Monday, December 31, 2012

化學反應是一個系統中所有的自由度都隨時間變化

化學反應是一個系統中所有的自由度都隨

時間變化
(time dependent)非常複雜的問題,除了最簡單的系統外,直接以量子力學來

處理幾乎是不可能來做到的,

1


過渡態計算以及化學反應



(1)


動力學簡介

前一章所提到的熱力學函數
H, G 等的計算用途很廣,但只能提供原子或分子在不

同狀態或不同化合物間的能量差異以及化學反應的方向。然而,在很多時候我們也會希

望知道化學變化發生的速度,也就是所謂的動力學性質。在理論上,動力學性質通常遠

較熱力學性質難以準確求得,原因大致上可分為二部分;首先,動力學性質的計算需要

更廣泛的位能曲面
(potential energy surface, PES) 資料,特別是包括一些分子鍵結的情

形比較特殊的高能量區域,而這些區域以現有的量化理論並不容易達到和穩定結構區域

一樣的準確度;其次,就算有了準確的
PES, 化學反應是一個系統中所有的自由度都隨

時間變化
(time dependent)非常複雜的問題,除了最簡單的系統外,直接以量子力學來

處理幾乎是不可能來做到的,我們一定需要做出許多簡化與假設,才可能得到有意義的

結果。常用的動力學
(dynamics) 理論方法包括 quantum scattering, molecular dynamics,

collision theory
等等。本章中要介紹的方法是其中最簡單的一種,但也是在一般化學

動力學研究中應用範圍最廣的一種,稱為過渡態理論
(transition state theory, TST)。

過渡態理論的發展可以追溯到
1930 年代Eyring 等物理化學家,基本上的重點是一

個化學反應的速度可以看成是被一個反應瓶頸所限制,這個瓶頸在位能曲面上對應的分

子結構稱為反應過渡態
(transition state),過渡態與反應物之間的能量差稱為反應能量障

礙
(barrier height);若反應物有足夠的能量與適當的位相 (orientation)到達過渡態,則反

應就會發生,反之則無法進行反應。在繼續介紹
TST 理論之前,先讓我們複習一下什

麼是化學反應速率與速率常數。

首先考慮下面這個單分子的熱化學反應:

A


⎯⎯k→B (1)

由基本的化學變量學
(chemical kinetics) 我們知道 (忽略逆反應):

[ ] [ ]

k[A]

dt

d B

dt


−
d A = = (2)

此方程式的解是:

[ ]

kt

A
t A e
= − 0 (3)

2


其中
A0 是A 的起始濃度,[A]t 是A 在時間t 的濃度。再以一個簡單的雙分子的熱化學

反應而言:

A


+ B⎯⎯k→C + D (4)

[ ] [ ] [ ] [ ]

k[A]2

dt

d D

dt

d C

dt

d B

dt


−
d A = − = = = (5)

此方程式的解是:

[ ]

kt

A
t A

− =

0


1 1 (6)

在
(1)−(6) 式中,k 為所謂的 “速率常數”,常數的意義在於k 不隨A, B, C, D 的濃度

不同而改變,但
k 通常是明顯的溫度函數,可以由實驗測量,但其值的大小以及隨溫

度變化的關係必須由理論的角度去推導與解釋。另外由
(2) 和 (5) 我們可以看出,單

分子反應與雙分子反應之速率常數單位是不一樣的。前面談到的
Transition State Theory

就是一種以簡單的統計熱力學方法去計算
k 值的一種動力學理論。

(2)


過渡態理論

過渡態理論的基本假設是:反應過渡態是由反應物到產物間最低能量路徑上的最高

點,也是反應的瓶頸;由反應物出發,在反應路徑的方向上一旦越過了過渡態,反應就

會進行至產物。對於能障很高很寬的反應而言,這些假設大致上是正確的。從古典統計

力學的角度,這其實也可以看成是反應過渡態與反應物之間達到一種虛擬平衡

(quasi-equilibrium)
的狀態,由此我們可以推出:

V k T

R

B e
B

q T

q T

h

k T k T

/

( )

( ) ( )

−Δ
≠

≠

=
(7)

其中
kB 是波茲曼常數,T 是絕對溫度,q≠ 是過渡態的 partition function per unit volume,

qR

是反應物的 partition function per unit volume,ΔV≠ 則是反應能量障礙。讓我們先來

看一下
(7)式中的單位,kBT/h 的單位是頻率,partition function 中每一個分子的單位是

體積
−1,exponential 項沒有單位,因此對單分子反應而言,(7) 式計算出的單位是時間

3

分之一,對雙分子反應而言,因為
qR 是二個反應物分子的partition function 之乘積, 因

此計算出的速率常數單位是
(體積) (時間−1) per molecule,這些單位與 (2)、(5) 式中的

k

是一致的。氣態單分子反應常用的單位是sec−1 ,而雙分子反應是 cm3 molecule−1

sec
−1,在溶液中,雙分子反應速率常數則常使用 M−1 sec−1。從虛擬平衡的觀點 (7) 式

也可以寫成是:

B G RT

c

B K e

h

K K k T

h

k

(T) k T /

°≠ ≠ °≠ −Δ
≠ = =

o


(8)

其中
Kc

≠
是上述虛擬平衡中相對於標準狀態的無單位 (unitless) 平衡常數,K°≠ 是

指原本虛擬平衡常數的單位。在單分子反應時
K°≠ 是沒單位的,可以省略,但記得在

雙分子反應時
K°≠ 的單位是指在標準狀態濃度的倒數,在氣態下通常是指 (V/n = Vm)。

Δ
G°≠ 是指在標準狀態下反應的自由能障礙,此值通常和單分子反應的能量障礙接近,

但會遠較雙分子反應的能量障礙高,因為從反應物到過渡態,亂度明顯變小。

(3) Isomerization of Hydrogen cyanide



有了上述的理論背景,我們可以利用量子化學計算來估計化學反應的速率常數。首

先我們來看一個非常簡單的系統:

CNH
→ HCN (R1)

我們使用
MP2/6-31+G(d,p) 計算方法得到:

E(HCN) =
−93.17212 h

E(CNH) =
−93.14306 h

因此,
ΔErxn = −0.02906 h = −18.2 kcal/mol,HCN 遠較CNH 穩定。接下來我們嘗試計

算過渡態:

%mem=200MW

%NProcShared=4

#MP2/6-31+G** OPT(CalcFC,TS,Noeigentest) FREQ

HCN-->CNH TS

0 1

H

C,1,RCH

N,2,RCN,1,AHCN

Variables:

RCH=1.17

RCN=1.20

AHCN=74.0

4

在
route section 中OPT(CalcFC,TS,Noeigentest) 代表在尋找 TS 之前先求力常數 (force

constants)
,這通常是在計算 TS 結構時必要的步驟。Noeigentest 告訴程式不要因為估

計出之
eigenvalue 的符號或數目不對而過早放棄。TS 的起始結構的決定通常必須由對

反應中原子的移動的了解去估計,在這裏我們使用一個三角形的結構,並增加
HCN 中

的
C−H 鍵長。計算結果是:

Final structure in terms of initial Z-matrix:

H

C,1,RCH

N,2,RCN,1,AHCN

Variables:

RCH=1.16735021

RCN=1.1965236

AHCN=74.08555607

1 2 3

A' A' A'

Frequencies -- -1294.9335 2102.3079 2780.2898

Red. masses -- 1.1698 11.4434 1.0619

Frc consts -- 1.1557 29.7987 4.8363

IR Inten -- 205.5094 3.4266 202.2854

Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z

1 1 -0.14 0.98 0.00 0.02 0.35 0.00 0.99 0.09 0.00

2 6 -0.07 -0.06 0.00 -0.03 0.70 0.00 -0.07 -0.01 0.00

3 7 0.07 -0.02 0.00 0.02 -0.62 0.00 -0.01 0.00 0.00

E(TS) =
−93.08701 h

我們看到果然只有一個虛頻
(mode 1),而且是代表著氫原子的移動。計算所得之能量

障礙
(Born-Oppenheimer energy) 為:

Δ
V≠ = –3.08701 h –(–3.14306 h) = 0.05605 h = 35.17 kcal/mol

為求得
TST 速率常數,我們需要Gibbs free energy 的計算結果,從TS 的output file 我

們看到:

Zero-point vibrational energy 6.98002 (Kcal/Mol)

Sum of electronic and thermal Free Energies=  93.09690

從
CNH 的output file 我們看到:

Zero-point vibrational energy 9.78606 (Kcal/Mol)

Sum of electronic and thermal Free Energies=  93.14699

5

從
CNH 到 TS, ZPE 下降了2.8 kcal/mol,因為N−H 已明顯斷裂但C−H 尚未完全形

成。由以上能量
ΔG°≠ = 0.05009 h = 31.43 kcal/mol,與加了ZPE 的能量障礙差別不大。

由
(8) 式我們得到在298.15 K:

k

(298.15 K) = (1.380658 × 10−23 J K−1 × 298.15 K ÷ 6.6260755 × 10−34 J s) ×

Exp[
−(31.43 kcal/mol × 4184 J/kcal ) ÷ (8.31451 J K−1 mol−1 × 298.15 K)]

= 5.69
× 10−11 s−1

通常這種計算最大的誤差來源並不是
TST 的假設,而是能量障礙的不準度,使用更高

階的理論做單點計算來校正
ΔV≠ 可以將速率常數的誤差大幅降低。比如說使用

CCSD(T)/aug-cc-pVTZ
做單點能量計算得到的結果是:

CNH: CCSD(T) =
−93.25728; TS: CCSD(T) = −93.20562;

Δ
V≠ = 32.42 kcal/mol

較
MP2/6-31+G(d,p) 值降低了2.74 cal/mol,因此我們若將前面得到的ΔG°≠ 降低 2.74

kcal/mol
成為28.69 kcal/mol,則依此算出之速率常數為:

k

(298.15 K) = (1.380658 × 10−23 J K−1 × 298.15 K ÷ 6.6260755 × 10−34 J s) ×

Exp[
−(28.69 kcal/mol × 4184 J/kcal ) ÷ (8.31451 J K−1 mol−1 × 298.15 K)]

= 5.80
× 10−9 s−1

比起直接用
MP2/6-31+G(d,p) 的值升高了100 倍! 像這種高能障的反應,速率常數對溫

度非常敏感,比如說在上例中,溫度若升至
400 K,所得到的速率常數為 1.76 × 10−3 s−1 ,

較
300 K 的值增加了約30 萬倍。

(4)


穿隧效應

量子力學中的穿隧效應
(tunneling effects) 在能障高但寬度很窄的反應中,特別是在氫

原子轉移的反應,在低溫下會有很大的貢獻,常常會將反應速率常數增加好幾個數量級。

這是指反應系統就算沒有足夠的能量越過能量障礙,但由於粒子的波動性質,仍然會有

機率通過高能量區域而到達產物。至機率通常不大,但如果能障很高,越過能障的機率

有可能也是非常小,此時穿隧效應就會變得很重要。多維空間的穿隧效應處理非常複雜,

在此先省略不談,我們僅介紹一個簡單的
(但不大準確) 的 Wigner tunneling

approximation:

我們假設在溫度
T下穿隧效應可以將TST 速率常數增加一個固定的倍數κ:

k

tunneling (T) = κ(T) kTST(T) (9)

6

2

24

( ) 1 1
⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛= +

≠

kT

T

ω

κ

h (10)

比如說在上例中,
ω≠ = 1295 i cm−1,

κ

(298.15 K) = 1 + [ 6.62608×10−34 J s×1295×2.99792458 × 1010 cm s−1 ÷

(1.380658
× 10−23 J K−1 × 298.15 K)]2 ÷ 24

= 2.6

這代表
Wigner tunneling 方法估計在298.15 K 時,穿隧效應會將速率常數增加了約2

倍,這應該還算是一個合理的估計。由
(10)式也可以看出,κ 對溫度也是非常敏感,

更低溫下,
κ 會顯著增加。

(5) Hydrogen Abstraction of Methan by the Hydroxyl Radical



接下來我們再看一個雙分子反應的例子:

OH + CH4
􀃆H2O + CH3 (R2)

這個反應在大氣化學裡非常重要,甲烷是大氣中重要的溫室效應氣體,主要由地表生物

產生,或由天然氣外洩而來,氫氧基是大氣中的清道夫,其來源主要是高空中臭氧和水

氣的光化學反應。通常氫氧基可以有效的將這些溫室效應氣體破壞分解,但若像是
CFC

這類型的分子,沒有氫原子讓氫氧基擷取,則會逐漸累積而在高空造成臭氧層的破壞。

由
MP2/aug-cc-pVTZ 的計算我們得到:

E(CH4) =
−40.41446; E(OH) = −75.62634; E(TS) = −116.02772

因此,

Δ
V≠ = –16.02772 h –(−40.41446 h −75.62634 h ) = 0.01308 h = 8.20 kcal/mol

TS
的結構及input file 如下:

7

%mem=800MW

%NProcShared=4

%chk=ts

#MP2/aug-cc-pVTZ SCF=InCore OPT(TS,CalcFC,Noeigentest) FREQ

TS of OH + CH4 --> H2O + CH3

0 2

H 0.09504348 0.02655889 0.00000000

C -0.00921118 1.20327064 0.00000000

H -1.06761193 1.43421874 0.00000000

H 0.49408694 1.58189315 0.87909295

H 0.49408694 1.58189315 -0.87909295

O 0.11157369 -1.30511158 0.00000000

H -0.85292786 -1.40329512 0.00000000

接下來我們看
Gibbs free energy 的計算結果,

從
TS 的output file 我們看到:

Zero-point vibrational energy 32.43719 (Kcal/Mol)

Sum of electronic and thermal Free Energies=  116.002549

從
OH 的output file 我們看到:

Zero-point vibrational energy 5.43091 (Kcal/Mol)

Sum of electronic and thermal Free Energies=  75.634598

從
CH4 的output file 我們看到:

Zero-point vibrational energy 28.48439 (Kcal/Mol)

Sum of electronic and thermal Free Energies=  40.386372

從反應物到過渡態,
ZPE 下降了1.47 kcal/mol,因為C−H 鍵開始被打斷,而O−H 鍵

尚未生成。

8

Δ
G°≠ = 0.01842 h = 11.56 kcal/mol,較加了ZPE 的能量障礙高了4.8 kcal/mol,這主要是

因為從反應物到過渡態亂度增加的緣故。

由
(8) 式我們得到在298.15 K:

k

(298.15 K) = (1.380658 × 10−23 J K−1 × 298.15 K ÷ 6.6260755 × 10−34 J s)

× 24465 cm
3/mol ÷ 6.022142 × 1023 molecule/mol

× Exp[
−(11.56 kcal/mol × 4184 J/kcal ) ÷ (8.31451 J K−1 mol−1 × 298.15 K)]

= 8.49
× 10−16 cm3 molecule−1 s−1

此反應的準確
ΔV≠ 值是 6.7 kcal/mol,較MP2/aug-cc-pVTZ 值低了1.5 kcal/mol。若將

Δ
G°≠ 值降低 1.5 kcal/mol,則:

k

(298.15 K) = (1.380658 × 10−23 J K−1 × 298.15 K ÷ 6.6260755 × 10−34 J s)

× 24465 cm
3/mol ÷ 6.022142 × 1023 molecule/mol

× Exp[
−(10.06 kcal/mol × 4184 J/kcal ) ÷ (8.31451 J K−1 mol−1 × 298.15 K)]

= 1.07
× 10−14 cm3 molecule−1 s−1

此反應速率常數的實驗值
(298 K) 約為8.0 × 10−15 cm3 molecule−1 s−1

我們以非常粗糙的
TST 計算竟然只有約25% 的誤差,已經是遠超出預期的準確度。

另外一件要注意的是,有些書上在
(7)、(8) 式中會加入一項rotational symmetry number;

在
gaussian 的output 中,這項已經併入partition function 及自由能的計算中了,通常

我們不用去操心。

(6) Kinetic Isotope Effects (KIEs)



我們若將
CH4 換成 CD4,速率常數會有什麼改變呢?一般定義動力學同位素效應為這

二個速率常數的比值:

KIE =
kH/ kD (11)

此值大於
1 時稱為normal isotope effects, 小於1 時稱為inverse isotope effects,由此可知

大部分的化學反應
KIE 都大於。在Born-Oppenheimer 的假設下,不管有沒有同位素取

代,
PES 是一模一樣的。因此,KIE 的成因主要來自ZPE 和旋轉運動的效應。我們以

前面氫氧基與甲烷的反應來做說明。由前所述,利用
FREQ(ReaFC,ReadIso) 的指令我

9

們可以將同位素取代後的熱力學性質很快的算出來,比如說
TS 的input 可寫成:

%mem=800MW

%NProcShared=4

%chk=ts

#MP2/aug-cc-pVTZ Geom=Check FREQ(ReadFC,ReadIso)

TS of OH + CH4 --> H2O + CH3

0 2

298.15 1.0

2

12

2

2

2

16

1

我們得到的結果是:

Zero-point vibrational energy 25.77491 (Kcal/Mol)

Sum of electronic and thermal Free Energies= -116.014101

對於
CD4 我們得到的結果是:

Zero-point vibrational energy 20.88442 (Kcal/Mol)

Sum of electronic and thermal Free Energies= -40.399804

從反應物到過渡態,
ZPE 下降了0.54 kcal/mol,但在CH4的反應中是下降了1.47 kcal/mol,

因此有效的能量障礙
(ZPE + EB.O.) 升高了0.93 kcal/mol,這是造成CD4 反應的速率常

數較低的主因。由以上資料我們得到:

Δ
G°≠ = 0.02030 h = 12.74 kcal/mol,

扣掉前述
1.5 kcal/mol 的校正量後,我們得到:

k

D (298.15 K) = (1.380658 × 10−23 J K−1 × 298.15 K ÷ 6.6260755 × 10−34 J s)

× 24465 cm
3/mol ÷ 6.022142 × 1023 molecule/mol

× Exp[
−(11.24 kcal/mol × 4184 J/kcal ) ÷ (8.31451 J K−1 mol−1 × 298.15 K)]

= 1.46
× 10−15 cm3 molecule−1 s−1

KIE =
kH / kD = 1.07 × 10−14 ÷ 1.46 × 10−15 = 7.33

由
TST 理論我們預測CD4 反應要較CD4 反應的速率常數慢7.3 倍。實驗上,此反應

KIE
的資料並不太一致,根據1997 年的一篇文獻 (J. Phys. Chem. A 1997, 101, 3125) 在

298 K
的KIE 為7.36,這我們寧願看成是巧合,因為實驗和理論不太可能這麼一致,

10

但這也告訴我們,前述的簡單方法的確可以合理的來計算動力學同位素效應。其實我

們可以看出,以
TST 計算KIE 時,ΔV≠ 的值不會影響結果,不過 ΔV≠ 對速率常數的

計算是極端重要的。以上的處理我們也都忽略了穿隧效應的貢獻。

(7)


結語

在這一章中,我們介紹了如何使用
Gaussian 程式來計算化學反應速率常數以及動力學

同位素效應。這些計算以往都被認為是非常困難與專業的,但我們可以看到,利用我們

上一章對熱力學與統計熱力學的知識,配合量子化學的計算,我們可以很容易的以
TST

理論來模擬化學反應速率常數。當然,在不少情況下,
TST 理論可能並無法得到很可

靠的結果,比如說當穿隧效應很大或
recrossing effects 、 variational effects 很重要時,

動力學性質準確的模擬要靠更精確的理論,比如說
Variational Transistion State Theory

with Multi-Dimensional Tunneling (VTST/MT)
;當然,前提是 PES 的資料要準確,不然

再好的動力學理論也無用武之地。雖然
TST 的理論對解釋與預測化學反應的動力學性

質有著非常高的價值,歷史上還沒有人因為
TST 或VTST 理論得到諾貝爾獎,或許這

方面的研究學者將來被進一步肯定的日子是可以被期待的。

© 2010


中正大學化生系

胡維平 教授

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