Rh催化C-C鍵選擇性活化反應(yīng)的密度泛函理論研究進(jìn)展

李江平

(云南師范大學(xué)，云南 昆明 650500)

C—C鍵普遍存在于有機(jī)分子中，催化C—C鍵活化可有效改變復(fù)雜有機(jī)分子的合成方式，特別是從C—C鍵選擇性活化開始，隨后將各種不飽和鍵插入特定的C—C鍵，對(duì)于獲得特定的骨架非常有效[1-4]。但因C—C鍵的動(dòng)力學(xué)惰性和熱力學(xué)穩(wěn)定性使得活化C—C鍵具有很大挑戰(zhàn)。值得高興的是，近年來，在過渡金屬催化劑的存在下，可以通過氧化加成、β—C消除和烯丙基化等方式使C—C鍵活化[5-13]。銠是在催化C—C鍵選擇性活化中起到重要作用的一類過渡金屬，它不僅能使張力環(huán)分子的C—C鍵斷裂，同時(shí)也能輔助導(dǎo)向基團(tuán)使C—C鍵選擇性活化[14-16]。關(guān)于過渡金屬催化C-H鍵活化的理論研究成果不斷被總結(jié)[17-19]，但針對(duì)過渡金屬催化C—C鍵活化特別是Rh催化的綜述尚未見報(bào)道，因此本文對(duì)近些年來Rh催化C—C鍵選擇性活化反應(yīng)的DFT研究作出了綜述，以四元環(huán)以及直鏈上的C—C鍵選擇性活化為主線，重點(diǎn)對(duì)C—C鍵活化步驟的機(jī)理和選擇性進(jìn)行闡述。

1 Rh催化四元環(huán)上的C—C鍵選擇性活化反應(yīng)

四元環(huán)分子存在著巨大的環(huán)張力，開環(huán)消除環(huán)應(yīng)變可以為C—C鍵活化提供強(qiáng)大的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力，因此，活化四元環(huán)上的C—C鍵是構(gòu)建復(fù)雜分子強(qiáng)有力的手段。

2012年，Xu課題組[20]報(bào)道了銠催化苯并環(huán)丁烯酮的區(qū)域選擇性碳?；磻?yīng)。為近一步探究區(qū)域選擇性的來源，2015年，Lu等人[21]對(duì)苯并環(huán)丁烯酮衍生物發(fā)生C—C鍵活化時(shí)是C1—C2鍵斷裂還是C1—C4鍵斷裂進(jìn)行了詳細(xì)的DFT研究(如圖1所示)，計(jì)算結(jié)果顯示C1—C4鍵通過過渡態(tài)TS2-3發(fā)生活化時(shí)僅需越過 18.6 kcal/mol 的能壘，而通過過渡態(tài)TS2-4發(fā)生C1—C2鍵活化則需要高達(dá) 39.5 kcal/mol 的能量，此外C1—C4鍵活化路徑得到的中間體INT3比C1—C2鍵活化得到的中間體INT4穩(wěn)定很多(-17.2vs1.3 kcal/mol)，過渡態(tài)TS2-3較TS2-4在熱力學(xué)上更穩(wěn)定以及此條路徑在動(dòng)力學(xué)上更為可行，由此可推測(cè)活化C1—C4鍵是該反應(yīng)的較優(yōu)選擇。作者推測(cè)這可能與烷氧基離催化劑上的大體積配體的距離有關(guān)。

圖1 銠催化苯并環(huán)丁烯酮C—C鍵選擇性活化 步驟的勢(shì)能剖面圖(能量:kcal/mol)

值得注意的是，2019年，Cheng課題組[22]對(duì)Xu等人[20]的實(shí)驗(yàn)提出了不同的機(jī)理，作者認(rèn)為銠與環(huán)丁酮氧絡(luò)合后可以選擇性活化烷氧基上的雙鍵而不活化環(huán)丁酮上的C—C鍵。計(jì)算結(jié)果顯示(如圖2)，無論是R(虛線)還是S(實(shí)線)反應(yīng)的C—C鍵活化均可一步完成，且S反應(yīng)的C—C鍵活化(TS5-7:ΔG=8.3 kcal/mol)在能量上比上述Lu等人[21]的多步機(jī)理更占優(yōu)勢(shì)。

圖2 銠催化苯并環(huán)丁烯酮C—C鍵選擇性活化 步驟的勢(shì)能剖面圖(能量:kcal/mol)

2017年，Qin課題組[23]報(bào)道了2-烷基苯并環(huán)丁酮擴(kuò)環(huán)反應(yīng)的DFT研究，計(jì)算結(jié)果顯示(如圖3)該反應(yīng)主要通過氧化加成，β—H消除，氫化和C—C還原消除等步驟發(fā)生。當(dāng)苯環(huán)上不存在取代基時(shí)，更傾向于C1—C2鍵活化開環(huán)，僅需要跨越 23.5 kcal/mol 的自由能壘(TS14-15)。

2019年，Deng課題組[24]報(bào)道了銠催化環(huán)丁酮C—C鍵活化合成5,6-稠合雙環(huán)和C2-取代環(huán)丁酮的反應(yīng)，并利用DFT對(duì)選擇性的來源進(jìn)行了研究。計(jì)算結(jié)果顯示(如圖4)環(huán)丁酮C—C鍵活化存在三條路徑，其中氮甲苯磺?；跖c銠中心的弱配位扮演著重要角色，弱配位能有效穩(wěn)定關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。因此最有利的C—C鍵活化通過過渡態(tài)TS17-18(ΔG=22.0 kcal/mol)發(fā)生，取代較多的C—C鍵活化并得到中間體INT18。經(jīng)過渡態(tài)TS19(ΔG=27.1 kcal/mol)和TS20(ΔG=29.1 kcal/mol)的C—C鍵活化因缺乏配位需要跨越更高的能壘，與實(shí)驗(yàn)中觀察到的高選擇性一致。在此文中最少取代的C—C鍵的活化在動(dòng)力學(xué)上是最不利的，即位阻較小的C—C鍵更不容易被活化。

圖3 銠催化2-烷基苯并環(huán)丁酮擴(kuò)環(huán)反應(yīng)的機(jī)理以及部分勢(shì)能剖面圖(能量:kcal/mol)

圖4 銠催化環(huán)丁酮C—C鍵選擇性活化步驟的勢(shì)能剖面圖(能量:kcal/mol)

配體會(huì)顯著影響C—C鍵活化的能壘。基于此，2020年，Ham等人[25]嘗試使用銠催化α-羥基β-內(nèi)酰胺的C—C鍵活化來合成氮稠雜環(huán)(如圖5)。令人出乎意料的是，添加配體不僅能有效降低C—C鍵的活化能壘，還能使其出現(xiàn)選擇性。經(jīng)DFT計(jì)算得出此反應(yīng)在配體Xantphos的協(xié)助下，遠(yuǎn)端C—C鍵經(jīng)過渡態(tài)TS24-26活化需 12.8 kcal/mol 的能量，而近端C—C鍵活化(通過過渡態(tài)TS25-27)需 18.6 kcal/mol 的能量，結(jié)合連接到銠中心的酰胺酰基和烷基之間的強(qiáng)度差異導(dǎo)致INT26和INT27之間的結(jié)構(gòu)差異，使得INT26更穩(wěn)定(兩者之間能量差 6.4 kcal/mol)，所以觀察到的遠(yuǎn)端C—C鍵斷裂路徑是有利的，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。

2020年，Zhang等人[26]在之前研究的基礎(chǔ)上對(duì)環(huán)丁酮的開環(huán)反應(yīng)做了一步的理論研究。計(jì)算結(jié)果顯示(如圖6)，對(duì)于C2取代的環(huán)丁酮可經(jīng)過渡態(tài)TS29-30(ΔG=14.3 kcal/mol)發(fā)生C1—C2鍵活化，或經(jīng)過渡態(tài)TS29-31(ΔG=7.2 kcal/mol)發(fā)生C1—C4鍵活化，后者較于前者低 7.1 kcalmol-1，則遠(yuǎn)端的C—C鍵斷裂更有優(yōu)勢(shì)，與上述結(jié)論一致，作者認(rèn)為相互作用及畸變能導(dǎo)致了這種選擇性，此結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察一致。

圖5 銠催化α-羥基β-內(nèi)酰胺C—C鍵選擇性活化步驟的勢(shì)能剖面圖(能量:kcal/mol)

圖6 銠催化環(huán)丁酮C—C鍵選擇性活化步驟的勢(shì)能剖面圖(能量:kcal/mol)

2 Rh催化直鏈上的C—C鍵選擇性活化反應(yīng)

鏈狀化合物因不具有環(huán)張力而較為穩(wěn)定，因此C—C鍵活化大多只存在具有環(huán)應(yīng)變或使用導(dǎo)向基團(tuán)的體系。

鑒于此，2018年，Kong小組[27]對(duì)銠催化1,4-二苯基丁基-3-炔-1,2-二酮羰基化過程中的反應(yīng)選擇性開展了理論研究。計(jì)算結(jié)果顯示使用Xantphos作為配體時(shí)，反應(yīng)經(jīng)歷了兩次氧化加成，在第一次氧化加成中，C—C鍵活化存在三條路徑(如圖10)，當(dāng)銠催化底物的羰基和羰基之間的C—C鍵通過過渡態(tài)TS33-34活化時(shí)需要跨越的能壘為 43.1 kcal/mol。而經(jīng)歷過渡態(tài)TS35-36(或TS37-38)時(shí)底物的芳基和羰基之間的C—C鍵(或底物炔基和羰基之間的C—C鍵)發(fā)生活化，此時(shí)需要越過的能壘為30.0 (或27.0) kcal/mol。根據(jù)能壘，通過過渡態(tài)TS37-38發(fā)生C—C鍵活化是最為有利的。在第二次氧化加成中，芳基C與羰基C(TS39-40)之間的活化能壘較羰基C與炔基C(TS39-41)間的活化能壘高 21.0 kcal/mol。因此兩次氧化加成均是底物炔基和羰基之間的C—C鍵活化最為有利，這可能與C—C鍵之間的極性大小有關(guān)。

圖7 銠催化二酮C—C鍵選擇性活化步驟的勢(shì)能剖面圖(能量:kcal/mol)

2020年，Li等人[28]對(duì)銠催化烯丙基苯的烯基化反應(yīng)中C—C鍵是通過β—C消除活化還是通過氧化加成活化，以及影響C—C鍵在2位或者5位活化的因素開展了DFT研究(如圖8)。由計(jì)算結(jié)果可知，C—C鍵通過氧化加成或β—C消除發(fā)生活化需要克服的Gibbs 自由能壘分別為 44.9 kcal/mol(TS44)和 18.2 kcal/mol(TS45)，表明在 90 ℃ 的實(shí)驗(yàn)條件下，通過氧化加成發(fā)生C—C鍵活化是不可能的，作者推測(cè)這可能與氧化加成途徑產(chǎn)生的陽離子銠-氫配合物極其不穩(wěn)定有關(guān)。此外，β—C消除途徑中C—C鍵經(jīng)2位活化(TS49-51)形成Rh-N配位中間體的過程僅需跨越16.0 kcal/mol Gibbs 自由能壘，經(jīng)5位活化(TS48-50)時(shí)能壘為 27.1 kcalmol-1，考慮到前者的關(guān)鍵過渡態(tài)的相對(duì)能量均低于后者，則此反應(yīng)傾向于得到2-位烯基化產(chǎn)物。說明吡啶基N的配位有利于穩(wěn)定活化過渡態(tài)與中間體。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察一致。

圖8 銠催化烯丙基苯烯化反應(yīng)中C—C鍵選擇性活化的勢(shì)能剖面圖(能量:kcal/mol)

3 結(jié)論與展望

本文對(duì)近些年Rh催化C—C鍵選擇性活化反應(yīng)的密度泛函理論研究進(jìn)展做了綜述，對(duì)該類反應(yīng)C—C鍵活化步驟的詳細(xì)機(jī)理和區(qū)域選擇性來源做出總結(jié)。多數(shù)C—C鍵活化反應(yīng)的區(qū)域選擇性主要與C—C鍵的穩(wěn)定性和生成物質(zhì)的穩(wěn)定性有關(guān)，例如，空間位阻、弱配位、共軛、極性等。然而，現(xiàn)有的活化C—C鍵的方法仍不成熟，通常依賴于底物特性，如環(huán)應(yīng)變、芳構(gòu)化、螯合或協(xié)同輔助來誘導(dǎo)C—C鍵活化。相信經(jīng)過更多化學(xué)工作者的努力，在計(jì)算化學(xué)的輔助下，這一領(lǐng)域的研究會(huì)變得更加完善。