TP L3 – Séance 3
Réactivité chimique et recherche d’états de transitions
Date: Octobre 2019
S. Steinmann, P. Clabaut, C. Michel and E. Dumont
Le but de cette session est d’acquérir les bases pour modéliser la réactivité: recherche conformationnelle, détermination d’énergie de réaction, détermination d’énergie d’activation, construction d’un profil énergétique, comparaison de niveaux de calculs.
Nous utiliserons le programme Gaussian (online manual).
La préparation des fichiers d’entrée et la visualisation des géométries, fréquences, etc. se fera avec Avogadro.
Ce TP se base sur l’article suivant: S. Shu et al. Org. Chem. Front. 2018, 5, 2148.
Nous allons étudier la réaction d’addition d’un énol sur une imine pour former une base de Mannich (cf. Scheme 1 de l’article).
- Recherche conformationnelle sur l’isovaleraldéhyde et son énol
- Détermination d’énergie de réaction
- Détermination d’énergie d’activation
- Catalyse organique
- Influence des choix de calcul
La première étape de la recherche d’un profil réactionnel complet consiste à déterminer la conformation la plus stable de chacun des réactifs afin de former une référence énergétique à laquelle on comparera les énergies des différents états de transitions, intermédiaires réactionnels et produits.
1. Recherche conformationnelle sur l’isovaleraldéhyde et son énol
On construira tout d’abord différentes conformations avec Avogadro du premier réactif: l’isovaléraldéhyde mais aussi de l’énol correspondant qui va être la forme réactive que l’on va considérer. On optimisera ensuite avec Gaussian ces structures. En particulier pour l’énol, listez les formes E et Z et faites varier la position du H de l’hydroxyle. Vous pouvez travailler en groupe et vous partager les calculs (utiliser le /scratch).
Ci-dessous l’en-tête du fichier d’entrée à utiliser pour optimiser la géométrie au niveau semi-empirique PM6 et obtenir les fréquences au même niveau (indispensable pour déterminer enthalpie et enthalpie libre).
#n PM6 Opt Freq Optimization of isovaleraldehyde at PM6 0,1 [xyz formated coordinates]
Collectez les énergies obtenues ainsi que l’enthalpie et l’enthalpie libre et commencez à remplir le fichier suivant. Quelle est la conformation la plus stable parmi tous les isomères de ce réactif ? Au vu de ce résultat, quelle étape doit précéder la réaction ? Cette première étape est-elle identique dans les chemins réactionnels menant aux différents produits possibles ?
2. Détermination d’énergie de réaction
Poursuivez ensuite la recherche des enthalpies libres pour le second réactif et pour le produit en optimisant l’imine (en conformation E et Z) et trois des quatre produits possibles (syn , anti et ena-anti ). Continuez à compléter le tableur fourni. Quelle est la réaction la plus favorisée thermodynamiquement? Notez-vous quelque chose d’étonnant en ce qui concerne les énergies des différents produits ? Expliquez.
3. Détermination d’énergie d’activation
Déterminons l’état de transition correspondant à l’addition nucléophile de l’énol sur l’imine pour obtenir le produit anti. L’idée que nous allons appliquer ici est que la réaction se fait majoritairement le long d’une coordonnée réactionnelle qui correspond à l’élongation ou au rétrécissement d’une unique liaison, celle qui est formée durant la réaction. On va donc partir du produit recherché et forcer l’allongement de cette liaison. Au cours de cette élongation, on va chercher un maximum énergétique et considérer qu’il est proche de l’état de transition entre notre produit et les réactifs.
- Identifiez les labels des atomes correspondant à la liaison C-C qui a été formée au cours de l’addition: C#n1 et C#n2.
- Mesurez cette liaison: C-C = … Å dans la structure optimisée du produit anti.
- Nous allons étirer cette liaison petit à petit pour obtenir le profile d’énergie en fonction de cette distance en effectuant une succession d’optimisation de géométries contraintes en utilisant le fichier d’entrée suivant dans lequel les carbones sont les carbones 3 et 25 et la distance est augmentée 10 fois par pas de 0.15 Å
#n PM6 Opt=ModRedundant Scan on the CC distance in anti at PM6 0,1 O 1.0752816416 -0.5525011865 1.7847107117 C 1.8264688238 0.3648152908 1.3777133286 C 1.1741686624 1.5749360913 0.7081125011 H 2.9065630206 0.2577869592 1.3385155119 C 2.0688310043 2.8425594003 0.9265083132 C 2.2447469616 3.1583544699 2.4213550846 C 1.5148058700 4.0934244533 0.2339011978 H 3.0700678430 2.6525087346 0.5180384819 H 1.2787933585 3.3512033853 2.9001588505 H 2.7333871405 2.3376874318 2.9552380569 H 2.8722514438 4.0461250098 2.5578027169 H 1.5513569821 4.0028156728 -0.8551735303 H 0.4785710101 4.2851400144 0.5307582163 H 2.1095387152 4.9766623028 0.4927944904 C -3.5505285951 1.7288336789 -0.5417501573 C -2.1557900819 1.6340694553 -0.6560370936 C -1.5299894913 0.3948180644 -0.7917305695 C -2.3516565385 -0.7401772770 -0.8472699065 C -3.7455550656 -0.6527751946 -0.7457377431 C -4.3528611669 0.5883341173 -0.5842592112 H -4.0080248503 2.7047914635 -0.4080003621 H -1.5786557633 2.5497274999 -0.6016462526 H -1.8877467419 -1.7172965690 -0.9671193865 H -4.3116739619 -1.5750567712 -0.7919146919 C 0.8379695161 1.2959285958 -0.7957253984 N -0.1565406780 0.1950719095 -0.9375820821 C 2.1292284294 0.9712056078 -1.5734202784 O 2.8763310649 1.8313479191 -2.0385181218 O 2.3718361745 -0.3683659101 -1.6670534145 C 3.6661023749 -0.7097775123 -2.1588707369 C 3.8736485629 -2.1964321602 -1.9450921671 H 4.4386591239 -0.1535197465 -1.6152349291 H 3.7250414850 -0.4730280767 -3.2264938197 H 4.8603013368 -2.5078460934 -2.2989699031 H 3.7833387452 -2.4483061732 -0.8829571729 H 3.1084198468 -2.7730325464 -2.4748948894 O -5.6965406298 0.8180450501 -0.4613537519 C -6.5343125554 -0.3304089335 -0.4416622045 H -7.5638809742 0.0091739679 -0.2923563214 H -6.4954298423 -0.8609986015 -1.3988668960 H -6.2815823764 -0.9958050752 0.3907910730 H 0.2222444316 1.7840387433 1.2209829923 H 0.1442932569 -0.5171582158 -0.2387263977 H 0.4303016281 2.1807661209 -1.2936566507 3 25 s 10 0.15
- Tracez le profil d’énergie en fonction de la distance C-C. Au besoin, rajouter quelques points autour du maximum d’énergie en reprenant les coordonnées d’une structure proche de ce maximum et en relançant la l’élongation précédente avec un pas inférieur.
- Sélectionnez la structure la plus proche du maximum et optimisez alors l’état de transition à partir de cette structure en utilisant un algorithme d’optimisation d’état de transition (donc différent des algorithmes d’optimisation de minimum) avec l’en-tête suivante:
#n PM6 Opt=(TS,calcfc,noeigentest) freq
- Vérifiez la présence d’une unique fréquence imaginaire correspondant à une valeur propre négative du Hessien et visualisez le mode normal correspondant. Correspond-t-il à la coordonnée de réaction ? Cela vous semble-t-il normal ?
- [Bonus] Si vous avez raffiné la recherche de maximum en rajoutant des points, vous pouvez optimiser également le maximum trouvé préalablement. Le mode normale de celui-ci est-il le même ?
- Reportez les données énergétiques dans le tableur et déduisez-en l’énergie d’activation correspondant à la réaction étudiée.
- De la même manière, déterminez l’énergie d’activation et la structure de l’état de transition pour les trois autres produits. Quelle est la réaction cinétiquement favorisée ? Quel excès diastéréoisomérique prévoyez-vous?
Expérimentalement, ce couplage est rendu fortement diastéréosélectif par utilisation d’une copule chirale et cette diastéréosélectivité peut être contrôlée par la nature de la copule (Table 1 de l’article cité en introduction). Le cycle catalytique correspondant est représenté dans le Scheme 2 de l’article cité en introduction. Nous considérerons la copule C1 de cet article.
A partir des résultats pré-fournis dans le tableur précédent, complétez les formules pour obtenir les énergies relatives utiles et tracez le profile d’énergie libre au niveau PM6 pour les différents isomères et pour la copule C1 (attention à la conversion !). Comparez aux résultats obtenus sans catalyseur organique et aux résultats expérimentaux.
5. Pour allez plus loin: Influence du solvant et niveau de calcul
Le profil d’enthalpie libre et l’excès diastéréoisomérique peut être influencé par le solvant. Ce dernier peut être modélisé par un milieu diélectrique continu en rajoutant le mot-clé SCRF=(Solvent=Ethanol). Pour une liste des solvants disponibles, se référer au site de Gaussian onglet more. Cependant, on n’utilisera pas cette possibilité lors de ce TP, sachez juste qu’elle existe.
On peut aussi comparer les résultats obtenus au niveau PM6 aux résultats fournis au niveau M06-2X/6-31g*. Comment ce niveau de calcul a été amélioré dans l’article ?