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Título: Estrutura eletrônica e ligações químicas em mecanismos de reações de substituição nucleofílica: análises topológica da densidade eletrônica total e de recobrimento
Autor(es): Santos Júnior, Carlos Vital dos
Orientador: Souza, Miguel Ângelo Fonseca de
Palavras-chave: Química analítica;QTAIM;SN2;Propriedades de recobrimento
Data do documento: 29-Out-2021
Editor: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Referência: SANTOS JÚNIOR, Carlos Vital dos. Estrutura eletrônica e ligações químicas em mecanismos de reações de substituição nucleofílica: análises topológica da densidade eletrônica total e de recobrimento. 2021. 81f. Dissertação (Mestrado em Química) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2021.
Resumo: O entendimento dos aspectos centrais dos mecanismos de reações químicas tem focado na descrição energética e estrutural dos PES (do inglês “profile energetic surface”). No entanto, métodos de análise de ligações químicas podem contribuir com informações cruciais na descrição destes mecanismos. Uma interessante reação química para aplicar análises de ligações químicas são as substituições nucleofílicas bimoleculares (SN2). Uma característica peculiar desta reação em fase gás é a dependência que a forma do PES apresenta em função da natureza do átomo central ou substituinte, normalmente atribuído a efeitos estéricos. O objetivo deste trabalho é aplicar os modelos QTAIM (quantum theory of atoms in molecules), OP (overlap properties) e LVM (local vibrational mode) no estudo das ligações químicas de interesse nos pontos estacionários das reações Cl– + XR3Cl (sendo que A = C, Si) e Cl– + BR2Cl (sendo que B = P e N), com R = H, F, Cl, Me e Et. Para as reações SN2@C e SN2@N, os reagentes e produtos estão separados por um estado de transição pentacoordenado(@C) ou tretacoordenado(@N), correspondente ao ponto de sela na PES. Por outro lado, para as reações SN2@Si e SN2@P, um complexo de transição pentacoordenado(@Si) e tetracoordenado (@P) estável foi observado. Os descritores da análise QTAIM (∇ 2𝜌𝐵𝐶𝑃 e 𝐻𝐵𝐶𝑃), propriedades de recobrimento (𝐽𝑂𝑃 𝑖𝑛𝑡𝑟𝑎) e as constantes de força LVM (𝑘𝑛 𝑎 ) foram obtidas para os sistemas estudados. As análises QTAIM indicam que as ligações C–R e N–R são mais covalentes que as ligações Si–R e P–R, devido aos valores mais negativos de 𝐻𝐵𝐶𝑃 e ∇ 2𝜌𝐵𝐶𝑃. Estes resultados concordam com as propriedades de recobrimento para as ligações C–R e N–R, indicando uma alta concentração de densidade nestas ligações quando comparada as ligações Si–R e P–R. Além disso, o método LVM (através das constantes de força 𝑘𝑛 𝑎 ) também revela que as ligações C–R e N–R são mais fortes do que as ligações Si–R e P–R. Por fim, a repulsão de recobrimento de Coulomb (𝐽𝑂𝑃 𝑖𝑛𝑡𝑟𝑎) é geralmente maior para as ligações C–R do que Si–R nos sistemas com formato XR3Cl, sugerindo que o efeito estérico experimentados pelo Cl– nas reações SN2@C está provavelmente associado com um aumento da natureza covalente das ligações C–R que concentra densidade eletrônica de forma mais eficiente do que a ligação Si–R. Concluímos que no caso SN2@C e @Si as propriedades das ligações químicas são predominantemente influenciadas pelas propriedades dos átomos centrais enquanto SN2@N e @P existe maior dependência ao tipo do grupo substituinte.
Abstract: Understanding the key aspects of chemical reaction mechanisms is usually focused on the profile energetic surface (PES) energetic and structural. However, bond analysis methodologies can add information about the reaction mechanisms. An attractive reaction to apply bond analysis methods is the bimolecular nucleophilic substitution (SN2). A peculiar feature of this reaction in the gas phase is the PES dependence on the atomic center and/or substituent group nature, generally attributed to steric effects. The central goal of this work is to apply the QTAIM, overlap properties (OP), and local vibrational mode (LVM) theory models to study the chemical bonds in stationary points of the Cl– + XR3Cl (with A = C and Si) and C– – + BR2Cl (with B = P and N) reactions, with R = H, F, Cl, Me, e Et. On the one hand, for the SN2@C and SN2@N reactions, the reactants and products are separated by a pentacoordinate(@C) and tetracoordinate (@N) transition state (TS), corresponding to a saddle point in the PES. On the other hand, for SN2@Si and SN2@P reactions a stable pentacoordinate(@Si) and tetracoordinate (@P) transition complex is observed. The chemical bond descriptors ∇ 2𝜌𝐵𝐶𝑃 and 𝐻𝐵𝐶𝑃, overlap properties (𝐽𝑂𝑃 𝑖𝑛𝑡𝑟𝑎) and LVM force constants (𝑘𝑛 𝑎 ) were obtained for the studied systems. QTAIM analysis indicated that the C–R and N–R bonds are indicated to be more covalent than the Si–R and P–R bonds, due more negative 𝐻𝐵𝐶𝑃 and ∇ 2𝜌𝐵𝐶𝑃 values. These results agree with the overlap properties to C–R and N–R bonds, indicating a high density concentration as compared to Si–R and P-R bonds. Besides, the LVM analysis (from the force constants 𝑘𝑛 𝑎 values) also reveal that the C–R and N–R bonds are more stronger than Si–R and P–R ones. Lastly, the overlap Coulomb repulsion energy (𝐽𝑂𝑃 𝑖𝑛𝑡𝑟𝑎) is generally greater in C–R than in Si–R in XR3Cl systems, suggesting that the steric hindrance experienced by Cl– in SN2@C reactions is probably associated with the greater covalent nature of C–R bonds, that concentrate density along the chemical bond more efficiently than in Si–R. We conclude that in the case SN2@C and @Si the properties of the chemical bonds are predominantly influenced by the nature of the central atoms, for SN2@N and @P there is greater dependence on the type of the substituent group.
URI: https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/45587
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