Efectos no-estadísticos en la regioselectividad de cicloaromatizaciones con caminos de reacción bifurcados

Abstract

En este proyecto de tesis se realizó un análisis estático basado en la constante de fuerza de reacción κ(ξ) y un análisis dinámico a partir de trayectorias cuasiclásicas (QCTs), con el objetivo de determinar cómo la distribución de energía vibracional influye significativamente en la descripción de la quimioselectividad. Esto es especialmente relevante para los estados de transición que cumplen con las condiciones límite del régimen estadístico, ayudando a explicar el origen físico de estados de transición ambimodales que pueden llevar a bifurcaciones en el camino de reacción. En este sentido, se identificaron dos sistemas dentro de las cicloaromatizaciones (Myers-Saito y Schmittel) en los cuales la distinguibilidad entre los caminos competitivos es mínima, basada en sus cercanías energéticas (ΔΔG‡, ΔΔE‡), estructurales (ΔEN, RMSD) y en cómo las poblaciones relativas de los microestados vibracionales afectan la relación Curtin-Hammett. El análisis estático se centró en correlacionar los 3N-6 modos con el progreso de la reacción (usando la constante de fuerza de reacción κ(ξ) en la región de transición), empleando un protocolo de Regresión de Mínimos Cuadrados Parciales con Proyección de Importancia de Variables (PLS-VIP). De esta manera, se identificaron similitudes y diferencias representativas en los perfiles de activación derivados de modos reactivos que favorecen o inhiben el progreso de la reacción. Por otra parte, el análisis basado en QCTs mostró desviaciones de la dinámica de reacción respecto al régimen estadístico (TST/RRKM) en las ciclaciones Myers-Saito y Schmittel. Además, mediante la aproximación de osciladores armónicos desacoplados, se lograron caracterizar modos vibracionales específicos que demostraron ser más sensibles a la captura y transferencia de energía tras una perturbación térmica, lo que puede alterar la cinética de la reacción. Ambos análisis destacaron la importancia de los modos reactivos que definen la naturaleza intrínseca de la reacción (efectos paralelos a ξ) y también de los modos altamente sensibles que se activan durante la dinámica de la reacción a causa de un choque térmico (efectos perpendiculares a ξ). Se sugiere, por tanto, que las desviaciones estadísticas observadas (no TST-RRKM) surgen como respuesta de una perturbación de la energía cinética vibracional que eventualmente puede conducir a la fusión de estados de transición diferenciables en un posible estado de transición ambimodal, debido al incremento de microestados vibracionales convergentes de los estados de transición competitivos.

A static analysis based on the reaction force constant κ(ξ) and a dynamic analysis based on quasi-classical trajectories (QCTs) were conducted, the aim of the thesis was determining how the distribution of vibrational energy significantly influences the description of chemoselectivity. This is particularly relevant for transition states that meet the boundary conditions of the statistical regime, helping to explain the physical origin of ambimodal transition states that can lead to bifurcations in the reaction path. In this regard, two systems within cycloaromatizations (Myers-Saito and Schmittel) were identified in which the distinguishability between competitive paths is minimal, based on their energetic proximity (ΔΔG‡, ΔΔE‡), structural proximity (ΔEN, RMSD), and how the relative populations of vibrational microstates affect the Curtin-Hammett relationship. The static analysis focused on correlating the 3N-6 modes with the reaction progress (using the reaction force constant κ(ξ) in the transition region), employing a Partial Least Squares Regression protocol with Variable Importance Projection (PLS-VIP). In this way, representative similarities and differences were identified in the activation profiles derived from reactive modes that favor or inhibit the reaction progress. On the other hand, the analysis based on QCTs showed deviations from the reaction dynamics with respect to the statistical regime (TST/RRKM) in the Myers-Saito and Schmittel cyclizations. Additionally, using the uncoupled harmonic oscillators approximation, sensitive vibrational modes which proved to enhance or retard the competitive reaction pathways by capturing and transfer the thermal energy were characterized, which can alter the reaction kinetics and therefore the overall cycloaromatization regioselectivity. Both analyses highlighted the importance of reactive modes that define the intrinsic nature of the reaction (parallel effects to ξ) and also of highly sensitive modes that are activated during the reaction dynamics due to a thermal shock (perpendicular effects to ξ). Therefore, it is suggested that the observed statistical deviations (non-TST-RRKM) arise as a response to a perturbation of the vibrational kinetic energy, which may eventually lead to the fusion of distinguishable transition states into a possible ambimodal transition state, due to the increase in converging vibrational microstates of the competitive transition states.