Для большинства соединений реакции их образования из простых веществ не могут быть осуществлены на практике. Основным источником фактической информации об энтальпиях образования органических соединений являются экспериментальные данные по энтальпиям их сгорания (), полученные калориметрическим методом. Накопленные к настоящему времени и рекомендуемые значения и содержатся в компиляциях [1-4]. До настоящего времени справочные сведения об были представлены исключительно калориметрическими данными. Современные эмпирические методы прогнозирования также базируются только на калориметрических данных. При этом следует отметить, что информация, уникальная по спектру задействованных веществ, объему выполненных исследований и точности полученных термодинамических характеристик, содержится в результатах изучения химического равновесия. На наш взгляд, эффективное использование этих сведений позволит существенно расширить прогностические возможности методов массовых расчетов органических веществ.

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЭнтальпиЙ образования [1-8]

Основные методы прогнозирования энтальпий образования органических соединений относятся к , то есть характеризуют свойство вещества, находящегося в состоянии идеального газа при давлении 1 атм. и температуре 298,15 К, которую часто называют стандартной. Среди методов массовых расчетов особого внимания заслуживают методы молекулярной механики и аддитивные методы (лат. additio - прибавление). Большинство полуэмпирических методов не обеспечивает требуемого качества прогноза. Неэмпирические методы не дают прямого выхода на энтальпии образования веществ и к тому же до сих пор являются малодоступными для расчета свойств органических веществ со сложным строением молекул.

В группе методов молекулярной механики нами накоплен значительный опыт по использованию метода ММХ (на базе силового поля Эллинджера). Метод хорошо зарекомендовал себя в приложении к алканов. Однако уже для ароматических соединений его целесообразно использовать не для расчета энтальпий образования, а для оценки эффектов взаимодействия заместителей в молекуле, т.е. для разностей энтальпий образования изомеров. Для большинства галогенорганических, кислород-, азот- и серосодержащих соединений метод дает смещенные оценки . Тем не менее, этот метод следует применять во всех случаях для экспрессной оценки свойства. Как и любой другой метод, он требует подкрепления результатов сведениями, полученными другим методом прогнозирования. Метод молекулярной механики имеет прекрасный интерфейс и исключительно результативен как источник информации о строении молекул и их геометрических параметрах.

При отсутствии справочных данных для прогнозирования в настоящее время широко используются различные аддитивные методы. С момента создания основных аддитивных методов прогнозирования свойств органических веществ, находящихся в состоянии идеального газа, прошел значительный период времени, однако они сохраняют свою значимость, несмотря на становящиеся все более доступными методы молекулярного моделирования. Эти методы эффективны в тех случаях, когда свойство изменяется линейно при изменении количества однотипных фрагментов в молекуле. Строго аддитивной является, например, молекулярная масса вещества. Для энтальпий образования органических соединений аддитивный подход является во многих случаях лишь некоторым приближением в расчете. Дело в том, что даже в гомологической группе изменяется нелинейно с изменением числа углеродных атомов в молекуле (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Зависимость энтальпии образования н-алканов и алкил бензолов от числа атомов углерода в их молекулах

Таким образом, гомологическая разность не является величиной постоянной, особенно для первых членов гомологических групп. Точно так же при увеличении количества заместителей одного вида в молекулах органических веществ очень часто приходится говорить об отклонении от аддитивности в . Однако при введении поправок на неаддитивность методы данной группы работают вполне удовлетворительно, если степень и глубина их детализации достаточны и отвечают точности современного эксперимента.

В зависимости от принятой идеологии в качестве носителя структурной и количественной информации в аддитивных методах могут выступать составляющие молекулу атомы, группы атомов или связи. Большинство методов прогнозирования построено таким образом, что по мере расширения базы данных по энтальпиям образования относительно легко могут быть уточнены значения парциальных вкладов или введены новые поправки.

Общий подход к прогнозированию энтальпий образования веществ предполагает вычисление с последующим, при необходимости, переходом к идеально-газовым энтальпиям образования при других температурах или к , т.е. к свойству вещества в реальном состоянии.

Из всего разнообразия аддитивных методов расчета нами рассматриваются два; групповой метод Бенсона по атомам с их первым окружением и метод Татевского по связям.

Прогнозирование органических соединений методом Бенсона по атомам с их первым окружением

Следует признать, что из всего многообразия аддитивных схем для прогнозирования энтальпий образования органических веществ метод Бенсона в течение продолжительного периода применяется наиболее широко. Объясняется это, вероятно, тем, что этим методом охвачен наиболее широкий круг соединений. Для оперативной оценки абсолютного большинства соединений без привлечения каких-либо технических средств метод, пожалуй, не имеет себе равных. Совершенно очевидно, что ценой его универсальности является точность прогноза. Поэтому при использовании метода необходимо знать о неизбежных его ограничениях. На основные из них, являющиеся результатом нашей широкой апробации метода, мы постараемся обратить внимание потенциальных пользователей.

Метод Бенсона принято называть групповым, хотя в качестве структурной единицы в нем избран атом с его первым окружением . Метод разработан автором для расчета следующих идеально-газовых свойств веществ: теплоемкости при температурах, кратных 100 градусам, энтальпии образования и энтропии .

По мере развития метода автор несколько изменял символику групп. Однако при некотором навыке работы с методом это не создает каких-либо ощутимых трудностей. Нами используется последняя редакция метода [5].

В табл. 1.1. приведены некоторые из наиболее распространенных групп для элементов C, N, O и S. В колонке “валентность” показано число одновалентных групп, таких как атом водорода или галогена, которые могут быть связаны с рассматриваемой группой.

Значения парциальных вкладов в свойства и специфические поправки приведены в табл. 1.2. Мы сочли себя вправе сделать некоторые дополнения к авторской редакции таблицы. Эти дополнения касаются только поправок, учитывающих взаимодействие соседних заместителей в молекулах алкилароматических соединений и галогеналкилбензолов. Они получены на основе экспериментальных данных или вычислены методом молекулярной механики ММХ.

Таблица достаточно объемна. Знакомство с ее структурой и приемы работы с методом изложены ниже в приложении к соединениям различных классов и сопровождены конкретными примерами.

Таблица 1.1

Некоторые многовалентные группы метода Бенсона для идеально-газового состояния

Группа	Валентность	Комментарий
С	4	Четырехвалентный углерод в молекулах алканов, циклоалканов и в алкильных или циклоалкильных заместителях
=С	2	Углерод при двойной связи в молекулах алкенов, циклоалкенов и в алкенильных или циклоалкенильных заместителях; обращаем внимание на то, что символ Cd не относится к атому углерода при двойной связи, а принадлежит кадмию
С b	1	Углерод ароматического ядра, не принадлежащий узловым атомам углерода в соединениях с конденсированными ядрами
С p	3	Узловой углеродный атом ароматических углеводородов с конденсированными ядрами
Ct	1	Углерод при тройной связи (алкины)
=С=	0	алленовый углерод (центральный углерод в структурах типа >C=C=C<)
= Cim	2	Углерод при двойной связи с азотом в имино-группе (С в >C=N-)
CO	2	Карбонильная группа в молекулах альдегидов, кетонов, сложных эфиров, карбоновых кислот
О	2	Кислород в простых эфирах, спиртах, а также некарбонильный кислородный атом в сложных эфирах, карбоновых кислотах и ангидридах карбоновых кислот
N	3	Трехвалентный азот (амины)
= Nim	1	Азот имино-группы (N в >C=N-)
=Naz	1	Азот азо-группы (N в -N=N-)
Nb	0	Ароматический азот (пиридин, пиразин и пиримидин, но не пиридазин)
CS	2	Тиокарбонил
S	2	Двухвалентная сера (сульфиды)
SO2	2	Группа сульфонов
SO	2	Сульфоксидная группа
1- Ad	1	1-Адамантильный фрагмент

Алканы

Прогнозирование алканов состоит в вычислении аддитивной составляющей энтальпии образования и введении поправок на гош-взаимодействия.

Расчет аддитивной составляющей производится следующим образом.

Записывается структурная формула алкана.

В молекуле алкана выделяются все атомы углерода с их первым окружением , для которых принята следующая символика: C H ₃ –(C) - первичный, CH₂ –(2C) - вторичный, C H –(3C) - третичный, C –(4C) – четвертичный, т.е. символом" C" обозначены насыщенные атомы углерода. Поскольку углерод является четырехвалентным, то в условном обозначении для каждого из ключевых атомов указаны четыре атома, с которыми он связан. Значения парциальных вкладов для вторичного, третичного и четвертичного атомов углерода, приведенные в табл. 1.2, применяются не только для алканов или алкильной составляющей молекул других классов органических соединений, но и для насыщенных циклических фрагментов молекул.

Cуммированием парциальных вкладов, приведенных в первой части табл. 1.2 с подзаголовками “C H ₃ , CH₂ , C H и C группы” , получают аддитивную составляющую свойства. Количество слагаемых при этом равно количеству атомов углерода в молекуле. Так, для бутанов количество парциальных вкладов равно четырем, для октанов - восьми и т.п.

Значение аддитивной составляющей свойства еще не определяет его величины. Следующим этапом расчета является учет всех необходимых поправок. При прогнозировании энтальпий образования алканов методом Бенсона вводятся поправки на гош- взаимодействие алкильных фрагментов в молекуле, которые разделены тремя углерод-углеродными связями. Расчет поправок на гош- взаимодействие производится следующим образом.

* В молекуле алкана выделяются все неконцевые углерод-углеродные связи.

* Для каждой из выделенных связей рисуются три проекции Ньюмена, в которых молекула алкана представлена скошенными конформациями, то есть алкильные фрагменты молекул, разделенные тремя связями, повернуты относительно друг друга на 60 градусов.

* Для каждого из трех конформеров определяется количество гош- взаимодействий типа “алкил-алкил” (взаимодействия типа “водород-алкил” и “водород-водород” считаются незначимыми). Наименьшее количество гош -взаимодействий, полученное при этом, характеризует рассматриваемую связь и участвует далее в расчете суммарной гош -поправки. Таким образом, при рассмотрении любой из неконцевых связей допускается, что молекула находится именно в той конформации, для которой стерические напряжения являются наименьшими из возможных.

* Избранные для каждой из неконцевых связей количества гош- взаимодействий суммируются. Сумма умножается на значение, рекомендованное в табл. 1.2 (подраздел “Поправки на гош- и 1,5-отталкивающие взаимодействия” ) для одной гош -поправки, которое равно 3,35 кДж/моль. Суммарная величина поправок прибавляется к аддитивной составляющей свойства. В результате получаем значение для рассматриваемого алкана.

Пример 1.1