光誘導分步分態(tài)的苯型脫芳構化反應的理論研究

騰云洋，曲澤星，周中軍，黃旭日

（吉林大學理論化學研究所,長春130021）

許多天然產物及生物活性物質均含有脂肪族六元碳環(huán)結構，因此脂肪族六元碳環(huán)的構建在有機合成中占有重要地位.脫芳構化反應是一類可以直接將芳烴轉化為脂肪碳環(huán)化合物的重要反應［1］.該反應通常具有較高的步驟經濟性，成為立體復雜分子合成中難以替代的合成方法［2～4］.該反應主要包括氧化脫芳構化、還原脫芳構化，過渡金屬參與的脫芳構化以及光催化脫芳構化［5～10］.其中，光催化脫芳具有很多優(yōu)點，如綠色環(huán)保，不需要其它額外輔助試劑的參與，無副產物，因此一直受到廣泛關注［11～15］.

Kutateladze等［16～20］報道了一種新穎的光催化苯型芳烴［4+2］環(huán)加成脫芳構化反應（見Scheme 1），其為構筑復雜立體分子提供了快速通道［12，16～21］.該反應在不同條件下展示出不同的立體選擇性，然而對其實驗機理也只是給了部分解釋，對其立體選擇性部分卻沒有給出解釋.該脫芳構化反應涉及酮羰基化合物，光催化后的產物以反式對映體為主要產物，順式對映體為次要產物［22］.這種不對稱合成在化學和醫(yī)藥工業(yè)中具有重要的地位［23～28］.然而，目前對酮羰基化合物光化學過程及立體選擇性并沒有相關的理論報道.因此，本文采用密度泛函理論（DFT）和含時密度泛函理論（TD-DFT）［29］研究了酮羰基化合物的光誘導脫芳構化過程.

Scheme 1 Schematic diagram of the photoinduced[4+2]cycloaddition reaction

1 計算方法

對于激發(fā)態(tài)部分的計算，通過方法測試（表S1，見本文支持信息）選擇了M06-2X［30］方法和6-311++G**基組.它們對激發(fā)態(tài)的描述與高水平的單雙激發(fā)運動方程耦合簇（EOM-CCSD）方法一致［31］.同時采用可極化連續(xù)模型（PCM）［32，33］來考慮二甲基亞砜（DMSO）的隱性溶劑效應.交叉點XS2/S1是沿著質子轉移路徑線性插值得到的，XS1/T1是旋轉酮羰基二面角得到的（圖S1和圖S2，見本文支持信息）.

對于三重態(tài)基態(tài)（T1）和單重態(tài)基態(tài)（S0）機理研究，使用最為廣泛的方法為B3LYP［34，35］，其兼顧了精度與效率.所以對于T1和S0態(tài)機理的研究，采用B3LYP/6-311++G**［36～39］方法并考慮Grimme色散加阻尼校正（D3BJ）［40］.同時頻率計算用來確保得到的結構是中間體或過渡態(tài).并且在298.15 K和1.0×105Pa條件下，計算了相應的吉布斯自由能.三重態(tài)基態(tài)和單重態(tài)基態(tài)的交叉點XT1/S0采用如下補償函數(shù)方法得到［41］：

式中，Ei和Ej（kJ/mol）分別為電子態(tài)i和j的能量；參數(shù)c1和c2分別取值為20.92（kJ/mol）-1和20.92 kJ/mol［41］.

所有計算均使用Gaussian 09程序完成［42］.

2 結果與討論

2.1 Franck-Condon激發(fā)到三態(tài)活性雙自由基中間體

在M06-2X/6-311++G**水平上得到反應物1R（S）的基態(tài)幾0何結構.然后光照條件下，首先，1R（S0）被激發(fā)到第2電子激發(fā)態(tài)（S2），S2態(tài)具有最大振子強度（f）為0.1628（表1）.通過表1和圖1的Kohn-Sham軌道分析，S2態(tài)主要對應π→π*局域激發(fā)（781801）同時混有部分電荷轉移（791801）組態(tài).除了S2態(tài)以外，還有2個更低的激發(fā)態(tài)，分別為單重態(tài)激發(fā)態(tài)S1和三重態(tài)激發(fā)態(tài)T1.S1態(tài)和T1態(tài)的特征屬性分別為n→π*（751801和741801）激發(fā)和π→π*局域激發(fā)（781801）.

Table 1 Dominant configurations,transition coefficient,excitation energy(ΔE),and oscillator strengths(f)for low-ying excited states(T1,S1 and S2)in the Franck-Condon(FC)region calculated at the M06-2X/6-311++G**level

Fig.1 Important Kohn-Sham orbitals(74,75,78,79,80)involved in FC excitation for 1R(S0)

如圖2所示，由于FC激發(fā)，1R（S0）被激發(fā)到S2，然后經過交叉點XS2/S1發(fā)生內轉換到達S1態(tài)，該過程可視為無壘過程.抵達S1態(tài)后，又發(fā)現(xiàn)了另外一個交叉點XS1/T1，通過該點經由系間竄越到達三態(tài)勢能面.對于如何得到交叉點XS2/S1和XS1/T1見本文支持信息.系間竄越后，體系到達三態(tài)中間體3MN—H，其N—H鍵長為0.1051 nm而后經過渡態(tài)3TSN…H…O（其N—H鍵長為0.1233 nm）發(fā)生質子轉移到達3MO—H，其N—H鍵長已被拉長至0.1558 nm，該質子轉移只需克服一個極小的能壘（6.02 kJ/mol）.通過上述分析可知，從FC到3MO—H反應較容易進行.

Fig.2 Potential energy profile from the Franck-Condon excitation to the lowest triplet state 3MO—H at the M06-2X/6-311++G**level

2.2 [4+2]環(huán)加成反應

從三重態(tài)中間體3MO—H開始，反應將涉及芐羥基的旋轉，其是該反應非對映體立體選擇性的根源所在.為方便討論，右上標“S”和“A”分別用來表示通往順式產物和反式產物的通道.芐羥基由內向外旋轉最終得到的產物中，芐羥基與側鏈苯在同側，稱之為順式產物.反之，芐羥基不旋轉最終將產生反式產物，芐羥基與側鏈苯在異側.

如圖3所示，生成產物有順式路徑和反式路徑2條路徑.在順式路徑中通過旋轉芐羥基得到該過程需要克服57.0 kJ/mol的能壘.之后由于靜電作用中N4（0.228969 a.u.）原子進攻C5（-1.229272 a.u.）原子形成N—C鍵得到五元環(huán)中間體該過程需要克服54.0 kJ/mol的能壘，這是［4+2］環(huán)加成反應的前半部分反應.然后在五元環(huán)中間體附近找到了T1和S0的交叉點的結構非常接近，并且在能量上僅比高出10.9 kJ/mol.因此，通過該點經系間竄越從T1態(tài)到S0態(tài)應該非常容易.經進入基態(tài)S0后，新的C1—C6鍵形成得到最終順式產物1PS，該過程是無壘的（圖S3和圖S4，見本文支持信息），這是［4+2］環(huán)加成的后半部分反應.

與順式路徑不同，反式路徑不需要旋轉羥基，可直接發(fā)生［4+2］環(huán)加成反應的前半部分反應（形成N4—C5鍵），即經過過渡態(tài)得到該過程只需要克服31.4 kJ/mol的能壘.同樣在附近也找到另外一個交叉點該交叉點的能量比的能量僅高9.6 kJ/mol，并且兩者結構相似，所以從T1到S0的系間竄越也應非常容易.與順式路徑相同，在之后，［4+2］環(huán)加成后半部分反應（形成C1—C6鍵）也是一個無壘過程.

Fig.3 Triplet energy profile for the syn-and anti-pathways

對比順式和反式路徑不難看出，若想得到順式產物，就必須克服兩大能壘：旋轉羥基的能壘（57.0 kJ/mol）和N4—C5成鍵能壘（54.0 kJ/mol）.然而，若想得到反式產物則只需要克服N4—C5成鍵能壘（31.4 kJ/mol）.顯然，反式通道是主產物通道，與實驗完全一致.

另外，為了明確該［4+2］環(huán)加成反應的前半部分反應（形成N4—C5鍵）發(fā)生在T1態(tài)而后半部分發(fā)生在S0態(tài)，進一步研究了T1態(tài)下是否也能夠順利發(fā)生環(huán)加成的后半部分反應（形成C1—C6成鍵）.如圖4所示，對于C1—C6鍵的形成，順式路徑和反式路徑的能壘分別為101.3和106.7 kJ/mol，表明［4+2］環(huán)加成的后半部分反應發(fā)生在T1態(tài)下很困難.因此，我們認為該［4+2］環(huán)加成反應的前半部分反應發(fā)生在T1態(tài)而后半部分反應發(fā)生在S0態(tài)的機理是正確的.

Fig.4 Triplet potential profile of the second-half reaction of[4+2]cycloaddition for the syn-(A)and anti-pathways(B)

3 結 論

采用DFT和TD-DFT研究了光誘導分子內［4+2］環(huán)加成反應的機理及其對映體立體選擇性.結果發(fā)現(xiàn)，光照后反應物首先被激發(fā)到S2態(tài)（π→π*），然后通過S2/S1交叉點發(fā)生內轉換到達S1態(tài)（n→π*）.隨后，通過S1/T1交叉點經系間竄越到達T1態(tài).在T1態(tài)下，分子內質子從N原子轉移到O原子生成了含有羥基的活性雙自由基，該過程只需要克服極小的能壘（6.02 kJ/mol）.該雙自由基與側鏈苯的雙鍵發(fā)生了分步的［4+2］環(huán)加成反應：前半部分反應發(fā)生在三態(tài)，后半部分反應發(fā)生在基態(tài).通過順式路徑與反式路徑勢能面對比，發(fā)現(xiàn)順式路徑中芐羥基旋轉后，酮羰基上甲基旋轉到了內側，該甲基將會對后續(xù)形成N4—C5鍵造成空間位阻，導致N—C成鍵能壘的升高，使得順式路徑能壘遠高于反式路徑，所以反式路徑為主要產物通道路徑，與實驗結果完全相符.希望這種具有立體選擇性的光誘導脫芳構化反應能廣泛應用于復雜分子的合成中.

支持信息見http：//www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/cjcu20200766.