Кіріспе
Физикалық органикалық химияда кинетикалық изотоптық эффект (KIE) – реакцияға қатысушы заттардың біреуіндегі атомның оның изотопымен алмастырылуынан химикалық реакция жылдамдығының өзгеруі. Реакцияның жылдамдығын шектейтін қадамының аралық күйін тұрақтандыру және өнеркәсіптік қолдану үшін маңызды реакция жылдамдығы мен таңдамалылығын арттыру үшін реакция механизміне байланысты әртүрлі стратегиялар қолданылуы мүмкін. Изотоптық жылдамдық өзгерісі салыстырмалы массаның өзгеруі ең көп болғанда айқын байқалады, себебі бұл эффект зардап шеккен байланыстардың тербеліс жиіліктерімен байланысты. Мысалы, сутек атомын (H) оның изотопы дейтерийге (D) ауыстыру массаны 100%-ға арттырады, ал көміртек-12-ні көміртек-13-ке ауыстыруда масса тек 8%-ға ғана өседі. C–H байланысын қатыстыратын реакцияның жылдамдығы әдетте тиісті C–D байланысынан 6–10 есе жоғары, ал 12C реакциясы тиісті 13C реакциясынан тек 4 пайызға ғана жылдам.
In physical organic chemistry, a kinetic isotope effect (KIE) is the change in the reaction rate of a chemical reaction when one of the atoms in the reactants is replaced by one of its isotopes. Depending on the pathway, different strategies may be used to stabilize the transition state of the rate determining step of the reaction and improve the reaction rate and selectivity, which are important for industrial applications. Isotopic rate changes are most pronounced when the relative mass change is greatest, since the effect is related to vibrational frequencies of the affected bonds. For instance, changing a hydrogen atom (H) to its isotope deuterium (D) represents a 100% increase in mass, whereas in replacing carbon 12 with carbon 13, the mass increases by only 8 percent. The rate of a reaction involving a C–H bond is typically 6–10 times faster than the corresponding C–D bond, whereas a 12C reaction is only 4 percent faster than the corresponding 13C reaction
Туннельдеу
Кейбір жағдайларда, кванттық механикалық туннельдеуге байланысты, жеңіл изотоп үшін қосымша реакция жылдамдығының артуы байқалады. Бұл әдетте, сутек атомдарымен байланыстарға қатысты реакцияларда ғана көрінеді. Туннельдеу – молекуланың потенциалдық энергия кедергісінен өтуі, оны басып өтуі емес. Классикалық механика заңдарымен рұқсат етілмесе де, кванттық механикада бөлшектер толқын-бөлшектік дуалдығының негізінде кеңістіктің классикалық түрде тыйым салынған аймақтарынан өте алады. Бұған қоса, β шамасы кедергі енімен, 2a, сызықтық байланыста болады. Массадағыдай, туннельдеу кедергі ені кішкентай болғанда ең жоғары болады. Донорлық және акцепторлық атомдар арасындағы протондардың оптималды туннельдеу қашықтығы 0,4 Å құрайды.
Уақытша кинетикалық изотоп әсері
Жоғарыда келтірілген теңдеулермен сипатталатын изотоптық эффект, тек бірінші ретті кинетикамен өтетін реакцияларға ғана қатысты. Егер бұл мүмкін болмаса, GEBIK және GEBIF теңдеулерін пайдаланып, уақытша кинетикалық изотоптық эффекттерді ескеру қажет.
Табиғи байлық жағдайында кинетикалық изотоп әсерін өлшеу
Табиғи изотоптық құрамындағы кинетикалық изотоп эффектін өлшеу – табиғи изотоптық құрамындағы материалдармен жүргізілетін химиялық реакциялар үшін кинетикалық изотоп эффектін (КИЭ) өлшеудің қарапайым және жалпы әдісі. Бұл техника КИЭ өлшеудің бұрынғы әдістерінің көптеген шектеулерін жоғарылатады. Изотоптық белгіленген материалдардан алынған КИЭ өлшемдері әрбір изотоптық белгіленген материал үшін жаңа синтезді (әдетте өте қиын процесс), бәсекелес реакцияны және талдауды талап етеді. Синглтон және әріптестері C13 ЯМР негізіндегі табиғи изотоптық құрамдағы КИЭ өлшемдерінің изопрен мен малеин ангидридінің [4+2] циклоаддициясының механизмін зерттеу мүмкіндігін көрсетті. Синглтон және авторлардың бұл жұмысы бір эксперименттің дизайны шеңберінде бірнеше C13 КИЭ өлшемдерін белгіледі. Табиғи изотоптық құрамда анықталған H2 және C13 КИЭ өлшемдері диеннің "ішкі" сутектері "сыртқы" сутектерге қарағанда айқын H2 КИЭ-ін, ал C1 және C4 елеулі КИЭ-ін көрсетті. Бұл маңызды байқаулар изопрен мен малеин ангидридінің циклоаддициясы үшін асинхронды реакция механизмін көрсетеді. Табиғи изотоптық құрамдағы КИЭ-ді ЯМР арқылы анықтаудың шектеулері: алынған материал ЯМР талдауы үшін жеткілікті мөлшерде және таза болуы керек (қажетті сигнал басқа сигналдардан ерекше болуы керек), қызығушылық тудыратын реакция қайтымсыз болуы керек және химиялық реакция барысында реакция механизмі өзгермеуі керек. Табиғи изотоптық құрамда кинетикалық изотоп эффектін өлшеу үшін сандық бір импульсті ЯМР қолданудың эксперименталдық егжей-тегжейлері: эксперимент сандық жағдайларда жүргізілуі керек, соның ішінде 5T1 релаксация уақыты, 90° бұрышпен өлшеу, биіктік бойынша кемінде 5 нүктелік цифрлық ажыратымдылық және 250-ден жоғары сигнал/шу қатынасы. Шикі FID Фурье түрлендіруінен бұрын кемінде 256K нүктеге дейін толықтырылады. ЯМР спектрлері фазалық түрде түзетіледі, содан кейін кез келген еңіс түзетусіз нөлдік реттік бастапқы түзетумен өңделеді. Сигнал интеграциясы әрбір интеграцияланған сигнал үшін минималды толеранттылықпен сандық түрде анықталады. C3-дегі бастапқы 13C изотоп эффектісі, кері 2H изотоп эффектісі, C2-дегі екінші 13C изотоп эффектісі және C2-дегі 2H изотоп эффектісінің болмауы Colletto және авторлардың бөлме температурасында арил йодидтерін қосымша серіктес ретінде қолданып, бензо[b]тиофендердің аймақтық селективті арилдануы үшін Хек типті реакция механизмін ұсынуына әкелді. BPh3 жоқ кезде байқалған 13C негізгі кинетикалық изотоп эффектісі цианоформамидтің C–CN байланысына жылдамдықты шектейтін цис тотығу реакциясының механизмін көрсетеді. BPh3 қосылуы байқалған 13C кинетикалық изотоп эффектісінің салыстырмалы түрде төмендеуіне әкелді, бұл Frost және авторлардың цис тотығудан палладийдің цианоформамидке координациялануына дейінгі жылдамдықты шектейтін қадамның өзгеруін болжауына себеп болды. Якобсен және авторлар тиореяның галактозаның гликозилдеуін катализдейтінін анықтады, бұл жоғарыда аталған екі критерийге (құнды материалдар және тұрақсыз субстраттар) сәйкес келетін және нашар түсінілген механизмге ие реакция. Гликозилдеу – SN1 және SN2 механикалық сипаттамалары арасында нақты анықтамасы жоқ нуклеофильдік алмастырудың ерекше жағдайы. Көшіру орнына (яғни C1) іргелес орналасқан оттегінің болуы оң зарядты тұрақтандыруы мүмкін. Бұл зарядты тұрақтандыру кез келген ықтимал консерттік жолды асинхронды етуі мүмкін және SN1 механизмінің гликозилдеу үшін оксокарбендік сипаты бар аралықтарға жақындауы мүмкін. Якобсен және авторлар C1, C2 және C5-те шағын қалыпты КИЭ-лерді байқады, бұл өтпелі күйдегі оксокарбеннің маңызды сипатын және үлкен зарядтану дәрежесімен асинхронды реакция механизмін көрсетеді.
Изотоптық қатынас массалық спектрометриясы
Жоғары дәлдігі бар изотоптық қатынас массалық спектрометриясы (IRMS) – табиғи изотоптық құрамын өлшеу арқылы изотоптардың кинетикалық фракциялануын анықтаудың тағы бір әдісі. Видлански және әріптестері сульфат моноэстерлерінің гидролизінде S34 KIE-ді табиғи изотоптық құрамды пайдаланып өлшеген. Олардың байқаған үлкен KIE көрсеткіші S–O байланысының үзілуі реакция жылдамдығын шектейтінін және қауымдасқан реакция механизмін жоққа шығаратынын көрсетеді. IRMS арқылы табиғи изотоптық құрамда KIE-ді анықтаудағы негізгі шектеу – талдауға болатын кішкентай молекулаға изотоптық фракциялаусыз, белгілі бір орынды таңдап ыдырату қажеттігі, бұл оңай емес міндет. Мұндай эффекттер жеңіл изотоптың ауыр изотопқа қатынасы ретінде беріледі және «нормальды» (қатынас 1-ге тең немесе одан үлкен) немесе «кері» (қатынас 1-ден кіші) болуы мүмкін. SKIE – α,β (т.б.) екіншілік изотоптық эффекттер ретінде анықталады, мұндағы префикстер реакция орталығына қатысты изотоптық алмастыру орнын көрсетеді (α және β көміртектеріне қараңыз). α префиксі реакция орталығымен байланысты изотопты, ал β префиксі реакция орталығына жақын атоммен байланысты изотопты білдіреді, және т.б. Физикалық органикалық химияда SKIE индукция, байланыс гибридтелуі немесе гиперконъюгация сияқты электрондық эффекттер тұрғысынан қарастырылады. Бұл қасиеттер электрондық тығыздық таралуымен анықталады және изотоптық алмастыруға күрт әсер етпейтін, тербеліс орташасы алынған байланыс ұзындығы мен бұрыштарына байланысты. Сондықтан, «электрондық изотоптық эффект» терминінің қолданылуы заңды болғамен, оны қолданудан аулақ болу керек, себебі ол изотоптық эффектінің электрондық емес, тербелістік табиғаты бар деген қате түсінік тудыруы мүмкін. А жолы FAD коферментіне нуклеофильдік шабуылды қамтиды, ал В жолы бос радикал аралық күйін қамтиды. А жолы аралық көміртектің sp2 гибридтелуінен sp3 гибридтелуіне өтуіне себеп болғандықтан, «кері» SKIE күтіледі. Егер В жолы жүрсе, SKIE байқалмайды, себебі бос радикал аралық күйі гибридтелуін өзгертпейді. SKIE 0,84 мәніне ие болды және А жолы төмендегі схемада көрсетілгендей расталды. SKIE-нің тағы бір мысалы – бензил спирттерін диметилдиоксиранмен тотықтыру, онда әртүрлі механизмдар үшін үш өту күйі ұсынылды. Зерттеушілер сутек атомдарының әрқайсысының қатысуын қарастыра отырып, изотоптық алмасу эффектін күтетінін немесе күтпейтінін болжады. Содан кейін реакцияның экспериментальдық деректерін талдау оларға байқалған изотоптық эффект негізінде қай жолдың ең мүмкін екенін анықтауға мүмкіндік берді. Метилен сутектерінен алынған екіншілік сутек изотоптық эффектілері 1,5-гексадиендегі Коп қайта орналасуының келісімді байланыс қайта орналасу жолынан өтетінін, және басқа ұсынылған аллил радикал немесе 1,4-диил жолдарынан емес екенін көрсету үшін пайдаланылды, олардың барлығы төмендегі схемада ұсынылған. 1,5-гексадиеннің Коп қайта орналасуының баламалы механизмдері: (жоғарыдан төменге қарай) аллил радикал, синхронды келісімді және 1,4-диил жолдары. Басым жолдың ортаңғы жол екені анықталды, онда алты де локализацияланған π электроны бар, бұл аралық ароматтық құрылымға сәйкес келеді. Мұндай эффекттің мысалы – 9,10-дигидро-4,5-диметилфенантреннің рацемизациясы. C–H (көміртек-сутек) және C–D (көміртек-деутерий) байланыстарындағы деутерийдің сутекке қарағанда кіші тербеліс амплитудасы оның кішірек Ван дер Ваальс радиусын немесе тиімді мөлшерін, сондай-ақ екеуі арасындағы ZPE айырмашылығын тудырады. Бір-біріне қарағанда молекулалардың көбірек көлемі болған жағдайда, бұл жылдамдық тұрақтысына стерикалық эффект арқылы көрініс беруі мүмкін. Жоғарыдағы мысалға қарағанда, деутерий сутек изотопологтарына қарағанда жылдамрақ рацемизацияланады, нәтижесінде стерикалық изотоп эффекті пайда болады. Бартелл стерикалық изотоп эффектінің моделін жасады. Стерикалық изотоп эффекті әдетте кішкентай болады, егер трансформациялар жоғарыда көрсетілген рацемизация процесіндегідей, қатты стерикалық кедергіге ұшырайтын өту күйінен өтпесе. Стерикалық изотоп эффектінің тағы бір мысалы – ротаксандардың ығысу реакциясында. Деутерий изотопының кішірек тиімді мөлшері тосқауылдардың макроцикл арқылы оңай өтуіне мүмкіндік береді, нәтижесінде деутерленген ротаксандар үшін ығысу жылдамдығы артады.