, 1.] doi: 10.3866/PKU.WHXB2012281

    28. [28]

      (28) Nalewajski, R. F.; Parr, R. G. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2000, 97, 8879. doi: 10.1073/pnas.97.16.8879(28) Nalewajski, R. F.; Parr, R. G. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2000, 97, 8879. doi: 10.1073/pnas.97.16.8879

    29. [29]

      (29) Nalewajski, R. F.; Parr, R. G. J. Phys. Chem. A 2001, 105, 7391. doi: 10.1021/jp004414q(29) Nalewajski, R. F.; Parr, R. G. J. Phys. Chem. A 2001, 105, 7391. doi: 10.1021/jp004414q

    30. [30]

      (30) Parr, R. G.; Ayers, P.W.; Nalewajski, R. F. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 3957. doi: 10.1021/jp0404596(30) Parr, R. G.; Ayers, P.W.; Nalewajski, R. F. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 3957. doi: 10.1021/jp0404596

    31. [31]

      (31) Ayers, P.W. Theor. Chem. Acc. 2006, 115, 370. doi: 10.1007/s00214-006-0121-5(31) Ayers, P.W. Theor. Chem. Acc. 2006, 115, 370. doi: 10.1007/s00214-006-0121-5

    32. [32]

      (32) Mayr, H.; Bug, T.; tta, M. F.; Hering, N.; Irrgang, B.; Janker, B.; Kempf, B.; Loos, R.; Ofial, A. R.; Remennikov, G.; Schimmel, H. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 9500. doi: 10.1021/ja010890y(32) Mayr, H.; Bug, T.; tta, M. F.; Hering, N.; Irrgang, B.; Janker, B.; Kempf, B.; Loos, R.; Ofial, A. R.; Remennikov, G.; Schimmel, H. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 9500. doi: 10.1021/ja010890y

    33. [33]

      (33) Lucius, R.; Loos, R.; Mayr, H. Angew. Chem. Int. Edit. 2002, 41, 91. doi: 10.1002/1521-3773(20020104)41:1<>1.0.CO;2-5(33) Lucius, R.; Loos, R.; Mayr, H. Angew. Chem. Int. Edit. 2002, 41, 91. doi: 10.1002/1521-3773(20020104)41:1<>1.0.CO;2-5

    34. [34]

      (34) Mayr, H.; Kempf, B.; Ofial, A. R. Accounts Chem. Res. 2003, 36, 66. doi: 10.1021/ar020094c(34) Mayr, H.; Kempf, B.; Ofial, A. R. Accounts Chem. Res. 2003, 36, 66. doi: 10.1021/ar020094c

    35. [35]

      (35) (a) Pérez, P. J. Org. Chem. 2003, 68, 5886.(b) Mayr, H.; Hartnagel, M.; Grimm, K. Liebigs Ann. /Recl.1997, 55.(35) (a) Pérez, P. J. Org. Chem. 2003, 68, 5886.(b) Mayr, H.; Hartnagel, M.; Grimm, K. Liebigs Ann. /Recl.1997, 55.

    36. [36]

      (36) Kanzian, T.; Mayr, H. Chem. Eur. J. 2010, 16, 11670. doi: 10.1002/chem.v16:38(36) Kanzian, T.; Mayr, H. Chem. Eur. J. 2010, 16, 11670. doi: 10.1002/chem.v16:38

    37. [37]

      (37) Bug, T.; Hartnagel, M.; Schlierf, C.; Mayr, H. Chem. Eur. J. 2003, 9, 4068.(37) Bug, T.; Hartnagel, M.; Schlierf, C.; Mayr, H. Chem. Eur. J. 2003, 9, 4068.

    38. [38]

      (38) Brotzel, F.; Chu, Y. C.; Mayr, H. J. Org. Chem. 2007, 72, 3679. doi: 10.1021/jo062586z(38) Brotzel, F.; Chu, Y. C.; Mayr, H. J. Org. Chem. 2007, 72, 3679. doi: 10.1021/jo062586z

    39. [39]

      (39) Ditchfield, R.; Hehre,W. J.; Pople, J. J. Chem. Phys. 1971, 54, 724. doi: 10.1063/1.1674902(39) Ditchfield, R.; Hehre,W. J.; Pople, J. J. Chem. Phys. 1971, 54, 724. doi: 10.1063/1.1674902

    40. [40]

      (40) Zhao, Y.; Truhlar, D. G. Theor. Chem. Acc. 2008, 120, 215. doi: 10.1007/s00214-007-0310-x(40) Zhao, Y.; Truhlar, D. G. Theor. Chem. Acc. 2008, 120, 215. doi: 10.1007/s00214-007-0310-x

    41. [41]

      (41) Frisch, M. J.; Trucks, G.W.; Schlegel, H. B.; et al. Gaussian 09, Revision D.01; Gaussian Inc.:Wallingford, CT, 2009.(41) Frisch, M. J.; Trucks, G.W.; Schlegel, H. B.; et al. Gaussian 09, Revision D.01; Gaussian Inc.:Wallingford, CT, 2009.

    42. [42]

      (42) Cossi, M.; Rega, N.; Scalmani, G.; Baronem, V. J. Comput. Chem. 2003, 24, 669. doi: 10.1002/jcc.10189(42) Cossi, M.; Rega, N.; Scalmani, G.; Baronem, V. J. Comput. Chem. 2003, 24, 669. doi: 10.1002/jcc.10189

    43. [43]

      (43) Lu, T.; Chen, F. J. Comput. Chem. 2012, 33, 580. doi: 10.1002/jcc.v33.5(43) Lu, T.; Chen, F. J. Comput. Chem. 2012, 33, 580. doi: 10.1002/jcc.v33.5

    44. [44]

      (44) Liu, S. B. J. Chem. Phys. 2007, 126, 244103. doi: 10.1063/1.2747247(44) Liu, S. B. J. Chem. Phys. 2007, 126, 244103. doi: 10.1063/1.2747247

    45. [45]

      (45) Liu, S. B. J. Phys. Chem. A 2013, 117, 962. doi: 10.1021/jp312521z(45) Liu, S. B. J. Phys. Chem. A 2013, 117, 962. doi: 10.1021/jp312521z

    46. [46]

      (46) Liu, S. B.; Pedersen, L. G. J. Phys. Chem. A 2009, 113, 3648. doi: 10.1021/jp811250r(46) Liu, S. B.; Pedersen, L. G. J. Phys. Chem. A 2009, 113, 3648. doi: 10.1021/jp811250r

    47. [47]

      (47) Liu, S. B.; Schauer, C. K.; Pedersen, L. G. J. Chem. Phys. 2009, 131, 164107. doi: 10.1063/1.3251124(47) Liu, S. B.; Schauer, C. K.; Pedersen, L. G. J. Chem. Phys. 2009, 131, 164107. doi: 10.1063/1.3251124

    48. [48]

      (48) Huang, Y.; Liu, L.; Liu,W.; Liu, S. G.; Liu, S. B. J. Phys. Chem. A 2011, 115, 14697. doi: 10.1021/jp209540p(48) Huang, Y.; Liu, L.; Liu,W.; Liu, S. G.; Liu, S. B. J. Phys. Chem. A 2011, 115, 14697. doi: 10.1021/jp209540p

    49. [49]

      (49) Liu, S. B.; Hu, H.; Pedersen, L. G. J. Phys. Chem. A 2010, 114, 5913. doi: 10.1021/jp101329f(49) Liu, S. B.; Hu, H.; Pedersen, L. G. J. Phys. Chem. A 2010, 114, 5913. doi: 10.1021/jp101329f

    50. [50]

      (50) Huang, Y.; Zhong, A. G.; Yang, Q. S.; Liu, S. B. J. Chem. Phys. 2011, 134, 084103. doi: 10.1063/1.3555760

      (50) Huang, Y.; Zhong, A. G.; Yang, Q. S.; Liu, S. B. J. Chem. Phys. 2011, 134, 084103. doi: 10.1063/1.3555760

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  744
  • 文章访问数:  1729
  • HTML全文浏览量:  109
文章相关
  • 发布日期:  2014-10-30
  • 收稿日期:  2014-08-07
  • 网络出版日期:  2014-09-19
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章