田騰 安會勇 王濤 于芳

摘 ?????要： 碳氫鍵活化反應在合成方面的作用已經(jīng)被研究證明了。其中8-氨基喹啉導向基介導的碳氫鍵活化反應是實現(xiàn)此策略最常用的方法。大量的計算化學研究都已證明8-氨基喹啉導向基自身強大的供電子效應以及剛性結構是其反應高效的關鍵。然而，與此相關的溶劑效應并沒有得到充分研究。依次選取極性從低到高的溶劑甲苯、1，2-二氯乙烷、丙酮、乙腈、二甲基亞砜的隱式溶劑模型來對8-氨基喹啉導向基介導的sp³碳氫鍵活化反應的決速步（碳氫鍵斷裂步驟）進行密度泛函理論（DFT）計算，最終得知隨著溶劑極性的提高，碳氫鍵斷裂步驟的過渡態(tài)的熵減程度會明顯下降，從而使得對應的吉布斯自由能壘降低，進而加快碳氫鍵斷裂步驟的進行。

關 ?鍵 ?詞：碳氫鍵活化；密度泛函理論；吉布斯自由能

中圖分類號：TQ013.1??????文獻標識碼： A ?????文章編號： 1004-0935（2024）05-0667-04

碳氫鍵活化作為一種有效的合成策略，已被廣泛研究了近20年之久^[1]。為了實現(xiàn)這一策略，多種碳氫鍵活化方法被陸續(xù)地開發(fā)了出來，其中被研究和應用最廣泛的是導向基介入的碳氫鍵活化策略。此方法近年來也取得了較大的突破，以最原始的雙齒配體導向基^[2-7]為起點，結構上更加簡單的單齒配體導向基^[8-14]、可以活化更加遠位置的遠程導向??基^[15-17]、可在反應中自動安裝拆解的瞬時導向????基^[18-21]等，都被逐漸研究了出來，并在各種體系中展現(xiàn)了其功能強大之處。但是由于碳氫鍵的鍵能比較高，并且相對來說比較穩(wěn)定，如果對其直接進行官能團化，那么毫無疑問是十分困難的。另外，一個有機化合物分子內(nèi)通常有很多種性質(zhì)不同的碳氫鍵，如何對其某一種特定的碳氫鍵進行活化，而不影響分子中其他種類的碳氫鍵的性質(zhì)，這就是碳氫鍵活化過程中的選擇性問題。碳氫鍵活化反應，就是在某種特定的條件下，對某種有機化合物中的某種特定類型的碳氫鍵進行活化，使其反應性增強或切斷，從而實現(xiàn)定向的化學轉(zhuǎn)化。因此，科研工作者們所面臨的最大問題便是如何對碳氫鍵進行活化，以及如何解決其進行化學反應時的選擇性問題。如果能夠選擇性切斷碳氫鍵，并開發(fā)出實用的合成化學新反應，毫無疑問，必將會推動整個有機行業(yè)的發(fā)展。

雖然導向基介入的碳氫鍵活化策略中包含了很多的方法，但是目前來說，應用最為廣泛的還是???8-氨基喹啉導向基（AQ）^[2]。原因是這種導向基所能完成的碳氫鍵活化反應種類是最多的，如芳基??化^[22-28]、氨基化^[29]、醚化^[30-31]、酯基化^[32-33]等，除此之外，其還可以在相對廉價的第一過渡系金屬催化下^[34-35]，相對高效地完成各種碳氫鍵活化反應，這是絕大多數(shù)導向基所無法完成的。為了解釋這種導向基的強大性能^[36-37]，大量的計算化學研究工作層出不窮。如利用密度泛函理論（DFT），對其在反應體系中的過渡態(tài)能壘進行計算，以及利用波函數(shù)分析法對其在反應中的電子效應、位阻效應、軌道效應等進行了細致的分析，得出的結論是它們強大的供電子性能以及相對剛性的分子結構，使得過渡金屬能夠比其他在使用導向基團的時候更加平穩(wěn)地完成目標反應。然而，在這些研究中，溶劑效應并沒有被細致地研究。

本文將對AQ導向基參與的sp³碳氫鍵活化反應中的碳氫鍵斷裂步驟（如圖1所示）進行DFT理論計算^[42-43]，通過計算不同的隱式溶劑模型下的反應能壘數(shù)據(jù)，分析不同種類的溶劑對碳氫鍵活化反應的影響，從而對后續(xù)的實驗研究提供相對應的理論依據(jù)。

1 ?實驗部分

1.1 ?計算硬件

服務器配置（Linux）：E5-2696 v4*2，雙路????44核/88線程，128?GB內(nèi)存。GPU加速服務器（Linux）：E5-2678 v3*2，雙路24核/48線程，64?GB內(nèi)存。

1.2 ?實驗方法

使用量子化學計算軟件-Gaussian（版本Gaussian 16， Revision A.03），對AQ導向基、參與的sp³碳氫鍵活化反應中的碳氫鍵斷裂（sp³碳氫鍵活化反應中，通常為決速步驟）進行DFT理論計算，通過計算不同隱式溶劑模型的反應體系下（甲苯、1，2-二氯乙烷，丙酮、乙腈、二甲基亞砜）的反應能壘數(shù)據(jù)，分析不同介電常數(shù)的溶劑對碳氫鍵活化反應的影響。所有幾何優(yōu)化和頻率計算均使用色散校正混合GGA函數(shù)PBE0-D3進行計算，Pd在計算時使用def₂tzvp基組、其他原子則使用def₂svp基組。通過內(nèi)稟反應坐標（IRC）計算，將所有定位的過渡態(tài)連接到最近的最小值，并在相同的理論水平上計算，隨后對所得結構進行優(yōu)化。對優(yōu)化得到的幾何結構進行了振動分析，以通過分別存在0或1個虛頻來驗證它們是最小點或鞍點。使用SMD連續(xù)溶劑化模型將甲苯、1，2-二氯乙烷、丙酮、乙腈、二甲基亞砜的溶劑效應納入計算。在def₂tzvpp基組下計算體系的單點能量。在383.15?K的反應溫度下計算焓和吉布斯自由能。

碳氫鍵斷裂機理如圖2所示。導向基團1與催化劑醋酸鈀通過1個氧氫之間的氫鍵作用螯合形成環(huán)鈀中間體INT，之后C（sp³）與鈀進行作用，隨同醋酸根和C（sp³）—H鍵形成過渡態(tài)TS，最后在一步協(xié)同過程中，醋酸根拔取C（sp³）—H鍵上的H，并且C（sp³）與Pd之間形成碳鈀鍵結構2。

2 ?結果與討論

2.1 ?不同種類的溶劑對于碳氫鍵斷裂過渡態(tài)焓壘與熵壘的影響

不同的溶劑體系中，其對應的溶劑參數(shù)不同，其中影響反應最大的參數(shù)就是靜態(tài)介電常數(shù)。因此，挑選了一系列靜態(tài)介電常數(shù)從大到小的溶劑（極性從小到大的一系列溶劑），即甲苯、1，2-二氯乙烷、丙酮、乙腈、二甲基亞砜，來探究不同極性溶劑對于碳氫鍵斷裂過渡態(tài)動力學數(shù)據(jù)上的影響，以得知反應的難易程度。

首先，先對過渡態(tài)焓壘和熵壘進行了計算與分析，結果如表1所示。由表1可知，隨著所使用的溶劑的極性逐步增大，不同體系之間的焓壘沒有十分明顯的差別，都在54.42 kJ·mol^-1左右，說明溶劑的極性沒有對碳氫鍵斷裂這一步的斷鍵與成鍵的難易程度造成很大的影響，也暗示了溶劑分子在反應中無法到反應核心區(qū)，因此也無法利用其極性區(qū)的電子云與反應分子的親電部分結合來影響反應的主要的斷鍵成鍵過程。

反觀不同溶劑體系下的熵壘差別尤為明顯。從整體來看，此步驟是熵減反應，同時隨著使用溶劑的極性增大，過渡態(tài)的焓下降得越少，即混亂度越大。 這說明在高極性溶劑體系下進行該反應，需要反應物所克服的外部溶劑的包裹的難度越大，也間接說明了在該反應中溶劑只是在反應體系外部進行包裹，并沒有深入反應核心。

2.2 ?不同種類的溶劑對于碳氫鍵斷裂過渡態(tài)吉布斯自由能壘的影響

僅對過渡態(tài)的焓壘和熵壘進行分析還無法全面地得知碳氫鍵斷裂在不同溶劑下發(fā)生反應的難易程度，因此對吉布斯自由能壘也進行了計算與分析，結果如表2所示。

由表2可以看出，吉布斯自由能壘隨著溶劑極性的增大而相對明顯地逐步降低，也就是說更加容易發(fā)生碳氫鍵斷裂反應。

綜合焓壘、熵壘、吉布斯自由能壘來看，雖然從吉布斯自由能壘數(shù)據(jù)中直接得出了該反應在高極性溶劑中更容易發(fā)生，但是實際上吉布斯自由能是由焓、熵、溫度計算而來，因此只從吉布斯自由能壘數(shù)據(jù)得出結論是不夠的，在之前的討論中熵減程度隨著溶劑極性的增大而顯著減小，焓壘則基本沒有什么變化，因此可以得出最終結論：使用的溶劑極性越大，會使得過渡態(tài)的熵減程度減小，從而使得對應的吉布斯自由能壘變小，從而加快碳氫鍵斷裂反應。

3 ?結 論

8-氨基喹啉（AQ）導向基介導的碳氫鍵活化反應一直在被廣泛研究，本工作對其在sp³碳氫鍵活化中的決速步即碳氫鍵斷裂步驟在不同的溶劑模型下，用密度泛函理論（DFT）進行了過渡態(tài)能壘的計算。計算結果顯示，隨著溶劑極性的提高，其過渡態(tài)的熵減程度會明顯下降，從而使得對應的吉布斯自由能壘降低，加快碳氫鍵斷裂步驟的進行。本工作將為之后的碳氫鍵活化的計算和實驗工作提供參考。

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Study of Solvent Effect on C—H Cleavage Step

by?Density Functional Theory

TIAN Teng^1，2，?AN Huiyong^1*， WANG Tao^3*，?YU Fang^1，2*

（1.?School of Petrochemical Engineering，?Liaoning Petrochemical University， Fushun Liaoning 113001， China;

2. Ningbo Institute of Dalian University of Technology， Ningbo Zhejiang?315016，?China;

3.Wuxi Institute of Drug Control， Wuxi Jiangsu 214000，?China）

Abstract：??The efficiency of C—H activation has been widely studied and proved. 8-aminoquinoline mediated C—H activation is the most commonly utilized method. A large number of computational chemistry studies have proved that the powerful electron-donating effect and rigid structure of 8- aminoquinoline guiding group are the key to its efficient reaction. However， the solvent effect related to this system has not been fully interpreted. In this paper， the continuum solvation models?of toluene， 1，2-dichloroethane， acetone， acetonitrile and dimethyl sulfoxide were selected in order to engage the density functional theory （DFT） calculation of the RDS of the sp³C—H activation mediated by 8-aminoquinoline guiding group （C—H cleavage step）. Finally， it was found that with the increase of solvent polarity， the entropy reduction of the transition state of the C—H cleavage step decreased?significantly that caused the reduction of Gibbs free energy barrier， which finally accelerated the reaction.

Key words：??C—H activation; Density functional theory; Gibbs free energy

基金項目：遼寧省重點研發(fā)計劃項目（項目編號：2019JH2/10100005）。

收稿日期：2023-03-13

作者簡介：田騰（1997-），男，陜西省渭南市人，碩士研究生，研究方向：過渡金屬催化碳氫鍵活化反應。

通信作者：安會勇（1980-），男，教授，博士，研究方向：有機合成方面研究。

王濤（1988-），男，碩士，主管藥師，研究方向：藥物檢測與分析。

于芳（1984-），女，博士，副教授，研究方向：有機凝膠合成研究。