鋅配合物催化二氧化碳和環(huán)氧丙烷環(huán)加成反應機理研究

尹　燕，楊良艷，馮華杰，李志偉

（1.肇慶學院 環(huán)境與化學工程學院，廣東 肇慶　526061；2.海南師范大學 化學與化工學院，海南 ?？凇?71158）

0　引言

固定活化利用CO2一直是研究的熱點，能提供豐富碳源，減緩溫室效應，符合綠色化學和可持續(xù)發(fā)展要求[1-5].用CO2可以制備多種重要化合物，如CH3OH、環(huán)碳酸酯等，可用催化劑種類很多，如金屬、金屬配合物、離子液體等，各種催化劑均可取得良好催化效果[6-12].鋅配合物在CO2固定活化利用中適用范圍廣、催化活性高、價廉、反應選擇性高、可循環(huán)使用.盡管進行了大量實驗研究，但對于金屬催化CO2活化的反應機理還沒有完全明確，一定程度上減緩了CO2固定活化利用研究進程.

He[5]等研究了Zn(OPO)2/TBAI（Zn(OPO)2結構如圖1，TBAI：四丁基碘化銨）催化體系對環(huán)氧化合物和CO2反應的實驗結果，該催化體系在此類反應中具有極好穩(wěn)定性和高效性，如圖1所示.研究通過密度泛函理論對其進行計算，為進一步明確反應機理從而更好地設計高效、穩(wěn)定、條件溫和的催化劑提供理論支持[13,14].

圖1　Zn(OPO)2/TBAI催化二氧化碳和環(huán)氧化合物的環(huán)加成反應

1　計算方法

采用密度泛函理論的B3LYP方法，I和Zn原子采用LANL2DZ ECP基組，其他原子使用6-31G(d)基組，對反應物、中間體、過渡態(tài)和產(chǎn)物進行結構優(yōu)化和頻率計算，確保中間體沒有虛頻，而過渡態(tài)有且只有1個虛頻.對過渡態(tài)結構利用內稟反應坐標(IRC)方法對反應路徑進行驗證，確保所有過渡態(tài)均可通過勢能面連接相應的反應物和產(chǎn)物.此外，利用前線分子軌道理論分析反應的成鍵情況.所用的能量均采用校正后的吉布斯自由能，所有計算都在Gaussian 09[15]程序包中完成.

2　結果與討論

2.1　反應過程機理

在催化反應過程中，反應可能經(jīng)過以下步驟完成.首先，C3H6O與Zn(OPO)2中作為路易斯酸性中心的Zn原子配位得到σ鍵配合物成為親電質點，接著作為親核體的I-進攻C3H6O上的C原子，得到開環(huán)產(chǎn)物；然后，開環(huán)產(chǎn)物作為親核試劑進攻CO2的C原子，得到金屬碳酸鹽；最后，金屬碳酸鹽發(fā)生分子內的閉環(huán)反應，還原催化劑得到環(huán)碳酸酯，可能機理如圖2所示.根據(jù)圖2的路徑，用密度泛函理論進行計算.

圖2　Zn(OPO)2催化CO2和環(huán)氧丙烷的環(huán)加成反應機理

機理假設考慮了2種反應途徑.途徑A中，I-進攻方向與C3H6O上的甲基在異側.途徑B中，I-進攻方向與C3H6O上的甲基在同側.途徑A和B的相對吉布斯自由能如圖3所示.

圖3　途徑A和B的相對吉布斯自由能圖

圖4給出了途徑A涉及的反應物、中間體、過渡態(tài)和產(chǎn)物的分子構型.首先，作為路易斯酸性中心的Zn原子與C3H6O配位形成σ鍵配合物A1，從而活化C3H6O上的C2-O鍵促進其開環(huán)，接著親核體I-從甲基的異側進攻C3H6O的C2-O鍵，經(jīng)過過渡態(tài)TSIA，形成中間體A2，此過程需克服64.85 kJ·mol-1的能壘.從圖4中可見，A1中C2-O鍵的鍵長(0.145969 nm)比過渡態(tài)TSIA中的鍵長(0.18682 nm)短0.040851 nm，A2中C2-I鍵的鍵長(0.230760 nm)比過渡態(tài)TSIA中的鍵長(0.281668 nm)短0.050908 nm.另外，TSIA有且只有1個虛頻(-325.65 cm-1)，虛頻的振動方式也說明I-的親核進攻伴隨著C2-O鍵的斷裂與C2-I鍵的形成，即TSIA是連接A1和A2的正確的過渡態(tài).隨后，CO2與A2加合形成A3，經(jīng)過過渡態(tài)TSIIA(-135.37 cm-1)，CO2插入Zn-O鍵形成A4，此過程需克服20.08 kJ·mol-1的能壘，同時導致了Zn-O1鍵、C-O鍵的形成與Zn-O鍵的斷裂.TSIIA虛頻的振動方式證明其為連接A3與A4的正確過渡態(tài).最后，A4經(jīng)歷分子內的閉環(huán)反應得到最終產(chǎn)物A5，此過程需經(jīng)歷過渡態(tài)TSIIIA，虛頻為-367.93 cm-1，其振動也是開環(huán)和閉環(huán)的方向，伴隨著C2-I鍵與Zn-O1鍵的斷裂而C2-O2鍵的形成，該反應步驟的能壘為4.56 kJ·mol-1.所以，經(jīng)過3個步驟，生成了最終產(chǎn)物環(huán)碳酸酯，整個反應的決速步是CO2的插入固定，整個反應放出能量40.92 kJ·mol-1.

因為途徑B與途徑A基本相似，差別在于I-進攻C原子的方向不同.反應過程中反應物、過渡態(tài)、中間體、產(chǎn)物的結構如圖5所示，而相應吉布斯自由能如圖2所示.途徑B中3個反應所需克服的能壘分別為45.40、20.88和53.35 kJ·mol-1.與途徑A相似的是，途徑B中CO2的插入固定也是決速步，ΔG值為70.42 kJ·mol-1，同時途徑B也是放熱反應.與途徑A不同的是，途徑B的3個反應步驟的能壘相對于途徑A分別低了19.45、20.96和38.58 kJ·mol-1，表明途徑B比A所需能量更低，是更有利的反應途徑.這可能是因為途徑A中，I-在甲基的同側進攻C2原子時，C1上甲基供電子效應更大造成的.

圖4　途徑A的相關分子構型圖

2.2　前線分子軌道理論分析

為進一步解釋目標反應機理，運用前線分子軌道理論對化合物A1、B1和CO2進行分析.

由圖6可知化合物A1的LUMO軌道與CO2的HOMO軌道能量相差較大，為867.99 kJ·mol-1；而化合物A1的HOMO軌道與CO2的LUMO軌道能量相差較小，為473.48 kJ·mol-1，可見反應由A1提供電子，CO2提供空軌道.CO2的HOMO軌道是由O1和O2原子的p軌道組成，其LUMO軌道則是由C原子上較大的p軌道成分組成；而化合物A1的HOMO軌道由O原子上的p軌道組成，其LUMO軌道則由C2原子上較大的p軌道成分組成.所以，軌道成分有利于C-O鍵的形成，其次才是有利于C2-O2鍵的形成，這很好地符合了途徑A的反應機理過程.

圖5　途徑B的相關分子構型圖

圖6　前線分子軌道的對稱性和能量

對化合物B1，發(fā)現(xiàn)當I原子與甲基在同側時，相比化合物A1，延長了CO2的O原子和化合物B1的甲基C原子之間的距離，這導致了化合物B1的HOMO軌道和CO2的HOMO軌道之間的排斥作用變弱，這更有利于C-O鍵和C2-O2鍵的形成，所以很好地解釋了途徑B優(yōu)先于途徑A的原因.因此，前線分子軌道理論分析進一步驗證了Zn(OPO)2催化CO2和C3H6O的環(huán)加成反應機理.

3　結論

利用密度泛函理論的B3LYP方法，對Zn(OPO)2配合物催化CO2和C3H6O的環(huán)加成反應機理進行了理論研究.結果表明，反應過程中，CO2的插入固定是反應的決速步，反應按途徑B進行在能量上是最有利的.前線分子軌道理論分析進一步驗證了計算的結果.

參考文獻：

[1]劉霜霜.(PNN)Ru(H)(CO)和(NNS)Ru(H)(CO)活化二氧化碳機理的理論研究[D].臨汾：山西師范大學,2014.

[2]潘星.鋅系催化劑催化二氧化碳/環(huán)氧化合物共聚機理研究[D].上海：華東理工大學,2013.

[3]王勤.若干金屬配合物活化二氧化碳機理的理論研究[D].臨汾：山西師范大學,2015.

[4]魏俊明.鐵化合物的設計、合成、表征及其催化二氧化碳與環(huán)氧烷化合物偶聯(lián)合成環(huán)狀碳酸醋的研究[D].南昌：南昌大學,2013.

[5]MA R,HE L N,ZHOU Y B.An efficient and recyclable tetraoxo-coordinated zinc catalyst for the cycloaddition of epoxides with carbon dioxide at atmospheric pressure[J].Green Chem.2016,18：226-231.

[6]PENG J,YANG H J,SONG N N,et al.An effective Ni/Zn catalyst system for the chemical fixation of carbon dioxide with epoxides[J].J.CO2.Util.2015，9：16-22.

[7]LANG X D,YU Y C,HE L N.Zn-salen complexes with multiple hydrogen bonding donor and protic ammonium bromide：Bifunctional catalysts for CO2fixation with epoxides at atmospheric pressure[J].J.Mol.Catal.A-Chem.2016,420：208-215.

[8]DIOS M P,IGLESIAS C A,FERNáNDEZ A,et al.Effect of Zn/Co initial preparation ratio in the activity of double metal cyanide catalysts for propylene oxide and CO2copolymerization[J].Eur Polym J.2017,88：280-291.

[9]ADOLPH M,ZEVACO T A,ALTESLEBEN C,et al.New zinc catalysts based on easy-to-handle N4-chelating ligands for the coupling reaction of epoxides with CO2[J].J.Mol.Catal.A-Chem.2015,400：104-110.

[10]ZHANG X H,WEI R J,ZHANG Y Y,et al.Carbon dioxide/epoxide copolymerization via a nanosized Zinc-Cobalt(iii)double metal cyanide complex：Substituent effects of epoxides on polycarbonate selectivity,regioselectivity and glass transition temperatures[J].Macromolecules.2015,48（3）：536-544.

[11]LIU M,LIU B,LIANG L,et al.Design of bifunctional NH3I-Zn/SBA-15 single-component heterogeneous catalyst for chemical fixation of carbon dioxide to cyclic carbonates[J].J.Mol.Catal.A-Chem.2016,418-419：78-85.

[12]WANG F,XU C,LI Z,et al.Mechanism and origins of enantioselectivity for[BMIM]Cl ionic liquids and ZnCl2co-catalyzed coupling reaction of CO2with epoxides[J].J.Mol.Catal.A-Chem.2014,385：133-140.

[13]WANG L,HUANG T,CHEN C,et al.Mechanism of hexaalkylguanidinium salt/zinc bromide binary catalysts for the fixation of CO2with epoxide：ADFT investigation[J].J.CO2.Util.2016，14：61-66.

[14]HUAY Z,YANG X C,LIU M M,et al.Asymmetric copolymerization of cyclopentene oxide and CO2using a dinuclear Zinc-Aze phenol catalyst：enlightened by DFT calculations[J].Macromolecules.2015,48（6）：1651-1657.

[15]FRISCH M J,TRUCKS G W,SCHLEGEL H B,et al.Gaussian 09[CP],Revision E.01,Gaussian Inc.,Wallingford CT,2013.