CuCl催化苯腙和丙炔酸甲酯Michael加成反應的機理研究

陳 曉， 劉柳斜， 王海峰， 鄭 妍， 李來才

(四川師范大學化學與材料科學學院，成都 610066)

1 引 言

Michael加成反應是有機化學中非常重要高效的C-C和C-雜原子構建反應[1,2]. 該反應是合成藥物,材料中間體及化工產品的重要反應，因此Michael 加成反應一直受到化學研究者的關注[3,4]. 吡唑環(huán)類化合物是一類重要的醫(yī)藥、農藥、材料合成中間體, 一直以來備受制藥與合成工業(yè)青睞[5-8].吡唑類化合物的社會需求巨大，而如何快速、高效、經濟 、環(huán)保的合成吡唑類化合物是相關研究的熱點之一. Fricero等人研究了吡唑雜環(huán)化合物的合成中間體5-三氟化硼吡唑鹽的合成和系列雜環(huán)合成反應[9]. 最近，李玉峰等人通過肼、醛和丙炔酸甲酯三組分串聯(lián)反應建立了一種高效的構建吡唑類雜環(huán)的方法，其中由丙炔酸甲酯對亞胺進行Michael加成而形成的中間體產物是設計串聯(lián)式反應構建氮雜環(huán)的關鍵中間體[10]. 通過在氯化亞銅催化下，丙炔酸甲酯和亞胺進行Michael加成的方法形成吡唑合成中間體. 該反應具有簡單，高效，原料價廉易得的特點.由于對于苯腙和丙炔酸甲酯發(fā)生Michael 加成反應的機理研究還未見報道，為了解該反應的本質，本文采用密度泛函理論探討了苯腙和丙炔酸甲酯進行Michael 加成的微觀反應機理. 由于理論計算方法一直以來都是對化學反應微觀機理研究的有利工具， 我們課題組曾通過理論計算方法分別研究過Pt10團簇催化肉桂醛選擇加氫反應和Rh的芳基化合物與含氮芳基鹵代物交叉偶聯(lián)反應的相關機理，均得到了可信賴的結果[11,12]. 同樣本文希望通過理論計算方法對今后相關的學術研究提供可信的理論基礎.

2 計算原理和方法

本文采用密度泛函理論[13-15](DFT)中的M05方法，在6-31+G(d) ( Cu采用贗勢基組 LanL2DZ)基組水平上，分析了反應過程中的能量變化，探討了苯腙和丙炔酸甲酯發(fā)生Michael加成反應的微觀反應歷程. 反應進程中的所有化合物均進行了全參數優(yōu)化和頻率計算，[16,17]以確定每個過渡態(tài)均有唯一虛頻. 通過頻率振動分析確認了中間體和過渡態(tài)的合理性, 內稟反應坐標 (instrinsic reaction coordinate, IRC) 跟蹤計算對各個過渡態(tài)連接的對應的反應物和產物進行了確認; 通過自然鍵軌道(NBO)[18]理論分析了分子的軌道間相互作用, 為反應的進一步進行提供了理論數據. 理論計算壓強和溫度設置均為程序默認的1 atm和298.15 K. 理論計算均采用 Gaussian 09[19]程序包完成.

3 結果分析

本研究根據反應可能發(fā)生的位點設計了兩條反應通道I1和I2，分別對應苯腙的N原子和C原子. 總共涉及4個過渡態(tài)，為確認相關過渡態(tài)的真實性，通過振動分析得到了各自唯一的虛頻率. 兩條反應通道優(yōu)化的反應物，中間體和過渡態(tài)的構型見圖1.

3.1 反應機理分析

苯腙與丙炔酸甲酯反應活性位點主要在苯腙分子上的碳活性位點和氮活性位點. 因此在氯化亞銅催化下的苯腙與丙炔酸甲酯發(fā)生Michael加成反應存在著兩種可能的路徑. 但這兩種反應方式的起始物都是M1,中間體M1是由氯化銅和反應物R1和R2絡合形成的. 中間體M1中Cu-N(1), Cu-C(2), Cu-C(3)的鍵長分別為0.2134 nm, 0.1989 nm, 0.2032 nm. 中間體M1中N(1)-N(2) 鍵長比反應物R1增加了0.0015 nm, C(2)-C(3)鍵長比R2增加了0.0034 nm.軌道理論(NBO)分析可知在中間體M1中, BD(2)C(2)-C(3)→LP*(6)Cu二階穩(wěn)定化能E(2)為41.10 kcal/mol, LP(1)N(1)→LP*(5)Cu二階穩(wěn)定化能E(2)為131.96 kcal/mol, 表明它們之間存在軌道間的相互作用. 由表1中能量數據可以看出, 中間體M1的能量分別比R1和R2及催化劑CuCl的能量之和低45.32 kcal/mol，中間體M1易形成并能夠穩(wěn)定存在, 完成了催化活化過程.在反應通道I1中由M1→TS1→M2, 中間體M1通過過渡態(tài)TS1形成中間體M2, 活化能為34.86 kcal/mol，是反應的速控步驟. 在TS1中N(2)-H(2)和C(3)-H(2)的鍵長分別為0.1337 nm 和0.1276 nm. 表明化學鍵N(2)-H(2)正在斷裂而化學鍵 C(3)-H(2)正在形成, 即H(2)正在從N(2)向C(3)轉移.而C(2)-C(3)鍵長為0.1284 nm 比中間體M1的C(2)-C(3)增加了0.0038 nm,表明原來的炔鍵正在向烯鍵轉變.在中間體M2中和Cu-C(2)的鍵長是0.1933 nm, 比過渡態(tài)TS1減少了0.0033 nm, 而Cu-N(2) 鍵長為0.1953 nm，表明Cu-N(2)正在形成. 而C(3)-C(2)的鍵長為0.1344 nm比TS1中的鍵長增加了0.0060 nm 此時碳碳雙鍵已經形成. 在接下來的M2→TS2→M3反應過程中, 從M2到TS2, Cu-N(2)鍵長變長了0.0033 nm, Cu-C(2) 鍵長變短了0.0013 nm, C(2)-N(2)的鍵長是0.2267 nm. 這表示了C(2)-N(2)鍵正在形成.在中間體M3中C(2)-N(2)的鍵長是0.1351 nm, C(2)-C(3)的鍵長是0.1397 nm.它們與過渡態(tài)TS2相比分別減少了0.0916 nm和增加了0.0063 nm.

圖1 反應路徑中各駐點的分子構型圖(單位為nm)Fig. 1 Geometric parameters of the compounds (nm)

這意味著在中間體M3中C(2)-N(2)已經形成，而原來的碳碳雙鍵向碳碳單鍵變化,相應的Michael加成產物已經形成. 在反應通道I2中由M1→TS3→M4,在過渡態(tài)TS3中Cu-N(1) 和Cu-C(2)的鍵長分別為0.2786 nm和0.1932 nm. Cu-N(1) 鍵長比中間體M1中增加了0.0652 nm, Cu-C(2)的鍵長相比于M1而言減少了0.0057 nm.可以看出Cu-N(1) 鍵在逐漸斷裂. TS3中的C(1)-H(1)和H(1)-C(3)鍵長分別是0.1391 nm和0.1235 nm.表明H(1)正在從C(1)向C(3)遷移.而且TS3中的C(2)-C(3)鍵長也變長了0.0063 nm, M1中的炔鍵正在向烯鍵轉變. TS3中的N(1)-C(1)鍵長是0.1224 nm,比M1變短了0.0068 nm, 這預示著原來的碳氮雙鍵正在向三鍵變化. 在中間體M4中C(2)-C(3)鍵長比TS3增加了0.0045 nm，此時碳碳雙鍵已經形成. M4中的Cu-N(1)鍵已經斷裂，N(1)-C(1)鍵長為0.1168 nm，比TS3減少了0.0056 nm, 表明碳氮三鍵已經形成. 在M4→TS4→M5變化過程中，TS4中C(1)-N(1)鍵長是0.1240 nm, 比M4增加了0.0072 nm, 預示著碳氮三鍵正在向碳氮雙鍵變化，C(1)-C(2)和Cu-C(1)的鍵長分別是0.2693 nm和0.1908 nm，表示C(1)-C(2)和Cu-C(1)正在成鍵. 在中間體M5中C(1)-N(1)鍵長是0.1304 nm，比過渡態(tài)TS4增加了0.0064 nm, 碳氮雙鍵已經形成. C(1)-C(2)鍵長是0.1467 nm比TS4減少了0.1226 nm, C(1)-C(2)已經成鍵. C(2)-C(3)鍵長是0.1386 nm增加了0.0045 nm，碳碳雙鍵向碳碳單鍵變化對應的Michael加成產物已經形成.

3.2 反應過程能量分析

反應路徑中各駐點能量E (a.u.)，相對能量Erel(kcal/mol) 及頻率v (cm-1)見表1. 由表1中能量數據可以看出, 反應物(R1,R2)與催化劑CuCl結合形成中間體M1的過程, 能量降低了45.32 kcal/mol, 表明中間體M1能穩(wěn)定存在.在反應通道I1中中間體M1通過過渡態(tài)TS1形成中間體M2的過程中活化能是34.86 kcal/mol,是反應的速控步驟. 中間體M2通過過渡態(tài)TS2形成中間體M3的過程中活化能是6.17 kcal/mol. 在反應通道I2中中間體M1通過過渡態(tài)TS3形成中間體M4的過程中活化能是41.94 kcal/mol,是反應的速控步驟.中間體M4通過過渡態(tài)TS4形成中間體M5的過程中活化能是-1.13 kcal/mol. 通過對比兩條反應路徑的活化能，表明反應通道I1的活化能較低反應更容易進行.

表1 反應各駐點的能量E(a.u.)，相對能量Erel(kcal/mol) 及頻率v(cm-1)

Table 1 EnergiesE(a.u.), relative energiesErel(kcal/mol) and frequenciesv(cm-1) of the compounds in the reactions

PathSpeciesEErelvR1+R2+CuCl-1570.7255940—M1-1570.797811-45.32—TS1-1570.742266-10.46-1300.51I1M2-1570.757519-20.03—TS2-1570.747674-13.86-162.63M3-1570.847733-76.64—TS3-1570.730976-3.38-261.13I2M4-1570.763841-24.00—TS4-1570.763981-25.13-51.28M5-1570.851274-78.87—

圖2 反應能級圖(單位為kcal/mol)Fig. 2 The schematic of energy levels (kcal/mol)

4 結 論

本文采用密度泛函理論中的M05方法對苯腙和丙炔酸甲酯在CuCl催化下發(fā)生Michael加成反應機理進行了研究. 針對不同的反應位點，我們設計了兩組反應路徑I1和I2. 經過對這兩組反應路徑中由各個駐點相對能量分析，苯腙和丙炔酸甲酯在CuCl催化下，反應通道I1控制步驟是M1→TS1→M2，活化能為34.86 kcal/mol, 反應通道I2控制步驟是M1→TS3→M4，活化能為41.94 kcal/mol, 反應通道I1所需活化能更低, 反應能夠順利進行. 我們的研究結果從理論上解釋了苯腙和丙炔酸甲酯在CuCl催化下發(fā)生Michael加成反應特征，解釋了實驗現象.