Rh催化C-C键选择性活化反应的密度泛函理论研究进展_李江平.pdf

2023 年 1 月云南化工Jan 2023第 50 卷第 1 期Yunnan Chemical TechnologyVol.50，No.1doi:10.3969/j.issn.1004-275X.2023.01.07h 催化 C C 键选择性活化反应的密度泛函理论研究进展李江平(云南师范大学，云南昆明650500)摘要:过渡金属催化 CC 键活化反应能快速构建复杂有机分子，是当今有机合成领域的研究热点。特别是过渡金属 h 催化 CC 键选择性活化反应具有巨大的应用潜力。对近些年铑催化四元环上、直链上的 CC 键选择性活化反应的密度泛函理论研究成果进行了总结，尤其对反应机理和 CC 键区域选择性活化的来源做出解释。强调计算结论与实验结论的一致性，旨在为判断 CC 键活化反应的选择性提供有益参考。关键词:铑催化;CC 键活化;DFT;反应机理中图分类号:O641文献标识码:A文章编号:1004 275X(2023)01 0024 05Advances in Density Functional Theory esearch on h catalyzed CC Bond Selective ActivationLi Jiangping(Yunnan Normal University，Yunnan，Kunming 650500，China)Abstract:Transition metal catalyzed CC bond activation reactions can rapidly construct complex organic molecules，which is a researchhotspot in the field of organic synthesis today In particular，the transition metal h catalyzed selective activation of CC bonds has great po-tential application In recent years，the research results of density functional theory on the selective activation of CC bonds on quaternary ringsand linear chains catalyzed by rhodium are summarized，especially the reaction mechanism and the source of the regioselective activation of CC bonds are explained Emphasis is placed on the consistency between the calculated and experimental conclusions，aiming to provide a usefulreference for judging the selectivity of the CC bond activation reactionKey words:rhodium catalysis;CC bond activation;DFT;reaction mechanismCC 键普遍存在于有机分子中，催化 CC 键活化可有效改变复杂有机分子的合成方式，特别是从 CC 键选择性活化开始，随后将各种不饱和键插入特定的CC 键，对于获得特定的骨架非常有效 1 4。但因CC 键的动力学惰性和热力学稳定性使得活化 CC键具有很大挑战。值得高兴的是，近年来，在过渡金属催化剂的存在下，可以通过氧化加成、C 消除和烯丙基化等方式使 CC 键活化 5 13。铑是在催化 CC键选择性活化中起到重要作用的一类过渡金属，它不仅能使张力环分子的 CC 键断裂，同时也能辅助导向基团使 CC 键选择性活化 14 16。关于过渡金属催化 CH 键活化的理论研究成果不断被总结 17 19，但针对过渡金属催化 CC 键活化特别是 h 催化的综述尚未见报道，因此本文对近些年来 h 催化 CC 键选择性活化反应的 DFT 研究作出了综述，以四元环以及直链上的 CC 键选择性活化为主线，重点对 CC 键活化步骤的机理和选择性进行阐述。1h 催化四元环上的 CC 键选择性活化反应四元环分子存在着巨大的环张力，开环消除环应变可以为 CC 键活化提供强大的热力学驱动力，因此，活化四元环上的 CC 键是构建复杂分子强有力的手段。2012 年，Xu 课题组 20 报道了铑催化苯并环丁烯酮的区域选择性碳酰化反应。为近一步探究区域选择性的来源，2015 年，Lu 等人 21 对苯并环丁烯酮衍生物发生CC 键活化时是 C1C2 键断裂还是 C1C4 键断裂进行了详细的 DFT 研究(如图 1 所示)，计算结果显示C1C4 键通过过渡态 TS2 3 发生活化时仅需越过18.6 kcal/mol 的能垒，而通过过渡态 TS2 4 发生 C1C2 键活化则需要高达39.5 kcal/mol 的能量，此外 C1C4 键活化路径得到的中间体 INT3 比 C1C2 键活化得到的中间体 INT4 稳定很多(17.2vs 1.3 kcal/mol)，过渡态 TS2 3 较 TS2 4 在热力学上更稳定以及此条路径在动力学上更为可行，由此可推测活化 C1C4 键是该反应的较优选择。作者推测这可能与烷氧基离催化剂上的大体积配体的距离有关。图 1铑催化苯并环丁烯酮 CC 键选择性活化步骤的势能剖面图(能量:kcal/mol)值得注意的是，2019 年，Cheng 课题组22 对 Xu等人20 的实验提出了不同的机理，作者认为铑与环丁酮氧络合后可以选择性活化烷氧基上的双键而不活化422023 年 1 月云南化工Jan 2023第 50 卷第 1 期Yunnan Chemical TechnologyVol.50，No.1环丁酮上的 CC 键。计算结果显示(如图 2)，无论是 (虚线)还是 S(实线)反应的 CC 键活化均可一步完成，且 S 反应的 CC 键活化(TS5 7:G=8.3 kcal/mol)在能量上比上述 Lu 等人21 的多步机理更占优势。图 2铑催化苯并环丁烯酮 CC 键选择性活化步骤的势能剖面图(能量:kcal/mol)2017 年，Qin 课题组23 报道了 2 烷基苯并环丁酮扩环反应的 DFT 研究，计算结果显示(如图 3)该反应主要通过氧化加成，H 消除，氢化和 CC 还原消除等步骤发生。当苯环上不存在取代基时，更倾向于 C1C2 键活化开环，仅需要跨越 23.5 kcal/mol的自由能垒(TS14 15)。2019 年，Deng 课题组24 报道了铑催化环丁酮CC 键活化合成 5，6 稠合双环和 C2 取代环丁酮的反应，并利用 DFT 对选择性的来源进行了研究。计算结果显示(如图 4)环丁酮 CC 键活化存在三条路径，其中氮甲苯磺酰基氧与铑中心的弱配位扮演着重要角色，弱配位能有效稳定关键结构。因此最有利的 CC 键 活 化 通 过 过 渡 态 TS17 18(G=22.0 kcal/mol)发生，取代较多的 CC 键活化并得到 中 间 体INT18。经 过 渡 态TS19(G=27.1 kcal/mol)和 TS20(G=29.1 kcal/mol)的 CC 键活化因缺乏配位需要跨越更高的能垒，与实验中观察到的高选择性一致。在此文中最少取代的 CC键的活化在动力学上是最不利的，即位阻较小的 CC 键更不容易被活化。图 3铑催化 2 烷基苯并环丁酮扩环反应的机理以及部分势能剖面图(能量:kcal/mol)图 4铑催化环丁酮 CC 键选择性活化步骤的势能剖面图(能量:kcal/mol)522023 年 1 月云南化工Jan 2023第 50 卷第 1 期Yunnan Chemical TechnologyVol.50，No.1配体会显著影响 CC 键活化的能垒。基于此，2020年，Ham 等人25 尝试使用铑催化 羟基 内酰胺的 CC 键活化来合成氮稠杂环(如图 5)。令人出乎意料的是，添加配体不仅能有效降低 CC 键的活化能垒，还能使其出现选择性。经 DFT 计算得出此反应在配体 Xantphos 的协助下，远端 CC 键经过渡态TS24 26 活化需 12.8 kcal/mol 的能量，而近端 CC键活化(通过过渡态 TS25 27)需 18.6 kcal/mol 的能量，结合连接到铑中心的酰胺酰基和烷基之间的强度差异导致 INT26 和 INT27 之间的结构差异，使得INT26 更稳定(两者之间能量差 6.4 kcal/mol)，所以观察到的远端 CC 键断裂路径是有利的，这与实验结论一致。2020 年，Zhang 等人26 在之前研究的基础上对环丁酮的开环反应做了一步的理论研究。计算结果显示(如图 6)，对于 C2 取代的环丁酮可经过渡态 TS29 30(G=14.3 kcal/mol)发生 C1C2 键活化，或经过渡态 TS29 31(G=7.2 kcal/mol)发生 C1C4键活化，后者较于前者低 7.1 kcalmol1，则远端的CC 键断裂更有优势，与上述结论一致，作者认为相互作用及畸变能导致了这种选择性，此结果与实验观察一致。图 5铑催化 羟基 内酰胺 CC 键选择性活化步骤的势能剖面图(能量:kcal/mol)图 6铑催化环丁酮 CC 键选择性活化步骤的势能剖面图(能量:kcal/mol)2h 催化直链上的 CC 键选择性活化反应链状化合物因不具有环张力而较为稳定，因此 CC键活化大多只存在具有环应变或使用导向基团的体系。鉴于此，2018 年，Kong 小组 27 对铑催化 1，4 二苯基丁基 3 炔 1，2 二酮羰基化过程中的反应选择性开展了理论研究。计算结果显示使用 Xantphos作为配体时，反应经历了两次氧化加成，在第一次氧化加成中，CC 键活化存在三条路径(如图 10)，当铑催化底物的羰基和羰基之间的 CC 键通过过渡态 TS33622023 年 1 月云南化工Jan 2023第 50 卷第 1 期Yunnan Chemical TechnologyVol.50，No.134 活化时需要跨越的能垒为 43.1 kcal/mol。而经历过渡态 TS35 36(或 TS37 38)时底物的芳基和羰基之间的 CC 键(或底物炔基和羰基之间的 CC 键)发生活化，此时需要越过的能垒为 30.0(或 27.0)kcal/mol。根据能垒，通过过渡态 TS37 38 发生 CC键活化是最为有利的。在第二次氧化加成中，芳基 C与羰基 C(TS39 40)之间的活化能垒较羰基 C 与炔基C(TS39 41)间的活化能垒高21.0 kcal/mol。因此两次氧化加成均是底物炔基和羰基之间的 CC 键活化最为有利，这可能与 CC 键之间的极性大小有关。图 7铑催化二酮 CC 键选择性活化步骤的势能剖面图(能量:kcal/mol)2020 年，Li 等人 28 对铑催化烯丙基苯的烯基化反应中 CC 键是通过 C 消除活化还是通过氧化加成活化，以及影响 CC 键在2 位或者 5 位活化的因素开展了 DFT 研究(如图 8)。由计算结果可知，CC 键通过氧化加成或 C 消除发生活化需要克服的 Gibbs自 由 能 垒 分 别 为44.9 kcal/mol(TS44)和18.2 kcal/mol(TS45)，表明在 90 的实验条件下，通过氧化加成发生 CC 键活化是不可能的，作者推测这可能与氧化加成途径产生的阳离子铑 氢配合物极其不稳定有关。此外，C 消除途径中 CC 键经 2 位活化(TS49 51)形成 h N 配位中间体的过程仅需跨越16.0 kcal/mol Gibbs 自由能垒，经5 位活化(TS4850)时能垒为 27.1 kcalmol