趙　義　劉永軍　禚淑萍（山東理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，山東淄博55049；中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所，西寧8000）

銅催化CO2和1-苯基丙炔的氫羧基化反應(yīng)機(jī)理及區(qū)域選擇性

趙義1，2劉永軍2，*禚淑萍1，*
（1山東理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，山東淄博255049；2中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所，西寧810001）

采用密度泛函理論（DFT）方法研究了在還原劑（EtO）3SiH存在下，銅（I）（Cl2IPrCuF）催化CO2插入1-苯基丙炔生成α，β不飽和羧酸的反應(yīng)機(jī)理.計(jì)算結(jié)果表明，Cl2IPrCuF首先與（EtO）3SiH生成活性催化劑Cl2IPrCuH，然后經(jīng)歷三個(gè)步驟完成催化反應(yīng)：（1）Cl2IPrCuH與1-苯基丙炔加成生成烯基銅中間體.由于炔烴的不對(duì)稱性，烯基銅中間體有兩種同分異構(gòu)體，最后可導(dǎo)致生成兩種對(duì)應(yīng)的α，β不飽和羧酸衍生物；（2）CO2插入烯基銅中間體得到羧基銅中間體；（3）（EtO）3SiH與羧基銅中間體發(fā)生σ轉(zhuǎn)位反應(yīng)形成最終產(chǎn)物，同時(shí)重新生成催化劑Cl2IPrCuH.理論研究還表明，生成兩種α，β不飽和羧酸衍生物的反應(yīng)路徑所對(duì)應(yīng)的決速步驟不同，在Path a中炔烴插入反應(yīng)和CO2插入反應(yīng)都可能是整個(gè)催化反應(yīng)的決速步驟，自由能壘分別為68.6和67.8 kJ·mol-1，而在Path b中，僅炔烴插入反應(yīng)是整個(gè)催化反應(yīng)的決速步驟，自由能壘為78.7 kJ·mol-1.此結(jié)果很好地給出了實(shí)驗(yàn)上兩種α，β不飽和羧酸衍生物收率不同的原因.炔烴與Cl2IPrCuH的加成決定了反應(yīng)的區(qū)域選擇性，其中電子效應(yīng)是影響反應(yīng)區(qū)域選擇性的主要原因.

CO2；1-苯基丙炔；密度泛函理論；氫羧基化；區(qū)域選擇性

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1　引言

CO2具有價(jià)廉、易處理、無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種理想的、可再生的C1資源.1-4但其顯著的化學(xué)惰性限制了在有機(jī)合成中的廣泛應(yīng)用.最近研究發(fā)現(xiàn)，利用過(guò)渡金屬配合物催化的有機(jī)鋅和有機(jī)硼化合物的羧基化反應(yīng)，可將CO2轉(zhuǎn)化為有用的有機(jī)化合物.5-13此外，C―C多重鍵與CO2的催化氫羧基化反應(yīng)14-16也引起了人們的廣泛關(guān)注.例如，Ni-二吡啶配合物可催化1，3-二炔或1，3-烯炔與CO2的耦合反應(yīng)，但由于反應(yīng)需要使用對(duì)空氣非常敏感的還原劑ZnEt2和AlEt3，限制了其實(shí)際應(yīng)用.最近，Tsuji等17以IMesCuF作為催化劑，在溫和條件下以易于處理的氫硅烷為還原劑，實(shí)現(xiàn)了二苯基丙炔與CO2的氫羧基化反應(yīng).他們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用1-苯基丙炔替代二苯基丙炔作為反應(yīng)底物時(shí)，反應(yīng)溫度即使高達(dá)100°C，也只能得到痕量的目標(biāo)產(chǎn)物.但當(dāng)以Cl2IPrCuF作為催化劑時(shí)，18，191-苯基丙炔和CO2的氫羧基化反應(yīng)在正己烷溶劑中實(shí)現(xiàn)了高達(dá)86%的產(chǎn)率，有兩種主要產(chǎn)物P和P′，且具有較高的區(qū)域選擇性（P與P′產(chǎn)率比為75%：25%，圖1）.17

對(duì)于該類反應(yīng)，Tsuji等17提出了大致的反應(yīng)機(jī)理，如圖2所示.整個(gè)催化循環(huán)包括三個(gè)步驟：炔烴插入（step a），CO2插入（step b）和σ-鍵轉(zhuǎn)位過(guò)程伴隨催化劑再生（step c）.Wang等20曾用密度泛函理論（DFT）B3LYP方法研究了在銅（I）（Cl2IPrCuF）催化下CO2與一系列不對(duì)稱炔烴的氫羧基化反應(yīng)機(jī)理.他們使用簡(jiǎn)化的催化劑模型（將催化劑N原子上的兩個(gè)芳香取代基用甲基代替）定性比較了不同炔烴與催化劑Cl2IPrCuH加成反應(yīng)的自由能壘.但計(jì)算結(jié)果不能很好地解釋圖2中兩種產(chǎn)物（P和P?）收率的巨大差別.由于催化劑（如圖1所示）N原子上的兩個(gè)芳香環(huán)對(duì)卡賓的催化活性有重要的影響，尤其嚴(yán)重地影響與它配位的Cu原子的反應(yīng)活性，因此本文采用更大的催化劑模型充分考慮芳香環(huán)對(duì)卡賓催化劑的影響，研究Cl2IPrCuF與（EtO）3SiH生成活性催化劑Cl2IPrCuH的機(jī)制，對(duì)Cl2IPrCuH催化1-苯基丙炔和CO2的氫羧化反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)研究，闡明影響反應(yīng)區(qū)域選擇性的主要原因.本文采用密度泛函理論B3LYP方法21，22來(lái)研究整個(gè)反應(yīng)機(jī)制，該方法在研究過(guò)渡金屬催化反應(yīng)時(shí)可以給出準(zhǔn)確的結(jié)果.

圖1　1-苯基丙炔（R1）、氫硅烷（R2）和CO2的氫化羧基化反應(yīng)Fig.1　Hydrocarboxylation of 1-phenyl-propyne（R1），hydrosilane（R2），and CO2

2　計(jì)算方法

所有分子結(jié)構(gòu)包括局域最低點(diǎn)和過(guò)渡態(tài)的幾何優(yōu)化在密度泛函理論B3LYP水平上完成，23-26所有涉及的過(guò)渡態(tài)均通過(guò)內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)（IRC）計(jì)算，27，28以驗(yàn)證它們確實(shí)連接兩個(gè)所期望的局域最小點(diǎn).對(duì)所獲得的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的振動(dòng)頻率分析以確定是否為真正的局域最小點(diǎn)（沒(méi)有虛頻）或者一級(jí)鞍點(diǎn)（有一個(gè)虛頻）.

對(duì)體系中的C、H、N、O、F和Si原子使用標(biāo)準(zhǔn)的6-31G（d，p）基組，而對(duì)中心Cu原子使用6-311G（d）基組.29-31在同一DFT水平上考慮溶劑化效應(yīng)，其溶劑化能量是在極化連續(xù)模型（PCM）聯(lián)合原子拓?fù)洌║AS）空穴基礎(chǔ)上，使用簡(jiǎn)單的自洽反應(yīng)場(chǎng)，所有原子使用6-311++G**基組，計(jì)算氣態(tài)下穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的單點(diǎn)能所獲得.32-34所有的計(jì)算使用Gaussian 03程序軟件包.35因?yàn)檎和榈慕殡姵?shù)ε=1.8819與正庚烷的（ε=1.9113）接近，本文用正庚烷的PCM參數(shù)代替正己烷.為了考慮色散效應(yīng)的影響，本文還采用Grimme的DFT-D3程序36進(jìn)行了色散校正.另外，還對(duì)Cl2IPrCuF和（EtO）3SiH生成活性催化劑Cl2IPrCuH的反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了研究.在所有的勢(shì)能剖面中，給出了溶劑化校正的相對(duì)自由能（kJ·mol-1）和相對(duì)焓能量（kJ·mol-1）.

圖2　氫化羧基化反應(yīng)可能的催化循環(huán)Fig.2　Plausible catalytic cycle of the hydrocarboxylation

3　結(jié)果與討論

3.1催化劑Cl2lPrCuH的生成

催化劑Cl2IPrCuH（LCuH）生成過(guò)程的自由能及勢(shì)能剖面見(jiàn)圖3.圖3中各駐點(diǎn)的能量均以LCuH的能量作為零點(diǎn)，其相關(guān)的結(jié)構(gòu)和鍵長(zhǎng)數(shù)據(jù)在圖4中列出.如圖3所示，活性催化劑LCuH是通過(guò)Cl2IPrCuF與（EtO）3SiH（R2）之間Si到Cu的轉(zhuǎn)移金屬化反應(yīng)生成的.Cl2IPrCuF與R2首先生成一個(gè)四元環(huán)中間體1.在中間體1中，Cu―F鍵從0.1760 nm拉長(zhǎng)到0.1838 nm，Si―H鍵從0.1464 nm拉長(zhǎng)到0.1540 nm，說(shuō)明在中間體1中，Cu―F與Si―H鍵分別被Si和Cu中心有效地活化.從中間體1經(jīng)過(guò)渡態(tài)TS12生成中間體2，Cu―H和Si―F的σ鍵生成，實(shí)際上這是一步σ鍵的交換反應(yīng).在中間體2中，Cu―H和Si―F的鍵長(zhǎng)分別為0.1642和0.1746 nm.步驟（1?2）的活化勢(shì)壘僅為0.4 kJ·mol-1，表明這個(gè)σ鍵交換過(guò)程很容易進(jìn)行.然后，從中間體2解離掉（EtO）3SiF生成催化劑Cl2IPrCuH，自由能降低至49.4 kJ·mol-1.總體來(lái)看，從LCuF+R2到過(guò)渡態(tài)TS12的自由能壘僅為12.1 kJ· mol-1，生成Cl2IPrCuH后體系的自由能降低了49.8 kJ· mol-1，表明活潑催化劑Cl2IPrCuH很容易生成，這與實(shí)驗(yàn)中催化劑能在室溫下生成的結(jié)果17相符.

圖3　催化劑LCuH（L=Cl2IPr）的生成路徑自由能勢(shì)能面Fig.3　Potential free energy profile for the generation of active catalyst LCuH（L=Cl2IPr）The relative free energies and relative enthalpies（in parentheses）are given in kJ·mol-1.

3.2銅催化劑催化CO2與炔烴的羧基化反應(yīng)

研究了以硅烷為還原劑，在銅催化劑存在下CO2與炔烴的羧基化反應(yīng)機(jī)理.由于催化劑LCuH與不對(duì)稱1-苯基丙炔的加成可生成兩種同分異構(gòu)的烯基銅中間體，最后導(dǎo)致兩種不同的α，β不飽和羧酸，所以，我們將整個(gè)催化反應(yīng)分兩個(gè)路徑來(lái)討論，分別以Path a和Path b表示.

3.2.1Path a：生成產(chǎn)物P的反應(yīng)機(jī)理

圖5為催化反應(yīng)按Path a進(jìn)行反應(yīng)時(shí)的自由能剖面圖.可以看出，整個(gè)催化反應(yīng)包括催化劑與炔烴的加成、CO2插入以及σ鍵交換等三大步驟.首先催化劑LCuH順式加成到1-苯基丙炔（R1）上，經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)渡態(tài)1-TS34，生成一個(gè)銅烯基中間體1-4；然后CO2插入到Cu原子和烯基之間，經(jīng)歷過(guò)渡態(tài)1-TS56得到銅羧基中間體1-6，1-6經(jīng)過(guò)C―C σ鍵的旋轉(zhuǎn)得到中間體1-7；最后（EtO）3SiH與中間體1-7發(fā)生σ鍵交換反應(yīng)，得到硅脂P，并重新生成催化劑LCuH.

圖4　催化劑LCuH（L=Cl2IPr）生成過(guò)程中的各物種的優(yōu)化空間結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵鍵長(zhǎng)（nm）Fig.4　Optimized structures together with key bond lengths（nm）for the species involved in the process of generation of the active catalyst LCuH（L=Cl2IPr）For clarity，the hydrogen atoms attached to carbon atoms and the groups attached to nitrogen atoms are omitted.

圖6為優(yōu)化得到的各中間體和過(guò)渡態(tài)的結(jié)構(gòu).可以看出，R1首先與催化劑的Cu原子配位生成加合體1-3.在1-3中，C?C鍵長(zhǎng)從0.1208 nm拉長(zhǎng)為0.1273 nm，表明此鍵已經(jīng)被催化劑有效的活化.然后炔烴插入到Cu―H鍵，生成插入產(chǎn)物1-4.圖5表明，從R1+LCuH到1-TS34的自由能壘為68.6kJ·mol-1，從R1+LCuH到1-4的反應(yīng)自由能變化為-98.7kJ· mol-1，說(shuō)明這個(gè)插入反應(yīng)很容易發(fā)生.然后，中間體1-4再與CO2生成加合化合物1-5.在1-5中Cu―O1 和Cu―O2的鍵長(zhǎng)分別為0.4263和0.4207 nm.步驟1-5?1-6是CO2插入到Cu―C鍵，同時(shí)一個(gè)O原子朝向金屬Cu中心，得到一個(gè)羧基銅化合物（1-6）.在1-TS56中，CO2不與Cu―C部分共平面，這個(gè)結(jié)果與Lin等37報(bào)道的CO2插入Cu―Ph鍵的過(guò)渡態(tài)相似.中間體1-6可通過(guò)O1―C3 σ鍵的旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化生成更穩(wěn)定的中間體1-7.中間體1-6不如7穩(wěn)定的主要原因由于O=C―C=C部分的非平面所致，在1-7中，由于O=C―C=C部分更有效的共軛使其比1-6更穩(wěn)定.總體來(lái)看，CO2插入過(guò)程的總自由能勢(shì)壘為67.7 kJ·mol-1（1-4?1-TS56），自由能變化為-51.5 kJ· mol-1（1-4?1-7）.因此，CO2的插入過(guò)程也較容易進(jìn)行.雖然在CO2插入反應(yīng)中，碳原子也可進(jìn)攻Cu中心，但這個(gè)路徑被證明是不太可能發(fā)生的.37

接下來(lái)的兩步是關(guān)于Cu-O與Si-H之間的σ鍵交換過(guò)程（1-7?1-8?P）.中間體1-7和（EtO）3SiH先通過(guò)范德華作用生成一個(gè)中間體1-8，然后，1-8中的Cu-O與Si-H鍵斷開(kāi)，相應(yīng)的Cu―H和Si―O鍵生成，屬于典型的σ鍵交換反應(yīng).整個(gè)交換過(guò)程的自由能勢(shì)壘為18.4 kJ·mol-1（1-8?1-TS8p）.從圖5中還可以看出，在整個(gè)催化反應(yīng)中，從R1+LCuH到1-4的炔烴插入反應(yīng)和從1-4到1-7的CO2插入反應(yīng)都可能是整個(gè)反應(yīng)的決速步驟.但在Wang等20的研究中，CO2的插入反應(yīng)是整個(gè)反應(yīng)的決速步驟.這可能是由于本文采用的催化劑模型與Wang等的簡(jiǎn)化模型不同所致，芳香環(huán)對(duì)卡賓催化劑的影響不能忽略.

3.2.2Path b：生成產(chǎn)物P?的反應(yīng)機(jī)理

Path b與Path a經(jīng)歷的反應(yīng)過(guò)程是相似的.不同之處是由于催化劑和1-苯基丙炔的加成產(chǎn)物中與Cu原子相連的H的位置不同導(dǎo)致生成了同分異構(gòu)的烯基銅中間體.圖7為經(jīng)過(guò)Path b生成產(chǎn)物P′的自由能剖面圖，共經(jīng)過(guò)三步：第一步為L(zhǎng)CuH與1-苯基丙炔（R1）的順式加成，經(jīng)過(guò)過(guò)渡態(tài)2-TS34生成銅烯基中間體2-4；第二步為CO2插入到Cu原子和烯基之間，經(jīng)過(guò)過(guò)渡態(tài)2-TS56得到銅羧基中間體2-7；最后一步是（EtO）3SiH與中間體2-7之間的σ鍵交換反應(yīng)，經(jīng)過(guò)過(guò)渡態(tài)2-TS8P得到硅脂P′，并重新生成催化劑LCuH.圖8為優(yōu)化得到Path b中各中間體和過(guò)渡態(tài)的結(jié)構(gòu).

從R1+LCuH到2-TS34的自由能壘為78.7 kJ· mol-1，從R1+LCuH到2-4的反應(yīng)自由能變化為-78.7 kJ·mol-1，表明反應(yīng)也很容易進(jìn)行.CO2插入過(guò)程的總自由能勢(shì)壘為46.9 kJ·mol-1（2-4?2-TS56），自由能變化為-81.5 kJ·mol-1（2-4?2-7）.相對(duì)于Path a，2-6不能穩(wěn)定存在，直接轉(zhuǎn)化為異構(gòu)體2-7.最后一步（2-7?P′）是典型的σ鍵交換過(guò)程，整個(gè)交換過(guò)程的自由能壘為33.0 kJ·mol-1（2-8?2-TS8P?）.從圖7中可以看出，在R1?P′的反應(yīng)機(jī)理中，R1+ LCuH到2-4的炔烴插入反應(yīng)仍然是整個(gè)反應(yīng)的決速步驟.而在Wang等20的研究中，CO2的插入反應(yīng)是整個(gè)反應(yīng)的決速步驟，與本文的計(jì)算結(jié)果也不一致.

圖5　生成氫化羧基化產(chǎn)物P（Path a）的勢(shì)能剖面Fig.5　Potential energy profiles leading to the hydrocarboxylated product（P）（Path a）The relative free energies and relative enthalpies（in parentheses）are given in kJ·mol-1.

3.2.3Path a與Path b對(duì)比

上述分析表明兩種反應(yīng)路徑是相似的，但決速步驟明顯不同.在Path a中，炔烴插入反應(yīng)的勢(shì)壘為68.6 kJ·mol-1，CO2插入反應(yīng)的自由能壘為67.8 kJ· mol-1，這兩步反應(yīng)都可能是Path a的決速步驟；但σ鍵交換的自由能勢(shì)壘為18.4 kJ·mol-1.在Path b中，炔烴插入反應(yīng)的勢(shì)壘為78.7 kJ·mol-1，而CO2插入反應(yīng)的自由能勢(shì)壘為46.9 kJ·mol-1，所以炔烴插入反應(yīng)為Path b的決速步驟；σ鍵交換的自由能勢(shì)壘為33.0 kJ·mol-1.兩種路徑?jīng)Q速步驟的自由能壘相差10.1 kJ·mol-1，所以可以預(yù)測(cè)，產(chǎn)物P產(chǎn)率比P′高.在溫度為70°C，一個(gè)大氣壓下，根據(jù)阿倫尼烏斯方程可估算出1-4的生成速度是2-4的生成速度的2.3倍，這與P的產(chǎn)率（75%）比P′的產(chǎn)率（25%）高是非常吻合的.

圖6　Path a中物種的優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵鍵長(zhǎng)（nm）Fig.6　Optimized geometric structures together with key bond lengths（nm）for the species of Path aFor clarity，some hydrogen atoms attached on carbon atoms or groups attached on the N atoms are omitted.

圖7　生成羧基化產(chǎn)物P′（Path b）的自由能剖面Fig.7　Free energy profiles leading to the hydrocarboxylated product（P′）（Path b）The relative free energies and enthalpies（in parentheses）are given in kJ·mol-1.

Wang等20通過(guò)簡(jiǎn)化模型，用甲基替代N原子上的芳香環(huán)，Path a的計(jì)算結(jié)果為：炔烴插入、CO2插入、σ鍵交換的能壘分別為45.2、90.4和70.7 kJ·mol-1. Path b的計(jì)算結(jié)果為：52.3、79.9和64.0 kJ·mol-1，所以Path a和Path b的決速步驟都為CO2的插入反應(yīng).但Path a的能壘比Path b的能壘高10.5 kJ·mol-1，由此估算出Path b的反應(yīng)速率應(yīng)為Path a反應(yīng)速率的2.5倍，產(chǎn)物P′的產(chǎn)率應(yīng)該比P的產(chǎn)率高，與實(shí)驗(yàn)事實(shí)不符.

圖8　Path b中各物種的優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵鍵長(zhǎng)（nm）Fig.8　Optimized geometric structures together with key bond lengths（nm）for the species of Path b For clarity，some hydrogen atoms attached on carbon atoms or the groups attached on the N atoms are omitted.

圖9　1-TS34和2-TS34的優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵鍵長(zhǎng)（nm）和Mülliken電荷（e）Fig.9　Optimized geometric structures together with key bond lengths（nm）and Mülliken charges（e）for the species of 1-TS34and 2-TS34For clarity，some hydrogen atoms attached on carbon atoms or the groups attached on the N atoms are omitted

3.3影響區(qū)域選擇性的因素

炔烴與催化劑的加成是影響反應(yīng)區(qū)域選擇性的關(guān)鍵一步，或者說(shuō)過(guò)渡態(tài)1-TS34與2-TS34的相對(duì)穩(wěn)定性在很大程度上決定了反應(yīng)的區(qū)域選擇性.圖9列出了過(guò)渡態(tài)1-TS34和2-TS34的空間結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵原子的電荷.1-TS34和2-TS34的主要區(qū)別在于與Cu原子相連的H原子的相對(duì)位置不同，在1-TS34中，該H原子與C2相連，由于C2原子帶有較少的負(fù)電荷，造成該H原子與C2的排斥作用減弱，另一方面C1原子帶有較多的負(fù)電荷，與Cu原子所帶的正電荷具有較強(qiáng)的靜電吸引作用，也造成體系分能量降低.相反，在2-TS34中，C1原子帶有較多的負(fù)電荷，而C1原子帶有較少的負(fù)電荷，導(dǎo)致H原子與C1的靜電排斥增強(qiáng)和Cu原子與C1的靜電吸引作用減弱，總的作用是2-TS34比1-TS34的自由能高10.1 kJ·mol-1.

4　結(jié)論

本文借助密度泛函理論方法研究了銅（I）催化1-苯基丙炔與CO2氫羧基化反應(yīng)的機(jī)理，揭示了反應(yīng)生成的兩種α，β不飽和羧酸衍生物產(chǎn)率存在較大差別的原因.研究結(jié)果表明，Cl2IPrCuF首先和（EtO）3SiH反應(yīng)生成活性催化劑Cl2IPrCuH，后者再與1-苯基丙炔（R1）發(fā)生順式加成生成兩個(gè)同分異構(gòu)的烯基銅中間體.計(jì)算結(jié)果表明，生成兩種α，β不飽和羧酸衍生物的反應(yīng)路徑所對(duì)應(yīng)的決速步驟不同，在Path a中炔烴插入反應(yīng)和CO2插入反應(yīng)都可能是整個(gè)催化反應(yīng)的決速步驟，自由能壘為分別為68.6和67.8 kJ·mol-1，而在Path b中，僅炔烴插入反應(yīng)是整個(gè)催化反應(yīng)的決速步驟，自由能壘為78.7 kJ· mol-1.由于生成兩個(gè)烯基銅中間體所對(duì)應(yīng)的自由能壘相差10.1 kJ·mol-1，導(dǎo)致生成烯基銅中間體1-2的反應(yīng)速率是2-4的2.3倍，由此可解釋實(shí)驗(yàn)上得到的兩種α，β不飽和羧酸衍生物的產(chǎn)率（分別為75%和25%）為什么存在較大的差別.由于烯基銅中間體1-4和2-4具有較高的活性，很容易發(fā)生的CO2插入反應(yīng).另外，由于炔烴插入的逆過(guò)程對(duì)應(yīng)的自由能壘較高（Path a和Path b的自由能壘分別為167.3和157.4 kJ·mol-1），所以一旦烯基銅中間體生成，它將很快進(jìn)行CO2的插入反應(yīng)，這也說(shuō)明炔烴與催化劑Cl2IPrCuH的加成是區(qū)域選擇性的關(guān)鍵步驟.最后是（EtO）3SiH與羧基銅中間體之間發(fā)生σ鍵轉(zhuǎn)位反應(yīng)生成α，β不飽和羧酸衍生物，并導(dǎo)致催化劑Cl2IPrCuH的再生.

References

（1）Sakakura，T.；Choi J.；Yasuda，H.Chem.Rev.2007，107（6），2365.doi：10.1021/cr068357u

（3）Correa，A.；Martín，R.Angew.Chem.Int.Edit.2009，48（34），6201.doi：10.1002/anie.200900667

（4）Boogaerts，I.I.F.；Nolan，S.P.Chem.Commun.2011，47（11），3021.doi：10.1039/c0cc03890c

（5）Yeung，C.S.；Dong，V.M.J.Am.Chem.Soc.2008，130（25），7826.doi：10.1021/ja803435w

（6）Ochiai，H.；Jang，M.；Hirano，K.；Yorimitsu，H.；Oshima，K. Org.Lett.2008，10（13），2681.doi：10.1021/ol800764u

（7）Ukai，K.；Aoki，M.；Takaya，J.；Iwasawa，N.J.Am.Chem.Soc. 2006，128（27），8706.doi：10.1021/ja061232m

（8）Takaya，J.；Tadami，S.；Ukai，K.；Iwasawa，N.Org.Lett.2008，10 （13），2697.doi：10.1021/ol800829q

（9）Correa，A.；Martín，R.J.Am.Chem.Soc.2009，131（44），15974.doi：10.1021/ja905264a

（10）Tsuj，Y.；Fujihara，T.Chem.Commun.2012，48（80），9956.doi：10.1039/c2cc33848c

（11）Beweries，T.；Burlakov，V.V.；Peitz，S.；Arndt，P.；Baumann，W.；Spannenberg，A.；Rosenthal，U.Organometallics 2008，27（15），3954.doi：10.1021/om8003064

（12）Ohishi，T.；Nishiura，M.；Hou，Z.Angew.Chem.Int.Edit.2008， 47（31），5792.doi：10.1002/anie.v47：31

（13）Fujihara，T.；Tani，Y.；Semba，K.；Terao，J.；Tsuji，Y.Angew. Chem.Int.Edit.2012，51（46），11487.doi：10.1002/ anie.201207148

（14）Hiyama，T.J.Organomet.Chem.2002，653（1-2），58.doi：10.1016/S0022-328X（02）01157-9

（15）Williams，C.M.；Johnson，J.B.；Rovis，T.J.Am.Chem.Soc. 2008，130（45），14936.doi：10.1021/ja8062925

（16）Takaya，J.；Iwasawa，N.J.Am.Chem.Soc.2008，130（46），15254.doi：10.1021/ja806677w

（17）Fujihara，T.；Xu，T.；Semba，K.；Terao，J.；Tsuji，Y.Angew. Chem.Int.Edit.2011，50（2），523.doi：10.1002/anie.201006292

（18）Herron，J.R.；Ball，Z.T.J.Am.Chem.Soc.2008，130（49），16486.doi：10.1021/ja8070804

（19）Arduengo，A.J.；Krafczyk，R.；Schmutzler，R.；Craig，H.A.；Goerlich，J.R.；Marshall，W.J.；Unverzagt，M.Tetrahedron 1999，55（51），14523.doi：10.1016/S0040-4020（99）00927-8

（20）Wang，Q.；Jia，J.；Guo，C.；Wu，H.J.Organomet.Chem.2013，748，84.doi：10.1016/j.jorganchem.2012.12.029

（21）Wang，J.Y.；Bi，S.W.；Zhao，J.F.Acta Phys.-Chim.Sin.2011，27（3），571.［王家勇，畢思瑋，趙俊鳳.物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2011，27（3），571.］doi：10.3866/PKU.WHXB20110312

（22）Fan，T.；Chen，X.；Lin，Z.Chem.Commun.2012，48（88），10808.doi：10.1039/c2cc34542k

（24）Miehlich，B.；Savin，A.；Stoll，H.；Preuss，H.Chem.Phys.Lett. 1989，157（3），200.doi：10.1016/0009-2614（89）87234-3

（25）Lee，C.；Yang，W.；Parr，G.Phys.Rev.B 1988，39，785.

（26）Stephens，P.J.；Devlin，J.F.；Chabalowski，C.F.J.Phys.Chem. 1994，98（45），11623.doi：10.1021/j100096a001

（29）Wachters，A.J.H.J.Chem.Phys.1970，52（2），1033.

（31）Wang，M.；Lin，Z.Organometallics 2010，29（14），3077.doi：10.1021/om100304t

（32）Barone，V.；Cossi，M.J.Phys.Chem.A 1998，102（11），1995. doi：10.1021/jp9716997

（33）Cossi，M.；Rega，N.；Scalmani，G.；Barone，V.J.Comput.Chem. 2003，24（6），669.doi：10.1002/jcc.10189

（34）Tomas，J.；Mennucc，B.；Cammi，R.Chem.Rev.2005，105，8，2999.

（35）Frisch，M.J.；Trucks，G.W.；Schlegel，H.B.；et al.Gaussian 03，Revision C.02；Gaussian Inc.：Pittsburgh，PA，2004.

（36）Grimme，S.；Antony，J.；Ehrlich，S.；Krieg，H.J.Chem.Phys. 2010，132（15），154104.doi：10.1063/1.3382344

（37）Dang，L.；Lin，Z.；Marder，T.B.Organometallics 2010，29（4），917.doi：10.1021/om901047e

Reaction Mechanism and Regioselectivity of Cu（l）-Catalyzed Hydrocarboxylation of 1-Phenyl-propyne with Carbon Dioxide

ZHAO Yi1，2LIU Yong-Jun2，*ZHUO Shu-Ping1，*
（1School of Chemical Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049，Shandong Province，P.R.China；
2Northwest Institute of Plateau Biology，Chinese Academy of Sciences，Xining 810001，P.R.China）

Density functional theory（DFT）calculations have been used to conduct a detailed study of the mechanism involved the copper（I）-catalyzed hydrocarboxylation of 1-phenyl-propyne using CO2and hydrosilane. Theoretical calculations suggested that the activated catalyst Cl2IPrCuH is initially generated in situ by the reaction of Cl2IPrCuF with（EtO）3SiH，and that the entire catalytic reaction involves three steps，including（1）the addition of Cl2IPrCuH to 1-phenyl-propyne to afford two isomeric copper alkenyl intermediates，which lead to the formation of the corresponding final α，β-unsaturated carboxylic acid derivatives；（2）CO2insertion to give the corresponding copper carboxylate intermediate；and（3）σ-bond metathesis of the copper carboxylate intermediate with a hydrosilane to provide the corresponding silyl ester with the regeneration of the active catalyst.The results of our calculations show that the rate-limiting steps for the two paths leading to the twoα，β-unsaturated carboxylic acid derivatives are different.In Path a，the alkyne and CO2insertion steps were both identified as possible rate-limiting steps，with free energy barriers of 68.6 and 67.8 kJ·mol-1，respectively. However，in Path b，the alkyne insertion step was identified as the only possible rate-limiting step with an energy barrier of 78.7 kJ·mol-1.These results were in agreement with the experimental observations.It was also foundthat the alkyne insertion step controlled the regioselectivity of the products，and that electronic effects were responsible for the experimentally observed regioselectivity.

July 4，2014；Revised：November 24，2014；Published on Web：November 24，2014.

CO2；1-Phenyl-propyne；Density functional theory；Hydrocarboxylation；Regioselectivity

10.3866/PKU.WHXB201411242

O643

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（21173129，21373125）and Combined with Shandong Provincial Natural Science Foundation of China（ZR2014BL012）.

國(guó)家自然科學(xué)基金（21173129，21373125）和山東省自然科學(xué)基金聯(lián)合專項(xiàng)（ZR2014BL012）資助項(xiàng)目

?Editorial office ofActa Physico-Chimica Sinica