卤素原子转移反应中活化能垒密度泛函理论计算方法的基准测试

卤素原子转移（XAT）反应机理研究需要可靠的高精度计算方法。本文系统评估了24种DFT方法（包括GGA、混合GGA、元GGA和双混合GGA）对15种XAT反应活化能的预测能力，发现CAM-B3LYP-D3(BJ)在准确性、计算效率和适用性方面表现最优，为未来XAT机理研究和催化设计提供可靠工具。

陈天一|赵超月|张硕清|洪欣

浙江大学化学系前沿化学技术中心，清洁能源利用国家重点实验室，杭州，310027，中国

摘要

卤素原子转移（XAT）反应在自由基介导的有机合成、可见光光催化和电有机转化中起着基础性作用。准确预测活化能垒对于理解反应机理和合理设计新的自由基反应路径至关重要。在此，我们系统地对比了24种密度泛函理论（DFT）方法（包括GGA、混合GGA、（混合）meta-GGA和双杂化泛函）与高级DLPNO-CCSD(T)/CBS参考能量的性能，这些方法用于涉及多种卤素（Cl、Br、I）和自由基类型的15个代表性XAT反应。基于我们的基准测试结果，我们提出CAM-B3LYP-D3(BJ)作为未来机理研究中主族XAT反应的可靠计算方法。

引言

卤素原子转移（XAT）反应在有机化学中扮演着关键角色[1]，尤其是在自由基介导的转化[2]、可见光光催化[3][4]以及电有机合成[5]中。这些反应常用于引发自由基过程，其机理通常涉及价轨道的显著重排和瞬态高能中间体的形成，这直接影响反应速率和选择性[6][7][8][9][10]。因此，准确估计与XAT反应相关的活化能垒不仅对于深入理解机理至关重要，而且对于指导和优化新的自由基反应路径也非常重要。这特别适用于开发高效且选择性的基于自由基的合成策略。

密度泛函理论（DFT）已成为理论和计算化学中最广泛使用的工具之一，因为它在计算成本和分子结构及反应能量的预测准确性之间取得了良好的平衡[11][12][13]。尽管DFT通常对闭壳层系统表现良好，但在应用于开壳层自由基[14][15]、激发态中间体[16][17]或多参考过程[18]时，其准确性可能会有很大差异。特别是对于涉及卤素原子转移的自由基反应路径，不同的泛函可能会产生显著不同的结果。尽管之前的研究已经对比了各种DFT方法在选定自由基反应上的性能[19][20][21][22]，但专门针对XAT反应中活化能垒的全面系统评估仍然缺乏。这一空白导致了计算方法选择的不确定性，并可能影响机理解释的可靠性。为了解决这一不足，本研究系统地评估了常用DFT泛函在预测多种卤素原子转移反应活化能垒方面的性能。我们选取了一系列具有代表性的XAT模型，涵盖了各种卤素类型（Cl、Br、I）、底物类别以及广泛的能量垒范围，以捕捉这些系统的结构和机理多样性。以高级DLPNO-CCSD(T)计算作为参考，我们对比了包括GGA、混合GGA、（混合）meta-GGA和双杂化类型在内的多种泛函在多个基组上的性能。本研究旨在为卤素原子转移及相关自由基机理的计算研究提供明确的方法学指导，并支持DFT在自由基有机化学中的可靠应用（见图1）。

部分内容摘录

高级参考单点能量计算

本工作中报告的所有高级参考能量均使用DLPNO-CCSD(T)方法[23][24]获得，该方法在ORCA 6.0.1程序包[25]中实现。这些参考计算采用了def2-TZVPP和def2-QZVPP基组[26][27]，并使用ORCA内置的Extrapolate(3/4,def2)协议[28][29]进行了完整基组（CBS）外推，对应于def2基组家族中的三重和四重$\zeta$外推方案。

XAT基准反应的选择与概述

为了构建一个具有广泛化学多样性和结构代表性的基准数据集，我们选择了十五个典型的卤素原子转移（XAT）反应，这些反应涵盖了多种自由基和烷基卤化物组合。自由基种类包括五种具有明显不同电子特性的类型：Me₂NCH₂ $\cdot$、苯基（Ph$\cdot$、甲基（Me$\cdot$）以及过渡金属复合物

$\cdot$，涵盖了包括d区金属在内的多种元素

总结与展望

在这项工作中，我们对24种密度泛函（涵盖GGA、混合GGA、（混合）meta-GGA和双杂化类别）在卤素原子转移反应活化能垒计算中的性能进行了全面评估。通过使用15个具有化学多样性的典型XAT反应和高级DLPNO-CCSD(T)/CBS能量作为参考，我们系统地评估了这些泛函的准确性和基组依赖性。我们的研究结果表明，纯GGA泛函

CRediT作者贡献声明

陈天一：撰写——初稿、可视化、验证、软件开发、项目管理、研究调查、数据分析、概念构思。赵超月：撰写——审稿与编辑、方法论设计、概念构思。张硕清：撰写——审稿与编辑、监督、方法论设计、资金获取、概念构思。洪欣：撰写——审稿与编辑、监督、方法论设计、资金获取、概念构思。

资助

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