Quantification of Molecular Basicity for Amines: a Combined Conceptual Density Functional Theory and Information-Theoretic Approach Study

Xuezhu Xiao Xiaofang Cao Dongbo Zhao Chunying Rong Shubin Liu

Citation:  Xiao Xuezhu, Cao Xiaofang, Zhao Dongbo, Rong Chunying, Liu Shubin. Quantification of Molecular Basicity for Amines: a Combined Conceptual Density Functional Theory and Information-Theoretic Approach Study[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2020, 36(11): 1906034-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB201906034 shu

运用概念密度泛函理论和信息论方法定量描述胺类分子的分子碱度

    通讯作者: 荣春英, rongchunying@aliyun.com
    刘述斌, shubin@email.unc.edu
  • 基金项目:

    湖南省国家自然科学基金 2017JJ3201

    国家自然科学基金 21503076

    国家自然科学基金(21503076)和湖南省国家自然科学基金(2017JJ3201)资助项目

摘要: 分子酸碱性是一对在化学、生物和其他学科中广泛运用的化学概念。如何从理论和计算的角度定量描述分子酸碱度仍然是一个尚未完全解决的难题。为此,我们早前从概念密度泛函的角度提出运用分子静电势和自然原子价轨道。随后,我们又提出运用信息理论中的香农熵、费舍尔信息、信息增益等量来定量测定亲电性、亲核性、区域和立体选择性,并成功运用于预测包括单和双取代苯甲酸、苯磺酸、苯亚硒酸、酚和烷基羧酸在内的五类分子酸性,系统地验证了信息论方法的适用性和有效性。作为该工作的延续,本文将概念密度泛函理论和信息论方法结合起来并推广运用至更多更广的体系。为此我们以伯胺、仲胺和叔胺三类胺类体系共179个分子为例,验证其普适性和有效性。运用分子静电势或者等价的自然价原子轨道能量,以及信息理论中香农熵、费舍尔信息、Ghosh-Berkowitz-Parr熵、信息增益、Onicescu信息能量、相对Rényi熵等信息量,发现均能有较地预测三类胺分子的碱性,与实验pKa值呈较好的相关性。而且,将这些量组合在一起能够得到更准确的预测模型。其原因在于这些描述符均为电子密度泛函。根据密度泛函理论的基本原理,它们包含有足够的信息来描述包括分子酸碱性在内的所有基态性质。我们的结果显示,该方法同样适用于其他体系。本文为有效预测分子酸碱性提供了一个有效途径。

English

    1. [1]

      Lowry, T. M. J. Chem. Technol. Biotechnol. 1923, 42, 43. doi: 10.1002/jctb.5000420302 doi: 10.1002/jctb.5000420302

    2. [2]

      Lowry, T. M. J. Chem. Technol. Biotechnol. 1923, 42, 1048. doi: 10.1002/jctb.5000424402 doi: 10.1002/jctb.5000424402

    3. [3]

      Bronsted, J. N. J. Chem. Phys. 1925, 30, 777. doi: 10.1021/j150264a007 doi: 10.1021/j150264a007

    4. [4]

      Everett, D. H.; Wynne-Jones, W. F. K. Trans. Faraday Soc. 1939, 35, 1380. doi: 10.1039/TF9393501380 doi: 10.1039/TF9393501380

    5. [5]

      Lias, S. G.; Liebman, J. F.; Levin, R. D. J. Phys. Chem. Ref. Data 1984, 13, 695. doi: 10.1063/1.555719 doi: 10.1063/1.555719

    6. [6]

      Raczyńska, E. D.; Gal, J. F.; Maria, P. C. Chem. Rev. 2016, 116, 13454. doi: 10.1021/acs.chemrev.6b00224 doi: 10.1021/acs.chemrev.6b00224

    7. [7]

      Pliego, J. R. Chem. Phys. Lett. 2003, 367, 145. doi: 10.1016/S0009-2614(02)01686-X doi: 10.1016/S0009-2614(02)01686-X

    8. [8]

      Casasnovas, R.; Ortega-Castro, J.; Frau, J.; Donoso, J.; Muñoz, F. Int. J. Quantum Chem. 2014, 114, 1350. doi: 10.1002/qua.24699 doi: 10.1002/qua.24699

    9. [9]

      Hernandez, C. J. Chil. Chem. Soc. 2016, 61, 3160. doi: 10.4067/S0717-97072016000400002 doi: 10.4067/S0717-97072016000400002

    10. [10]

      Geerlings, P.; De Proft, F.; Langenaeker, W. Chem. Rev. 2003, 103, 1793. doi: 10.1021/cr990029p doi: 10.1021/cr990029p

    11. [11]

      刘述斌.物理化学学报, 2009, 25, 590. doi: 10.3866/PKU.WHXB20090332Liu, S. B. Acta Phys. -Chim. Sin. 2009, 25, 590. doi: 10.3866/PKU.WHXB20090332

    12. [12]

      Parr, R. G.; Yang, W. T. Density Functional Theory of Atoms and Molecules; Oxford University Press: New York, USA, 1989.

    13. [13]

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

    14. [14]

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

    15. [15]

      刘述斌.物理化学学报, 2014, 141, 194109. doi: 10.1063/1.4901898Liu, S. B. J. Chem. Phys. 2014, 141, 194109. doi: 10.1063/1.4901898

    16. [16]

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

    17. [17]

      刘述斌.物理化学学报, 2016, 32, 98. doi: 10.3866/PKU.WHXB201510302Liu, S. B. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32, 98. doi: 10.3866/PKU.WHXB201510302

    18. [18]

      Liu, S. B.; Rong, C. Y.; Lu, T. Phys. Chem. Chem. Phys. 2017, 19, 1496. doi: 10.1039/C6CP06376D doi: 10.1039/C6CP06376D

    19. [19]

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

    20. [20]

      Ali, S. T.; Karamat, S.; Kóňa, J.; Fabian, W. M. F. J. Phys. Chem. A 2010, 114, 12470. doi: 10.1021/jp102266v doi: 10.1021/jp102266v

    21. [21]

      Cao, X. F.; Rong, C. Y.; Zhong, A. G.; Lu, T.; Liu, S. B. J. Comput. Chem. 2017, 39, 117. doi: 10.1002/jcc.25090 doi: 10.1002/jcc.25090

    22. [22]

      Seiler, N.; Demisch, L.; Schneider, H. Angew. Chem. Int. Ed. 1971, 10, 51. doi: 10.1002/anie.197100511 doi: 10.1002/anie.197100511

    23. [23]

      Medina, M. Á.; Urdiales, J. L.; Rodríguez-Caso, C.; Ramírez, F. J.; Sánchez-Jiménez, F. Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol. 2003, 38, 23. doi: 10.1080/713609209 doi: 10.1080/713609209

    24. [24]

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

    25. [25]

      Huang, Y.; Liu, L.; Liu, S. B. Chem. Phys. Lett. 2012, 527, 73. doi: 10.1016/j.cplett.2012.01.014 doi: 10.1016/j.cplett.2012.01.014

    26. [26]

      Zhao, D. B.; Rong, C. Y.; Yin, D. L.; Liu, S. B. J. Theor. Comput. Chem. 2013, 12, 1350034. doi: 10.1142/S021963361350034X doi: 10.1142/S021963361350034X

    27. [27]

      Liu, S. B. J. Phys. Chem. A 2015, 119, 3107. doi: 10.1021/acs.jpca.5b00443 doi: 10.1021/acs.jpca.5b00443

    28. [28]

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

    29. [29]

      Shannon, C. E. J. Bell Syst. Tech. 1948, 27, 379. doi: 10.1002/j.1538-7305.1948.tb01338.x doi: 10.1002/j.1538-7305.1948.tb01338.x

    30. [30]

      Stephen, B.; Sears Robert, G.; Dinur, P. U. Isr. J. Chem. 1980, 19, 165. doi: 10.1002/ijch.198000018 doi: 10.1002/ijch.198000018

    31. [31]

      Sears, S. B.; Gadre, S. R. J. Chem. Phys. 1981, 75, 4626. doi: 10.1063/1.442578 doi: 10.1063/1.442578

    32. [32]

      Fisher, R. A. Math. Proc. Camb. Phil. 1925, 22, 700. doi: 10.1017/S0305004100009580 doi: 10.1017/S0305004100009580

    33. [33]

      Rong, C. Y.; Lu, T.; Chattaraj, P. K.; Liu, S. B. Indian J. Chem. A 2014, 53A, 970.

    34. [34]

      Ghosh, S. K.; Berkowitz, M.; Parr, R. G. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1984, 81, 8028. doi: 10.1073/pnas.81.24.8028 doi: 10.1073/pnas.81.24.8028

    35. [35]

      Nalewajski, R. F.; Parr, R. G. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2000, 97, 8879. doi: 10.1073/pnas.97.16.8879 doi: 10.1073/pnas.97.16.8879

    36. [36]

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

    37. [37]

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

    38. [38]

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

    39. [39]

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

    40. [40]

      Nagy, Á.; Romera, E. Europhys. Lett. 2015, 109, 60002. doi: 10.1209/0295-5075/109/60002 doi: 10.1209/0295-5075/109/60002

    41. [41]

      刘述斌, 荣春英, 吴泽民, 卢天.物理化学学报, 2015, 31, 2057. doi: 10.3866/PKU.WHXB201509183Liu, S. B.; Rong, C. Y.; Wu, Z. M.; Lu, T. Acta Phys. -Chim. Sin. 2015, 31, 2057. doi: 10.3866/PKU.WHXB201509183

    42. [42]

      Nagy, Á.; Romera, E. Europhys. Lett. 2015, 109, 60002. doi: 10.1209/0295-5075/109/60002 doi: 10.1209/0295-5075/109/60002

    43. [43]

      Tsallis, C. J. Statis. Phys. 1988, 52, 479. doi: 10.1007/BF01016429 doi: 10.1007/BF01016429

    44. [44]

      Onicescu, O. C. R. Acad. Sci., Paris, Serie A 1966, 263, 841.

    45. [45]

      Hall, H. K. J. Am. Chem. Soc. 1957, 79, 5441. doi: 10.1021/ja01577a030 doi: 10.1021/ja01577a030

    46. [46]

      Soloway, S.; Lipschitz, A. J. Org. Chem. 1958, 23, 613. doi: 10.1021/jo01098a603 doi: 10.1021/jo01098a603

    47. [47]

      Stevenson, G. W.; Williamson, D. J. Am. Chem. Soc. 1958, 80, 5943. doi: 10.1021/ja01555a014 doi: 10.1021/ja01555a014

    48. [48]

      Bissell, E. R.; Finger, M. J. Org. Chem. 1959, 24, 1256. doi: 10.1021/jo01091a024 doi: 10.1021/jo01091a024

    49. [49]

      Tuckerman, M. M.; Mayer, J. R.; Nachod, F. C. J. Am. Chem. Soc. 1959, 81, 92. doi: 10.1021/ja01510a020 doi: 10.1021/ja01510a020

    50. [50]

      Bryson, A. J. Am. Chem. Soc. 1960, 82, 4871. doi: 10.1021/ja01503a030 doi: 10.1021/ja01503a030

    51. [51]

      Bell, R. P. Proton. Chem. 1973, 86. doi: 10.1007/978-1-4757-1592-7_6 doi: 10.1007/978-1-4757-1592-7_6

    52. [52]

      Bordwell, F. G.; Algrim, D.; Vanier, N. R. J. Org. Chem. 1977, 42, 1817. doi: 10.1021/jo00430a039 doi: 10.1021/jo00430a039

    53. [53]

      Lide, D. R. Handbook of Chemistry and Physics, 88th Ed.; CRC Press: Boca Raton, FL, London, UK, 2007.

    54. [54]

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

    55. [55]

      Lee, C.; Yang, W.; Parr, R. G. Phys. Rev. B 1988, 37, 785. doi: 10.1103/PhysRevB.37.785 doi: 10.1103/PhysRevB.37.785

    56. [56]

      Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648. doi: 10.1063/1.464913 doi: 10.1063/1.464913

    57. [57]

      Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; robb, M. A.; Scalmani, J. R.; Cheeseman, G.; Barone, V.; Mennucci, B.; Peterson, G. A.; et al. Gaussian 09, Revision D.01; Gaussian Inc.: Wallingford, CT, USA. 2009.

    58. [58]

      Lu, T.; Chen, F. J. Comput. Chem. 2012, 33, 580. doi: 10.1002/jcc.22885 doi: 10.1002/jcc.22885

    59. [59]

      Hirshfeld, F. L. Theo. Chim. Acta 1977, 44, 129. doi: 10.1007/BF00549096 doi: 10.1007/BF00549096

    60. [60]

      Rong, C. Y.; Lu, T.; Ayers, P. W.; Chattaraj, P. K.; Liu, S. B. Phys. Chem. Chem. Phys. 2015, 17, 4977. doi: 10.1039/C4CP05609D doi: 10.1039/C4CP05609D

    61. [61]

      Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1988, 88, 2547. doi: 10.1063/1.454033 doi: 10.1063/1.454033

    62. [62]

      Bader, R. F. W. Atoms in Molecules-A Quantum Theory; Oxford University Press: Oxford, UK. 1990.

    63. [63]

      Seybold, P. G.; Shields, G. C. 2015, 5, 290. doi: 10.1002/wcms.1218

    64. [64]

      Juranić, I. Croat. Chem. Acta 2014, 87 343. doi: org/10.5562/cca2462

    65. [65]

      周夏禹, 荣春英, 卢天, 刘述斌.物理化学学报, 2014, 20, 2055. doi: 10.3866/PKU.WHXB201409193Zhou, X. Y.; Rong, C. Y.; Lu, T.; Liu, S. B. Acta Phys. -Chim. Sin. 2014, 20, 2055. doi: 10.3866/PKU.WHXB201409193

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  79
  • HTML全文浏览量:  11
文章相关
  • 发布日期:  2020-11-15
  • 收稿日期:  2019-06-06
  • 接受日期:  2019-07-12
  • 修回日期:  2019-07-01
  • 网络出版日期:  2019-07-17
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