Изотопный эффект: влияние изотопной замены на скорость химических реакций.

Введение

Изменение скорости химической реакции вследствие изотопной замены

В физической органической химии кинетический изотопный эффект (KIE) – это изменение скорости химической реакции при замене одного из атомов в реагентах его изотопом. В зависимости от механизма реакции, различные стратегии могут быть использованы для стабилизации переходного состояния лимитирующей стадии и повышения скорости и селективности реакции, что важно для промышленных применений. Наиболее заметные изменения скорости наблюдаются при наибольшем изменении относительной массы, поскольку эффект связан с колебательными частотами затронутых связей. Например, замена атома водорода (H) на его изотоп дейтерий (D) приводит к увеличению массы на 100%, в то время как замена углерода-12 на углерод-13 увеличивает массу всего на 8%. Скорость реакции с участием C–H связи обычно в 6–10 раз выше, чем для соответствующей C–D связи, тогда как реакция с участием 12C протекает всего на 4% быстрее, чем реакция с участием 13C.

Прокладка туннелей

В некоторых случаях для более легкого изотопа наблюдается дополнивое увеличение скорости реакции, возможно, из-за квантово-механического туннелирования. Это обычно наблюдается только для реакций, включающих связи с атомами водорода. Туннелирование происходит, когда молекула проникает сквозь потенциальный энергетический барьер, а не переходит через него. Хотя это запрещено законами классической механики, в квантовой механике, благодаря волново-частичному дуализму, частицы могут проходить через классически запрещенные области пространства. Кроме того, величина β зависит линейно от ширины барьера, 2a. Как и в случае массы, туннелирование наиболее эффективно при малых ширинах барьера. Оптимальное расстояние для туннелирования протонов между донорным и акцепторным атомами составляет 0,4 Å.

Периодический кинетический изотопный эффект

Изотопный эффект, выраженный приведенными выше уравнениями, применим только к реакциям, описываемым кинетикой первого порядка. Во всех остальных случаях необходимо учитывать мгновенные кинетические изотопные эффекты, используя уравнения GEBIK и GEBIF.

Измерение кинетического изотопного эффекта при естественном обилии

Измерение кинетического изотопного эффекта при естественном содержании является простым и универсальным методом для измерения кинетических изотопных эффектов (КИЭ) для химических реакций, проводимых с использованием материалов природного изотопного состава. Этот метод измерения КИЭ преодолевает многие ограничения предыдущих методов. Измерения КИЭ с использованием изотопно-меченых материалов требуют нового синтеза для каждого изотопно-меченого материала (процесс, часто представляющий значительную трудность), реакции конкуренции и анализа. Синглтон и его коллеги продемонстрировали возможность использования измерений КИЭ на основе ЯМР 13C при естественном содержании для изучения механизма [4+2] циклоприсоединения изопрена с малеиновым ангидридом. Эта работа Синглтона и соавторов установила возможность измерения нескольких КИЭ 13C в рамках одного эксперимента. Эти измерения КИЭ для H2 и 13C, выполненные при естественном содержании, показали, что "внутренние" водороды диена испытывают более выраженный КИЭ для H2, чем "внешние" водороды, а атомы C1 и C4 демонстрируют значительный КИЭ. Эти ключевые наблюдения указывают на асинхронный механизм реакции для циклоприсоединения изопрена с малеиновым ангидридом. Ограничения определения КИЭ при естественном содержании с использованием ЯМР заключаются в том, что восстановленный материал должен иметь подходящее количество и чистоту для ЯМР-анализа (сигнал интереса должен быть отчетливо различим от других сигналов), реакция должна быть необратимой, а механизм реакции не должен изменяться в течение всей химической реакции. Экспериментальные детали использования количественной одноимпульсной ЯМР для измерения кинетического изотопного эффекта при естественном содержании следующие: эксперимент необходимо проводить в количественных условиях, включая время релаксации, равное 5T1, измеренный угол разворота 90°, цифровое разрешение не менее 5 точек по ширине пика и отношение сигнал/шум больше 250. Необработанный FID дополняется нулями до как минимум 256 000 точек перед преобразованием Фурье. ЯМР-спектры фазируются, а затем подвергаются коррекции нулевого порядка без коррекции наклона. Интегрирование сигналов выполняется численно с минимальной погрешностью для каждого интегрированного сигнала. Наблюдение первичного изотопного эффекта 13C на C3, обратного изотопного эффекта 2H, вторичного изотопного эффекта 13C на C2 и отсутствие изотопного эффекта 2H на C2 привело Коллетто и соавторов к предположению о механизме реакции типа Хека для региоселективного арилирования бензо[b]тиофенов при комнатной температуре с арилиодидами в качестве партнеров по связыванию. Первичный кинетический изотопный эффект 13C, наблюдаемый в отсутствие BPh3, предполагает механизм реакции, лимитирующей стадией которого является цис-окисление в C–CN связь цианоформамида. Добавление BPh3 вызывает относительное снижение наблюдаемого кинетического изотопного эффекта 13C, что привело Фроста и соавторов к предположению об изменении лимитирующей стадии с цис-окисления на координацию палладия с цианоформамидом. Якобсен и его коллеги идентифицировали тиомочевинно-катализируемую гликозилирование галактозы как реакцию, которая соответствует обоим вышеупомянутым критериям (дорогие материалы и нестабильные субстраты) и имеет плохо изученный механизм. Гликозилирование является частным случаем нуклеофильного замещения, в котором отсутствует четкое разграничение между SN1 и SN2 механизмами. Наличие кислорода, соседствующего с местом замещения (т.е. C1), может стабилизировать положительный заряд. Эта стабилизация заряда может привести к тому, что любой потенциальный согласованный путь станет асинхронным и приблизится к промежуточным соединениям с оксокарбениевым характером, характерным для механизма SN1 при гликозилировании. Якобсен и его коллеги наблюдали небольшие нормальные КИЭ на C1, C2 и C5, что указывает на значительный оксокарбениевый характер в переходном состоянии и асинхронный механизм реакции с высокой степенью разделения зарядов.

Kinetic isotope effect measurement at natural abundance is a simple general method for measuring kinetic isotope effects (KIE) for chemical reactions performed with materials of natural abundance. This technique for measuring KIEs overcomes many limitations of previous KIE measurement methods. KIE measurements from isotopically labeled materials require a new synthesis for each isotopically labeled material (a process often prohibitively difficult), a competition reaction, and an analysis. Singleton and coworkers demonstrated the capacity of C 13 NMR based natural abundance KIE measurements for studying the mechanism of the [4 + 2] cycloaddition of isoprene with maleic anhydride. This work by Singleton et al. established the measurement of multiple C 13 KIE's within the design of a single experiment. These H 2 and C 13 KIE measurements determined at natural abundance found the "inside" hydrogens of the diene experience a more pronounced H 2 KIE than the "outside" hydrogens" and the C1 and C4 experience a significant KIE. These key observations suggest an asynchronous reaction mechanism for the cycloaddition of isoprene with maleic anhydride. The limitations for determining KIE's at natural abundance using NMR are that the recovered material must have a suitable amount and purity for NMR analysis (the signal of interest should be distinct from other signals), the reaction of interest must be irreversible, and the reaction mechanism must not change for the duration of the chemical reaction. Experimental details for using quantitative single pulse NMR to measure kinetic isotope effect at natural abundance as follows: the experiment needs to be performed under quantitative conditions including a relaxation time of 5 T1, measured 90° flip angle, a digital resolution of at least 5 points across a peak, and a signal:noise greater than 250. The raw FID is zero filled to at least 256K points before the Fourier transform. NMR spectra are phased and then treated with a zeroth order baseline correction without any tilt correction. Signal integrations are determined numerically with a minimal tolerance for each integrated signal. The observation of a primary 13C isotope effect at C3, an inverse 2H isotope effect, a secondary 13C isotope effect at C2, and the lack of an 2H isotope effect at C2 lead Colletto et al. to suggest a Heck type reaction mechanism for the regioselective arylation of benzo[b]thiophenes at room temperature with aryl iodides as coupling partners. The primary 13C kinetic isotope effect observed in the absence of BPh3 suggests a reaction mechanism with rate limiting cis oxidation into the C–CN bond of the cyanoformamide. The addition of BPh3 causes a relative decrease in the observed 13C kinetic isotope effect which led Frost et al. to suggest a change in the rate limiting step from cis oxidation to coordination of palladium to the cyanoformamide. Jacobsen and coworkers identified the thiourea catalyzed glycosylation of galactose as a reaction that met both of the aforementioned criteria (expensive materials and unstable substrates) and was a reaction with a poorly understood mechanism. Glycosylation is a special case of nucleophilic substitution that lacks clear definition between SN1 and SN2 mechanistic character. The presence of the oxygen adjacent to the site of displacement (i. e., C1) can stabilize positive charge. This charge stabilization can cause any potential concerted pathway to become asynchronous and approaches intermediates with oxocarbenium character of the SN1 mechanism for glycosylation. Jacobsen and coworkers observed small normal KIE's at C1, C2, and C5 which suggests significant oxocarbenium character in the transition state and an asynchronous reaction mechanism with a large degree of charge separation.

Массовая спектрометрия изотопного соотношения

Высокоточная изотопно-масс-спектрометрия (IRMS) — еще один метод измерения кинетического изотопного эффекта (КИЭ) для измерений при естественном содержании изотопов. Видлански и его коллеги продемонстрировали KIE для 34S при измерениях естественного содержания изотопов для гидролиза сульфатных моноэстеров. Их наблюдение значительного KIE указывает на то, что разрыв связи S–O является лимитирующей стадией и, вероятно, исключает механизм ассоциированной реакции. Основным ограничением определения KIE при естественном содержании изотопов с использованием IRMS является необходимость селективного расщепления без изотопного фракционирования до анализируемой малой молекулы, что является непростой задачей. Такие эффекты выражаются как отношение скоростей реакции для легкого и тяжелого изотопов и могут быть "нормальными" (отношение больше или равно 1) или "инверсными" (отношение меньше 1). Вторичные изотопные эффекты (SKIE) определяются как α, β (и т.д.) вторичные изотопные эффекты, где такие префиксы указывают на положение изотопной замены относительно реакционного центра (см. α- и β-углерод). Префикс α относится к изотопу, связанному с реакционным центром, а префикс β — к изотопу, связанному с атомом, соседним с реакционным центром, и так далее. В физической органической химии SKIE рассматриваются с точки зрения электронных эффектов, таких как индукция, гибридизация связей или гиперконъюгация. Эти свойства определяются распределением электронов и зависят от усредненной по колебаниям длины и углов связей, которые слабо зависят от изотопной замены. Таким образом, хотя использование термина "электронный изотопный эффект" и допустимо, не рекомендуется его применять, поскольку оно может быть неправильно истолковано как указание на то, что изотопный эффект обусловлен электронной, а не колебательной природой. Путь А включает нуклеофильную атаку на кофермент FAD, а путь B — промежуточное образование свободного радикала. Поскольку путь А приводит к изменению гибридизации промежуточного углерода со sp2 на sp3, ожидается "инверсный" SKIE. Если протекает путь B, то SKIE наблюдаться не должно, поскольку свободный радикальный промежуточный продукт не меняет гибридизацию. Наблюдаемое значение SKIE составило 0,84, что подтверждает путь А, как показано на схеме ниже. Другим примером SKIE является окисление бензиловых спиртов диметилдиоксираном, для которого было предложено три переходных состояния, соответствующих различным механизмам. Исследователи, учитывая участие атомов водорода в каждом из них, предсказывали, следует ли ожидать изотопного эффекта. Затем анализ экспериментальных данных позволил им выбрать наиболее вероятный путь на основе наблюдаемого изотопного эффекта. Вторичные изотопные эффекты водорода метиленовых групп также были использованы для демонстрации того, что перегруппировка Коупа в 1,5-гексадиене протекает по согласованному механизму перестройки связей, а не по одному из альтернативно предложенных путей с участием аллильного радикала или 1,4-диэнового промежуточного соединения, все из которых представлены на следующей схеме. Альтернативные механизмы перегруппировки Коупа 1,5-гексадиена: (сверху вниз) аллильный радикал, синхронная согласованная перегруппировка и 1,4-диэновый путь. Преобладающим путем является средний, который характеризуется шестью делокализованными π-электронами, соответствующими ароматическому промежуточному соединению. Примером такого эффекта является рацемизация 9,10-дигидро-4,5-диметилфенантрена. Меньшая амплитуда колебаний дейтерия по сравнению с водородом в связях C–H и C–D приводит к меньшему ван-дер-ваальсову радиусу или эффективному размеру, а также к разнице в энергии нулевых колебаний. Если молекулы, содержащие один из этих изотопов, обладают большей эффективной объемностью, это может проявляться в стерическом эффекте на константу скорости. В приведенном выше примере дейтерий рацемизируется быстрее, чем изотоп водорода, что приводит к стерическому изотопному эффекту. Модель стерического изотопного эффекта была разработана Бартеллом. Стерический изотопный эффект обычно невелик, если реакция протекает через переходное состояние с сильным стерическим напряжением, как в процессе рацемизации, показанном выше. Другим примером стерического изотопного эффекта является реакция высвобождения в ротаксанах. Изотоп дейтерия, благодаря своему меньшему эффективному размеру, облегчает прохождение стопперов через макроцикл, что приводит к более высокой скорости высвобождения для дейтерированных ротаксанов.

High precision isotope ratio mass spectrometry (IRMS) is another method for measuring kinetic fractionation of isotopes for natural abundance KIE measurements. Widlanski and coworkers demonstrated S 34 KIE at natural abundance measurements for the hydrolysis of sulfate monoesters. Their observation of a large KIE suggests S O bond cleavage is rate controlling and likely rules out an associate reaction mechanism. The major limitation for determining KIE's at natural abundance using IRMS is the required site selective degradation without isotopic fractionation into an analyzable small molecule, a non trivial task. Such effects are expressed as ratios of rate for the light isotope to that of the heavy isotope and can be "normal" (ratio is greater than or equal to 1) or "inverse" (ratio is less than 1) effects. SKIE are defined as α,β (etc.) secondary isotope effects where such prefixes refer to the position of the isotopic substitution relative to the reaction center (see alpha and beta carbon). The prefix α refers to the isotope associated with the reaction center while the prefix β refers to the isotope associated with an atom neighboring the reaction center and so on. In physical organic chemistry, SKIE is discussed in terms of electronic effects such as induction, bond hybridization, or hyperconjugation. These properties are determined by electron distribution, and depend upon vibrationally averaged bond length and angles that are not greatly affected by isotopic substitution. Thus, the use of the term "electronic isotope effect" while legitimate is discouraged from use as it can be misinterpreted to suggest that the isotope effect is electronic in nature rather than vibrational. Path A involved a nucleophilic attack on the coenzyme FAD, while path B involves a free radical intermediate. As path A results in the intermediate carbon changing hybridization from sp2 to sp3 an "inverse" a SKIE is expected. If path B occurs then no SKIE should be observed as the free radical intermediate does not change hybridization. An SKIE of 0.84 was observed and Path A verified as shown in the scheme below. Another example of a SKIE is the oxidation of benzyl alcohols by dimethyldioxirane where three transition states for different mechanisms were proposed. Again, by considering how and if the hydrogen atoms were involved in each, researchers predicted whether or not they would expect an effect of isotopic substitution of them. Then, analysis of the experimental data for the reaction allowed them to choose which pathway was most likely based on the observed isotope effect. Secondary hydrogen isotope effects from the methylene hydrogens were also used to show that Cope rearrangement in 1,5 hexadiene follow a concerted bond rearrangement pathway, and not one of the alternatively proposed allyl radical or 1,4 diyl pathways, all of which are presented in the following scheme. Alternative mechanisms for the Cope rearrangement of 1,5 hexadiene: (from top to bottom), allyl radical, synchronous concerted, and 1,4 dyil pathways. The predominant pathway is found to be the middle one, which has six delocalized π electrons corresponding to an aromatic intermediate. An example of such an effect is the racemization of 9,10 dihydro 4,5 dimethylphenanthrene. The smaller amplitude of vibration for deuterium as compared to hydrogen in C–H (carbon–hydrogen), C–D (carbon–deuterium) bonds results in a smaller van der Waals radius or effective size in addition to a difference in the ZPE between the two. When there is a greater effective bulk of molecules containing one over the other this may be manifested by a steric effect on the rate constant. For the example above deuterium racemizes faster than the hydrogen isotopologue resulting in a steric isotope effect. A model for the steric isotope effect was developed by Bartell. A steric isotope effect is usually small, unless the transformations passes through a transition state with severe steric encumbrance, as in the racemization process shown above. Another example of the steric isotope effect is in the deslipping reaction of rotaxanes. The deuterium isotope, due to its smaller effective size, allows easier passage of the stoppers through the macrocycle, resulting in faster rates of deslipping for the deuterated rotaxanes.