Solvent effects on methyl transfer reactions. 1. The Menshutkin Reaction

Journal of the American Chemical Society

Volumn 121, Issue 10, 1999, Pages 2139-2146

  Castejon, Henry ^a,b   Wiberg, Kenneth B ^a  

^a YALE UNIVERSITY   (United States)

^b UNIVERSITY OF NOTRE DAME   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

AMMONIA; BROMIDE; METHYL CHLORIDE; PYRIDINE; SOLVENT;

ARTICLE; CHEMICAL REACTION; CHEMICAL REACTION KINETICS; COMPLEX FORMATION; CONFORMATIONAL TRANSITION; DIPOLE; MOLECULAR DYNAMICS; MOLECULAR INTERACTION; PHYSICAL CHEMISTRY; REACTION ANALYSIS;

EID: 0033577340     PISSN: 00027863     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/ja983736t     Document Type: Article

References (65)

1. For a review of the Menshutkin reaction, see Abboud, J.-L. M.; Notario, R.; Betran, J.; Sola, M. Prog. Phys. Org. Chem. 1993, 19, 1.
2. Cf. Stryer, L. Biochemistry, 4th ed.; Freeman: New York, 1995; pp 328, 722, and 998.
3. (a) Menshutkin, N. Z. Phys. Chem. 1890, 5, 589; 1890, 6, 41.
4. (a) Menshutkin, N. Z. Phys. Chem. 1890, 5, 589; 1890, 6, 41.
5. (b) Cox, H. E. J. Chem. Soc. 1921, 119, 142.
6. (c) Grimm, H. G.; Ruf, H.; Wolff, H. Z. Physik. Chem. 1931, B13, 301.
7. (d) Pickles, N. J. T.; Hinshelwood, C. N. J. Chem. Soc. 1936, 1353.
8. (e) Raine, H. C.; Hishelwood, C. N. J. Chem. Soc. 1939, 1378.
9. (f) Tommila, E.; Kauranen, P. Acta Chem. Scand. 1954, 8, 1152.
10. (g) Arnett, E. M.; Reich, R. J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 5892.
11. (a) Viers, J. W.; Schug, J. C.; Tovall, M. D.; Seeman, J. I. J. Comput. Chem. 1984, 5, 598.
12. (b) Chandrasekhar, J.; Smith, S. F.; Jorgensen, W. L. J. Am. Chem. Soc. 1985, 107, 154.
13. (c) Sola, M.; Lledos, A.; Duran, M.; Bertran, J.; Abboud, J.-L. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 2873.
14. (d) Gao, J.; Xia, X. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 9667.
15. (e) Maran, U.; Pakkanen, T. A.; Karelson, M. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2 1994, 2445.
16. (f) Shaik, S.; Ioffe, A.; Reddy, A. C.; Pross, A. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 262.
17. (g) Fradera, X.; Torrent, A. M.; Mestres, J.; Constans, P.; Besalu, E.; Marti, J.; Simon, S.; Lobato, M.; Oliva, J. M.; Luis, J. M.; Sola, A. M.; Carbo, R.; Duran, M. J. Mol. Struct. 1996, 371, 171.
18. (h) Truong, T. N.; Truong, T. T.; Stefanovich, E. V. J. Chem. Phys. 1997, 107, 1881.
19. (i) Amovilli, C.; Mennucci, B.; Floris, F. M. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 3023.
20. (a) Onsager, L. J. Am. Chem. Soc. 1936, 58, 1486.
21. (b) Miertus, S.; Scocco, E.; Tomasi, J. Chem. Phys. 1981, 55, 117.
22. (c) Cossi, M.; Barone, V.; Cammi, R.; Tomasi, J. Chem. Phys. Lett. 1996, 255, 327.
23. (d) Cances, M. T.; Mennucci, V.; Tomasi, J. J. Chem. Phys. 1997, 107, 3032.
24. (e) Foresman, J. B.; Keith, T. A.; Wiberg, K. B.; Snoonian, J.; Frisch, M. J. J. Phys. Chem. 1996, 100, 16098.
25. Jorgensen, W. L. Acc. Chem. Res. 1989, 22, 84.
26. Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648. Lee, C.; Yang, W.; Parr, R. G. Phys. Rev. B 1988, 37, 785.
27. Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648. Lee, C.; Yang, W.; Parr, R. G. Phys. Rev. B 1988, 37, 785.
28. Cf. Wiberg, K. B.; Ochterski, J. W. J. Comput. Chem. 1977, 18, 108.
29. Clark, T.; Chandrasekhar, J.; Spitznagel,. W.; Schleyer, P. v. R. J. Comput. Chem. 1983, 4, 294.
30. Janz, G. J. Estimation of Thermodynamic Properties of Organic Compounds, Academic Press: New York, 1958.
31. Pedley, J. B. Thermochemical Data and Structures of Organic Compounds, Thermodynamics Research Center: College Station, TX, 1994; Vol. 1.
32. Lias, S. G.; Liebman, J. F.; Levin, R. D. J. Phys. Chem. Ref. Data 1984, 13, 695.
33. Deakyne, C. A.; Meot-Ner, M. J. Phys. Chem. 1990, 94, 232. McMahon, T. B.; Heinis, T.; Nicol, G.; Hovey, J. K.; Kebarle, P. J. Am. Chem. Soc. 1988, 110, 7591.
34. Deakyne, C. A.; Meot-Ner, M. J. Phys. Chem. 1990, 94, 232. McMahon, T. B.; Heinis, T.; Nicol, G.; Hovey, J. K.; Kebarle, P. J. Am. Chem. Soc. 1988, 110, 7591.
35. Full data are available in the Supporting Information.
36. The proton affinity of ammonia is 204 kcal/mol whereas that for pyridine is 221 kcal/mol (ref 12). The greater basicity of pyridine is presumably associated with its larger size and greater polarizability.
37. Amine nitrogens generally have an increase in electron population on going to the corresponding ammonium ion: Wiberg, K. B.; Schleyer, P. v. R.; Streitiwieser, A. Can J. Chem. 1996, 74, 892.
38. Wiberg, K. B.; Ochterski, J.; Streitwieser, A. J. Am. Chem. Soc. 1996, 100, 16162.
39. Wong, M. W.; Frisch, M. J.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 4776. Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 523. Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 1645. Cieplak, A. S.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 1078. Foresman, J. B.; Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 2220. Wiberg, K. B.; Marquez, M. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 2197. Wiberg, K. B.; Keith, T. A.; Frisch, M. J.; Murcko, M. J. J. Phys. Chem. 1995, 99, 9072. Wiberg, K. B.; Rablen, P. R.; Rush, D. J.; Keith, T. A. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 4261. Wiberg, K. B.; Castejon, H.; Keith, T. A. J. Comput. Chem. 1996, 17, 185. Gonzalez, C.; Restrepo-Cossio, A.; Marquez, M.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 8291.
40. Wong, M. W.; Frisch, M. J.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 4776. Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 523. Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 1645. Cieplak, A. S.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 1078. Foresman, J. B.; Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 2220. Wiberg, K. B.; Marquez, M. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 2197. Wiberg, K. B.; Keith, T. A.; Frisch, M. J.; Murcko, M. J. J. Phys. Chem. 1995, 99, 9072. Wiberg, K. B.; Rablen, P. R.; Rush, D. J.; Keith, T. A. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 4261. Wiberg, K. B.; Castejon, H.; Keith, T. A. J. Comput. Chem. 1996, 17, 185. Gonzalez, C.; Restrepo-Cossio, A.; Marquez, M.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 8291.
41. Wong, M. W.; Frisch, M. J.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 4776. Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 523. Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 1645. Cieplak, A. S.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 1078. Foresman, J. B.; Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 2220. Wiberg, K. B.; Marquez, M. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 2197. Wiberg, K. B.; Keith, T. A.; Frisch, M. J.; Murcko, M. J. J. Phys. Chem. 1995, 99, 9072. Wiberg, K. B.; Rablen, P. R.; Rush, D. J.; Keith, T. A. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 4261. Wiberg, K. B.; Castejon, H.; Keith, T. A. J. Comput. Chem. 1996, 17, 185. Gonzalez, C.; Restrepo-Cossio, A.; Marquez, M.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 8291.
42. Wong, M. W.; Frisch, M. J.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 4776. Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 523. Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 1645. Cieplak, A. S.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 1078. Foresman, J. B.; Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 2220. Wiberg, K. B.; Marquez, M. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 2197. Wiberg, K. B.; Keith, T. A.; Frisch, M. J.; Murcko, M. J. J. Phys. Chem. 1995, 99, 9072. Wiberg, K. B.; Rablen, P. R.; Rush, D. J.; Keith, T. A. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 4261. Wiberg, K. B.; Castejon, H.; Keith, T. A. J. Comput. Chem. 1996, 17, 185. Gonzalez, C.; Restrepo-Cossio, A.; Marquez, M.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 8291.
43. Wong, M. W.; Frisch, M. J.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 4776. Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 523. Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 1645. Cieplak, A. S.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 1078. Foresman, J. B.; Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 2220. Wiberg, K. B.; Marquez, M. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 2197. Wiberg, K. B.; Keith, T. A.; Frisch, M. J.; Murcko, M. J. J. Phys. Chem. 1995, 99, 9072. Wiberg, K. B.; Rablen, P. R.; Rush, D. J.; Keith, T. A. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 4261. Wiberg, K. B.; Castejon, H.; Keith, T. A. J. Comput. Chem. 1996, 17, 185. Gonzalez, C.; Restrepo-Cossio, A.; Marquez, M.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 8291.
44. Wong, M. W.; Frisch, M. J.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 4776. Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 523. Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 1645. Cieplak, A. S.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 1078. Foresman, J. B.; Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 2220. Wiberg, K. B.; Marquez, M. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 2197. Wiberg, K. B.; Keith, T. A.; Frisch, M. J.; Murcko, M. J. J. Phys. Chem. 1995, 99, 9072. Wiberg, K. B.; Rablen, P. R.; Rush, D. J.; Keith, T. A. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 4261. Wiberg, K. B.; Castejon, H.; Keith, T. A. J. Comput. Chem. 1996, 17, 185. Gonzalez, C.; Restrepo-Cossio, A.; Marquez, M.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 8291.
45. Wong, M. W.; Frisch, M. J.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 4776. Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 523. Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 1645. Cieplak, A. S.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 1078. Foresman, J. B.; Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 2220. Wiberg, K. B.; Marquez, M. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 2197. Wiberg, K. B.; Keith, T. A.; Frisch, M. J.; Murcko, M. J. J. Phys. Chem. 1995, 99, 9072. Wiberg, K. B.; Rablen, P. R.; Rush, D. J.; Keith, T. A. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 4261. Wiberg, K. B.; Castejon, H.; Keith, T. A. J. Comput. Chem. 1996, 17, 185. Gonzalez, C.; Restrepo-Cossio, A.; Marquez, M.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 8291.
46. Wong, M. W.; Frisch, M. J.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 4776. Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 523. Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 1645. Cieplak, A. S.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 1078. Foresman, J. B.; Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 2220. Wiberg, K. B.; Marquez, M. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 2197. Wiberg, K. B.; Keith, T. A.; Frisch, M. J.; Murcko, M. J. J. Phys. Chem. 1995, 99, 9072. Wiberg, K. B.; Rablen, P. R.; Rush, D. J.; Keith, T. A. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 4261. Wiberg, K. B.; Castejon, H.; Keith, T. A. J. Comput. Chem. 1996, 17, 185. Gonzalez, C.; Restrepo-Cossio, A.; Marquez, M.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 8291.
47. Wong, M. W.; Frisch, M. J.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 4776. Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 523. Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 1645. Cieplak, A. S.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 1078. Foresman, J. B.; Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 2220. Wiberg, K. B.; Marquez, M. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 2197. Wiberg, K. B.; Keith, T. A.; Frisch, M. J.; Murcko, M. J. J. Phys. Chem. 1995, 99, 9072. Wiberg, K. B.; Rablen, P. R.; Rush, D. J.; Keith, T. A. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 4261. Wiberg, K. B.; Castejon, H.; Keith, T. A. J. Comput. Chem. 1996, 17, 185. Gonzalez, C.; Restrepo-Cossio, A.; Marquez, M.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 8291.
48. Wong, M. W.; Frisch, M. J.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 4776. Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 523. Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 1645. Cieplak, A. S.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 1078. Foresman, J. B.; Wong, M. W.; Wiberg, K. B.; Frisch, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 2220. Wiberg, K. B.; Marquez, M. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 2197. Wiberg, K. B.; Keith, T. A.; Frisch, M. J.; Murcko, M. J. J. Phys. Chem. 1995, 99, 9072. Wiberg, K. B.; Rablen, P. R.; Rush, D. J.; Keith, T. A. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 4261. Wiberg, K. B.; Castejon, H.; Keith, T. A. J. Comput. Chem. 1996, 17, 185. Gonzalez, C.; Restrepo-Cossio, A.; Marquez, M.; Wiberg, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 8291.
49. Perng, B.-C.; Newton, M. D.; Raineri, F. O.; Friedman, H. L. J. Chem. Phys. 1996, 104, 7153 and 7177. Friedman, H. L.; Raineri, F. O.; Perng, B.-C.; Newton, M. D. J. Mol. Liq. 1995, 65/66, 7.
50. Perng, B.-C.; Newton, M. D.; Raineri, F. O.; Friedman, H. L. J. Chem. Phys. 1996, 104, 7153 and 7177. Friedman, H. L.; Raineri, F. O.; Perng, B.-C.; Newton, M. D. J. Mol. Liq. 1995, 65/66, 7.
51. Foresman, J. B.; Keith, T. A.; Wiberg, K. B.; Snoonian, J.; Frisch, M. J. J. Phys. Chem. 1996, 100, 16098. Clifford, S.; Keith, T. A.; Frisch, M. J. To be published.
52. Foresman, J. B.; Keith, T. A.; Wiberg, K. B.; Snoonian, J.; Frisch, M. J. J. Phys. Chem. 1996, 100, 16098. Clifford, S.; Keith, T. A.; Frisch, M. J. To be published.
53. Ion-pairs involving singly charged ions have been found to exist only in solvent having a dielectric constant less than about 40 (Fuoss, R. M.; Krauss, C. A. J. Am. Chem. Soc. 1933, 55, 1019).
54. a's of ammonia and pyridinium ion are 9.24 and 5.17, respectively (Dean, J. A. Lange's Handbook of Chemistry, 13th ed.; McGraw-Hill: New York, 1985). The gas-phase values are given in ref 15.
55. Cf. Table 2 of ref 4i. It should be noted that the calculation of each of these terms involves considerable uncertainty.
56. Wasserman, A. Monatsh. 1952, 83, 543.
57. Cf. Stefanovich, E. V.; Truong, T. N. Chem. Phys. Lett. 1995, 244, 65.
58. (a) Blake, J. F.; Jorgensen, W. L. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 7430.
59. (b) Severance D. L.; Jorgensen, W. L. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 10966.
60. BOSS, version 3.6. William L. Jorgensen. Yale University.
61. Breneman, C. M.; Wiberg, K. B. J. Comput. Chem. 1990, 11, 361.
62. Malik, D. K.; Petersson, G. A.; Montgomery, J. A., Jr. J. Chem. Phys. 1998, 108, 5704.
63. Kubo, M. M.; Gallicchio, E.; Levy, R. M. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 10527.
64. Cramer, C. J.; Truhlar, D. G. J. Comput.-Aided Mol. Des. 1992, 6, 629.
65. Frisch, M. J.; Trucks; G. W.; Schlegel, H. B.; Gill, P. M. W.; Johnson, B. G.; Robb; M. A.; Cheeseman, J. R.; Keith, T.; Petersson, G. A;: Montgomery, J. A.; Raghavachari, K.; Al-Laham, M. A.; Zakrzewski, V. G.; Ortis, J. V.; Foresman, J. B.; Cioslowski, J.; Sefanov, B. B.; Nanayakkara, A.; Challacombe, M.; Peng, C. Y.; Ayala, P. Y.; Chen, W.; Wong, M. W.; Andres, J. L.; Replogle, E. S.; Gomperts, R.; Martin, R. L.; Fox, D. J.; Binkley, J. S.; Defrees, D. J.; Baker, J.; Stewart, J. P.; Head-Gordon, M.; Gonzalez, C.; Pople, J. A. Gaussian 95, Development Version (Rev. D) Gaussian, Inc., Pittsburgh, PA, 1995.