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Solvent Effects on the Symmetric and Asymmetric SN2 Reactions in the Acetonitrile Solution: A Reaction Density Functional Theory Study

SN2反应 溶剂化 乙腈 化学 密度泛函理论 溶剂效应 计算化学 隐溶剂化 极化(电化学) 溶剂 物理化学 热力学 化学物理 有机化学 物理
作者
Weiqiang Tang,Jihao Zhao,Jiang Peng,Xiaofei Xu,Shuangliang Zhao,Zhangfa Tong
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:124 (15): 3114-3122 被引量:21
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.0c00607
摘要

Bimolecular nucleophilic substitution (SN2) reactions are of great importance in chemistry and biochemistry due to their capability of constructing functional groups. In this work, we investigate the solvent effect on the free energy profiles of symmetric and asymmetric SN2 reactions in the acetonitrile solution using the proposed reaction density functional theory (RxDFT) method. This multiscale method utilizes quantum density functional theory for calculating intrinsic reaction free energy coupled with classical density functional theory for addressing solvation contribution. We find that the presence of acetonitrile brings both the polarization effect and solvation effect on the reaction pathways. For the eight selected symmetric SN2 reactions, the predicated reaction pathways agree well with the results from the direct and thermodynamic cycle (TC) methods with the SMD-M062X solvation model. In addition, the polarization effect reduces the free energy barriers by about 6 kcal/mol, while the solvation effect increases the barriers by about 18 kcal/mol. For the four selected asymmetric SN2 reactions, the predicted reaction pathways agree well with the results from the Monte Carlo simulations and experiments. The polarization effect and the solvation effect mutually reduce the free energy barriers, and the solvation effect plays a dominant role.

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