Estudo químico-computacional sobre o mecanismo de formação da ligação amídica catalisada por ZrCl4
Data
2016-12-13
Autores
Assad, Felipe Vieira Zauith 
Orientadores
Sensato, Fabricio Ronil
Tipo
Dissertação de mestrado
Título da Revista
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Título de Volume
Resumo
The ZrCl4-catalyzed direct amide bond formation between non-activated carboxylic acids and amines has been theoretically investigated at DFT/B3LYP level of theory. In addition we have also characterized the uncatalyzed mechanism as well as the amide bond formation promoted by the use of carbodiimides. In particular, we have characterized two non-catalyzed mechanism (channels 1-2), six ZrCl4-catalyzed pathways (channels 3-8) and two process promoted by carbodiimides. Solvent effect of toluene is assessed using SMD solvation model.. The favored non-catalyzed process is stepwise with two steps. The corresponding rate-determining step requires a free energy of activation of 11.6 kcal/mol in gas phase and 8.7 kcal/mol in toluene for the N-methylformamide formation. The most favored pathway for zirconium-catalyzed amidation is predicted to be stepwise via four steps. The rate-determining process is related to a free energy of activation of 6.3 kcal/mol in gas phase and 7.3 kcal/mol in toluene. The charge decomposition analysis (CDA) of the calculated transition structures revealed that the C?N bond formation is related to the nucleophilic attack of the amine toward the ?*(C=O) orbital of the carboxylic acid. It has been found that ZrCl4 activates the carboxylic acid by lowering the ?*(C=O) energy level. For the set of amines and carboxylic acids investigated, our results reveal that ?G?, for the rate-determining process, correlates linearly with the pKb of the amines and with the Fukui function for nucleophilic attack on the carbonyl carbon. It decreases with both decreasing pKb and increasing fk+. Zirconium carboxylate generated in situ is also predicted to be an active species in the zirconium-catalyzed direct amide bond formation. The assistance of an additional molecule of carboxylic acid was found to lower the activation energy in both non-catalyzed and ZrCl4-catalyzed process. The intermediate aminodiol plays a very key role in the non-catalyzed as well as in the ZrCl4-catalyzed mechanism. The rate-determining step of amide bond formation mediated by DIC is the carboxylic acid activation, which demands a free energy of activation of 18.9 kcal/mol in both gas phase and toluene. The molecular mechanism of the formation of N-acyl urea, a very pervasive byproduct, has been also elucidated.
O mecanismo de formação da ligação amídica pela reação direta de um ácido carboxílico com uma amina, catalisada por ZrCl4, foi investigada computacionalmente em nível DFT/B3LYP. Para propósito de comparação, o mecanismo não catalisado, bem como aquele mediado por carbodiimidas foram também caracterizados. Em particular, foram investigados dois mecanismos não catalisados (canais 1-2), seis mecanismos catalisados pelo ZrCl4 (canais 3-8) e dois mecanismos mediados por carbodiimidas. Os efeitos do solvente (tolueno) foram incorporados do âmbito do modelo de solvatação SMD. O mecanismo não catalisado mais favorecido cineticamente, para a formação da N-metilformamida, ocorre por etapas e requer uma energia livre de ativação de 11,6 kcal/mol em fase gás e 8,7 em tolueno. O mecanismo molecular para o processo mais favorecido de formação da ligação amídica catalisada pelo ZrCl4 também ocorre por etapas e a etapa determinante de velocidade demanda uma energia livre de ativação de 6,3 kcal/mol em fase gás e 7,3 kcal/mol em tolueno. A formação da ligação C?N, como revelada pela análise de decomposição de carga, CDA, está associada a um ataque nucleofílico da amina em direção ao orbital ?*(C=O) do ácido carboxílico. ZrCl4 ativa o ácido carboxílico tornando-o mais eletrofílico através da diminuição de energia do nível eletrônico ?*(C=O). Para o conjunto de aminas e ácidos carboxílicos considerados ?G? para a etapa determinante da velocidade se correlaciona linearmente com pKb da amina e com o índice de Fukui para o ataque nucleofílico sobre o carbono carbonílico: quanto menor o valor de pKb e quanto maior o valor de fk+, menor é a energia livre de ativação para o processo. O carboxilato de zircônio, gerado in situ, é uma espécie potencialmente ativa no processo catalisado por ZrCl4. A assistência de uma molécula adicional do agente acilante reduz significativamente a barreira de ativação do processo. A formação do intermediário aminodiol é prevalente tanto nos processos não catalisados, como naqueles mediados por ZrCl4. A etapa determinante da velocidade da reação de formação da ligação amídica quando mediada pela carbodiimida corresponde à ativação do ácido carboxílico, a qual demanda uma energia livre de ativação de 18,9 kcal/mol em fase gás ou tolueno. O mecanismo de formação do subproduto N-acil ureia, derivado do emprego das carbodiimidas, foi também elucidado.
O mecanismo de formação da ligação amídica pela reação direta de um ácido carboxílico com uma amina, catalisada por ZrCl4, foi investigada computacionalmente em nível DFT/B3LYP. Para propósito de comparação, o mecanismo não catalisado, bem como aquele mediado por carbodiimidas foram também caracterizados. Em particular, foram investigados dois mecanismos não catalisados (canais 1-2), seis mecanismos catalisados pelo ZrCl4 (canais 3-8) e dois mecanismos mediados por carbodiimidas. Os efeitos do solvente (tolueno) foram incorporados do âmbito do modelo de solvatação SMD. O mecanismo não catalisado mais favorecido cineticamente, para a formação da N-metilformamida, ocorre por etapas e requer uma energia livre de ativação de 11,6 kcal/mol em fase gás e 8,7 em tolueno. O mecanismo molecular para o processo mais favorecido de formação da ligação amídica catalisada pelo ZrCl4 também ocorre por etapas e a etapa determinante de velocidade demanda uma energia livre de ativação de 6,3 kcal/mol em fase gás e 7,3 kcal/mol em tolueno. A formação da ligação C?N, como revelada pela análise de decomposição de carga, CDA, está associada a um ataque nucleofílico da amina em direção ao orbital ?*(C=O) do ácido carboxílico. ZrCl4 ativa o ácido carboxílico tornando-o mais eletrofílico através da diminuição de energia do nível eletrônico ?*(C=O). Para o conjunto de aminas e ácidos carboxílicos considerados ?G? para a etapa determinante da velocidade se correlaciona linearmente com pKb da amina e com o índice de Fukui para o ataque nucleofílico sobre o carbono carbonílico: quanto menor o valor de pKb e quanto maior o valor de fk+, menor é a energia livre de ativação para o processo. O carboxilato de zircônio, gerado in situ, é uma espécie potencialmente ativa no processo catalisado por ZrCl4. A assistência de uma molécula adicional do agente acilante reduz significativamente a barreira de ativação do processo. A formação do intermediário aminodiol é prevalente tanto nos processos não catalisados, como naqueles mediados por ZrCl4. A etapa determinante da velocidade da reação de formação da ligação amídica quando mediada pela carbodiimida corresponde à ativação do ácido carboxílico, a qual demanda uma energia livre de ativação de 18,9 kcal/mol em fase gás ou tolueno. O mecanismo de formação do subproduto N-acil ureia, derivado do emprego das carbodiimidas, foi também elucidado.
Descrição
Citação
ASSAD, Felipe Vieira Zauith. Estudo químico-computacional sobre o mecanismo de formação da ligação amídica catalisada por zrcl4. 2016. 67 f. Dissertação (Mestrado) - Instituto de Ciências Ambientais, Químicas e Farmacêuticas, Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP), Diadema, 2016.