A Computer-Based Exercise on the Racemization Mechanism and Energy Barrier of Axially Chiral Molecules

Zijun Guan, Li−Li Liao, Yong-Yuan Gui, Cefei Zhang, Xiangge Zhou, Da-Gang Yu, and Haifeng Xiang

J. Chem. Educ. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.5c00265

Chirality is a fundamental property of nature, but it is challenging for undergraduate students to anticipate and understand the mechanism of racemization. In the density-functional-theory-based exercise described herein, students are introduced to tasks ranging from simple to complex to search transition states in the racemization process of a series of axially chiral biaryl molecules. The calculated racemization energy barriers range from 16.7 to 54.3 kcal/mol, mainly depending on the degree of steric hindrance between four ortho-position substituents. This visual and straightforward exercise is designed to stimulate students’ interest in organic and physical chemistry, provide insight into chemical mechanisms, and reveal the intrinsic relationships between structure and property.

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这篇文章的核心内容是关于轴手性分子的外消旋化机制和消旋能垒的计算机辅助教学研究。文章通过一系列

轴手性联芳基分子的外消旋化过程，介绍了基于密度泛函理论（DFT）的计算练习，旨在帮助学生理解外消

旋化机制，并揭示结构与性质之间的内在关系。

### 研究背景

轴手性分子，尤其是1,1'-联芳基衍生物，作为一类经典的手性分子，在生物化学、不对称合成、超分子化学

和手性光学等领域受到了广泛关注。这些分子的立体异构性源于两个芳香环的四个取代基在对位上的非平面

排列。这些取代基之间的立体位阻可以有效限制两个芳香环之间σ单键的自由旋转，从而稳定立体异构体并防

止外消旋化。实验和计算研究表明，轴手性的外消旋化能量障碍通常在7到56 kcal/mol之间。文章指出，外

消旋化能量障碍超过22.2 kcal/mol的对映异构体在室温下可以分离，而能量障碍超过29.4 kcal/mol则可以

确保外消旋化半衰期从几天到几周不等，从而避免在制备和应用过程中的外消旋化。

### 研究方法

文章设计了一个针对化学专业本科生的计算机辅助教学练习，通过从简单到复杂的任务，引导学生搜索一系

列轴手性1,1'-联芳基衍生物（1-11）在外消旋化过程中的过渡态。这个逐步的练习过程包括了计算反应机制

的所有标准步骤，如初始构型构建、输入文件形成、几何构型优化、频率计算、过渡态搜索和内禀反应坐标

（IRC）计算。其中，关键步骤是预测并提供一个合理的初始过渡态用于过渡态搜索。

### 实验结果

- **分子1的计算**：通过GaussView 05构建了反应物(R)-1和产物(S)-1的初始分子构型，并保存为Gaussian

输入文件。优化后的(R)-1的二面角为89.9°。通过调整二面角为0°，得到了(E)-1结构，并用作过渡态搜索的

输入文件。最终得到的过渡态具有一个虚拟频率（-113 cm⁻¹），表明了从反应物(R)-1向产物(S)-1的潜在转

变。IRC计算确认了这个过渡态是正确的。

- **分子2-5的计算**：这些分子的计算过程与分子1类似，但随着取代基的不同，外消旋化能量障碍也有所不

同。例如，分子2的外消旋化能量障碍为37.5 kcal/mol，分子3为43.7 kcal/mol，分子4为41.1 kcal/mol，

分子5为54.3 kcal/mol。

- **分子6-11的计算**：这些分子的外消旋化能量障碍分别为16.7, 35.1, 42.5, 19.7, 19.5, 和 26.4 kcal/mol。

### 关键结论

- **外消旋化能量障碍**：计算得到的外消旋化能量障碍范围从16.7到54.3 kcal/mol，主要取决于四个对位

取代基之间的立体位阻程度。

- **结构与性质的关系**：文章通过计算和实验结果揭示了轴手性分子的外消旋化能量障碍与其化学结构，特

别是立体位阻之间的直接相关性。立体位阻越大，外消旋化能量障碍越高。

- **教学效果**：该练习成功地激发了学生对有机和物理化学的兴趣，提供了对化学机制的洞察，并揭示了结

构与性质之间的内在关系。学生能够通过计算机模拟和计算直接且方便地理解反应机制。

### 教学实施

文章还详细描述了如何在化学专业本科生中实施这一教学练习，包括教学目标、目标受众、教学时长、教学

资源和教学过程。评估方法包括实践操作报告、课堂表现和作业。教学过程中，学生通过理论讲座、软件操

作演示、实践操作和讨论，逐步掌握了DFT计算和外消旋化机制的理解。

### 结论

文章最后指出，计算化学在化学反应研究中扮演着重要角色，不仅有助于合理解释化学反应的结果，还可以

协助设计新的催化剂和反应。通过DFT计算，学生能够可视化和理解轴手性分子的外消旋化过程，这对于有机

和物理化学领域的学生尤其有价值。

网站https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.5c00265上有全部计算过程、高斯计算输入和输出文件。