以色列的研究人员在研究二磷酸自由基离子的反应性时发现,跨空间的相互作用对反应性的影响比以前认为的要大得多。

团队,由Thijs Stuyver而且Sason Shaik(来自耶路撒冷希伯来大学)对一组二苯二甲酸自由基的h抽离反应性进行了计算研究。二极性自由基离子是一类自由基离子,其中电荷和自由基被两个或多个原子正式分开。在Shaik和同事研究的自由基中,带电的取代基是化学惰性的,自由基包含在芳香环内,在取代基的对位、中位或邻位。

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来源:©Sason Shaik/耶路撒冷希伯来大学

研究小组探索了二重离子中的带电官能团是否可以被描述为吸电子/供电子取代基的极端形式,或者它们诱导的自由基反应性调制是否主要是由穿过空间效应引起的

以往的研究表明,这类物质的反应活性与中性苯基相似,但远端电荷取代基对反应速率有显著影响。这被认为是通过增强自由基位点的亲电性或亲核性而发生的通过贯穿键机制。

有机化学中的机制主要是通过键的相互作用,如分子中电子吸出基团或电子给体基团的感应和共振效应。然而,近年来,越来越多的报告表明,物种之间的跨空间静电相互作用主导了许多被认为完全由穿透键效应引起的情况。丽贝卡·伯恩斯他说:“众所周知,要将取代基的贯穿键效应和贯穿空间(静电)效应彼此分离开来,从而真正解析它们对观察到的事件或行为的相对重要性,是非常困难的。”

Stuyver和Shaik的团队通过比较二重离子离子与不带电类似物的反应性,计算研究了这种情况,然后在不带电离子中加入定向外电场(OEEF),以模拟带电取代基施加的净场。他们发现,用OEEF计算的不带电自由基的反应垒与实验报告的反应垒有很强的相关性,这表明在这种情况下,穿过空间效应占主导地位。伯恩斯说:“它把取代基从反应式中完全去掉了。”“这可以对两种效应进行清晰的解剖,并证明了经常被忽视的取代基的穿透空间影响在二磷酸自由基离子中主导穿透键效应的能力。”目前的工作增加并推动了越来越多的研究,调查贯穿空间和贯穿键取代基效应的相对重要性,这一领域将帮助化学家合理化后者无法解释所观察到的行为的情况。”

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来源:©Sason Shaik/耶路撒冷希伯来大学

二重根离子的分子静电势图(上)及其对应的不带电自由基类似物(下)证实了带电取代基对二重根离子中苯基单元电子结构的影响是相当有限的

史蒂文·惠勒他在美国佐治亚大学的研究小组使用计算工具研究非共价相互作用,他说,通过量化与带电荷取代基的苯基反应中穿越空间静电效应的重要性,这项工作提供了一个令人信服的例子,他称之为“库仑定律的长臂”。“也就是说,在分子的一个区域引入电荷会影响远端区域的静电势和电场,通常会对分子行为产生深远的影响。”

这些结果增加了一个不断增长的显性穿过空间效应的例子列表,这可能对理解反应性和机理产生重要影响,因此有助于化学家为有机反应设计更有效的催化剂。一系列不同的反应和催化剂类型已被证明可以利用这些效应。

惠勒补充说:“我们的研究小组已经研究了非共价相互作用和立体选择性有机催化反应中的这种效应。”“而其他人已经在其他反应类型中证明了这一点,包括那些由酶催化的反应。很高兴看到这个简单而重要的概念突然出现在激进的反应中。”