Machine-learning photodynamics simulations uncover the role of substituent effects on the photochemical formation of cubanes

旋转的和不旋转的 化学 圆锥交点 位阻效应 立方烷 戒指(化学) 三氟甲基 光化学 取代基 计算化学 立体化学 分子 有机化学 烷基
作者
Jingbai Li,Rachel Stein,Daniel Adrion,Steven A. Lopez
标识
DOI:10.33774/chemrxiv-2021-lxsjk
摘要

Photochemical [2+2]-photocycloadditions are used to efficiently access strained organic molecular architectures, storing solar energy in chemical bonds. Functionalized [3]-ladderenes have been shown to undergo [2+2]-photocycloadditions to afford cubanes, an energy-dense class of organic molecules. The substituents (e.g., methyl, trifluoromethyl, and cyclopropyl) affect the overall reactivities of these cubane precursors leading to a yield from 1% to 48%. We now integrate single and multireference calculations and our machine-learning-accelerated non-adiabatic molecular dynamics (ML-NAMD) to understand how substituents affect the mechanistic photodynamics of [2+2]-photocycloadditions. Our calculations show that steric clashes destabilize the 4π-electrocyclic ring-opening pathway and minimum energy conical intersections by 0.72–1.15 eV and reaction energies by 0.68–2.34 eV. In contrast, favorable dispersive interactions stabilize the [2+2]-photocycloaddition pathway, lower the conical intersection energies by 0.31–0.85 eV and cubane reaction energies by 0.03–0.82 eV. The 2 ps ML-NAMD trajectories reveal that closed-shell repulsions block a 6π-conrotatory electrocyclic ring-opening pathway with increasing steric bulk. 57% of the methyl-substituted [3]-ladderene trajectories proceed through the 6π-conrotatory electrocyclic ring-opening, whereas the trifluoromethyl- and cyclopropyl-substituted 3-ladderenes chemoselectively proceed through [2+2]-photocycloaddition pathways. The predicted cubane yields (H: 0.4% < CH3: 1% < CF3: 14% < cPr: 20%) match the experimental trend; these substituents pre-distort the reactants to resemble the conical intersection leading to cubane.
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