How Solvation Influences the SN2 versus E2 Competition

化学 隐溶剂化 路易斯酸 密度泛函理论 计算化学 溶剂化 SN2反应 亲核细胞 竞赛(生物学) 基础(拓扑) 化学物理 溶剂 溶剂效应 立体化学 有机化学 催化作用 数学分析 数学
作者
Thomas Hansen,Jasper C. Roozee,F. Matthias Bickelhaupt,Trevor A. Hamlin
出处
期刊:Journal of Organic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:87 (3): 1805-1813 被引量:23
标识
DOI:10.1021/acs.joc.1c02354
摘要

We have quantum chemically investigated how solvation influences the competition between the SN2 and E2 pathways of the model F- + C2H5Cl reaction. The system is solvated in a stepwise manner by going from the gas phase, then via microsolvation of one to three explicit solvent molecules, then last to bulk solvation using relativistic density functional theory at (COSMO)-ZORA-OLYP/QZ4P. We explain how and why the mechanistic pathway of the system shifts from E2 in the gas phase to SN2 upon strong solvation of the Lewis base (i.e., nucleophile/protophile). The E2 pathway is preferred under weak solvation of the system by dichloromethane, whereas a switch in reactivity from E2 to SN2 is observed under strong solvation by water. Our activation strain and Kohn-Sham molecular orbital analyses reveal that solvation of the Lewis base has a significant impact on the strength of the Lewis base. We show how strong solvation furnishes a weaker Lewis base that is unable to overcome the high characteristic distortivity associated with the E2 pathway, and thus the SN2 pathway becomes viable.
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