含氮六元雜環(huán)氮氧自由基有機(jī)催化劑的結(jié)構(gòu)與活性關(guān)系

陳可先， 尹 璐， 謝海英

(1.浙江工商大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，浙江 杭州 310018； 2.浙江大學(xué) 化學(xué)系，浙江 杭州 310027； 3.浙江新和成股份有限公司，浙江 紹興 312500)

含氮六元雜環(huán)氮氧自由基有機(jī)催化劑的結(jié)構(gòu)與活性關(guān)系

陳可先1， 尹 璐2， 謝海英3

(1.浙江工商大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，浙江 杭州 310018； 2.浙江大學(xué) 化學(xué)系，浙江 杭州 310027； 3.浙江新和成股份有限公司，浙江 紹興 312500)

基于氮氧自由基有機(jī)催化劑的催化分子氧氧化技術(shù)是近年來(lái)催化領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)之一。采用理論方法研究了吡啶環(huán)和吡嗪環(huán)取代N-羥基鄰苯二甲酰亞胺(NHPI)苯環(huán)所得含氮六元雜環(huán)催化劑的結(jié)構(gòu)與催化活性，考察了質(zhì)子酸HCl對(duì)這類催化劑催化活性的影響。結(jié)果表明，含氮六元雜環(huán)催化劑的催化活性均高于NHPI，部分催化劑的活性可與高效催化劑N,N′-二羥基鄰苯二甲酰亞胺(NDHPI)相當(dāng)；吡嗪環(huán)比吡啶環(huán)更有助于提高催化劑的催化活性；HCl與這類催化劑芳環(huán)的氫鍵相互作用可以提高催化劑的催化活性。本研究有助于加深對(duì)該類催化劑本征催化活性的認(rèn)識(shí)，也有助于為該類催化劑的催化機(jī)理研究和催化氧化實(shí)驗(yàn)提供理論指導(dǎo)。

NHPI； 雜環(huán)； 密度泛函理論； 催化氧化

自20世紀(jì)90年代，Y.Ishii等[1]成功將氮氧自由基有機(jī)催化劑N-羥基鄰苯二甲酰亞胺(NHPI，見圖1)結(jié)合過(guò)渡金屬鹽助催化劑(Ishii體系)應(yīng)用于多種烴類化合物及其衍生物的分子氧氧化反應(yīng)以來(lái)，基于NHPI衍生物及其類似物的催化氧化體系的研究層出不窮，大量綜述報(bào)道了該領(lǐng)域的研究進(jìn)展[2-8]。該類催化劑一直受到催化領(lǐng)域廣泛關(guān)注的主要原因是其在溫和條件下具有的卓越催化氧化性能，并能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物高選擇性制備和反應(yīng)條件的無(wú)金屬無(wú)溶劑化，具有潛在的工業(yè)化應(yīng)用前景。

盡管氮氧自由基有機(jī)催化劑在大量的催化氧化反應(yīng)中顯示出許多優(yōu)點(diǎn)，但仍有較多因素限制其工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程，如催化劑的熱穩(wěn)定性差[4,9]、可回收循環(huán)套用性差[4]、烴類底物中的可溶性差(需要極性溶劑溶解)[10]和使用量大[2-8]。此外，雖然催化劑可配合使用的助催化劑種類繁多[11-12]，但大多數(shù)在反應(yīng)中會(huì)分解或轉(zhuǎn)化，極大地增加了產(chǎn)物分離等方面的困難。近年來(lái)，該領(lǐng)域的研究主要是圍繞這幾個(gè)方面的挑戰(zhàn)展開，主要體現(xiàn)在氮氧自由基催化劑結(jié)構(gòu)(苯環(huán)或萘環(huán)、丁二酰亞胺環(huán)或NOH基團(tuán))的修飾與改變。如多氮氧自由基催化劑N,N′,N″-三羥基異氰基尿酸(THICA)[11,13]和N,N′-二羥基鄰苯二甲酰亞胺(NDHPI)[14]，既提高了催化劑的熱穩(wěn)定性，也降低了催化劑的使用量；疏水鏈修飾的氮氧自由基催化劑提高了烴類底物中的溶解性[10,15]；金屬有機(jī)框架材料支載氮氧自由基催化劑實(shí)現(xiàn)了無(wú)溶劑催化氧化[16]；離子液體/聚合物/硅材料支載氮氧自由基催化劑，提高了催化劑的可回收套用性能[17-18]；萘酰亞胺類光敏分子修飾氮氧自由基催化劑減少了助催化劑的使用[19]；芳/烷氧基修飾氮氧自由基催化劑(N-alkoxyphthalimides)實(shí)現(xiàn)了無(wú)金屬無(wú)溶劑下的光或熱誘發(fā)的催化氧化反應(yīng)[20]。

本文在文獻(xiàn)[11-12,18,20-23]的基礎(chǔ)上，以甲苯為模型底物，采用理論方法研究了3種基于吡啶環(huán)和吡嗪環(huán)取代NHPI結(jié)構(gòu)中苯環(huán)的含氮雜環(huán)氮氧自由基催化劑，分別為N-羥基-2,3-吡啶二甲酰亞胺(NHQI)、N-羥基-3,4-吡啶二甲酰亞胺(NHCI)和6-羥基-吡咯并[3,4-b]吡嗪-5,7-二酮(HPPDO)(見圖1)，并以鹽酸為模型考察了質(zhì)子酸對(duì)這類催化劑結(jié)構(gòu)與催化活性(奪取氫原子的能壘)的影響。通過(guò)本文的研究，可以更好地理解這些催化劑在催化氧化反應(yīng)中的本征催化機(jī)制、結(jié)構(gòu)與活性關(guān)系以及產(chǎn)物酸對(duì)催化劑活性的本征影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本文的理論計(jì)算均在Gaussian 09軟件[24]上操作完成，并采用了密度泛函理論方法B3LYP。B3LYP方法已廣泛應(yīng)用于氮氧自由基催化劑相關(guān)的理論計(jì)算研究中[11-12,18,20-23]。所有分子結(jié)構(gòu)的幾何優(yōu)化和頻率分析均采用B3LYP/6-311+G(d)方法，并通過(guò)分析對(duì)角化Hessian矩陣和振動(dòng)模式，確保所有結(jié)構(gòu)為低能量穩(wěn)定點(diǎn)且無(wú)虛頻，而過(guò)渡態(tài)有且僅有一個(gè)虛頻且其振動(dòng)方向分別指向反應(yīng)物與產(chǎn)物。過(guò)渡態(tài)的合理性采用內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)(IRC)方法進(jìn)行了驗(yàn)證[25]。氮氧自由基奪取甲苯中甲基氫原子的能壘采用B3LYP/6-311++G(d,p)//B3LYP/6-311+G(d)方法計(jì)算。該方法準(zhǔn)確可靠，能給出較理想的能壘數(shù)據(jù)[11,21-23]。所有氮氧自由基前體NO—H鍵能采用B3LYP/6-311+G(d)方法并結(jié)合與苯酚(O—H鍵能為371.3 kJ/mol[11])的等鍵反應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。采用B3LYP/6-31G(d,p)方法掃描了催化劑的二面角C—N—O—H的勢(shì)能面，步長(zhǎng)為5度，共37步。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑的結(jié)構(gòu)與電子性質(zhì)

圖1 B3LYP/6-311+G(d)水平下氮氧自由基催化劑的結(jié)構(gòu)

催化劑的幾何參數(shù)和電子參數(shù)見表1。由表1中催化劑的幾何參數(shù)可知，含氮六元雜環(huán)(吡啶環(huán)和吡嗪環(huán))催化劑的N—O—H鍵角和N—OH鍵長(zhǎng)幾乎相同，而且不受催化劑N原子周圍HCl存在的影響，說(shuō)明這些催化劑在幾何結(jié)構(gòu)沒有差別。其中，這些催化劑的N—OH鍵角比NHPI大約4°，N—OH鍵長(zhǎng)與NHPI相差不大。催化劑失去NOH基團(tuán)中的氫原子后便可形成氮氧自由基N—O·。所有氮氧自由基中的N—O鍵長(zhǎng)比催化劑中的N—O鍵長(zhǎng)縮短了約0.012 0 nm，這主要是因?yàn)镹—O·中氮原子上的部分孤對(duì)電子離域至氧原子上。其中，所有氮氧自由基的N—O鍵長(zhǎng)幾乎相同。由此可見，催化劑的幾何結(jié)構(gòu)差異不明顯。

表1 氮氧自由基催化劑的結(jié)構(gòu)與電子性質(zhì)

由表1中催化劑的電子參數(shù)可知，催化劑SDN值的大小順序是：NHPI>NHQI>NHCI>HPPDO；催化劑SDO值的大小順序是：NHCI>NHQI>HPPDO=NHPI。文獻(xiàn)[11-12,18,20-23]發(fā)現(xiàn)氮氧自由基中氮原子自旋密度越小，氧原子自旋密度越大，該催化劑的取代基具有吸電子取代效應(yīng)，其催化活性就越高。由此推測(cè)，NHQI、NHCI和HPPDO的催化活性均高于NHPI。HCl分子能增大NHCI和NHQI的SDO值，減小SDN值，說(shuō)明質(zhì)子酸一定程度上可提高催化劑的催化活性。

2.2 催化劑的熱化學(xué)性質(zhì)

根據(jù)催化劑與苯酚的等構(gòu)反應(yīng)計(jì)算催化劑的NO—H鍵能，結(jié)果見表2。大量研究表明，氮氧自由基催化劑在沒有自由基引發(fā)劑的作用下的催化效率受到催化劑NO—H鍵能的影響。NO—H鍵能越大，催化劑的催化活性就越高；NO—H鍵能過(guò)大，催化劑就越難通過(guò)與氧化反應(yīng)中間體過(guò)氧自由基反應(yīng)生成氮氧自由基和過(guò)氧化物，那么產(chǎn)生的氮氧自由基數(shù)大大降低，從而影響整體的催化效率[26]。因此，氮氧自由基催化劑需要具有合適的鍵能用以保證高效的催化效率。

從表2中可以看出，NHQI、NHCI和HPPDO的NO—H鍵能均比NHPI大，但是其相互之間鍵能相差不大，NO—H鍵能大小順序?yàn)镠PPDO>NHCI>NHQI。這表明對(duì)同一個(gè)底物而言，他們?cè)跓崃W(xué)上比NHPI更活潑。當(dāng)NHCI和NHQI的含氮六元雜環(huán)氮原子旁存在HCl分子時(shí)，催化劑的NO—H鍵能分別增大約4.1 kJ/mol 和3.6 kJ/mol。由于催化劑與氫鍵溶劑間的氫鍵相互作用，NHPI的理論NO—H鍵能要比其實(shí)驗(yàn)值小約29.3 kJ/mol[12,27]。由此推測(cè)，這些催化劑的真實(shí)NO—H鍵能均在推薦的合適范圍(355.6～397.5 kJ/mol)[5]。因此，這些催化劑均可以在無(wú)助催化劑的情況下催化分子氧氧化烴類底物。該結(jié)論也得到了文獻(xiàn)[28]的支持。在該實(shí)驗(yàn)中，NHQI、NHCI和HPPDO均可在無(wú)助催化劑存在下催化甲苯氧化，但是苯甲醛的選擇性最高，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率相對(duì)較低。

表2 B3LYP/6-311+G(d)水平下氮氧自由基 催化劑的催化相關(guān)能量性質(zhì) kJ/mol

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)字為B3LYP/6-311++G(d,p)//B3LYP/6-311+G(d)水平下的能壘。

2.3 催化劑的催化活性

大量研究表明，氮氧自由基奪取底物氫原子的過(guò)程是該類催化劑催化氧化底物過(guò)程中的關(guān)鍵步驟[2-8]。氮氧自由基奪取甲苯甲基氫原子的能壘及其焓變數(shù)據(jù)見表2。氮氧自由基奪取甲苯甲基氫原子的過(guò)渡態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其虛頻數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 B3LYP/6-311+G(d)水平下氮氧自由基催化劑奪氫反應(yīng)的過(guò)渡態(tài)結(jié)構(gòu)及其唯一虛頻值

NHPI、NHQI、NHCI和HPPDO的能壘大小順序均為NHPI>NHQI>NHCI>HPPDO，說(shuō)明NHQI、NHCI和HPPDO的催化活性優(yōu)于NHPI，這與前面分析的氮氧自由基氮原子與氧原子自旋密度分布預(yù)測(cè)的活性規(guī)律一致。這些催化劑的奪氫焓變均為正值，說(shuō)明催化奪氫關(guān)鍵步驟在熱力學(xué)上是吸熱反應(yīng)。該焓變大小順序與奪氫能壘順序一致，這與前面討論的催化劑NO—H鍵能規(guī)律一致。當(dāng)然，含氮六元雜環(huán)氮氧自由基的奪氫焓變?cè)诶碚摲椒ㄕ`差范圍內(nèi)可以認(rèn)為是一致的。由此可見，氮原子摻雜在NHPI苯環(huán)中的位置與數(shù)量對(duì)催化劑的活性有一定的影響，其中，氮原子越多，催化劑催化活性越高，這與文獻(xiàn)[18]含氮雜環(huán)多羥胺催化劑的研究結(jié)論一致。HPPDO的奪氫活性與高效的多羥胺催化劑NDHPI[14](在B3LYP/6-311++G(d,p)//B3LYP/6-311+G(d)水平下為43.5 kJ/mol[12])幾乎相同。然而，通過(guò)總結(jié)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，在相似反應(yīng)條件下，HPPDO的催化活性并沒有NDHPI高[28]，可能的原因是因?yàn)槠浜Y(jié)構(gòu)與金屬鹽助催化劑配位導(dǎo)致催化活性受到影響。特別需要指出的是，在相同計(jì)算水平下，含氮六元雜環(huán)催化劑的催化活性明顯比含氮五元雜環(huán)催化劑高[21]。因此，合成含氮六元雜環(huán)類催化劑具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)然，含氮五元雜環(huán)類催化劑可以修飾為離子液體支載催化劑[21]，其具有良好的可回收套用性能。此外，NHQI和NHCI的含氮雜環(huán)氮原子在與質(zhì)子酸HCl相互作用后，其奪氫能壘分別降低了5.4 kJ/mol和6.4 kJ/mol，這說(shuō)明質(zhì)子酸可以提高這類含氮雜環(huán)的催化劑的催化活性。由此推測(cè)，含氮六元雜環(huán)催化劑在催化氧化過(guò)程中還會(huì)受到反應(yīng)產(chǎn)物酸或極性溶劑的影響。因此，深入認(rèn)識(shí)質(zhì)子型物質(zhì)或氫鍵物質(zhì)(溶劑或產(chǎn)物)對(duì)這類催化劑的影響有助于更好地在實(shí)際反應(yīng)中使用這類催化劑。

3 結(jié) 論

采用理論方法研究了3種含氮六元雜環(huán)氮氧自由基催化劑的結(jié)構(gòu)與催化活性，考察了模擬產(chǎn)物/溶劑質(zhì)子酸HCl對(duì)這類催化劑催化活性的影響，研究結(jié)果有助于加深對(duì)這類催化劑的優(yōu)點(diǎn)與局限性的認(rèn)識(shí)。研究表明，氮原子摻雜NHPI的苯環(huán)結(jié)構(gòu)不會(huì)顯著改變催化劑的幾何結(jié)構(gòu)，但會(huì)顯著改變其氮氧自由基中活性位點(diǎn)N—O·基團(tuán)上氮原子與氧原子的自旋密度分布，從而提高了催化劑的催化活性。催化劑的活性大小順序?yàn)镠PPDO> NHCI> NHQI> NHPI，其中HPPDO的活性與高效催化劑NDHPI幾乎相同。另外，質(zhì)子型HCl可以提高NHQI和NHCI的催化活性。由此可以推測(cè)，增加NHPI苯環(huán)中氮原子數(shù)量或催化氧化體系中存在質(zhì)子型物質(zhì)(溶劑或產(chǎn)物)可在一定程度上提高催化劑的催化活性。當(dāng)然，金屬鹽助催化劑對(duì)這類含氮雜環(huán)催化劑的催化活性的影響也很重要，但比較復(fù)雜。由于金屬與氮原子之間存在強(qiáng)的配位作用，因此，后續(xù)的相關(guān)研究應(yīng)對(duì)該作用加以關(guān)注。

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Structure-Activity Relationship of Nitrogenous Six-Membered Heterocyclic Nitroxide Radical Organocatalysts

Chen Kexian1， Yin Lu2， Xie Haiying3

(1.SchoolofFoodScienceandBiotechnology,ZhejiangGongshangUniversity,HangzhouZhejiang310018，China; 2.DepartmentofChemistry,ZhejiangUniversity,HangzhouZhejiang310027,China; 3.ZhejiangNHUCompanyLtd.,ShaoxingZhejiang312500,China)

The catalytic oxidation of molecular oxygen based on nitroxide radical organocatalysts is one of the hot topics in the field of catalysis in recent years. The structures and catalytic activity of the nitrogenous six-membered heterocyclic ring obtained by the pyridine ring and the pyrazine ring substituted for the benzene ring of N-Hydroxyphthalimide (NHPI) were studied by theoretical methods. The effect of protonic acid HCl on the catalytic activity of this kind of catalyst was investigated. The results show that the catalytic activity of nitrogenous six-membered heterocyclic ring catalyst is higher than that of NHPI, even some of the catalyst is comparable to that of N,N′-dihydroxypyromellitimide (NDHPI); pyrazine pyridine ring chain is helpful to improve the catalytic activity of the catalyst; HCl hydrogen bond interaction with the aromatic ring of these catalysts can improve the catalytic activity of the catalyst. This study is helpful to deepen the understanding of the intrinsic activity of this kind of catalyst and also to provide theoretical guidance for the catalytic mechanism and catalytic oxidation experiment of this kind of catalyst.

N-hydroxyphthalimide; Heterocyclic ring; Density functional theory; Catalytic oxidation

2017-09-06

2017-09-26

中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2014M551746)；清潔能源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(ZJUCEU2014013)。

陳可先(1983-)，男，博士，助理研究員，從事有機(jī)催化與空氣氧化方面的研究；E-mail：kxchem@zjgsu.edu.cn。

謝海英(1983-)，女，碩士，工程師，從事醫(yī)藥化工中的催化氧化技術(shù)研究；E-mail：xiehaiying0323@163.com。

1672-6952(2017)06-0001-05

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

O634.32

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.06.001

(編輯 宋官龍)