以“進(jìn)程分離”為特征的新型催化串聯(lián)反應(yīng)

楊一瑩，劉鵬，畢思瑋,＊，張冬菊,＊

1山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，濟(jì)南 250100

2曲阜師范大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，山東 曲阜 273165

催化串聯(lián)反應(yīng)是指使用單一催化劑依次通過(guò)兩個(gè)或兩個(gè)以上不同機(jī)制的基元步驟將反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的化學(xué)過(guò)程。合成化學(xué)中的“一鍋合成法”涉及的多是催化串聯(lián)反應(yīng)，這類(lèi)反應(yīng)通常在溫和條件下進(jìn)行，無(wú)需中間體分離，具有操作簡(jiǎn)單、高選擇性、高原子經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代有機(jī)合成領(lǐng)域占有重要地位[1,2]。在傳統(tǒng)的多級(jí)串聯(lián)催化反應(yīng)中，多步反應(yīng)通常同時(shí)發(fā)生，因此，F(xiàn)ogg和Santos[3]將催化串聯(lián)反應(yīng)描述為“偶聯(lián)的催化反應(yīng)”，意指反應(yīng)物、中間體、產(chǎn)物通常共存于反應(yīng)體系，在《物理化學(xué)》教課書(shū)[4–6]中通常用圖1a所示的輪廓曲線(xiàn)描述反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特征。

圖1a中描述的是一個(gè)兩階段串聯(lián)反應(yīng)，沿反應(yīng)進(jìn)程，反應(yīng)物濃度逐漸減少，產(chǎn)物濃度逐漸增大，中間體濃度則先增加后減少，中間出現(xiàn)極大值。反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特征表明，兩個(gè)基元反應(yīng)是同時(shí)發(fā)生的，即中間體一旦形成，立即啟動(dòng)中間體到產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化，反應(yīng)物、中間體、產(chǎn)物的相對(duì)濃度取決于兩個(gè)串聯(lián)反應(yīng)的相對(duì)速率。對(duì)于這樣的催化串聯(lián)反應(yīng)，由于兩個(gè)不同性質(zhì)的反應(yīng)相互關(guān)聯(lián)、同時(shí)發(fā)生，使得對(duì)催化劑和反應(yīng)條件的優(yōu)化變得相對(duì)困難，無(wú)法針對(duì)每一個(gè)反應(yīng)的特點(diǎn)和屬性分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)的精準(zhǔn)調(diào)控[1]。本文將具有圖1a所示動(dòng)力學(xué)特征的串聯(lián)反應(yīng)稱(chēng)為傳統(tǒng)的催化串聯(lián)反應(yīng)。

隨著合成化學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，各類(lèi)新型催化串聯(lián)反應(yīng)不斷出現(xiàn)，文獻(xiàn)中報(bào)道了一類(lèi)新型催化串聯(lián)反應(yīng)，其動(dòng)力學(xué)特征如圖1b所示[7–9]。該類(lèi)反應(yīng)的主要特征是串聯(lián)反應(yīng)中每一步反應(yīng)分離進(jìn)行，前一步反應(yīng)完成之前，后一步反應(yīng)不會(huì)發(fā)生，即串聯(lián)反應(yīng)不再是“同時(shí)發(fā)生”，而是“按順序先后發(fā)生”。反應(yīng)物(R)完全轉(zhuǎn)化為中間體(IM)后，中間體到產(chǎn)物(P)的轉(zhuǎn)化才開(kāi)始發(fā)生，即兩步反應(yīng)從時(shí)間進(jìn)程上先后分別發(fā)生，各自獨(dú)立進(jìn)行、互不影響。我們將這樣的串聯(lián)反應(yīng)描述為“進(jìn)程分離的串聯(lián)反應(yīng)”。這類(lèi)反應(yīng)不僅存在于均相催化體系，而且在表面催化反應(yīng)中也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征[10]；不僅存在于眾多的過(guò)渡金屬催化體系[11,12]，而且存在于無(wú)機(jī)[13]和有機(jī)小分子催化體系[14]?！斑M(jìn)程分離的串聯(lián)反應(yīng)”最重要的優(yōu)勢(shì)是允許對(duì)每一步反應(yīng)分別進(jìn)行優(yōu)化，從而使串聯(lián)反應(yīng)具有可“剪裁”、可設(shè)計(jì)的性質(zhì)，有利于對(duì)反應(yīng)的精準(zhǔn)調(diào)控[1]。

圖1 催化串聯(lián)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特征

本文以?xún)呻A段催化串聯(lián)反應(yīng)為例，介紹該類(lèi)新型催化串聯(lián)反應(yīng)，并結(jié)合量子化學(xué)的計(jì)算結(jié)果，建立理解該類(lèi)反應(yīng)的理論模型。

1 “進(jìn)程分離”的催化串聯(lián)類(lèi)型

對(duì)于一個(gè)兩階段的催化串聯(lián)反應(yīng)，根據(jù)先后兩個(gè)階段的相對(duì)反應(yīng)速率，可將其分為三個(gè)類(lèi)型，即k1> k2、k1< k2和k1≈ k2等三種情況。三種類(lèi)型的反應(yīng)均會(huì)出現(xiàn)“進(jìn)程分離”的現(xiàn)象[7–9]，圖2a–c分別給出了描述這些反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征的示意圖，盡管前后兩步反應(yīng)的相對(duì)速率不同，但反應(yīng)的共同特征是均實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)反應(yīng)中每一步反應(yīng)分離進(jìn)行，前一步反應(yīng)完成之前，后一步反應(yīng)不會(huì)發(fā)生，即串聯(lián)反應(yīng)不再是“同時(shí)發(fā)生”，而是“按順序先后發(fā)生”。

圖2 “進(jìn)程分離”的催化串聯(lián)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特征圖

對(duì)于k1> k2的兩階段串聯(lián)反應(yīng)，“進(jìn)程分離”的現(xiàn)象是容易理解的。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論，由于k1> k2，即第一步為快反應(yīng)、第二步為慢反應(yīng)，當(dāng)兩步反應(yīng)的速率差別足夠大時(shí)，催化劑首先催化反應(yīng)物到中間體的轉(zhuǎn)化，直到反應(yīng)物完全耗盡，中間體到產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化才開(kāi)始進(jìn)行，這樣就會(huì)出現(xiàn)“進(jìn)程分離”現(xiàn)象。

對(duì)于k1< k2和k1≈ k2兩種情況，即“先慢后快”的催化串聯(lián)反應(yīng)(k1< k2)和兩步反應(yīng)速率相近的催化串聯(lián)反應(yīng)(k1≈ k2)，也會(huì)出現(xiàn)“進(jìn)程分離”現(xiàn)象，通常難以理解。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率理論，第一步為慢反應(yīng)，第二步為快反應(yīng)，中間體一旦形成，將立即轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，不會(huì)導(dǎo)致中間體的積聚，但實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到的現(xiàn)象卻是直到反應(yīng)物完全轉(zhuǎn)化為中間體，后續(xù)的轉(zhuǎn)化才開(kāi)始進(jìn)行。如何理解這有趣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果？“先慢后快”的串聯(lián)反應(yīng)發(fā)生“中間體積聚”現(xiàn)象的本質(zhì)是什么？回答這些問(wèn)題，需要借助理論化學(xué)的研究結(jié)果。

2 “先慢后快(k1 < k2)”且“進(jìn)程分離”的催化串聯(lián)反應(yīng)的典型實(shí)例

下面我們通過(guò)一個(gè)典型實(shí)例，介紹“先慢后快”(k1< k2)但以“進(jìn)程分離”為特征的催化串聯(lián)反應(yīng)，如圖3所示。圖3中描述的是由炔丙基苯胺環(huán)化合成吲哚類(lèi)化合物的反應(yīng)，吲哚類(lèi)化合物是一類(lèi)重要的雜環(huán)衍生物，在醫(yī)藥、農(nóng)藥、燃料、精細(xì)化工等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。2015年，F(xiàn)ujii和Ohno等[8]報(bào)道了圖3所示的合成反應(yīng)，該反應(yīng)通過(guò)金催化作用在溫和的反應(yīng)條件下(室溫)實(shí)現(xiàn)。

Fujii和Ohno等[8]的實(shí)驗(yàn)表明，該反應(yīng)涉及兩個(gè)階段，反應(yīng)物R經(jīng)丙二烯型中間體IM轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物P。作者監(jiān)測(cè)了反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，結(jié)果如圖3所示。從圖3中數(shù)據(jù)可以看出，從反應(yīng)物到中間體的轉(zhuǎn)化，歷時(shí)約160 min；從中間體到產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化，大約需要50–60 min。顯然，反應(yīng)為一個(gè)“先慢后快”的串聯(lián)反應(yīng)，即k1< k2。由圖3中展示的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征可以看出，該反應(yīng)是一個(gè)典型的“催化進(jìn)程分離”的兩階段串聯(lián)反應(yīng)，即反應(yīng)的兩個(gè)階段先后獨(dú)立進(jìn)行，反應(yīng)物完全轉(zhuǎn)化為中間體之前，中間體作為旁觀(guān)者，保持“惰性”，直到反應(yīng)物耗盡，中間體到產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化才發(fā)生。

圖3 進(jìn)程分離的兩階段催化串聯(lián)反應(yīng)：金催化炔丙基苯胺合成吲哚類(lèi)化合物[8]

3 理論模型和量子化學(xué)計(jì)算結(jié)果

自1998年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予Kohn和Pople兩位理論化學(xué)的先驅(qū)者以來(lái)，他們開(kāi)創(chuàng)的基于密度泛函理論的量子化學(xué)計(jì)算已廣泛應(yīng)用于處理各種復(fù)雜化學(xué)體系，在眾多領(lǐng)域取得了引人注目的研究成果。

“先快后慢(k1< k2)”且“進(jìn)程分離”的催化串聯(lián)反應(yīng)，已受到理論化學(xué)研究者的關(guān)注，特別是對(duì)上述典型實(shí)例體系，筆者前期對(duì)圖3所示的金催化反應(yīng)開(kāi)展了系統(tǒng)的理論研究，密度泛函理論計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)一個(gè)理解“催化進(jìn)程分離”現(xiàn)象的完美案例，現(xiàn)將主要結(jié)果示于圖4[15]。

圖4 催化串聯(lián)反應(yīng)“進(jìn)程分離”原理示意圖及相關(guān)量子化學(xué)計(jì)算結(jié)果[15]

圖中[Au]-IM’表示R到IM轉(zhuǎn)變前體系最穩(wěn)定的組分，反應(yīng)物R轉(zhuǎn)化為中間體IM，經(jīng)歷TS1，需要克服的能壘為93.3 kJ?mol?1；[Au]-IM表示金催化劑與中間體IM的絡(luò)合物，該絡(luò)合物經(jīng)TS2進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物P，其能壘為88.7 kJ?mol?1。這些結(jié)果可以解釋實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)的串聯(lián)反應(yīng)“先慢后快”的特征。

接下來(lái)我們分析令人困惑的關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)于“先慢后快”的串聯(lián)反應(yīng)，為什么中間體IM形成后不會(huì)繼續(xù)向產(chǎn)物轉(zhuǎn)化，而是待反應(yīng)物完全轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物之后，才實(shí)現(xiàn)向產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化，由此導(dǎo)致與經(jīng)典串聯(lián)反應(yīng)明顯不同的動(dòng)力學(xué)特征，呈現(xiàn)“催化進(jìn)程”分離。理解該問(wèn)題的核心在于明確形成中間體IM后，存在兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的反應(yīng)，即催化劑是催化反應(yīng)物R的轉(zhuǎn)化，還是催化中間體IM的轉(zhuǎn)化。該反應(yīng)中由于[Au]-IM’的特殊穩(wěn)定性，該組分的存在是導(dǎo)致“催化進(jìn)程分離”的本質(zhì)。如圖4所示，在催化劑完成第一次R到IM轉(zhuǎn)換后，由于[Au]-IM’比[Au]-IM穩(wěn)定，催化劑將“拋棄”IM，擁抱“IM’”，第二次形成[Au]-IM’絡(luò)合物，這樣催化劑將繼續(xù)催化反應(yīng)物到中間體的第二次轉(zhuǎn)化，能壘依然為93.3 kJ?mol?1。根據(jù)催化反應(yīng)的能量跨度模型，在反應(yīng)物完全轉(zhuǎn)化為中間體IM之前，要實(shí)現(xiàn)中間體IM到產(chǎn)物P的轉(zhuǎn)化，需要克服的能壘為134.0 kJ?mol?1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為中體間的能壘，93.3 kJ?mol?1。因此，在反應(yīng)物R完全轉(zhuǎn)化為IM之前，將不會(huì)有產(chǎn)物P的形成。直到反應(yīng)物完全轉(zhuǎn)化為中間體，此時(shí)，中間體IM成為催化劑的唯一“擁抱”對(duì)象，將開(kāi)始將其轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的反應(yīng)，通過(guò)TS2，越過(guò)88.7 kJ?mol?1的能壘，得到產(chǎn)物P。由于涉及相對(duì)較低的能壘(88.7 vs. 93.3 kJ?mol?1)，反應(yīng)相對(duì)較快。至此，我們使用量子化學(xué)的計(jì)算結(jié)果合理解釋了“先慢后快”催化串聯(lián)為什么會(huì)有中間體積聚的現(xiàn)象，使反應(yīng)呈現(xiàn)獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)特征。

圖4表明，兩個(gè)反應(yīng)的相對(duì)難易程度，不僅取決于其內(nèi)稟能壘ΔE≠1和ΔE≠2，而且與ΔE值有關(guān)。由此可以理解即使ΔE≠1> ΔE≠2，即反應(yīng)IM → P比R → IM更容易發(fā)生時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)進(jìn)程分離的現(xiàn)象，即呈現(xiàn)“中間體積聚”的現(xiàn)象，只有在反應(yīng)物完全轉(zhuǎn)化為中間體之后，才有產(chǎn)物的形成。圖4所描述的兩階段催化串聯(lián)反應(yīng)的理論模型，可以合理解釋實(shí)驗(yàn)觀(guān)察的催化進(jìn)程分離的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。該模型可進(jìn)一步推廣應(yīng)用到復(fù)雜的多階段串聯(lián)反應(yīng)。

4 串聯(lián)反應(yīng)“催化進(jìn)程分離”的重要意義

通過(guò)上述典型實(shí)例，我們介紹了“進(jìn)程分離”的催化串聯(lián)反應(yīng)，這類(lèi)反應(yīng)在合成化學(xué)領(lǐng)域意義非同尋常，“進(jìn)程分離”的反應(yīng)特征是允許對(duì)每一步反應(yīng)分別進(jìn)行優(yōu)化，從而使串聯(lián)反應(yīng)具有可“剪裁”、可設(shè)計(jì)的性質(zhì)，有利于對(duì)反應(yīng)的精準(zhǔn)調(diào)控。串聯(lián)反應(yīng)中“催化過(guò)程的分離”會(huì)暫時(shí)抑制中間體的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，直到反應(yīng)物完全轉(zhuǎn)化為中間體?；谶@樣的反應(yīng)特征，就可以根據(jù)需要將中間體轉(zhuǎn)化為各種期望的產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物的導(dǎo)向合成，擴(kuò)展產(chǎn)物的多樣性。Li和Herzon[9]已成功證明了這種方法的可行性，如圖5所示，他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)“進(jìn)程分離”的串聯(lián)催化體系，在實(shí)現(xiàn)端炔烷基化反應(yīng)獲得芳香醇(圖5中反應(yīng)(1))的基礎(chǔ)上，利用催化過(guò)程分離的反應(yīng)特征，使中間體重新定向，從氫化反應(yīng)轉(zhuǎn)向Wittig烯烴化反應(yīng)(圖5中反應(yīng)(2))，獲得了烷基酮。

圖5 精準(zhǔn)調(diào)控“進(jìn)程分離”的催化串聯(lián)反應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例[9]

需要強(qiáng)調(diào)，對(duì)于“先慢后快(k1< k2)”型兩階段串聯(lián)反應(yīng)，“進(jìn)程分離”是催化反應(yīng)特有的現(xiàn)象，催化劑的再生導(dǎo)致了競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)的出現(xiàn)(形成中間產(chǎn)物與最終產(chǎn)物的競(jìng)爭(zhēng))。對(duì)于k1< k2非催化串聯(lián)反應(yīng)，則不會(huì)出現(xiàn)進(jìn)程分離現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

“進(jìn)程分離”的催化串聯(lián)反應(yīng)是一類(lèi)新的反應(yīng)類(lèi)型，其動(dòng)力學(xué)行為與經(jīng)典串聯(lián)反應(yīng)明顯不同。論文以典型反應(yīng)為例，介紹了該類(lèi)型反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特征及催化進(jìn)程分離的微觀(guān)本質(zhì)，給出了理解該類(lèi)反應(yīng)特征的一般理論模型。該類(lèi)反應(yīng)在合成化學(xué)領(lǐng)域有重要意義，利用催化串聯(lián)反應(yīng)的“進(jìn)程分離”特征，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)各階段的分別優(yōu)化，有利于提高反應(yīng)效率、擴(kuò)展產(chǎn)物的多樣性、實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)的精準(zhǔn)調(diào)控。