Entendendo Reações SN2 : teste de metodologias e exploração de fronteiras

Abstract

O avanço das metodologias teóricas para a apreciação de fenômenos químicos tem sido bastante acentuado nas últimas décadas. Com o surgimento de métodos cada vez mais refinados, os quais possibilitam em muitos casos resultados mais precisos que os experimentais, surge a impressão equivocada que o entendimento qualitativo de determinados fenômenos deve ser posto de lado visando a obtenção numérica das quantidades em questão. Não obstante, o conhecimento qualitativo de certos fenômenos tem se provado essencial para a predição de seus caminhos completos. Dentro da química o exemplo maior pode ser dado pelos cálculos de estado de transição, nos quais as suposições corretas sobre as interações entre reagentes e produtos são essenciais para o desenvolvimento dos cálculos. Entre os métodos qualitativos, destaca-se a Teoria dos Orbitais Moleculares de Fronteira, desenvolvida por Kenichi Fukui na primeira metade do século XX, que permitiu a racionalização de um grande número de reações químicas. Nesse âmbito, Lionel Salem e Gilles Klopman, independentemente, propuseram uma equação que permitia a identificação imediata das interações presentes entre os substratos de uma reação assim como a caracterização da dominância de uma sobre a outra, sendo um trabalho pioneiro nesse sentido. O objetivo deste trabalho é testar um conjunto de técnicas para predição qualitativa de caminhos de reação, o modelo de Salem-Klopman, a análise por Orbitais de Ligação Naturais (Natural Bond Orbitals, NBO), e as grandezas da Teoria do Funcional da Densidade Conceitual, verificando a coerência de suas predições de sítios de interação entre moléculas reagentes, principalmente no que tange à reações SN2 com nucleófilos ambidentados. Quanto ao estudo de cargas atômicas serão utilizadas três metodologias diferentes de cálculo de cargas atômicas, os métodos de Mulliken, Löwdin - baseados em análise de população eletrônica - e CHELPG (CHarges from Electrostatic Potentials using a Grid based methodology), baseado em análise do potencial eletrostático. Pretende-se, também, com as informações vindas destas metodologias, testar o princípio HSAB de Pearson, que tem sido rediscutido nesses últimos anos. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT

The description of chemical phenomena suffered a great enhancement on the last decades. Currently, theoretical methods can hold very accurate results, sometimes even better than experimental ones. This fact creates a paradigm: Is it really necessary to qualitatively predict chemical phenomena since it is possible to perform calculations with such high accuracy? Even though many chemists are tempted to answer negatively this question, it is surely positive. Transition state calculations, for example, depend heavily on qualitatively correct pictures of the interaction between reactants. Among the qualitative methods, it is imprescindible to highlight the Frontier Molecular Orbitals (FMO) theory, developed by Kenichi Fukui in the first thhalf of the 20 century and allowed the description of many chemical reactions. In this context, Lionel Salem and Gilles Klopman, independently, proposed a pioneer approach which used a now-called Salem-Klopman equation. With this formula they could identify interactions present in the system and determine which one dominates over the other, marking the beginning of the qualitative approach of understanding reaction paths. The objective of this work is to test Salem-Klopman’s, Natural Bond Orbital (NBO) analysis and Conceptual DFT quantities for the prediction of interaction sites in SN2 reactions with ambident nucleophiles. Parameters were collected from modern electronic structure calculations, with special attention to three atomic charges methodologies: Mulliken’s and Löwdin’s method based on electronic population analysis and CHELPG (CHarges from Electrostatic Potentials using a Grid based methodology). It is also intended to test Pearson’s HSAB principle whose validity is been called into question recently.