陳 曉， 劉柳斜， 王海峰， 鄭 妍， 李來(lái)才

(四川師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，成都 610066)

1 引 言

Michael加成反應(yīng)是有機(jī)化學(xué)中非常重要高效的C-C和C-雜原子構(gòu)建反應(yīng)[1,2]. 該反應(yīng)是合成藥物,材料中間體及化工產(chǎn)品的重要反應(yīng)，因此Michael 加成反應(yīng)一直受到化學(xué)研究者的關(guān)注[3,4]. 吡唑環(huán)類(lèi)化合物是一類(lèi)重要的醫(yī)藥、農(nóng)藥、材料合成中間體, 一直以來(lái)備受制藥與合成工業(yè)青睞[5-8].吡唑類(lèi)化合物的社會(huì)需求巨大，而如何快速、高效、經(jīng)濟(jì) 、環(huán)保的合成吡唑類(lèi)化合物是相關(guān)研究的熱點(diǎn)之一. Fricero等人研究了吡唑雜環(huán)化合物的合成中間體5-三氟化硼吡唑鹽的合成和系列雜環(huán)合成反應(yīng)[9]. 最近，李玉峰等人通過(guò)肼、醛和丙炔酸甲酯三組分串聯(lián)反應(yīng)建立了一種高效的構(gòu)建吡唑類(lèi)雜環(huán)的方法，其中由丙炔酸甲酯對(duì)亞胺進(jìn)行Michael加成而形成的中間體產(chǎn)物是設(shè)計(jì)串聯(lián)式反應(yīng)構(gòu)建氮雜環(huán)的關(guān)鍵中間體[10]. 通過(guò)在氯化亞銅催化下，丙炔酸甲酯和亞胺進(jìn)行Michael加成的方法形成吡唑合成中間體. 該反應(yīng)具有簡(jiǎn)單，高效，原料價(jià)廉易得的特點(diǎn).由于對(duì)于苯腙和丙炔酸甲酯發(fā)生Michael 加成反應(yīng)的機(jī)理研究還未見(jiàn)報(bào)道，為了解該反應(yīng)的本質(zhì)，本文采用密度泛函理論探討了苯腙和丙炔酸甲酯進(jìn)行Michael 加成的微觀反應(yīng)機(jī)理. 由于理論計(jì)算方法一直以來(lái)都是對(duì)化學(xué)反應(yīng)微觀機(jī)理研究的有利工具， 我們課題組曾通過(guò)理論計(jì)算方法分別研究過(guò)Pt10團(tuán)簇催化肉桂醛選擇加氫反應(yīng)和Rh的芳基化合物與含氮芳基鹵代物交叉偶聯(lián)反應(yīng)的相關(guān)機(jī)理，均得到了可信賴(lài)的結(jié)果[11,12]. 同樣本文希望通過(guò)理論計(jì)算方法對(duì)今后相關(guān)的學(xué)術(shù)研究提供可信的理論基礎(chǔ).

2 計(jì)算原理和方法

本文采用密度泛函理論[13-15](DFT)中的M05方法，在6-31+G(d) ( Cu采用贗勢(shì)基組 LanL2DZ)基組水平上，分析了反應(yīng)過(guò)程中的能量變化，探討了苯腙和丙炔酸甲酯發(fā)生Michael加成反應(yīng)的微觀反應(yīng)歷程. 反應(yīng)進(jìn)程中的所有化合物均進(jìn)行了全參數(shù)優(yōu)化和頻率計(jì)算，[16,17]以確定每個(gè)過(guò)渡態(tài)均有唯一虛頻. 通過(guò)頻率振動(dòng)分析確認(rèn)了中間體和過(guò)渡態(tài)的合理性, 內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo) (instrinsic reaction coordinate, IRC) 跟蹤計(jì)算對(duì)各個(gè)過(guò)渡態(tài)連接的對(duì)應(yīng)的反應(yīng)物和產(chǎn)物進(jìn)行了確認(rèn); 通過(guò)自然鍵軌道(NBO)[18]理論分析了分子的軌道間相互作用, 為反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行提供了理論數(shù)據(jù). 理論計(jì)算壓強(qiáng)和溫度設(shè)置均為程序默認(rèn)的1 atm和298.15 K. 理論計(jì)算均采用 Gaussian 09[19]程序包完成.

3 結(jié)果分析

本研究根據(jù)反應(yīng)可能發(fā)生的位點(diǎn)設(shè)計(jì)了兩條反應(yīng)通道I1和I2，分別對(duì)應(yīng)苯腙的N原子和C原子. 總共涉及4個(gè)過(guò)渡態(tài)，為確認(rèn)相關(guān)過(guò)渡態(tài)的真實(shí)性，通過(guò)振動(dòng)分析得到了各自唯一的虛頻率. 兩條反應(yīng)通道優(yōu)化的反應(yīng)物，中間體和過(guò)渡態(tài)的構(gòu)型見(jiàn)圖1.

3.1 反應(yīng)機(jī)理分析

苯腙與丙炔酸甲酯反應(yīng)活性位點(diǎn)主要在苯腙分子上的碳活性位點(diǎn)和氮活性位點(diǎn). 因此在氯化亞銅催化下的苯腙與丙炔酸甲酯發(fā)生Michael加成反應(yīng)存在著兩種可能的路徑. 但這兩種反應(yīng)方式的起始物都是M1,中間體M1是由氯化銅和反應(yīng)物R1和R2絡(luò)合形成的. 中間體M1中Cu-N(1), Cu-C(2), Cu-C(3)的鍵長(zhǎng)分別為0.2134 nm, 0.1989 nm, 0.2032 nm. 中間體M1中N(1)-N(2) 鍵長(zhǎng)比反應(yīng)物R1增加了0.0015 nm, C(2)-C(3)鍵長(zhǎng)比R2增加了0.0034 nm.軌道理論(NBO)分析可知在中間體M1中, BD(2)C(2)-C(3)→LP*(6)Cu二階穩(wěn)定化能E(2)為41.10 kcal/mol, LP(1)N(1)→LP*(5)Cu二階穩(wěn)定化能E(2)為131.96 kcal/mol, 表明它們之間存在軌道間的相互作用. 由表1中能量數(shù)據(jù)可以看出, 中間體M1的能量分別比R1和R2及催化劑CuCl的能量之和低45.32 kcal/mol，中間體M1易形成并能夠穩(wěn)定存在, 完成了催化活化過(guò)程.在反應(yīng)通道I1中由M1→TS1→M2, 中間體M1通過(guò)過(guò)渡態(tài)TS1形成中間體M2, 活化能為34.86 kcal/mol，是反應(yīng)的速控步驟. 在TS1中N(2)-H(2)和C(3)-H(2)的鍵長(zhǎng)分別為0.1337 nm 和0.1276 nm. 表明化學(xué)鍵N(2)-H(2)正在斷裂而化學(xué)鍵 C(3)-H(2)正在形成, 即H(2)正在從N(2)向C(3)轉(zhuǎn)移.而C(2)-C(3)鍵長(zhǎng)為0.1284 nm 比中間體M1的C(2)-C(3)增加了0.0038 nm,表明原來(lái)的炔鍵正在向烯鍵轉(zhuǎn)變.在中間體M2中和Cu-C(2)的鍵長(zhǎng)是0.1933 nm, 比過(guò)渡態(tài)TS1減少了0.0033 nm, 而Cu-N(2) 鍵長(zhǎng)為0.1953 nm，表明Cu-N(2)正在形成. 而C(3)-C(2)的鍵長(zhǎng)為0.1344 nm比TS1中的鍵長(zhǎng)增加了0.0060 nm 此時(shí)碳碳雙鍵已經(jīng)形成. 在接下來(lái)的M2→TS2→M3反應(yīng)過(guò)程中, 從M2到TS2, Cu-N(2)鍵長(zhǎng)變長(zhǎng)了0.0033 nm, Cu-C(2) 鍵長(zhǎng)變短了0.0013 nm, C(2)-N(2)的鍵長(zhǎng)是0.2267 nm. 這表示了C(2)-N(2)鍵正在形成.在中間體M3中C(2)-N(2)的鍵長(zhǎng)是0.1351 nm, C(2)-C(3)的鍵長(zhǎng)是0.1397 nm.它們與過(guò)渡態(tài)TS2相比分別減少了0.0916 nm和增加了0.0063 nm.

圖1 反應(yīng)路徑中各駐點(diǎn)的分子構(gòu)型圖(單位為nm)Fig. 1 Geometric parameters of the compounds (nm)

這意味著在中間體M3中C(2)-N(2)已經(jīng)形成，而原來(lái)的碳碳雙鍵向碳碳單鍵變化,相應(yīng)的Michael加成產(chǎn)物已經(jīng)形成. 在反應(yīng)通道I2中由M1→TS3→M4,在過(guò)渡態(tài)TS3中Cu-N(1) 和Cu-C(2)的鍵長(zhǎng)分別為0.2786 nm和0.1932 nm. Cu-N(1) 鍵長(zhǎng)比中間體M1中增加了0.0652 nm, Cu-C(2)的鍵長(zhǎng)相比于M1而言減少了0.0057 nm.可以看出Cu-N(1) 鍵在逐漸斷裂. TS3中的C(1)-H(1)和H(1)-C(3)鍵長(zhǎng)分別是0.1391 nm和0.1235 nm.表明H(1)正在從C(1)向C(3)遷移.而且TS3中的C(2)-C(3)鍵長(zhǎng)也變長(zhǎng)了0.0063 nm, M1中的炔鍵正在向烯鍵轉(zhuǎn)變. TS3中的N(1)-C(1)鍵長(zhǎng)是0.1224 nm,比M1變短了0.0068 nm, 這預(yù)示著原來(lái)的碳氮雙鍵正在向三鍵變化. 在中間體M4中C(2)-C(3)鍵長(zhǎng)比TS3增加了0.0045 nm，此時(shí)碳碳雙鍵已經(jīng)形成. M4中的Cu-N(1)鍵已經(jīng)斷裂，N(1)-C(1)鍵長(zhǎng)為0.1168 nm，比TS3減少了0.0056 nm, 表明碳氮三鍵已經(jīng)形成. 在M4→TS4→M5變化過(guò)程中，TS4中C(1)-N(1)鍵長(zhǎng)是0.1240 nm, 比M4增加了0.0072 nm, 預(yù)示著碳氮三鍵正在向碳氮雙鍵變化，C(1)-C(2)和Cu-C(1)的鍵長(zhǎng)分別是0.2693 nm和0.1908 nm，表示C(1)-C(2)和Cu-C(1)正在成鍵. 在中間體M5中C(1)-N(1)鍵長(zhǎng)是0.1304 nm，比過(guò)渡態(tài)TS4增加了0.0064 nm, 碳氮雙鍵已經(jīng)形成. C(1)-C(2)鍵長(zhǎng)是0.1467 nm比TS4減少了0.1226 nm, C(1)-C(2)已經(jīng)成鍵. C(2)-C(3)鍵長(zhǎng)是0.1386 nm增加了0.0045 nm，碳碳雙鍵向碳碳單鍵變化對(duì)應(yīng)的Michael加成產(chǎn)物已經(jīng)形成.

3.2 反應(yīng)過(guò)程能量分析

反應(yīng)路徑中各駐點(diǎn)能量E (a.u.)，相對(duì)能量Erel(kcal/mol) 及頻率v (cm-1)見(jiàn)表1. 由表1中能量數(shù)據(jù)可以看出, 反應(yīng)物(R1,R2)與催化劑CuCl結(jié)合形成中間體M1的過(guò)程, 能量降低了45.32 kcal/mol, 表明中間體M1能穩(wěn)定存在.在反應(yīng)通道I1中中間體M1通過(guò)過(guò)渡態(tài)TS1形成中間體M2的過(guò)程中活化能是34.86 kcal/mol,是反應(yīng)的速控步驟. 中間體M2通過(guò)過(guò)渡態(tài)TS2形成中間體M3的過(guò)程中活化能是6.17 kcal/mol. 在反應(yīng)通道I2中中間體M1通過(guò)過(guò)渡態(tài)TS3形成中間體M4的過(guò)程中活化能是41.94 kcal/mol,是反應(yīng)的速控步驟.中間體M4通過(guò)過(guò)渡態(tài)TS4形成中間體M5的過(guò)程中活化能是-1.13 kcal/mol. 通過(guò)對(duì)比兩條反應(yīng)路徑的活化能，表明反應(yīng)通道I1的活化能較低反應(yīng)更容易進(jìn)行.

表1 反應(yīng)各駐點(diǎn)的能量E(a.u.)，相對(duì)能量Erel(kcal/mol) 及頻率v(cm-1)

Table 1 EnergiesE(a.u.), relative energiesErel(kcal/mol) and frequenciesv(cm-1) of the compounds in the reactions

PathSpeciesEErelvR1+R2+CuCl-1570.7255940—M1-1570.797811-45.32—TS1-1570.742266-10.46-1300.51I1M2-1570.757519-20.03—TS2-1570.747674-13.86-162.63M3-1570.847733-76.64—TS3-1570.730976-3.38-261.13I2M4-1570.763841-24.00—TS4-1570.763981-25.13-51.28M5-1570.851274-78.87—

圖2 反應(yīng)能級(jí)圖(單位為kcal/mol)Fig. 2 The schematic of energy levels (kcal/mol)

4 結(jié) 論

本文采用密度泛函理論中的M05方法對(duì)苯腙和丙炔酸甲酯在CuCl催化下發(fā)生Michael加成反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究. 針對(duì)不同的反應(yīng)位點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩組反應(yīng)路徑I1和I2. 經(jīng)過(guò)對(duì)這兩組反應(yīng)路徑中由各個(gè)駐點(diǎn)相對(duì)能量分析，苯腙和丙炔酸甲酯在CuCl催化下，反應(yīng)通道I1控制步驟是M1→TS1→M2，活化能為34.86 kcal/mol, 反應(yīng)通道I2控制步驟是M1→TS3→M4，活化能為41.94 kcal/mol, 反應(yīng)通道I1所需活化能更低, 反應(yīng)能夠順利進(jìn)行. 我們的研究結(jié)果從理論上解釋了苯腙和丙炔酸甲酯在CuCl催化下發(fā)生Michael加成反應(yīng)特征，解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.