騰云洋，曲澤星，周中軍，黃旭日

（吉林大學(xué)理論化學(xué)研究所,長春130021）

許多天然產(chǎn)物及生物活性物質(zhì)均含有脂肪族六元碳環(huán)結(jié)構(gòu)，因此脂肪族六元碳環(huán)的構(gòu)建在有機(jī)合成中占有重要地位.脫芳構(gòu)化反應(yīng)是一類可以直接將芳烴轉(zhuǎn)化為脂肪碳環(huán)化合物的重要反應(yīng)［1］.該反應(yīng)通常具有較高的步驟經(jīng)濟(jì)性，成為立體復(fù)雜分子合成中難以替代的合成方法［2～4］.該反應(yīng)主要包括氧化脫芳構(gòu)化、還原脫芳構(gòu)化，過渡金屬參與的脫芳構(gòu)化以及光催化脫芳構(gòu)化［5～10］.其中，光催化脫芳具有很多優(yōu)點，如綠色環(huán)保，不需要其它額外輔助試劑的參與，無副產(chǎn)物，因此一直受到廣泛關(guān)注［11～15］.

Kutateladze等［16～20］報道了一種新穎的光催化苯型芳烴［4+2］環(huán)加成脫芳構(gòu)化反應(yīng)（見Scheme 1），其為構(gòu)筑復(fù)雜立體分子提供了快速通道［12，16～21］.該反應(yīng)在不同條件下展示出不同的立體選擇性，然而對其實驗機(jī)理也只是給了部分解釋，對其立體選擇性部分卻沒有給出解釋.該脫芳構(gòu)化反應(yīng)涉及酮羰基化合物，光催化后的產(chǎn)物以反式對映體為主要產(chǎn)物，順式對映體為次要產(chǎn)物［22］.這種不對稱合成在化學(xué)和醫(yī)藥工業(yè)中具有重要的地位［23～28］.然而，目前對酮羰基化合物光化學(xué)過程及立體選擇性并沒有相關(guān)的理論報道.因此，本文采用密度泛函理論（DFT）和含時密度泛函理論（TD-DFT）［29］研究了酮羰基化合物的光誘導(dǎo)脫芳構(gòu)化過程.

Scheme 1 Schematic diagram of the photoinduced[4+2]cycloaddition reaction

1 計算方法

對于激發(fā)態(tài)部分的計算，通過方法測試（表S1，見本文支持信息）選擇了M06-2X［30］方法和6-311++G**基組.它們對激發(fā)態(tài)的描述與高水平的單雙激發(fā)運動方程耦合簇（EOM-CCSD）方法一致［31］.同時采用可極化連續(xù)模型（PCM）［32，33］來考慮二甲基亞砜（DMSO）的隱性溶劑效應(yīng).交叉點XS2/S1是沿著質(zhì)子轉(zhuǎn)移路徑線性插值得到的，XS1/T1是旋轉(zhuǎn)酮羰基二面角得到的（圖S1和圖S2，見本文支持信息）.

對于三重態(tài)基態(tài)（T1）和單重態(tài)基態(tài)（S0）機(jī)理研究，使用最為廣泛的方法為B3LYP［34，35］，其兼顧了精度與效率.所以對于T1和S0態(tài)機(jī)理的研究，采用B3LYP/6-311++G**［36～39］方法并考慮Grimme色散加阻尼校正（D3BJ）［40］.同時頻率計算用來確保得到的結(jié)構(gòu)是中間體或過渡態(tài).并且在298.15 K和1.0×105Pa條件下，計算了相應(yīng)的吉布斯自由能.三重態(tài)基態(tài)和單重態(tài)基態(tài)的交叉點XT1/S0采用如下補償函數(shù)方法得到［41］：

式中，Ei和Ej（kJ/mol）分別為電子態(tài)i和j的能量；參數(shù)c1和c2分別取值為20.92（kJ/mol）-1和20.92 kJ/mol［41］.

所有計算均使用Gaussian 09程序完成［42］.

2 結(jié)果與討論

2.1 Franck-Condon激發(fā)到三態(tài)活性雙自由基中間體

在M06-2X/6-311++G**水平上得到反應(yīng)物1R（S）的基態(tài)幾0何結(jié)構(gòu).然后光照條件下，首先，1R（S0）被激發(fā)到第2電子激發(fā)態(tài)（S2），S2態(tài)具有最大振子強(qiáng)度（f）為0.1628（表1）.通過表1和圖1的Kohn-Sham軌道分析，S2態(tài)主要對應(yīng)π→π*局域激發(fā)（781801）同時混有部分電荷轉(zhuǎn)移（791801）組態(tài).除了S2態(tài)以外，還有2個更低的激發(fā)態(tài)，分別為單重態(tài)激發(fā)態(tài)S1和三重態(tài)激發(fā)態(tài)T1.S1態(tài)和T1態(tài)的特征屬性分別為n→π*（751801和741801）激發(fā)和π→π*局域激發(fā)（781801）.

Table 1 Dominant configurations,transition coefficient,excitation energy(ΔE),and oscillator strengths(f)for low-ying excited states(T1,S1 and S2)in the Franck-Condon(FC)region calculated at the M06-2X/6-311++G**level

Fig.1 Important Kohn-Sham orbitals(74,75,78,79,80)involved in FC excitation for 1R(S0)

如圖2所示，由于FC激發(fā)，1R（S0）被激發(fā)到S2，然后經(jīng)過交叉點XS2/S1發(fā)生內(nèi)轉(zhuǎn)換到達(dá)S1態(tài)，該過程可視為無壘過程.抵達(dá)S1態(tài)后，又發(fā)現(xiàn)了另外一個交叉點XS1/T1，通過該點經(jīng)由系間竄越到達(dá)三態(tài)勢能面.對于如何得到交叉點XS2/S1和XS1/T1見本文支持信息.系間竄越后，體系到達(dá)三態(tài)中間體3MN—H，其N—H鍵長為0.1051 nm而后經(jīng)過渡態(tài)3TSN…H…O（其N—H鍵長為0.1233 nm）發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移到達(dá)3MO—H，其N—H鍵長已被拉長至0.1558 nm，該質(zhì)子轉(zhuǎn)移只需克服一個極小的能壘（6.02 kJ/mol）.通過上述分析可知，從FC到3MO—H反應(yīng)較容易進(jìn)行.

Fig.2 Potential energy profile from the Franck-Condon excitation to the lowest triplet state 3MO—H at the M06-2X/6-311++G**level

2.2 [4+2]環(huán)加成反應(yīng)

從三重態(tài)中間體3MO—H開始，反應(yīng)將涉及芐羥基的旋轉(zhuǎn)，其是該反應(yīng)非對映體立體選擇性的根源所在.為方便討論，右上標(biāo)“S”和“A”分別用來表示通往順式產(chǎn)物和反式產(chǎn)物的通道.芐羥基由內(nèi)向外旋轉(zhuǎn)最終得到的產(chǎn)物中，芐羥基與側(cè)鏈苯在同側(cè)，稱之為順式產(chǎn)物.反之，芐羥基不旋轉(zhuǎn)最終將產(chǎn)生反式產(chǎn)物，芐羥基與側(cè)鏈苯在異側(cè).

如圖3所示，生成產(chǎn)物有順式路徑和反式路徑2條路徑.在順式路徑中通過旋轉(zhuǎn)芐羥基得到該過程需要克服57.0 kJ/mol的能壘.之后由于靜電作用中N4（0.228969 a.u.）原子進(jìn)攻C5（-1.229272 a.u.）原子形成N—C鍵得到五元環(huán)中間體該過程需要克服54.0 kJ/mol的能壘，這是［4+2］環(huán)加成反應(yīng)的前半部分反應(yīng).然后在五元環(huán)中間體附近找到了T1和S0的交叉點的結(jié)構(gòu)非常接近，并且在能量上僅比高出10.9 kJ/mol.因此，通過該點經(jīng)系間竄越從T1態(tài)到S0態(tài)應(yīng)該非常容易.經(jīng)進(jìn)入基態(tài)S0后，新的C1—C6鍵形成得到最終順式產(chǎn)物1PS，該過程是無壘的（圖S3和圖S4，見本文支持信息），這是［4+2］環(huán)加成的后半部分反應(yīng).

與順式路徑不同，反式路徑不需要旋轉(zhuǎn)羥基，可直接發(fā)生［4+2］環(huán)加成反應(yīng)的前半部分反應(yīng)（形成N4—C5鍵），即經(jīng)過過渡態(tài)得到該過程只需要克服31.4 kJ/mol的能壘.同樣在附近也找到另外一個交叉點該交叉點的能量比的能量僅高9.6 kJ/mol，并且兩者結(jié)構(gòu)相似，所以從T1到S0的系間竄越也應(yīng)非常容易.與順式路徑相同，在之后，［4+2］環(huán)加成后半部分反應(yīng)（形成C1—C6鍵）也是一個無壘過程.

Fig.3 Triplet energy profile for the syn-and anti-pathways

對比順式和反式路徑不難看出，若想得到順式產(chǎn)物，就必須克服兩大能壘：旋轉(zhuǎn)羥基的能壘（57.0 kJ/mol）和N4—C5成鍵能壘（54.0 kJ/mol）.然而，若想得到反式產(chǎn)物則只需要克服N4—C5成鍵能壘（31.4 kJ/mol）.顯然，反式通道是主產(chǎn)物通道，與實驗完全一致.

另外，為了明確該［4+2］環(huán)加成反應(yīng)的前半部分反應(yīng)（形成N4—C5鍵）發(fā)生在T1態(tài)而后半部分發(fā)生在S0態(tài)，進(jìn)一步研究了T1態(tài)下是否也能夠順利發(fā)生環(huán)加成的后半部分反應(yīng)（形成C1—C6成鍵）.如圖4所示，對于C1—C6鍵的形成，順式路徑和反式路徑的能壘分別為101.3和106.7 kJ/mol，表明［4+2］環(huán)加成的后半部分反應(yīng)發(fā)生在T1態(tài)下很困難.因此，我們認(rèn)為該［4+2］環(huán)加成反應(yīng)的前半部分反應(yīng)發(fā)生在T1態(tài)而后半部分反應(yīng)發(fā)生在S0態(tài)的機(jī)理是正確的.

Fig.4 Triplet potential profile of the second-half reaction of[4+2]cycloaddition for the syn-(A)and anti-pathways(B)

3 結(jié) 論

采用DFT和TD-DFT研究了光誘導(dǎo)分子內(nèi)［4+2］環(huán)加成反應(yīng)的機(jī)理及其對映體立體選擇性.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光照后反應(yīng)物首先被激發(fā)到S2態(tài)（π→π*），然后通過S2/S1交叉點發(fā)生內(nèi)轉(zhuǎn)換到達(dá)S1態(tài)（n→π*）.隨后，通過S1/T1交叉點經(jīng)系間竄越到達(dá)T1態(tài).在T1態(tài)下，分子內(nèi)質(zhì)子從N原子轉(zhuǎn)移到O原子生成了含有羥基的活性雙自由基，該過程只需要克服極小的能壘（6.02 kJ/mol）.該雙自由基與側(cè)鏈苯的雙鍵發(fā)生了分步的［4+2］環(huán)加成反應(yīng)：前半部分反應(yīng)發(fā)生在三態(tài)，后半部分反應(yīng)發(fā)生在基態(tài).通過順式路徑與反式路徑勢能面對比，發(fā)現(xiàn)順式路徑中芐羥基旋轉(zhuǎn)后，酮羰基上甲基旋轉(zhuǎn)到了內(nèi)側(cè)，該甲基將會對后續(xù)形成N4—C5鍵造成空間位阻，導(dǎo)致N—C成鍵能壘的升高，使得順式路徑能壘遠(yuǎn)高于反式路徑，所以反式路徑為主要產(chǎn)物通道路徑，與實驗結(jié)果完全相符.希望這種具有立體選擇性的光誘導(dǎo)脫芳構(gòu)化反應(yīng)能廣泛應(yīng)用于復(fù)雜分子的合成中.

支持信息見http：//www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/cjcu20200766.