咔咯錳氧配合物與苯乙烯的氧原子轉(zhuǎn)移反應(yīng)機(jī)理

曾 琪 徐 艷 陳華彬 許 旋 徐志廣＊, 劉海洋

(1華南師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，廣州 510006)

(2華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，廣州 510641)

0 引 言

氧原子轉(zhuǎn)移(oxygen atom transfer，OAT)反應(yīng)是使氧原子從過(guò)渡金屬配合物轉(zhuǎn)移到底物以實(shí)現(xiàn)氧化底物的反應(yīng)[1]。這個(gè)過(guò)程通常會(huì)產(chǎn)生具有M—O鍵的作為反應(yīng)活性中間體的高價(jià)過(guò)渡金屬氧配合物[2?3]。高價(jià)錳氧配合物作為光合系統(tǒng)Ⅱ(Photosys?tem Ⅱ)產(chǎn)氧關(guān)鍵中間體具有優(yōu)異的氧化活性[2,4]。近些年人們對(duì)模擬產(chǎn)氧活性中心錳配合物的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[5?8]，但由于高活性瞬態(tài)物種的分離困難[9]，以高價(jià)錳氧配合物作為中間體的氧轉(zhuǎn)移反應(yīng)過(guò)程機(jī)理成為研究的熱點(diǎn)。

咔咯(corrole)具有獨(dú)特的三價(jià)陰離子和較小的空腔結(jié)構(gòu)，能穩(wěn)定結(jié)合較高氧化態(tài)金屬離子形成配合物[1]。咔咯錳配合物的OAT反應(yīng)廣泛應(yīng)用于催化領(lǐng)域[10?11]以及硫醚磺化[12?13]、烷烴羥基化[14]和烯烴環(huán)氧化[15?17]等化學(xué)反應(yīng)中。研究發(fā)現(xiàn)咔咯錳氧配合物的OAT反應(yīng)主要存在歧化反應(yīng)和直接轉(zhuǎn)移2種機(jī)理[18?21]。我們研究咔咯錳氧配合物與苯乙烯環(huán)氧化反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其OAT反應(yīng)是采用直接轉(zhuǎn)移的機(jī)理[18]，但是氧原子是先進(jìn)攻苯乙烯雙鍵，還是雙鍵上的碳原子，無(wú)法從實(shí)驗(yàn)上確認(rèn)，因此該反應(yīng)的具體途徑尚待研究。另外，取代基效應(yīng)將顯著影響OAT反應(yīng)的產(chǎn)率，例如吸電子的取代基能明顯提升咔咯錳氧配合物氧化硫醚的反應(yīng)速率[22]。

1 計(jì)算方法

圖1 (a)配合物1～4和(b)苯乙烯的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structures of(a)complexes 1?4 and(b)styrene

2 結(jié)果與討論

2.1 系列咔咯錳氧配合物的結(jié)構(gòu)

配合物1～4在單重態(tài)、三重態(tài)下的優(yōu)化結(jié)構(gòu)大致相似，所得幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。由于錳原子與氧原子的成鍵作用，原本幾乎位于咔咯環(huán)平面的錳原子[23]向氧原子方向偏離。單重態(tài)下，隨中位—C6F5的增多，dMn—4N和∠MnNNN數(shù)值逐漸減小，錳原子偏離咔咯環(huán)平面程度減小，錳、氧原子之間相互作用減弱。與此同時(shí)，dMn≡O(shè)從0.154 9 nm稍縮短至0.154 3 nm，Mn≡O(shè)的Wiberg鍵級(jí)隨取代數(shù)增加而逐漸增強(qiáng)(表2)，這均說(shuō)明了錳氧鍵強(qiáng)度隨吸電子效應(yīng)的增強(qiáng)而輕微增大?？疾旄髋浜衔镌趩沃貞B(tài)和三重態(tài)下的NPA(natural population analysis，自然布居分析)電荷發(fā)現(xiàn)，吸電子取代基的誘導(dǎo)效應(yīng)導(dǎo)致QMn(錳原子所帶NPA電荷)、QO(氧原子所帶NPA電荷)越來(lái)越大(表2)，而反應(yīng)活性與錳原子的電荷密度密切相關(guān)，錳原子缺電子性的增大有利于親核試劑對(duì)其進(jìn)攻發(fā)生反應(yīng)；另一方面，隨著—C6F5取代數(shù)的增加，中位取代基所帶負(fù)電荷QSub數(shù)值趨向變大，導(dǎo)致其與氧原子所帶電荷產(chǎn)生的負(fù)-負(fù)靜電排斥作用顯著增強(qiáng)，該作用已被理論計(jì)算證明能明顯加大氧原子脫離體系束縛實(shí)現(xiàn)氧轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)[30]，導(dǎo)致咔咯錳氧配合物的氧化性增加。

表1 配合物1～4在單重態(tài)和三重態(tài)下的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Geometric structure parameters of complexes 1-4 in the singlet and triplet states

表2 配合物1～4在單重態(tài)和三重態(tài)下的NPA電荷和Wiberg鍵級(jí)(WI)Table 2 NPA charges and Wiberg bond orders(WI)of complexes 1?4 in the singlet and triplet states

三重態(tài)計(jì)算結(jié)果顯示，配合物結(jié)構(gòu)參數(shù)和電荷分布變化規(guī)律與單重態(tài)的情況相似，吸電子效應(yīng)能增強(qiáng)MnⅤO corrole的穩(wěn)定性與氧轉(zhuǎn)移趨勢(shì)。雖然同一多重態(tài)下變化幅度較小，但當(dāng)MnⅤO corrole從單重態(tài)躍遷到三重態(tài)時(shí)，各配合物的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化：dMn—4N和∠MnNNN數(shù)值減小，且dMn≡O(shè)增大了約0.004 2 nm，錳在三重態(tài)下偏離咔咯環(huán)平面的程度更小，錳氧鍵的強(qiáng)度減弱，更容易斷裂；dMn—N和∠NMnN增大，環(huán)空腔位阻更小。以上幾何結(jié)構(gòu)變化均表明了三重態(tài)下的MnⅤO corrole更容易發(fā)生OAT反應(yīng)。

2.2 OAT反應(yīng)途徑

我們分別計(jì)算配合物1、2、3和4與苯乙烯的OAT反應(yīng)過(guò)程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在單重態(tài)和三重態(tài)反應(yīng)過(guò)程中，均僅存在一個(gè)過(guò)渡態(tài)。對(duì)過(guò)渡態(tài)的頻率計(jì)算發(fā)現(xiàn)只有一個(gè)虛頻，確認(rèn)了相應(yīng)結(jié)構(gòu)為反應(yīng)的過(guò)渡態(tài)。通過(guò)IRC驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果確認(rèn)了反應(yīng)路徑的反應(yīng)物、過(guò)渡態(tài)和產(chǎn)物的構(gòu)型，其中三重態(tài)的配合物1的各構(gòu)型見(jiàn)圖2。

圖2 三重態(tài)時(shí)配合物1在OAT過(guò)程中各反應(yīng)狀態(tài)的幾何優(yōu)化結(jié)構(gòu)Fig.2 Optimized geometrical structures of each reaction state of complex 1 in the OAT process in the triplet state

觀察OAT過(guò)程中配合物體系的幾何優(yōu)化結(jié)構(gòu)變化(圖2)，可見(jiàn)隨著反應(yīng)的進(jìn)行，咔咯錳氧配合物逐漸接近苯乙烯，其Mn≡O(shè)上的氧原子不是進(jìn)攻苯乙烯中的雙鍵或者連接苯環(huán)的α碳原子，而是進(jìn)攻遠(yuǎn)離苯環(huán)的β碳原子。例如三重態(tài)下配合物1作為反應(yīng)物，進(jìn)攻苯乙烯上的β碳原子形成具有Mn…O…C鍵的過(guò)渡態(tài)結(jié)構(gòu)，其Mn≡O(shè)鍵上氧原子與β碳原子距離dC—O從反應(yīng)物時(shí)的0.403 3 nm縮短到0.221 1 nm(表3)，Mn≡O(shè)鍵長(zhǎng)dMn≡O(shè)從0.158 9 nm增長(zhǎng)至0.171 0 nm。反應(yīng)結(jié)束，dC—O進(jìn)一步縮短到0.144 9 nm，dM≡O(shè)則增長(zhǎng)至0.226 4 nm，氧原子直接轉(zhuǎn)移到苯乙烯上，發(fā)生直接氧原子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，形成環(huán)氧苯乙烷結(jié)構(gòu)。反應(yīng)中β碳原子作為反應(yīng)位點(diǎn)，顯然是因?yàn)棣绿荚游蛔璞圈撂荚有〉枚?。?jì)算結(jié)果也表明單重態(tài)和三重態(tài)的配合物1～4與苯乙烯的OAT反應(yīng)過(guò)程都是相同的，由此得到了咔咯錳氧配合物與苯乙烯氧轉(zhuǎn)移反應(yīng)的路徑示意圖，如圖3所示。

表3 反應(yīng)物、過(guò)渡態(tài)和產(chǎn)物在單重態(tài)和三重態(tài)下的部分幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和NPA電荷Table 3 Selected geometric structure parameters and NPA charges of reactants,transition states and products in the singlet and triplet states

圖3 咔咯錳氧配合物與苯乙烯氧的轉(zhuǎn)移機(jī)理Fig.3 Oxygen transfer mechanism of manganese?oxo corrole complexes with styrene

2.3 取代基效應(yīng)和反應(yīng)能壘

取代基效應(yīng)對(duì)咔咯配合物的氧化性能有顯著的影響。Kuma等[12]在研究咔咯配合物的OAT反應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)中位連有吸電子基團(tuán)的三芳基時(shí)，尤其是β位全溴代的咔咯錳氧配合物氧化活性很強(qiáng)。何婧[22]通過(guò)理論計(jì)算得到在β位連有吸電子取代基的MnⅤO corrole對(duì)二甲基硫醚(DMS)氧轉(zhuǎn)移的效果更加明顯，李皎[31]模擬計(jì)算咔咯錳配合物催化RNA磷酸二酯類(lèi)似物斷裂時(shí)也發(fā)現(xiàn)了吸電子取代基效應(yīng)能顯著降低反應(yīng)能壘。本課題組研究發(fā)現(xiàn)以PhIO為氧源時(shí)，全氟取代的咔咯錳配合物在氧化烯烴時(shí)比非全氟取代的配合物表現(xiàn)出更高的反應(yīng)速度[32]。

OAT反應(yīng)的難易程度可以由理論計(jì)算的反應(yīng)能壘的大小所反映。以單重態(tài)下配合物1、2、3和4的反應(yīng)物體系能量分別作零參考勢(shì)能面，對(duì)直接轉(zhuǎn)移機(jī)理的OAT反應(yīng)過(guò)程中各狀態(tài)體系經(jīng)ZPE校正后的分子電子總能量進(jìn)行考察，作單重態(tài)、三重態(tài)下各配合物與苯乙烯反應(yīng)的勢(shì)能圖(圖4)。在單重態(tài)下，配合物1～4的反應(yīng)能壘分別為91.59、86.28、88.54和81.06 kJ·mol-1。而在三重態(tài)下各體系對(duì)應(yīng)能壘分別為38.63、39.25、30.92和25.84 kJ·mol-1，顯著低于單重態(tài)的數(shù)值，表明該OAT反應(yīng)在三重態(tài)下更容易反應(yīng)。該反應(yīng)的能壘數(shù)值與配合物4氧化二甲基硫醚的能壘大小接近，其單重態(tài)和三重態(tài)的能壘分別為92.46和21.33 kJ·mol-1[22]。

圖4 配合物1～4與苯乙烯在單重態(tài)和三重態(tài)下的OAT反應(yīng)勢(shì)能圖Fig.4 Potential energy diagram of OAT reaction between complexes 1?4 and styrene in the singlet and triplet states

各體系的單重態(tài)和三重態(tài)能壘曲線揭示了吸電子效應(yīng)對(duì)MnⅤO corrole氧化苯乙烯反應(yīng)能壘的顯著影響。體系反應(yīng)能壘大致隨—C6F5取代數(shù)的增加而逐漸降低，其中吸電子效應(yīng)最強(qiáng)的配合物4反應(yīng)能壘最低，其規(guī)律與相關(guān)文獻(xiàn)[12]咔咯錳氧配合物氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。觀察1～4反應(yīng)物的能量情況(相對(duì)能量見(jiàn)圖4，具體能量數(shù)值見(jiàn)表S1，Supporting information)可知，反應(yīng)物1和2三重態(tài)的能量低于單重態(tài)能量值，因此體系可直接遵循三重態(tài)過(guò)渡態(tài)的路徑進(jìn)行反應(yīng)。但是反應(yīng)物3和4在單重態(tài)時(shí)能量低于三重態(tài)，其基態(tài)為單重態(tài)，而產(chǎn)物則是能量更低的三重態(tài)體系更穩(wěn)定。所以在體系3和4在OAT歷程中，單重態(tài)的反應(yīng)物易發(fā)生自旋翻轉(zhuǎn)，使得反應(yīng)最終向能量更低的三重態(tài)過(guò)渡態(tài)的路徑進(jìn)行。

2.4 配合物的MECP

配合物3和4的反應(yīng)物單重態(tài)的能量低于對(duì)應(yīng)三重態(tài)能量值，所以MECP成為反應(yīng)物從單重態(tài)經(jīng)過(guò)自旋翻轉(zhuǎn)成為三重態(tài)進(jìn)行OAT反應(yīng)路線的關(guān)鍵步驟。經(jīng)過(guò)MECP搜索，發(fā)現(xiàn)配合物3和4的反應(yīng)過(guò)程中均存在一個(gè)MECP。配合物與苯乙烯OAT反應(yīng)中交叉點(diǎn)的構(gòu)型變化主要體現(xiàn)在dMn≡O(shè)中。配合物4的交叉點(diǎn)(MECP位置)dMn≡O(shè)為0.157 0 nm，該鍵長(zhǎng)稍短于配合物處于三重態(tài)時(shí)的0.158 5 nm，稍長(zhǎng)于單重態(tài)的0.154 2 nm(表4)，其相對(duì)分子能量約為9 kJ·mol-1(圖5)，高于單重態(tài)和三重態(tài)的能量值。在氧轉(zhuǎn)移過(guò)程中，隨體系4單重態(tài)的總能量上升，dMn≡O(shè)不斷增大，到達(dá)MECP對(duì)應(yīng)的0.157 0 nm時(shí)，體系4可以發(fā)生自旋翻轉(zhuǎn)成為三重態(tài)，并沿著低能壘(25.84 kJ·mol-1)三重態(tài)反應(yīng)路線進(jìn)行。另外，我們注意到無(wú)論是反應(yīng)物還是交叉點(diǎn)構(gòu)型的dC—O均大于0.3 nm，如此長(zhǎng)的距離表明苯乙烯對(duì)反應(yīng)物和交叉點(diǎn)的構(gòu)型變化幾乎沒(méi)有影響。因此，咔咯配合物的OAT反應(yīng)MECP和自旋翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象還可以發(fā)生在其他氧化底物[22,27](例如硫醚)中。另一方面，配合物3和4的MECP相對(duì)能量約為8.32和9.09 kJ·mol-1，可見(jiàn)五氟苯基的不斷加入能逐漸升高體系的MECP相對(duì)能量，減少與過(guò)渡態(tài)的能量差。

表4 配合物4在OAT反應(yīng)中MECP的部分幾何構(gòu)型Table 4 Selected geometric structure parameters of MECP of complex 4 in OAT process

圖5 配合物4與苯乙烯OAT反應(yīng)的MECP過(guò)程圖Fig.5 MECP process diagram of OAT reaction between complex 4 with styrene

3 結(jié) 論

采用DFT/B3LYP方法對(duì)中位連有吸電子基團(tuán)的—C6F5的MnⅤO corrole和苯乙烯之間的OAT反應(yīng)路徑進(jìn)行理論計(jì)算。結(jié)果顯示MnⅤO corrole進(jìn)攻苯乙烯中位阻較小的β碳原子，以直接氧轉(zhuǎn)移方式形成環(huán)氧化合物。三重態(tài)時(shí)的體系的反應(yīng)能壘明顯低于單重態(tài)的反應(yīng)能壘。在氧轉(zhuǎn)移過(guò)程中，隨著反應(yīng)體系單重態(tài)的總能量上升，經(jīng)過(guò)最小能量交叉點(diǎn)構(gòu)型時(shí)，體系可發(fā)生自旋翻轉(zhuǎn)成為三重態(tài)，并沿著低能壘三重態(tài)反應(yīng)路線進(jìn)行。五氟苯基取代數(shù)的增加能提高M(jìn)nVO corrole的氧轉(zhuǎn)移能力并顯著降低OAT反應(yīng)能壘。

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