張興輝

(蘭州文理學院 化工學院， 蘭州 730010 )

1 引 言

烯醇醚由于π鍵的富電子特性是非常有用的官能團，可以在一系列轉化反應中實現獨特的反應性[1]. 烯醇醚的合成方法有多種，包括金屬催化的方法，例如醇/烯基鹵化物的交叉偶聯(lián)，烯丙基醚異構化和炔烴加氫烷氧基化反應等，尤其后一種反應方式更加直接、方便，在該反應中主要考慮添加的區(qū)域選擇性[2-5]. 鑒于天然產物和生物活性分子中可能普遍存在烯醇醚，這些分子主要來源于選擇性的內環(huán)或外分子內環(huán)化反應，因此選擇性地實現這些過程的方法具有很好的潛在研究價值[6]. 已有研究報道顯示鉑催化炔丙基醚能夠生成α,β-不飽和卡賓中間體，表明這些卡賓可以進行環(huán)加成，氫遷移和乙烯基親核加成，而且 6-內-環(huán)化可能對于5-外-環(huán)化形成競爭機制[7-9]. 金屬催化的分子內炔烴加氫烷氧基化反應中的區(qū)域選擇性已經被實驗研究，但決定因素相對復雜. 合成機理的差異可以得到不同的產物，在π活化過程中，末端炔烴通常會附著在金屬催化劑上，駐留在乙烯基金屬中間體的未取代碳上[10]. 隨后，Liu和De Brabander等人[11]研究表明，可以通過特定催化劑中間體的路易斯側基來調節(jié)烷基體系中的區(qū)域選擇性. 諸如催化劑選擇和空間環(huán)境等其他方面也是主要的影響因素. 研究顯示其他非金屬和金屬(金和鈀)催化的加氫烷氧基化反應中也體現著一定的選擇性，表明其存在著電子偏壓[12]. 最近，Costello等人[13]報道了在甲苯溶液中，在沒有其他配體和添加劑的條件下，[(C2H4)PtCl2]2催化苯基3-炔基-1-醇的環(huán)加成反應，在此掃描中觀察到明顯的環(huán)化方向性分離(圖1). 為了進一步研究該反應的具體反應機理和區(qū)域選擇性，本文以苯基3-炔-1-醇為反應物，以PtCl2為催化劑對鉑催化的分子內加氫烷氧基化反應過程進行密度泛函計算研究，研究得到的反應機理和區(qū)域選擇性計算數據有助于更好地理解鉑催化的此類反應的微觀狀態(tài)，并對此類有機反應的合成具有很好的指導和借鑒意義.

圖1 鉑催化的分子內加氫烷氧基化反應的選擇性Fig. 1 Regioselectivity in Pt-catalyzed intramolecular hydroalkoxylation

2 計算方法

通過使用M06-2X方法對反應體系進行了DFT計算，在氣相中完全優(yōu)化得到所有物種的幾何構型和能量，這種計算方法可以提供準確的能量并廣泛地應用于金屬催化反應的許多理論研究[14-16]. 在計算中，C，H，O和Cl采用6-311G(d,p)基組，Pt原子選擇SDD雁勢基組進行構型優(yōu)化. 所有駐點結構都在相同理論水平上計算了頻率分析來進行表征，中間體沒有虛頻率而過渡態(tài)有唯一虛頻，并通過零點能(ZPE)對相對能量進行了校正. 各過渡態(tài)結構通過內稟反應坐標IRC計算驗證TSs結構正確連接兩個對應的能量最小值中間體結構. 基于實驗條件，以甲苯作為溶劑，使用SMD溶劑化模型對氣相優(yōu)化的結構在M06-2X / 6-311++G (d, p) / SDD 理論水平上進行了單點能計算. 本文討論所用的能量均為考慮了溶劑化的自由能，所有幾何構型的優(yōu)化以及能量計算均使用高斯09軟件包來完成.3D分子結構是借助CYL view軟件直接從計算輸出構型生成的.

3 結果與討論

為了詳細研究鉑催化的炔醇化合物分子內加氫烷氧基化反應的機理和區(qū)域選擇性，根據實驗研究報道，使用鉑金屬絡合物RC(圖1中炔醇反應底物骨架與催化劑PtCl2的鉑原子相互作用被活化)作為催化反應的前驅配合物. 圖2給出了優(yōu)化的鉑金屬配合物結構RC的HOMO和LUMO前線分子軌道圖和靜電勢圖. 靜電勢圖顯示出分子體系中存在較強的電荷分離現象，分子結構中的氧和氯原子有較強電負性，其他結構基團均存在電正性，尤其是羥基的H原子最強. 結構RC的HOMO顯示出Pt原子與炔醇中炔烴π鍵之間的相互作用，Pt與炔基形成的三角形骨架上的電子云分布較大，而LUMO顯然能夠看到炔基的π軌道和Pt的d軌道，羥基上的電子分布極其少，則炔基就是分子RC中的最大活性位點. RC分子中的HOMO和LUMO軌道的能量差相對較小，為0.1820 eV. 親核基團羥基中的氧原子由于具有較強的電負性(O: -0.564 e)，更容易進攻CR分子中的炔基π鍵進行環(huán)化. 圖3給出了從反應配合物RC開始鉑催化的分子內加氫烷氧基化反應的勢能面圖，圖4提供了勢能面上各駐點的幾何構型及關鍵幾何參數. 在RC中，與Pt原子形成等腰三角形三元環(huán)骨架結構，其中Pt-C1和Pt-C2鍵長分別為0.2092和0.2094 nm, C1-C2也被拉長為0.1259 nm，碳碳三鍵已經被初步活化.

圖2 RC初始反應物分子的前線分子軌道和靜電勢圖Fig. 2 Frontal molecular orbitals and electrostatic potential diagram of the molecular structure of RC reactant

在圖3中，沿著反應物RC，羥基氧原子作為親核試劑分別進攻炔基中的兩個不同碳原子進行分子內五元或者六元環(huán)化過程，形成了兩個不同的競爭性反應通道. 首先，通過過渡態(tài)TS1羥基氧原子進攻C2得到五元環(huán)中間體IM1，TS1擁有唯一一個虛頻率為414.3 i cm-1，虛頻對應的振動模式主要體現在O-C2上，Pt-C2鍵也趨于斷裂向C1轉移，IRC計算也證實過渡態(tài)TS1連接著初始反應配合物和對應中間體. 由圖3能夠看出，這一步反應的活化自由能相對于RC為30.8 kJ / mol，中間體IM1相對于反應物的能量為-5.2 kJ / mol. 在中間體IM1中，新O-C2鍵已完全形成，其鍵長為0.1504 nm，PtCl2也完成了向C1的轉移，Pt-C1鍵比反應物縮短了0.0178 nm. C1和C2原子的雜化方式也由sp轉化為sp2. 隨后，IM1通過一個氫轉移過渡態(tài)TS2(虛頻為1126.5 i cm-1)完成了向C1原子的氫遷移. 在TS2中，O-H和C1-H鍵長分別為0.1098和0.1750 nm，Pt原子又開始向C2原子遷移. 從IM1到TS2也是該反應通道的決速步驟，其活化自由能為139.0 kJ / mol，中間體IM2相對于IM1放熱量為113.1kJ / mol，表明中間體IM2穩(wěn)定性比較高. 在IM2中，五元環(huán)產物骨架已初步形成，催化劑與C1和C2原子再次形成同時相互作用，Pt-C1和Pt-C2鍵長分別為0.2063和0.2201 nm. 最后，中間體吸收121.3 kJ/mol得到實驗合成的五元環(huán)產物并釋放出PtCl2催化劑. 相對于反應物而言，整個反應路徑幾乎無熱效應，吸熱量僅為3.0 kJ / mol.

圖 3 鉑催化的分子內加氫烷氧基化的勢能剖面圖Fig.3 The potential energy surface profile of Pt-catalyzed intramolecular hydroalkoxylation

圖 4 鉑催化的加氫烷氧基化反應勢能面上各駐點幾何構型及參數(鍵長/ nm)Fig. 4 Geometries and parameters of the potential energy surface of Pt-catalyzed hydroalkoxylation(bond length / nm)

然而，若羥基氧原子選擇性進攻另一個炔基C原子形成另外一個競爭反應通道，即通過過渡態(tài)TS3的6-內切環(huán)化就可以得到六元環(huán)中間體IM4. 第一步對應于五元環(huán)化過程(TS1)其活化自由能降低了10.0 kJ / mol，反應更加容易. 在TS3中，O-C1鍵長為0.2056 nm，Pt-C1鍵完全斷裂并與C2原子的作用力進一步增強，Pt-C2鍵比反應物縮短了0.0145 nm. 隨后，沿著IM4通過過渡態(tài)TS4完成了羥基上氫原子向C1原子的第一次遷移，這一步的活化自由能相對于中間體IM4是89.9 kJ / mol. TS4的唯一虛頻為1607.5 i cm-1，O-H和C1-H鍵長分別為0.1243和0.1305 nm. 反應接著進行二次氫遷移，由過渡態(tài)TS5使得H原子從C1轉移到C2原子上，這一步活化能相對于中間體IM5為270.8 kJ / mol，該步驟也是第二個通道的決速步驟，具有比較高的活化能. 中間體IM6最終吸收151.2 kJ / mol就可以得到六元環(huán)選擇性產物P2，并釋放出催化劑.

對比兩個反應通道，相對于反應物RC而言，生成五元環(huán)P1的反應路徑具有相對較低的活化能，其值為133.8 kJ / mol，生成六元環(huán)產物P2的活化自由能比P1高了57.7kJ / mol，表明合成產物以P1為主，但兩個通道相對較小的能量差，說明后者通道會對五元環(huán)路徑構成競爭反應，也就是會有部分六元環(huán)產物生成. Costello等人的實驗研究顯示，在相同的實驗條件下，鉑催化3-炔-1-醇分子內加氫烷氧基化反應得到兩種產物的產率分別為54%和20%. 其中五元環(huán)為主產物，這與本文的計算研究結果完全一致，計算結果也對該反應的實驗結果給予了很好理論解釋.

4 結 論

通過M06-2X計算方法詳細研究了鉑催化3-炔-1-醇分子內加氫烷氧基化反應的反應機理和區(qū)域選擇性. 鉑催化的整個反應過程有兩個關鍵步驟，即羥基氧原子進攻炔烴碳原子的環(huán)化過程和氫遷移機理得到目標合成產物并釋放催化劑PtCl2. 計算研究表明，對于選擇性進攻炔基不同的碳原子形成的競爭機制，氫遷移步驟具有相對較高的活化能，從反應動力學上更傾向于形成五元環(huán)產物的反應通道，其活化自由能為133.8 kJ / mol. 兩個反應路徑的能量差為57.7 kJ / mol，存在一定的選擇性但也構成了一定的競爭性，即以五元環(huán)產物為主，也伴隨著生成了部分的六元環(huán)產物. 計算研究結果與實驗合成完全一致，并給予了詳細的機理分析和選擇性解釋，為進一步研究金屬催化的加氫烷氧基化合成反應提供了有力支撐.