イオン液体の DMSO 中での酸性度の計算

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有機化学反応機構を考察する上で、pKa の値を知っておくことは非常に重要です。Evans や Bordwell などの pKa テーブルを使用している方も多いのではないでしょうか?

しかし、pKa テーブルには載っていない部分構造も多数ありますし、微妙な構造変化によってどの程度 pKa が変化するのかを正確に予測することは困難です。

実験的に pKa を求めるのが信頼性の高い方法ですが、手間がかかります。今回は、計算化学を用いて pKa の計算を行なっている論文を簡単に紹介したいと思います。

 

“A Systematic Theoretical Study on the Acidities for Cations of Ionic Liquids in Dimethyl Sulfoxide”
Zhen Wang, Yongjun Zheng, Yong Zheng, Xiao-Song Xue, and Pengju Ji
J. Phys. Chem. A in press. DOI: 10.1021/acs.jpca.8b02265

概要

本論文では、40 種類の一般的なイオン性液体 (CIL) の陽イオンの DMSO 中での酸性度が、確立された計算方法である SMD/M06-2X/6-311++G(2df,2p)//B3LYP/6-31+G(d) で計算されています。算出された pKa は、利用可能な実験データと良い一致を示し、1,3- dialkylimidazolium > amidinium > pyridinium > tetraalkylphosphonium > morpholinium > pyrrolidinium ≈ piperidinium > guanadinim cations の順に pKa = 20.0〜45.8 の範囲にあることが分かりました。今回の研究で確立された酸性度スケールは、様々な塩基性条件下でのイオン性液体の安定性を評価するために有用な指標となります。また、関連するいくつかの古典的な 窒素含有複素環カルベンやオレフィンならびにイリド などの塩基性も今回の手法で明らかにできると考えられます。

計算手法

著者らの先行研究 (参考文献 1) で、すでに計算手法が検討されています。今回の論文では、B3LYP/6-31+G(d) で構造最適化、M06-2X/6-311++G(2df,2p) で一点計算が行われています。溶媒効果は、solvation model density (SMD) で見積もられています。実験地との誤差は、0.5 程度だそうです。pKa は下のスキームに沿って算出されました。

 

pKa の計算に関しては、schrodinger のウェブサイトの DFT-based pKa Predictionというページが大変参考になります。ページ下部に参考文献も書かれています (参考文献 2-6) 。

参考文献

  1. Yang, C.; Xue, X.-S.; Jin, J.-L.; Li, X.; Cheng, J.-P. Theoretical study on the acidities of chiral phosphoric acids in dimethyl sulfoxide: hints for organocatalysis. J. Org. Chem. 2013, 78, 7076−7086.
  2. Klicić, J. J.; Friesner, R. A.; Liu, S.-Y.; Guida, W. C., Accurate prediction of acidity constants in aqueous solution via density functional theory and self-consistent reaction field methods. J. Phys. Chem. A, 2002, 106, 1327–1335.
  3. Liao, C.; Nicklaus M. C. Comparison of Nine Programs Predicting pKa Values of Pharmaceutical Substances. J. Chem. Inf. Model. 2009, 49, 2801–2812.
  4. Marten, B.; Kim, K.; Cortis, C.; Friesner, R. A.; Murphy, R. B.; Ringnalda, M. N.; Sitkoff, D.; Honig, B., New Model for Calculation of Solvation Free Energies: Correction of Self-Consistent Reaction Field Continuum Dielectric Theory for Short-Range Hydrogen-Bonding Effects. J. Phys. Chem. 1996, 100, 11775-11778.
  5. Bochevarov, A. D.; Watson, M. A.; Greenwood, J. R.; Philipp, D. M., Multiconformation, Density Functional Theory-Based pKa Prediction in Application to Large, Flexible Organic Molecules with Diverse Functional Groups, J. Chem. Theory Comput., 2016, 12 (12), 6001–6019.
  6. Hilpert, H. et al., β‑Secretase (BACE1) Inhibitors with High in Vivo Efficacy Suitable for Clinical Evaluation in Alzheimer’s Disease. J. Med. Chem. 2013, 56, 3980−3995.

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