Baeyer-Villiger重排機(jī)理及基團(tuán)遷移規(guī)律的量子化學(xué)計(jì)算研究
——推薦一個(gè)研究型計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)

朱榮秀，郭今心，楊一瑩，張冬菊

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

量子化學(xué)是理論化學(xué)的一個(gè)分支，是應(yīng)用量子力學(xué)的基本原理和方法研究化學(xué)問題的一門基礎(chǔ)學(xué)科。隨著理論化學(xué)方法和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展以及計(jì)算軟件的普及，越來越多的學(xué)生對(duì)計(jì)算化學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。近年來，國(guó)內(nèi)多所高校先后開設(shè)了計(jì)算化學(xué)[1]及計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程[2]，并已設(shè)計(jì)出多例計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)，包括結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系、反應(yīng)機(jī)理及選擇性、反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)、譜學(xué)性質(zhì)等各方面的計(jì)算化學(xué)研究[3-7]。本文以B-V重排反應(yīng)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)，為高年級(jí)本科生提供一個(gè)認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)計(jì)算化學(xué)的機(jī)會(huì)。通過本實(shí)驗(yàn)，不僅可以加深學(xué)生對(duì)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論的理解，而且可以培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維意識(shí)、提高其分析問題和解決問題的能力。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1) 復(fù)習(xí)B-V重排反應(yīng)及其微觀反應(yīng)機(jī)制；

(2) 掌握運(yùn)用計(jì)算化學(xué)方法研究化學(xué)反應(yīng)的基本思路；

(3) 進(jìn)一步了解Gaussian和GaussView等軟件的功能和使用方法；

(4) 了解結(jié)構(gòu)優(yōu)化、頻率分析、過渡態(tài)搜索、內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)計(jì)算等基本原理以及相關(guān)的計(jì)算、分析方法；

(5) 培養(yǎng)學(xué)生的研究興趣和批判性思維方式，提高其綜合分析和解決問題的能力。

2 實(shí)驗(yàn)背景

在過氧試劑存在下，醛和酮被氧化生成酸和酯的反應(yīng)被稱為Baeyer-Villiger氧化反應(yīng)，如式(1)所示。由于產(chǎn)物的形成通過一個(gè)基團(tuán)從碳原子向氧原子的遷移實(shí)現(xiàn)，所以又被稱為Baeyer-Villiger氧化重排，簡(jiǎn)稱B-V反應(yīng)。B-V反應(yīng)被廣泛應(yīng)用于酯的合成。

通常認(rèn)為B-V反應(yīng)涉及兩個(gè)關(guān)鍵步驟(圖1)：第一步，過氧酸進(jìn)攻醛和酮的羰基碳，形成四面體加合物，即克里奇(Criegee)中間體；第二步，遷移基團(tuán)由碳原子遷移到氧原子，同時(shí)氧氧鍵斷裂，形成酸和酯。一般認(rèn)為基團(tuán)遷移步驟是反應(yīng)的決速步驟。文獻(xiàn)報(bào)道[8]，B-V反應(yīng)體系中過氧酸與其相應(yīng)的羧酸共存，因此B-V重排的兩個(gè)基元過程(加成和基團(tuán)遷移)均可能涉及酸的參與。圖1給出了每個(gè)基元過程可能涉及的兩個(gè)過渡態(tài)，分別對(duì)應(yīng)有、無(wú)羧酸參與的結(jié)構(gòu)。早期的理論研究表明[8,9]，加成過程是一個(gè)酸催化的過程，無(wú)酸參與加成過程經(jīng)四元環(huán)過渡態(tài)進(jìn)行，酸的參與使反應(yīng)通過六元環(huán)過渡態(tài)進(jìn)行，因而羧酸的參與有利于B-V反應(yīng)的加成過程；而對(duì)于基團(tuán)遷移過程，酸的參與將導(dǎo)致一個(gè)變形的十一環(huán)過渡態(tài)，該過渡態(tài)的穩(wěn)定性小于無(wú)酸參與的六元環(huán)過渡態(tài)，因而基團(tuán)遷移過程不涉及酸的催化。基于這些結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)以苯乙酮為底物，過氧甲酸為氧化劑，甲酸為催化劑，CH2Cl2作溶劑，系統(tǒng)研究了B-V反應(yīng)的微觀機(jī)理。

對(duì)于不對(duì)稱酮，重排階段兩個(gè)基團(tuán)均可遷移，但遷移活性不同，使得反應(yīng)具有一定的區(qū)域選擇性。一般認(rèn)為取代基的遷移能力取決于其親核能力，親核性越強(qiáng)，其遷移能力越強(qiáng)。我們發(fā)現(xiàn)，B-V重排反應(yīng)中，基團(tuán)的遷移順序存在很大爭(zhēng)議，不同教材或資料給出了不同順序：叔烷基＞仲烷基≈環(huán)己基＞芐基＞苯基＞伯烷基＞甲基[10]；氫＞叔烷基＞仲烷基＞苯基＞伯烷基＞甲基[11]，叔烷基＞環(huán)己基＞仲烷基＞芐基＞苯基＞伯烷基＞甲基＞＞氫[12]，氫＞苯基＞叔烷基＞仲烷基≥芐基＞伯烷基＞甲基[13]，苯基＞乙烯基＞叔烷基＞仲烷基＞伯烷基＞甲基[14]等?？梢钥闯?，B-V重排中基團(tuán)遷移規(guī)律的爭(zhēng)議主要集中于兩點(diǎn)：一是氫的遷移活性，不同教材甚至給出完全相反的遷移順序(最難與最易)[11-13]；二是苯基遷移活性，有的教材認(rèn)為其遷移能力弱于叔烷基的遷移能力[10-12]，而另外的教材則認(rèn)為苯基的遷移能力強(qiáng)于叔烷基[13,14]。這些不一致的認(rèn)識(shí)，使教學(xué)工作受到困擾。前期雖有相關(guān)的理論研究[15,16]，但對(duì)取代基能力的比較不夠全面。因此，我們期望通過量子化學(xué)計(jì)算，解決困擾教學(xué)的問題。本實(shí)驗(yàn)研究一系列甲基酮及乙醛在CH2Cl2溶劑中的B-V反應(yīng)，使用過氧甲酸作氧化劑、甲酸作催化劑，計(jì)算反應(yīng)的分子機(jī)理，明確取代基的相對(duì)遷移能力，幫助學(xué)生加深對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解。

3 軟件和計(jì)算方法

全部計(jì)算使用Gaussian 16程序[17]完成。在MPWB1K[18]/6-311G(d,p)理論水平上對(duì)勢(shì)能面上各駐點(diǎn)進(jìn)行幾何構(gòu)型優(yōu)化和振動(dòng)頻率分析，通過內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)(IRC)[19]計(jì)算確認(rèn)過渡態(tài)連接的反應(yīng)物和產(chǎn)物。采用SMD隱含溶劑模型[20]模擬CH2Cl2的溶劑化效應(yīng)，使用較大的6-311++G(d,p)基組對(duì)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行單點(diǎn)能計(jì)算，并以1M為參考狀態(tài)，校正各結(jié)構(gòu)的相對(duì)能量。

4 實(shí)驗(yàn)步驟

4.1 反應(yīng)機(jī)理

以苯乙酮為例，研究B-V重排的反應(yīng)機(jī)理。首先建立并優(yōu)化反應(yīng)物及產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，計(jì)算其相對(duì)能量，得到反應(yīng)熱。然后根據(jù)猜測(cè)的反應(yīng)機(jī)制建立加成和遷移兩個(gè)基元步驟的過渡態(tài)模型，兩個(gè)過程均考慮有、無(wú)催化劑兩種情況。提示學(xué)生思考催化劑對(duì)每一步反應(yīng)的影響，注意各結(jié)構(gòu)可能存在不同的構(gòu)象。指導(dǎo)學(xué)生基于已有的基礎(chǔ)化學(xué)知識(shí)，考慮空間效應(yīng)、氫鍵等因素，構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型，優(yōu)化過渡態(tài)，并對(duì)過渡態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行IRC計(jì)算，識(shí)別過渡態(tài)連接的反應(yīng)物和產(chǎn)物。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果畫出反應(yīng)的勢(shì)能剖面圖，計(jì)算有無(wú)催化劑參與的兩步反應(yīng)的能壘，比較催化劑對(duì)加成和遷移步驟的影響，確定B-V重排的分子機(jī)制，并找出決速步驟。

4.2 基團(tuán)遷移能力的比較和分析

以甲基、乙基、異丙基、環(huán)己基、叔丁基、芐基、氫分別取代苯乙酮的苯基，計(jì)算反應(yīng)物、克里奇中間體及過渡態(tài)(TS1、TS2和TS2’)的相對(duì)自由能。根據(jù)能壘預(yù)測(cè)不同基團(tuán)的遷移活性，明確B-V重排的基團(tuán)遷移規(guī)律，并從基團(tuán)的親核能力、過渡態(tài)結(jié)構(gòu)、成鍵和斷鍵的鍵能等方面解釋基團(tuán)遷移規(guī)律。

5 結(jié)果與討論

5.1 反應(yīng)機(jī)理

苯乙酮發(fā)生B-V重排的計(jì)算結(jié)果示于圖2，其中孤立反應(yīng)物的能量設(shè)為能量零點(diǎn)。結(jié)果表明，苯乙酮的B-V重排是一個(gè)強(qiáng)放熱過程，總反應(yīng)熱為-305.5 kJ·mol-1。有、無(wú)甲酸(FA)催化劑參與時(shí)，形成初始絡(luò)合物2a和2a’分別吸熱43.6和47.5 kJ·mol-1。過氧甲酸(PFA)與羰基的親核加成經(jīng)過渡態(tài)TS1a和TS1a’，分別生成加成絡(luò)合物3a和克里奇中間體3a’。顯然，F(xiàn)A的參與使加成過程的能壘顯著降低(111.5vs. 174.3 kJ·mol-1)，使加成過程容易發(fā)生。對(duì)于遷移過程，由圖2可以看出，3a直接發(fā)生苯基遷移，經(jīng)過渡態(tài)TS2a得到產(chǎn)物絡(luò)合物4a，需要克服的能壘高達(dá)134.8 kJ·mol-1。當(dāng)3a解離出FA生成3a’，再由3a’發(fā)生苯基遷移，經(jīng)過渡態(tài)TS2a’得到4a’，則能壘降為120.6 kJ·mol-1。表明沒有FA參與，苯基遷移更有利。最后4a和4a’解離得到重排產(chǎn)物Pa和FA。由圖2還可以看出，遷移過程的能壘高于加成過程(120.6vs. 111.5 kJ·mol-1)，表明基團(tuán)遷移過程是反應(yīng)的決速步。因此，苯乙酮發(fā)生B-V重排反應(yīng)的機(jī)理概括為：在甲酸催化下，過氧甲酸與苯乙酮1a發(fā)生親核加成反應(yīng)，得到加成絡(luò)合物3a；甲酸從3a解離得到克里奇中間體3a’；3a’發(fā)生苯基遷移，形成絡(luò)合物4a’；隨后4a’解離出甲酸得到重排產(chǎn)物Pa。需要說明的是，加成過程需要甲酸參與，中間體才容易生成；而基團(tuán)遷移過程，則不需要甲酸的催化，克里奇中間體直接發(fā)生基團(tuán)遷移的能壘更低，反應(yīng)更易發(fā)生。

圖2 苯乙酮發(fā)生B-V重排的勢(shì)能剖面圖

5.2 基團(tuán)遷移規(guī)律

表1列出了若干甲基酮和乙醛B-V重排反應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。與上述苯乙酮的重排機(jī)理類似，反應(yīng)涉及甲酸催化的加成過程和無(wú)甲酸催化的基團(tuán)遷移過程，其中遷移過程為反應(yīng)的決速步。決速步能壘的高低表示基團(tuán)的遷移能力，能壘越高，基團(tuán)遷移越困難。計(jì)算結(jié)果表明，氫遷移的能壘最低，最易遷移；苯基的遷移能力介于異丙基(仲烷基)和乙基(伯烷基)之間；叔丁基、異丙基和環(huán)己基遷移能力相近；芐基和乙基遷移能力接近；甲基的遷移活性最差。概括起來，可得到不同基團(tuán)遷移能力的順序?yàn)椋簹洌臼宥』之惐汁h(huán)己基＞苯基＞芐基≈乙基＞甲基，也可簡(jiǎn)單表達(dá)為：氫＞叔烷基≥仲烷基＞苯基＞伯烷基＞甲基。

表1 各種甲基酮(乙醛)B-V重排反應(yīng)勢(shì)能面上關(guān)鍵點(diǎn)的相對(duì)自由能(kJ·mol-1)

5.3 遷移規(guī)律的分析

1) 電荷分析。

表2列出了各遷移基團(tuán)在遷移過程中從克里奇中間體到遷移過渡態(tài)電荷分布的變化，其中的電荷通過自然布局分析(natural population analysis，NPA)獲得。為了方便討論，中間體和過渡態(tài)沿過氧鏈分成兩個(gè)片段，即酸片段和酯片段。從表中數(shù)據(jù)可以看出，酸片段帶部分負(fù)電荷，酯片段帶部分正電荷，在過渡態(tài)結(jié)構(gòu)中電荷更加分離，表明O—O鍵發(fā)生異裂，基團(tuán)發(fā)生親核遷移到缺電子的氧原子上，即B-V重排為缺電子重排。

表2 克里奇中間體和遷移過渡態(tài)中電荷分布的變化

2) 基團(tuán)遷移能力分析。

表1中的能壘表明，烷基遷移活性為：叔烷基＞仲烷基＞伯烷基＞甲基，這可以從基團(tuán)遷移過程的本質(zhì)予以理解。B-V重排反應(yīng)為缺電子重排，遷移基團(tuán)上的供電子基越多，遷移基團(tuán)的親核能力越強(qiáng)，越有利于基團(tuán)遷移。叔烷基—C(CH3)3上的供電子基最多，遷移能力最強(qiáng)；—CH3上沒有供電子基，遷移能力最小。值得注意的是，叔丁基遷移的能壘幾乎和異丙基遷移能壘相同(僅差0.5 kJ·mol-1)，這是由于叔丁基的空間位阻較大，降低了過渡態(tài)的穩(wěn)定性。為了驗(yàn)證空間效應(yīng)的影響，我們也計(jì)算了叔戊基遷移的能壘，結(jié)果為122.3 kJ·mol-1，明顯高于叔丁基和異丙基遷移的能壘。所以，空間效應(yīng)不利于基團(tuán)遷移，教材中給出的烷基基團(tuán)的遷移次序(叔烷基＞仲烷基＞伯烷基＞甲基)僅是一般規(guī)律，不能將其教條化，必須結(jié)合具體情況，綜合分析空間效應(yīng)和電子效應(yīng)對(duì)烷基遷移能力的影響。

另外，上述烷基遷移能力也可通過分析過渡態(tài)的幾何結(jié)構(gòu)予以理解。由圖3可以看出，正在斷裂的C—C鍵和正在生成的C—O鍵鍵長(zhǎng)分別由甲基的0.173和0.194 nm變化到叔丁基的0.183和0.216 nm，結(jié)構(gòu)逐漸變得更為松散，松散的過渡態(tài)通常具有較低的能壘[21]。

圖3 遷移過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)

氫具有最強(qiáng)的遷移活性，可以通過比較鍵能的變化予以理解。對(duì)于烷基遷移，斷裂的C—C鍵鍵能為332 kJ·mol-1，形成的C—O鍵鍵能為326 kJ·mol-1，即烷基遷移過程是吸熱的；而氫遷移斷裂的C—H鍵鍵能約為414 kJ·mol-1，形成H—O鍵鍵能約為464 kJ·mol-1，表明氫遷移是放熱過程。因此，氫遷移過程容易發(fā)生，比烷基、苯基等基團(tuán)的遷移活性高。

對(duì)于苯環(huán)的遷移，計(jì)算結(jié)果表明其遷移能力強(qiáng)于芐基、乙基和甲基，這可以通過分析遷移過渡態(tài)的幾何構(gòu)型予以解釋。如圖3中TSd所示，遷移的苯環(huán)幾乎垂直于即將形成的C＝O雙鍵，這樣O原子的p軌道與苯環(huán)π電子之間可以形成非經(jīng)典的p-π共軛效應(yīng)(圖4)，有效穩(wěn)定過渡態(tài)，有利于苯基遷移。

圖4 苯基遷移過渡態(tài)中非經(jīng)典p-π共軛效應(yīng)示意圖

5.4 研究結(jié)果的進(jìn)一步驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述結(jié)果，選用另外兩種理論方法計(jì)算了決速步的能壘，結(jié)果列于表3。表中所列的三種理論水平分別是MPWB1K/6-311++G(d,p)-SMD//MPWB1K/6-311G(d,p)-SMD (Level 1)，M06-2X/aug-cc-pVTZ-SMD//M06-2X/6-311g(d,p)-SMD (Level 2) 和 B3LYP+GD3BJ/def2TZVP-SMD//B3LYP+GD3BJ/6-311g(d,p)-SMD (Level 3)，均為研究有機(jī)反應(yīng)機(jī)理常用的計(jì)算方法。可以看出，三種計(jì)算水平給出一致的能壘順序，證明上述基團(tuán)遷移順序是可靠的。通過結(jié)果的驗(yàn)證，一方面培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維意識(shí)，另一方面教育學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神。

表3 使用不同理論方法計(jì)算的各基團(tuán)遷移能壘

6 實(shí)驗(yàn)組織和建議

(1) 該研究型計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)是用量子化學(xué)方法解決有機(jī)化學(xué)中的問題，可面向高年級(jí)本科生開設(shè)。學(xué)生前期已選修“分子模擬”課程，熟悉Gaussian和GaussView軟件，具備建模、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、過渡態(tài)計(jì)算等基本技能。實(shí)驗(yàn)開始前，要求學(xué)生復(fù)習(xí)B-V重排的相關(guān)知識(shí)；調(diào)研不同教材中給出的遷移規(guī)律；查閱文獻(xiàn)了解B-V反應(yīng)的最新研究進(jìn)展、可能的反應(yīng)機(jī)制、研究B-V反應(yīng)常用的理論計(jì)算方法。

(2) 我們用24核64G小型服務(wù)器單機(jī)進(jìn)行測(cè)試計(jì)算，多數(shù)計(jì)算任務(wù)均能在30分鐘內(nèi)完成?？紤]到初始猜測(cè)對(duì)機(jī)時(shí)影響很大，我們預(yù)先提供了初步優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，在補(bǔ)充材料里給出。

對(duì)構(gòu)象復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生考慮空間位阻、氫鍵等因素，構(gòu)建合理的結(jié)構(gòu)模型。以圖3中的TSf(異丙基遷移過渡態(tài))為例，指導(dǎo)學(xué)生通過旋轉(zhuǎn)正在斷裂的C—C鍵得到三個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)象，分別是異丙基氫指向羰基氧原子對(duì)位、羥基氧原子對(duì)位以及甲基的對(duì)位。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，三個(gè)構(gòu)象的相對(duì)自由能分別為0.0、5.6、6.4 kJ·mol-1，表明異丙基氫指向羰基氧原子對(duì)位的構(gòu)象最穩(wěn)定。

(3) 一個(gè)實(shí)驗(yàn)班分配12人，分3組。每組首先計(jì)算苯乙酮B-V重排的詳細(xì)機(jī)理，然后分別計(jì)算二至三個(gè)底物重排的活化能，將三組計(jì)算結(jié)果綜合后找出所給基團(tuán)遷移活性的順序；并進(jìn)行后續(xù)結(jié)果的分析。具體實(shí)驗(yàn)方案和學(xué)時(shí)分配如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與學(xué)時(shí)分配

(4) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告的內(nèi)容。

I. 用Chemdraw畫出苯乙酮發(fā)生B-V重排的所有可能機(jī)理。

II. 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，畫出苯乙酮B-V反應(yīng)的勢(shì)能剖面圖，并給出關(guān)鍵點(diǎn)的3D結(jié)構(gòu)。

III. 根據(jù)計(jì)算結(jié)果能否排除其他反應(yīng)路徑？不同路徑能否同時(shí)存在？判斷的依據(jù)是什么？

IV. 算出各底物發(fā)生重排的反應(yīng)物、TS1、中間體、TS2和TS2’的相對(duì)能量，得出基團(tuán)遷移規(guī)律。

V. 算出各遷移基團(tuán)在克里奇中間體或過渡態(tài)中所帶的電荷。你能發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？這一規(guī)律能否解釋基團(tuán)的遷移規(guī)律？

VI. 畫出各遷移基團(tuán)過渡態(tài)的3D結(jié)構(gòu)，標(biāo)出正在斷裂的C—C(H)鍵和正在生成的C—O鍵的鍵長(zhǎng)。比較不同基團(tuán)相應(yīng)鍵長(zhǎng)的變化，據(jù)此能否解釋基團(tuán)遷移規(guī)律？

VII. 解釋關(guān)于H—的遷移活性最強(qiáng)這一計(jì)算結(jié)果。如何理解苯的遷移活性比叔丁基弱？

VIII. 通過這次實(shí)驗(yàn)?zāi)銓?duì)計(jì)算化學(xué)的了解和看法有什么變化?

7 結(jié)語(yǔ)

為了解學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)的反響我們進(jìn)行了問卷調(diào)研。調(diào)查結(jié)果表明，多數(shù)學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)有濃厚的興趣，認(rèn)為研究型計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)有利于激發(fā)研究興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新能力。通過本實(shí)驗(yàn)的開設(shè)，使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到量子化學(xué)計(jì)算也是研究化學(xué)反應(yīng)的重要手段。該計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅使學(xué)生掌握了用現(xiàn)代計(jì)算方法研究一般反應(yīng)機(jī)理的思路和方法，也學(xué)會(huì)了分析計(jì)算數(shù)據(jù)并用已學(xué)過的理論知識(shí)進(jìn)行解釋，從而提高了學(xué)生綜合分析和解決問題的能力和批判性思維意識(shí)。為期16學(xué)時(shí)的理論計(jì)算訓(xùn)練加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)化學(xué)知識(shí)和理論的理解，讓學(xué)生體驗(yàn)到科學(xué)研究的魅力，將對(duì)有志于科學(xué)研究的同學(xué)有很大的幫助。

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