李唯一，律婭婧, 黃蘭梅

(西華大學(xué)理學(xué)院，四川 成都 610065)

·基礎(chǔ)學(xué)科·

鋅胺模型化物催化苯乙酮的烯丙基化反應(yīng)機(jī)制

李唯一，律婭婧, 黃蘭梅

(西華大學(xué)理學(xué)院，四川 成都 610065)

在M05-2X(SMD, pentane)/6-311++G**水平下，研究鋅胺模型化物Zn(HHDS)2催化苯乙酮與烯丙基硼酸酯的烯丙基化反應(yīng)機(jī)制。計(jì)算結(jié)果表明，無(wú)催化劑存在時(shí)，底物硼酸酯的B中心作為L(zhǎng)ewis酸活化苯乙酮。反應(yīng)按協(xié)同機(jī)制進(jìn)行，需要的能壘高達(dá)119.7 kJ·mol-1。在Zn(HHDS)2催化作用下，烯丙基硼酸酯通過(guò)B與Zn的金屬置換，生成具有較強(qiáng)親核性的烯丙基鋅胺物種，實(shí)現(xiàn)苯乙酮的烯丙基化。B與Zn的金屬交換為速率控制步驟，需要的能壘為63.2 kJ·mol-1。計(jì)算發(fā)現(xiàn)形成烯丙基鋅胺物種比二烯丙基鋅物種在動(dòng)力學(xué)上更占優(yōu)勢(shì)。通過(guò)B-N鍵斷裂實(shí)現(xiàn)Zn(HHDS)2的再生在能量上比B與Zn的金屬交換形成烯丙基鋅胺活性物種低33.9 kJ·mol-1，Zn(HHDS)2為反應(yīng)中起實(shí)際催化作用的活性物種。

理論研究；鋅胺化物；烯丙基化；反應(yīng)機(jī)制

羰基化合物的烯丙基化反應(yīng)是構(gòu)建C—C鍵最直接和有效的方法之一[1]。該反應(yīng)的目標(biāo)產(chǎn)物，手性高烯丙基醇具有烯丙基、羥基、氨基等多個(gè)易轉(zhuǎn)化的官能團(tuán)，是有機(jī)合成領(lǐng)域內(nèi)的一類重要中間體，可用于合成多種類型的生物活性分子，如大環(huán)內(nèi)酯、羥基化天然產(chǎn)物、聚醚類抗生素等[2]；因此，烯丙基化試劑對(duì)羰基化合物的烯丙基化反應(yīng)一直備受關(guān)注。

對(duì)于酮的烯丙基化，傳統(tǒng)的方法是通過(guò)Barbier反應(yīng)[3]形成高烯丙基醇，即采用烯丙基的鹵化物與化學(xué)計(jì)量的金屬原位生成烯丙基金屬試劑。近年來(lái)，采用烯丙基硼酸酯為反應(yīng)底物的烯丙基化反應(yīng)取得了重大的進(jìn)展[4]。值得注意的是，與毒性較大的烯丙基鹵化物和錫試劑相比，毒性更低的烯丙基硼酸酯對(duì)環(huán)境更友好，且活性更高。

大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，Lewis酸[5]、Br?nsted酸[6]和金屬配合物[7-8]都是對(duì)羰基化合物與烯丙基硼酸酯的烯丙基化反應(yīng)有效的催化劑，然而，在大多數(shù)情況下，反應(yīng)中催化劑的用量相對(duì)較高。2008年以來(lái)，Kobayashi研究小組陸續(xù)報(bào)道了ZnF2和Zn(OH)2及其配合物催化醛、亞肼和烯丙基硼酸酯的烯丙基化反應(yīng)[9-11]。與其他催化體系相比，金屬鋅配合物的活性較高、毒性較低且廉價(jià)易得，因此該催化體系具有廣泛的應(yīng)用潛力。

作為該研究的一項(xiàng)延續(xù)性工作，Kobayashi小組還報(bào)道了具有較強(qiáng)共軛Lewis堿性的鋅胺物種六甲基二硅胺化鋅Zn(HMDS)2催化酮與烯丙基硼酸酯的烯丙基催化反應(yīng)(圖1)[11]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在Zn(HMDS)2催化作用下，底物烯丙基硼酸酯在室溫下3 h內(nèi)的轉(zhuǎn)化率高達(dá)97%，產(chǎn)物高烯丙基醇的收率大于99%。在實(shí)驗(yàn)中，Kobayashi等[11]也通過(guò)NMR 分析，證實(shí)了在反應(yīng)的初始階段是通過(guò)B與Zn金屬置換生成烯丙基鋅胺化物。在烯丙基硼酸酯過(guò)量的條件下，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)二烯丙基鋅物種的生成。由此推測(cè)，反應(yīng)中的活性物種可能是烯丙基鋅胺化物，但Zn(HMDS)2催化作用的本質(zhì)，以及Zn(HMDS)2的再生以及烯丙基鋅物種的形成仍需進(jìn)一步研究。

基于此，本文對(duì)Zn(HMDS)2催化苯乙酮1與烯丙基硼酸酯2之間的烯丙基化反應(yīng)機(jī)制進(jìn)行了理論研究，探求鋅胺化物在烯丙基化反應(yīng)中催化作用的本質(zhì)以及反應(yīng)體系中起實(shí)際作用的催化活性物種。

圖1 六甲基二硅胺化鋅催化苯乙酮與烯丙基硼酸酯的烯丙基化反應(yīng)

1 計(jì)算模型與方法

為了降低計(jì)算成本，同時(shí)獲得較為合理的計(jì)算結(jié)果，對(duì)實(shí)驗(yàn)中采用的催化劑六甲基二硅胺化鋅Zn(HMDS)2進(jìn)行合理的模型化處理，分別用6個(gè)氫原子替代了六甲基二硅胺化鋅中的6個(gè)甲基，獲得六氫二硅胺化鋅Zn(HHDS)2作為模型催化劑(見(jiàn)圖2)。

在M05-2X/6-31G**水平下對(duì)所有反應(yīng)物、過(guò)渡態(tài)、中間體和產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化及能量計(jì)算，并進(jìn)行了振動(dòng)頻率分析[12-13]。同時(shí)為了考慮溶劑對(duì)反應(yīng)體系的影響，在氣相優(yōu)化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用基于SMD[14]溶劑模型的自洽反應(yīng)場(chǎng)(SCRF)方法在M05-2X/6-311++G**水平下進(jìn)行了戊烷溶劑中的單點(diǎn)能計(jì)算。如不加特殊說(shuō)明，文中討論的自由能是由溶劑中的單點(diǎn)能與氣相中的Gibbs自由能校正值相加得到的。此外，為了對(duì)反應(yīng)機(jī)制有更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，對(duì)所有的優(yōu)化結(jié)構(gòu)都采用自然鍵軌道理論(NBO)進(jìn)行分析[15]。所有計(jì)算均在Gaussian 09程序包下完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 背景反應(yīng)機(jī)制研究

圖3 在M05-2X/6-31G**水平下優(yōu)化得到背景反應(yīng)中過(guò)渡態(tài)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)(省略結(jié)構(gòu)中所有氫原子，鍵長(zhǎng)以nm為單位)

2.2 Zn(HHDS)2催化作用下反應(yīng)機(jī)制研究

基于實(shí)驗(yàn)和理論研究結(jié)果，在金屬Zn催化劑作用下，硼酸酯2能夠與金屬Zn發(fā)生B與Zn的金屬置換反應(yīng)，生成2種可能的烯丙基鋅物種：烯丙基鋅胺和二烯丙基鋅物種。這2種烯丙基鋅物種都具有較強(qiáng)的親核性，能夠與苯乙酮發(fā)生親核加成反應(yīng)，得到目標(biāo)產(chǎn)物高烯丙基醇。

2.2.1 烯丙基鋅胺物種催化反應(yīng)機(jī)制

圖5 在M05-2X/6-31G**水平下優(yōu)化得到形成烯丙基鋅胺物種催化循環(huán)中關(guān)鍵中間體和過(guò)渡態(tài)優(yōu)化結(jié)構(gòu)(省略結(jié)構(gòu)中所有氫原子，鍵長(zhǎng)以nm為單位)

2.2.2 二烯丙基鋅物種催化反應(yīng)機(jī)制

由于體系中存在過(guò)量的硼酸酯2，它可能會(huì)與烯丙基鋅胺物種6發(fā)生B與Zn的金屬置換得到二烯丙基鋅物種14。二烯丙基鋅物種14再與苯乙酮1發(fā)生親核加成得到烯丙基硼酸酯化的產(chǎn)物11。如圖6所示，形成二烯丙基鋅物種14主要存在2條可能的反應(yīng)路徑。

此外，烯丙基鋅胺物種6還可能首先與苯乙酮1加成得到烯丙基鋅醇鹽中間體9。從能量上看，加成步驟所需要的反應(yīng)能壘(39.3 kJ·mol-1)低于B與Zn的金屬置換所需要的反應(yīng)能壘(63.2 kJ·mol-1)，因此該過(guò)程在動(dòng)力學(xué)上更有利。烯丙基鋅醇鹽中間體9中含有未反應(yīng)的二硅烷胺基，能與另一分子硼酸酯2作用形成中間體18。在中間體18中二硅烷胺基N原子與硼酸酯B的空軌道配位，形成四配位的B中心，實(shí)現(xiàn)B—C鍵的活化。中間體18再經(jīng)過(guò)B與Zn的金屬置換過(guò)渡態(tài)生成中間體16。該過(guò)程需要的反應(yīng)能壘為49.8 kJ·mol-1，比前面過(guò)程需要的能壘略低。

2.2.3 2種反應(yīng)機(jī)制的比較

從反應(yīng)勢(shì)能曲線圖8中可以看出：在形成烯丙基鋅胺物種催化苯乙酮烯丙基化反應(yīng)催化循環(huán)中，烯丙基鋅醇鹽中間體9與硼酸酯2通過(guò)B與Zn的金屬交換形成烯丙基鋅胺活性物種需要的能壘比烯丙基鋅醇鹽中間體9與硼胺化物7反應(yīng)實(shí)現(xiàn)Zn(HHDS)2的再生所需要的能壘更高；因此，Zn(HHDS)2的再生更加容易。催化循環(huán)由3個(gè)基元步驟組成，其中B與Zn的金屬置換需要的能壘為63.2 kJ·mol-1，為速率控制步驟。在形成二烯丙基鋅胺物種催化苯乙酮烯丙基化反應(yīng)催化循環(huán)中，烯丙基鋅醇鹽中間體9與硼酸酯2通過(guò)B與Zn的金屬交換形成二烯丙基鋅胺物種在能量上更低，中間體16經(jīng)過(guò)B與Zn的金屬置換過(guò)渡態(tài)TS17-14所需要的能壘較高，為72.2 kJ·mol-1。由此可見(jiàn)，形成烯丙基鋅胺物種催化苯乙酮的烯丙基化需要的能壘更低，在動(dòng)力學(xué)上比形成二烯丙基鋅胺物種在能量上更占優(yōu)勢(shì)。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)中NMR 分析結(jié)果一致[12]。

圖7 在M05-2X/6-31G**水平下優(yōu)化得到形成烯丙基鋅胺物種催化循環(huán)中關(guān)鍵中間體和過(guò)渡態(tài)優(yōu)化結(jié)構(gòu)(省略結(jié)構(gòu)中所有氫原子，鍵長(zhǎng)以nm為單位)

3 結(jié)論

本文采用密度泛函理論，在M05-2X/(SMD,pentane)6-311++G**水平下對(duì)鋅胺模型化物Zn(HHDS)2催化作用下苯乙酮的烯丙基化反應(yīng)機(jī)制進(jìn)行了初步的研究，主要結(jié)論如下：

1)在無(wú)催化劑存在時(shí)，反應(yīng)為協(xié)同機(jī)制，通過(guò)六元環(huán)狀過(guò)渡態(tài)生成目標(biāo)產(chǎn)物。在戊烷中反應(yīng)能壘高達(dá)119.7 kJ·mol-1。

2)在Zn(HHDS)2催化作用下，反應(yīng)為分步機(jī)制，催化循環(huán)由3個(gè)基元步驟組成，其中B與Zn的金屬置換的能壘為63.2 kJ·mol-1，為速率控制步驟。與非催化反應(yīng)相比，反應(yīng)能壘明顯降低，表明Zn(HHDS)2對(duì)苯乙酮的烯丙基化有較好的催化作用。

3)計(jì)算表明，形成烯丙基鋅胺活性物種催化苯乙酮的烯丙基化在動(dòng)力學(xué)上比形成二烯丙基鋅胺物種催化苯乙酮的烯丙基化更占優(yōu)勢(shì)。

[1]王成, 尹紅, 陳萬(wàn)鎖. 醛的不對(duì)稱烯丙基化反應(yīng)研究進(jìn)展[J]. 有機(jī)化學(xué), 2005,25(1): 34-41.

[2]Yus M, González-Gómez J C, Foubelo F. Catalytic Enantioselective Allylation of Carbonyl Compounds and Imines[J]. Chemical Reviews, 2011 ，111(12): 7774-7854.

[3]Tan K T, Chng S S, Cheng H S, et al. Development of a Highly Alpha-regioselective Metal-mediated Allylation Reaction in Aqueous Media: New Mechanistic Proposal for the Origin of Alpha-homoallylic Alcohols[J]. Journal of the American Chemical Society, 2009，125(10): 2985-2963.

[4]Barnett D S, Moquist P N, Schaus S E. The Mechanism and an Improved Asymmetric Allylboration of Ketones Catalyzed by Chiral Biphenols[J]. Angewandte Chemie (International ed. in English), 2009 ，48(46): 8679-8682.

[5]Ishiyama T, Ahiko T, Miyaura N. Acceleration Effect of Lewis Acid in Allylboration of Aldehydes: Catalytic, Regiospecific, Diastereospecific, and Enantioselective Synthesis of Homoallyl Alcohols[J]. Journal of the American Chemical Society, 2002, 124(42): 12414-12415.

[6]Rauniyar V, Hall D G. Lewis Acids Catalyze the Addition of Allylboronates to Aldehydes by Electrophilic Activation of the Dioxaborolane in a Closed Transition Structure[J]. Journal of the American Chemical Society, 2004, 126(14): 4518-4519.

[7]Schneider U, Ueno M, Kobayashi S. Catalytic Use of Indium(0)for Carbon-Carbon Bond Transformations in Water: General Catalytic Allylations of Ketones with Allylboronates[J]. Journal of the American Chemical Society, 2008, 130(42): 13824-13825.

[8]Wada R, Shibuguchi T, Makino S, et al. Catalytic Enantioselective Allylation of Ketoimines[J]. Journal of the American Chemical Society, 2006, 128(23): 7687-7691.

[9]Fujita M, Nagano T, Schneider U, et al. Zn-Catalyzed Asymmetric Allylation for the Synthesis of Optically Active Allylglycine Derivatives. Regio- and Stereoselective Formal Alpha-addition of Allylboronates to Hydrazono esters[J]. Journal of the American Chemical Society, 2008, 130(10): 2941-2915.

[10]Kobayashi S, Endo T, Schneider U, et al. Aldehyde Allylation with Allylboronates Providing Alpha-addition Products[J]. Chemical Communications, 2010, 46(8): 1260-1262.

[11]Kobayashi S, Endo T, Ueno M. Chiral Zinc-Catalyzed Asymmetric α-Alkylallylation and α-Chloroallylation of Aldehydes[J]. Angewandte Chemie (International ed. in English), 2011，48(46): 8679-8682.

[12]Cui Y, Li W, Sato T, et al. Catalytic Use of Zinc Amide for Transmetalation with Allylboronates: General and Efficient Catalytic Allylation of Carbonyl Compounds, Imines, and Hydrazones[J]. Advanced Synthesis & Catalysis, 2013, 355(6): 1193-1205.

[13]Hohenstein E G, Chill S T, Sherrill C D. Assessment of the Performance of the M05-2X and M06-2X Exchange-Correlation Functionals for Noncovalent Interactions in Biomolecules[J]. Journal of Chemical Theory and Computation, 2008, 4(12): 1996-2000.

[14]Marenich A V, Cramer C J, Truhlar D G. Universal Solvation Model Based on Solute Electron Density and on a Continuum Model of the Solvent Defined by the Bulk Dielectric Constant and Atomic Surface Tensions[J]. The Journal of Physical Chemistry A, 2009, 113(18): 6378-6396.

[15]Reed A E, Schleyer P R, Chemical Bonding in Hypervalent Molecules. The Dominanceof Ionic Bonding and Negative Hyperconjugation over d-Orbital Participation[J]. Journal of the American Chemical Society, 1990, 112(4): 1434-1445.

[16]Grayson M N, Pellegrinet S C, Goodman J M. Mechanistic Insights Into the BINOL-Derived Phosphoric Acid-Catalyzed Asymmetric Allylboration of Aldehydes[J]. Journal of the American Chemical Society, 2012, 134(5): 2716-2722.

[17]Domingo L R, Sáez J A. Understanding the Mechanism of Polar Diels-Alder Reactions[J]. Organic & Biomolecular Chemistry, 2009，7(17): 3576-3583.

(編校：葉超)

Study on the Mechanism of Allylation of Acetophenone Catalyzed by Zinc Amide Model Compound

LI Wei-yi, LV Ya-jing, HUANG Lan-mei

(SchoolofScience,XihuaUniversity.,Chengdu610065China)

The reaction mechanism of allylation of acetophenone catalyzed by zinc amide model compound is studied at the M05-2X (SMD, pentane)/6-311++G** level. The calculation result indicates that the non-catalyzed reaction proceeds concertedly via a six-membered-ring transition state, which requires a high energy barrier of 119.7 kJ·mol-1. In the presence of Zn(HHDS)2, the reaction takes place via the stepwise mechanism, which involves the B to Zn transmetalation, allylation of acetophenone and the regeneration of Zn(HHDS)2. The B to Zn transmetalation with an energy barrier of 63.2 kJ·mol-1is rate-determining step. The calculation result shows that the formation of the allyl zinc amide species is kinetically more favorable than the generation of diallylzinc species. The recovery of Zn(HHDS)2via the cleavage of the B-N bond is 33.9 kJ·mol-1lower than the regeneration of the allyl zinc amide species via B to Zn transmetalation in free energy, and Zn(HHDS)2is the actual active species in the present system.

theoretical study ; zinc amide compound; allylation; reaction mechanism

2014-11-10

四川省教育廳自然科學(xué)基金科研項(xiàng)目(14ZB0131)；西華大學(xué)校級(jí)重點(diǎn)科研項(xiàng)目(Z1313319)

李唯一(1985—)，男，講師，博士，主要研究方向?yàn)槔碚撆c計(jì)算化學(xué)。

O643.3 ；O621.1

A

1673-159X(2015)05-0075-06

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.05.014