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金催化丙炔酸鹽與3,5-二甲基異惡唑[4+1]環(huán)化反應(yīng)的理論研究*

2021-04-22 13:08孫佳穎郁章玉
關(guān)鍵詞:二甲基酸鹽中間體

孫佳穎, 郁章玉②, 劉 濤②

(①曲阜師范大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,273165;②濟(jì)寧學(xué)院化學(xué)與化工系,273155,山東省曲阜市)

異惡唑是一種重要的五元芳族雜環(huán)化合物,具有生物活性和藥理特性,被廣泛用來止痛、抗炎和抗菌[1-3].異惡唑類化合物除了具有芳族體系的典型特性外,還具有弱的N—O鍵,在某些反應(yīng)條件,特別是在還原或堿性條件下,N—O鍵容易發(fā)生斷裂[4],從而生成雙官能化的化合物,比如1,3-二羰基、烯氨基酮、γ-氨基醇、α,β-不飽和肟、β-羥基腈和β-羥基酮化合物等.異惡唑可以對金活化的炔烴進(jìn)行親核攻擊,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)炔烴和含有N—O鍵的底物的環(huán)化反應(yīng),成為構(gòu)建高功能含氮氧雜環(huán)的有效途徑,引起了科學(xué)家廣泛的研究興趣[5-10].

Liu等人研究了一系列包括炔酰胺/丙酸鹽和異惡唑衍生物的環(huán)化反應(yīng)[11].如圖1a所示,丙炔酸鹽R1與3,5-二甲基異惡唑R2會發(fā)生環(huán)化反應(yīng)生成產(chǎn)物2,4-二羰基吡咯.反應(yīng)中3,5-二甲基異惡唑會進(jìn)攻丙炔酸鹽不同位點(diǎn)的碳原子,C1原子或C2原子,從而得到不同的產(chǎn)物(如圖1b所示),但該選擇性產(chǎn)生的本質(zhì)原因Liu等人并沒有探討.本文中,我們將通過理論計(jì)算,詳細(xì)研究該反應(yīng)機(jī)理,并揭示選擇性產(chǎn)生的根源.

圖1 金催化丙炔酸鹽與3,5-二甲基異惡唑的環(huán)化反應(yīng)

1 計(jì)算方法

所有結(jié)構(gòu)都是在氣相中在B3LYP[12-13]/BSI水平上進(jìn)行優(yōu)化的,其中BSI表示Au原子采用LanL2DZ[14-15]基組,其它原子采用6-31G(d,p)基組.頻率也是在同一水平上進(jìn)行計(jì)算的.如有必要,采用內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)(IRC)[16]計(jì)算以確定過渡態(tài)前后所連的中間體.文中的計(jì)算使用的是高斯09軟件[17].為了模擬溶劑效應(yīng),在氣相優(yōu)化構(gòu)型基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用SMD[18-19]溶劑化模型在二氯乙烷溶劑中進(jìn)行了單點(diǎn)計(jì)算.計(jì)算水平是M06/BSII[20],其中Au原子采用SDD[21]基組,其它原子采用6-311++G(d,p)基組.在所有的勢能面中給出的能量是相對吉布斯自由能,單位是kcal/mol.

2 結(jié)果與討論

2.1 N原子進(jìn)攻C1原子的過程

3,5-二甲基異惡唑中的N原子可以分別進(jìn)攻丙炔酸鹽的兩個不同位點(diǎn)的碳原子(C1和C2),其中N進(jìn)攻C1原子的勢能面如圖2和圖3所示.金催化劑首先與R1中的炔烴部分配位,形成中間體im1,同時釋放了9.4 kcal/mol的能量.接著,R2中的N原子進(jìn)攻im1中的C1原子,克服了13.4 kcal/mol的能壘,形成了一個比im1更加穩(wěn)定的中間體im3.在im3的結(jié)構(gòu)中,N—C鍵成鍵,炔烴結(jié)構(gòu)被破壞,碳碳三鍵變?yōu)樘继茧p鍵,中間體im3的相對能量降至17.5 kcal/mol.在接下來的開環(huán)過程中,R2中的N—O鍵斷裂,五元環(huán)開環(huán),經(jīng)過過渡態(tài)ts2生成了中間體im3,此過程需要能壘17.2 kcal/mol.

圖2 3,5-二甲基異惡唑中的N原子進(jìn)攻丙炔酸鹽下C1原子以及N—O開環(huán)步驟的勢能面(相對自由能單位是kcal/mol)

圖3 C-O閉環(huán)步驟和R2再次加入過程的勢能面(相對自由能單位是kcal/mol)

如圖3所示,im3中的O原子進(jìn)攻C2原子,O—C鍵成鍵,越過0.5 kcal的能壘形成了更加穩(wěn)定的七元環(huán)中間體im4.隨著另一分子R2的加入,會發(fā)生擴(kuò)環(huán)反應(yīng)形成中間體im5,但此過程的能壘太高(57.6 kcal/mol),表明這條路徑是走不通的.

2.2 N原子進(jìn)攻C2原子的過程

在否定了N原子進(jìn)攻C1原子的這種可能性后,我們接著研究了N原子進(jìn)攻C2原子的情況,其機(jī)理如圖4至圖7所示.金催化劑首先與R1配位生成im1,接著R2中的N原子進(jìn)攻im1中炔烴的C2原子形成一個更穩(wěn)定的中間體im6,其相對能量降至-15.4 kcal/mol.該過程克服了27.2 kcal/mol的能壘(ts5相對應(yīng)im2),炔烴的碳碳三鍵結(jié)構(gòu)被破壞變成了碳碳雙鍵結(jié)構(gòu),而且金催化劑轉(zhuǎn)移到苯基一端的C1原子上.在接下來的五元環(huán)開環(huán)過程中,通過跨越13.1 kcal/mol的能壘,N—O鍵斷裂生成了中間體im7.

圖4 3,5-二甲基異惡唑中的N原子進(jìn)攻丙炔酸鹽下C2原子以及N—O開環(huán)步驟的勢能面(相對自由能單位是kcal/mol)

圖5 環(huán)閉合步驟的勢能面(相對自由能單位是kcal/mol)

如圖5所示,O原子經(jīng)過與N原子的斷鍵過程之后,會進(jìn)攻C1原子,通過過渡態(tài)ts7,形成了一個七元環(huán)中間體im8,這一步僅需要3.2 kcal/mol的能量.之后,與碳碳鍵配位的金催化劑會與N原子配位,形成一個更穩(wěn)定的共軛中間體im9,同時釋放了16.3 kcal/mol的能量.

如圖6所示,im9會通過克服29.8 kcal/mol的能壘,發(fā)生縮環(huán)反應(yīng)生成穩(wěn)定的五元環(huán)中間體im10.隨后,—COPh基團(tuán)經(jīng)過過渡態(tài)ts9發(fā)生第一次遷移過程,生成中間體im11.接著,如圖7所示,—COPh基團(tuán)再次發(fā)生遷移,經(jīng)過過渡態(tài)ts10,越過16.1 kcal/mol的能壘,形成比im11更加穩(wěn)定的中間體im12.接下來,在水分子協(xié)助下,H原子從C原子轉(zhuǎn)移到N原子上,此過程需要能壘22.6 kcal/mol.最后,產(chǎn)物P生成的同時,金催化劑再生,其相對能量降至-67.0 kcal/mol.

圖6 縮環(huán)和—COPh基團(tuán)遷移步驟的勢能面(相對自由能單位是kcal/mol)

圖7 —COPh基團(tuán)再次遷移和水協(xié)助H轉(zhuǎn)移步驟的勢能面(相對自由能單位是kcal/mol)

綜合圖2到圖7,不難看出,整個反應(yīng)的決速步是七元環(huán)縮環(huán)為五元環(huán)的步驟,總能壘29.8 kcal/mol.決定選擇性的步驟是形成七元環(huán)中間體之后的擴(kuò)環(huán)或縮環(huán)步驟.由于O原子的電負(fù)性比N原子大,更富電子,親核進(jìn)攻C原子相對容易,所以縮環(huán)過渡態(tài)ts8明顯低于擴(kuò)環(huán)過渡態(tài)ts4,導(dǎo)致P為該反應(yīng)的產(chǎn)物,與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致.

3 結(jié) 論

本文中,我們用DFT方法研究了金催化的丙炔酸鹽與3,5-二甲基異惡唑的環(huán)化反應(yīng)機(jī)理.我們詳細(xì)探討了該反應(yīng)的機(jī)理,主要包括以下步驟:3,5-二甲基異惡唑的開環(huán)、七元環(huán)中間體的形成、七元環(huán)縮環(huán)為五元環(huán)以及氫轉(zhuǎn)移.其中,七元環(huán)縮環(huán)為五元環(huán)是反應(yīng)的決速步.該反應(yīng)的區(qū)域選擇性起源于O原子和N原子的電負(fù)性的差異,因?yàn)镺原子的電負(fù)性比N原子大,所以O(shè)更易于發(fā)生親核進(jìn)攻.

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