Computational Investigations of Reactivity and Selectivity of Methylation of Nitronates [R1R2CNO2]–

Abstract

Realizamos estudos do mecanismo, da seletividade e regiosseletividade da metilação de nitronatos [R1R2CNO2]− com CH3I, em que R1 = R2 = H (1), R1 = CH3 e R2 = H (2), R1 = R2 = CH3 (3); e R1 + R2 = c-(CH2)2 (4), usando método quântico ab initio MP2/CBS método e as teorias ADO e RRKM e simulações numéricas. As estruturas de todos os pontos estacionário no perfil da reação, incluindo os estados de transição, foram obtidas com sucesso e forneceram as energias de ativação (Δ‡𝐸) e de reacção (Δr𝐸) para todos os caminhos reacionais. Estas reações iniciam com a formação de complexo de reagente do tipo íon-molécula (RC@C ou RC@O) que se converte no respectivo complexo de produto (PC@C e PC@O), através do estado de transição (TS@C e TS@O) correspondente. As constantes de velocidade para a conversão do RC ao PC foram calculadas com a teoria RRKM. Ao contrário da proposta da literatura para o mecanismo de reação, a C-metilação é a via termodinâmica e cinética preferencial, com as seguintes seletividades: PC@C:PC@O = 89:11 (1), 97:03 (2-E), 97:03 (2-Z), 100:0 (3) e 100:0 (4). Isto é corroborado pela concordância qualitativa e quantitativa entre a ordem da reatividade calculada e experimental: 4 >> 3 > 2 > 1. A regiosseletividade para a C-alquilação é explicada pela maior exotermicidade desse canal de reação em comparação com a O-alquilação. O aumento da reatividade com o aumento do impedimento estérico ao redor do carbono central é explicado pelas diferenças de carácter sp3 deste átomo e pela diminuição da frequência vibracional associada à piramidalização ao redor deste átomo de carbono. Uma avaliação de funcionais híbridos- e duplo-híbrido DFT e do método MP2 para estas reações foi realizada a fim de verificar a confiabilidade e precisão destes métodos e sua utilização em modelagens similares. Os métodos mais precisos e robustos, que apresentam menor demanda computacional, foram M06- 2X and MP2 com as funções de base aug-cc-pVTZ-PP. A fim de revelar os efeitos solvente e do agente alquilante, a metilação do nitronato [MeCHNO2]− (2) com Me3O+ (oxônio) foi estudada em fase gás e em solução com o método B2PLYP/6-311+G(d,p). Os resultados mostraram regiosseletividade para a O-metilação em fase gás e principalmente em solução (diclorometano), o que concorda com os dados experimentais. Além disso, eles mostram que a regiosseletividade é fortemente dependente do agente alquilante (MeI vs. Me3O+). Este mesmo método foi utilizado para as reações [XC6H4CHNO2]− + MeCl (X = H, p-MeO, p-NO2) em fase gás e em solução (DMF). Os resultados em solução mostram uma pequena seletividade favorável à O-metilação, contudo, considerando que o agente metilante usado experimentalmente era o metil-p-bromobenzenossulfonato (MeOBS), o qual é muito mais reativo que o MeCl, é esperado que a utilização do MeOBS nas modelagens moleculares deva aumentar esta regiosseletividade para a O-metilação.