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芳香化合物磺化反应机理的计算化学研究

2024-05-21 57 上传者：管理员

摘要：磺化反应是芳香化合物最重要的反应类型之一。最新理论研究表明，磺化反应一般遵循三分子反应机理，这与有机化学教材中描述的双分子机理有明显区别。以甲苯的磺化反应为例，通过密度泛函理论计算研究了磺化反应的分子机理、区域选择性以及溶剂对反应性能的影响，并通过比较苯、甲苯和硝基苯磺化反应的计算结果，分析了取代基对磺化反应性能的影响。旨在通过对模型反应的计算化学研究，及时更新并深化对磺化反应机理的理解，进而提高相关教学内容的创新性、高阶性和挑战度。

关键词：
反应机理
密度泛函理论
磺化反应
芳基磺酸类化合物
芳香化合物
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磺化反应通常指芳环上的氢原子被磺酸基(—SO3H)取代制备芳基磺酸类化合物的过程，是合成多种有机产品或中间体的重要步骤，在化学化工、生物制药等领域有广泛应用[1,2,3]。对磺化反应机理的研究，可以追溯到20世纪30—40年代，科学工作者分别使用浓硫酸[4,5]、发烟硫酸[6,7]、三氧化硫[8,9]、氯磺酸[10]等磺化试剂，通过观测气相和不同溶剂中磺化反应的动力学性质，推测相关的反应机理。目前国内外有机化学教材[11,12,13,14,15]中，通常认为磺化反应为可逆过程，涉及经典的SEAr机理，即磺化试剂首先与芳香化合物通过亲电加成形成σ络合物中间体，进而经历E1消除得到磺化产物，如(1)式所示。

近年来，计算化学的飞速发展为研究各类化学反应的分子机理提供了可靠的技术支撑[16,17]。2002年，Morley[18]等首先用计算化学方法研究了甲苯与SO3的磺化反应，通过分析反应物、中间体和产物的相对能量，认为甲苯与SO3的反应不是1∶1的计量关系。2011年，Koleva[19]等通过密度泛函理论计算研究了苯与SO3的磺化反应，提出了SO3协助的三分子机理。2017年，石鸿昌[20]重新计算了苯、甲苯的磺化反应，提出了H2SO4协助的三分子机理。这些理论计算结果均与现行国内外有机化学教材中对磺化反应的描述不一致，挑战人们对经典机理的认识。

按照“两性一度”的金课标准，为提升课程的高阶性、创新性和挑战度，加深学生对磺化反应本质的认识和理解，将磺化反应的最新科研成果反映在相关教学内容中，用计算化学方法对典型芳香化合物的磺化反应进行了系统研究，瞄准澄清和证实以下几个方面的问题：

(1)磺化反应的分子机理；

(2)磺化反应的区域选择性(即芳基取代基邻、间、对位发生磺化反应的优势活性位点);

(3)溶剂对反应性能的影响；

(4)芳基取代基性质(吸电子基或给电子基)对磺化反应性能的影响。

期望通过研究提供典型磺化反应的热力学和动力学定量信息，改进对磺化反应微观机理的理解，加深对反应区域选择性的认识，明确溶剂、取代基性质对反应性能的影响。

1、模型反应与计算方法

针对上述研究目标，以甲苯的磺化为模型反应，探讨磺化反应机理及反应的区域选择性，分析溶剂对反应性能的影响；以苯、甲苯、硝基苯的磺化为例，研究取代基性质对反应性能的影响。量子化学计算使用Gaussian 16程序完成[21],全部计算使用M062X泛函[22,23]和6-311G++(d, p)标准基组[24],对反应物、中间体、过渡态和产物结构进行了全构型优化和振动频率分析。优化得到的过渡态(一级鞍点)结构仅有一个虚频，反应物、中间体和产物等局域最小点没有虚频。对过渡态结构进行了内禀反应坐标(Intrinsic Reaction Coordination, IRC)计算[25],确认了其连接的反应物和产物。使用极化连续介质模型(PCM)[26,27,28]考虑了溶剂(硝基甲烷和四氯化碳)对反应性能的影响。三维结构模型使用CYLview软件[29]导出。

2、结果与讨论

2.1磺化反应机理

图1气相条件下甲苯的对位磺化反应：

首先考虑气相磺化反应，以甲苯的对位磺化反应为例，考察了3种可能的反应机理，即双分子机理、SO3协助的三分子机理和H2SO4协助的三分子机理，计算的势能剖面图示于图1。

图1中IM1表示甲苯与SO3形成的双分子络合物，IM2和IM3分别表示甲苯与2个SO3和甲苯与SO3、H2SO4所形成的三分子络合物。值得注意的是，这些初始络合物均为通过分子间弱相互作用形成的疏松络合物，分子间C—S距离较长(0.23～0.28 nm),并非有机化学教材中描述的σ络合物。对于双分子反应(图1(a))中，优化的过渡态表示为TS1,是一个四元环过渡态，即在C—S键形成的同时，C—H断裂、O—H形成、S=Ο

双键变为S—O单键，该过程需要克服的能垒为～160 kJ/mol。高的能垒与四元环张力较大有关，在室温或接近室温的条件下难以逾越。吴金川[30]的实验表明，甲苯与SO3的气相磺化反应在室温下即可容易发生，计算结果与实验事实明显不符，表明甲苯的磺化反应并非通过双分子机理发生，这与文献结果一致[18,19,20]。

SO3协助的三分子机理示于图1(b),2个SO3分子同时参与反应。计算的过渡态为TS2,可以将该结构描述为六元环过渡态，其中2个SO3分子通过偶极相互作用形成二聚体，1分子SO3的S原子对甲苯亲电进攻，被进攻碳原子上的H向另一SO3的O原子转移，形成张力相对较小的六元环过渡态。TS2的相对能量为61.2 kJ/mol,与图1(a)中的双分子机理相比，SO3协助的三分子磺化机理的能垒明显降低，可以解释室温条件下气相磺化反应容易进行的实验事实。如图1(b)所示，TS2对应的磺化产物为甲苯焦磺酸，反应放热104.5 kJ/mol,产物中的分子内氢键S—O…H(0.25 nm)对于稳定焦磺酸分子有重要作用。

H2SO4协助的三分子磺化机理，计算结果示于图1(c)。该机理中，SO3作为亲电试剂，H2SO4分子扮演质子梭的角色，通过分子间质子传递协助亲电磺化过程，该机理可模拟使用发烟硫酸作为磺化试剂时的磺化反应。优化的过渡态结构表示为TS3,如图1(c)中结构参数所示，该结构为一个八元环过渡态，其相对能量仅为30.1 kJ/mol,表明使用发烟硫酸作磺化试剂更有利于磺化反应的进行。

2.2磺化反应的区域选择性

为理解反应的区域选择性，进一步计算了甲苯在邻位和间位的气相磺化反应，对每个位置均考虑了上述3种反应机理。图2比较了邻、间、对位磺化反应的能垒。

图2甲苯在邻、间、对位发生气相磺化反应的能垒比较

表1甲苯与2SO3及SO3+H2SO4在硝基甲烷溶剂中形成的σ-络合物的构型(键长：nm)和相对能量(kJ/mol)

结果表明，无论邻位、间位和对位磺化，3类机理的相对能垒次序是一致的，双分子机理能垒远高于2个三分子机理的能垒；同一类机理中，甲苯邻、对位磺化的能垒相差不大，均低于间位磺化的能垒。这些结果一方面进一步排除了双分子机理的可能性，另一方面证实了甲苯磺化反应的区域选择性，即磺化反应的优势位置是甲基的邻位和对位。反应的区域选择性主要起因于芳基取代基的电子效应，磺化反应是亲电取代反应，甲基为邻、对位定位基团，导致甲基邻、对位碳原子电荷密度较大，因此甲苯的邻、对位更容易发生磺化反应，能垒较低。

2.3溶剂对磺化反应性能的影响

在排除双分子磺化机理的基础上，为进一步理解溶剂化效应对磺化反应的影响，计算了包含溶剂化效应的磺化反应。考虑到实验中使用的溶剂包括极性和非极性溶剂两大类，对SO3和H2SO4协助的三分子机理，分别以硝基甲烷(ε=36.562)和四氯化碳(ε=2.228)作为2类溶剂的代表进行了研究。计算时将气相反应的结构作为结构优化的起点，使用PCM溶剂化模型分别对甲苯的邻位、间位和对位等3个位置的磺化反应进行了计算，优化了反应初始络合物、过渡态和产物的结构，计算了反应的能垒。

结果表明，在四氯化碳溶剂中，磺化反应机理与气相中反应机理类似，甲苯与SO3不能形成稳定的σ络合物，只能通过弱相互作用形成不稳定的分子间络合物。硝基乙烷中的情况则不同，甲苯与SO3可以形成稳定的络合物，其中C—S距离较短，可以描述为σ络合物，如表1所示。

2种溶剂中计算的磺化反应能垒概括于图3,为便于比较，气相中的结果也一并在图3中列出。

对于SO3协助的三分子机理，与气相结果比较，可以看出，溶剂化效应明显降低磺化反应的能垒，硝基甲烷(极性溶剂)比四氯化碳(非极性溶剂)对反应影响更大，使反应能垒降低更多。例如，对于甲苯的对位磺化，气相中对位取代的能垒为61.2 kJ/mol,在四氯化碳溶剂中降低到43.1 kJ/mol,而在硝基甲烷中进一步降低到14.0 kJ/mol。这些结果表明，极性溶剂对反应更为有利。

对于H2SO4协助的三分子机理，溶剂对反应性能的影响相对较小，溶剂化效应使反应能垒稍有降低，并且2种溶剂对反应性能的影响差别不大。能垒最低的是对位磺化，在四氯化碳和硝基甲烷溶剂中，磺化反应的能垒分别仅为14.3和16.1 kJ/mol。

2.4芳基取代基对磺化反应性能的影响

如有机化学教材[15]所述，芳基取代基对磺化反应性能有重要影响，由于磺化反应本质上是亲电取代反应，给电子取代基活化苯环而有利于反应的进行，而吸电子取代基钝化苯环而不利于反应的进行。为给出取代基影响磺化反应的定量信息，将上述甲苯磺化反应的计算扩展到苯和硝基苯的磺化反应，通过比较反应的能垒加深对取代基效应的理解。

计算结果概括于图4。可以看出，无论是SO3协助的三分子机理(图4(a))还是H2SO4协助的三分子机理(图4(b)),也无论使用四氯化碳溶剂还是硝基乙烷溶剂，均是甲苯磺化反应的能垒最低、硝基苯最高、苯居中。这些定量结果与教材中的定性描述是完全一致的。

图3甲苯在气相、硝基甲烷和四氯化碳溶剂中磺化反应的能垒比较

图4硝基苯、苯和甲苯的对位磺化能垒：

3、结语

使用计算化学方法，以典型芳香化合物的磺化反应为例，研究了反应的分子机理、溶剂化效应、区域选择性和取代基效应，识别了2个能量有利的反应路径，分别为SO3和H2SO4协助的三分子机理；讨论了溶剂对磺化反应的重要影响，与气相磺化反应比较，极性溶剂和非极性溶剂均可明显降低磺化反应的能垒，使反应更容易发生；比较了甲苯磺化反应不同位点(邻、间、对位)的能垒及取代基对反应能垒的影响，验证了磺化反应的区域选择性和取代基效应。计算结果给出了典型磺化反应热力学和动力学的定量信息，有利于学生改进对磺化反应本质和性能的理解。

参考文献:

[2]唐岱.化工设计通讯,2022,48(3):32-34

[13赵温涛,郑艳,王光伟,等.有机化学.6版.北京:高等教育出版社,2019:134-138

[14]徐寿昌.有机化学.2版.北京:高等教育出版社,2014:122-129

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[16]李延龙,戚孝天,蓝宇.化学教育(中英文),2017,38(24):59-62

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基金资助:国家自然科学基金(22273051);山东省高等教育本科教学改革研究项目(Z2022169);山东大学教育教学改革研究项目(2022Y072);山东大学研究生教育优质课程项目;

文章来源:孙悦竹,杨一莹,张冬菊.芳香化合物磺化反应机理的计算化学研究[J].化学教育(中英文),2024,45(10):100-104.