Rh的芳基化合物與含氮芳基鹵代物交叉偶聯反應機理研究

王曉嵐， 徐銘瑤， 胡慶仟， 李來才

(四川師范大學化學與材料學院， 成都 610066)

Rh的芳基化合物與含氮芳基鹵代物交叉偶聯反應機理研究

王曉嵐， 徐銘瑤， 胡慶仟， 李來才

(四川師范大學化學與材料學院， 成都 610066)

利用密度泛函理論(DFT)研究了Rh的芳基化合物與含氮芳基鹵代物交叉偶聯過程催化循環的微觀反應機理.在B3LYP/6-31+G(d) 基組水平上(Rh、I采用了贗勢基組LanL2DZ)優化了反應過程中所有化合物的幾何構型并計算了頻率，通過能量、頻率和振動方式確定了中間體和過渡態的真實性.此外，在同等基組水平上還運用了分子中的原子理論討論了成鍵臨界點的電荷密度的變化，運用了自然鍵軌道理論討論了鍵的性質與軌道間的相互作用.為了提高計算精度, 在6-311++G(d,p) 基組水平上計算了反應機理中所有物質在氣相及溶劑化下的單點能, 得到與 6-31+G(d) 基組計算相同的結論.結論表明Rh(Ⅰ)起到了有效的催化作用，且計算所得結論與實驗結果相符合.

密度泛函理論； 芳香化合物； 含氮芳基鹵代物； Rh(Ⅰ)催化； 交叉偶聯反應； 微觀反應機理

1 引 言

C—C鍵形成的偶聯反應在有機合成領域中是重要的研究內容之一[1-3].高效高選擇性的C—C偶聯反應的新反應和新途徑能夠大大提高目標產物的合成效率，對有機合成化學的應用和發展具有很大的應用價值和理論意義.構造C—C鍵成鍵的偶聯反應效率由于有機合成化學中的周環反應[4]和過渡金屬催化的偶聯反應的發展而得到極大提高[5,6].鹵素原子因為可以改變分子的空間結構和親水親油性，從而影響整個化合物分子的物理屬性、化學性質和生物活性而在有機合成中占有一個重要的位置.同時鹵代芳烴化合物中的鹵素官能團能通過親核加成、親核取代、氧化加成等反應轉化為其他官能團，進而改變化合物的化學性質，達到預期合成效果.因此作為化學原料以及醫藥中間體中重要的一份子，芳基鹵代物被廣泛使用[7-10].由Rh的配合物來作催化劑的有機鹵代物和金屬有機化合物的交叉偶聯反應的反應機理的研究比較少見[11-14].Rh的配合物作為催化劑在有機合成反應具有可選擇性高，活性很好，所需反應條件比較溫和等特點，已經廣泛運用于精細工業、石油工業、醫藥化工等領域[15-21].但作為一種稀有金屬，Rh的回收循環再利用很重要.Ryo Shintani等已經在實驗室里運用Rh配合物作為催化劑完成了多組份有機物的偶聯反應[22].因此本文想通過研究Rh(Ⅰ)催化下的Rh芳基化合物與含氮芳基鹵代物偶聯反應的催化循環的理論研究，分析其最可能實現的反應路徑，更清晰得了解其微觀反應機理，為類似的后續實驗起到一定的指導作用.

2 計算方法

本文對Rh(Ⅰ)催化下的Rh芳基化合物與含氮芳基鹵代物偶聯反應的催化循環過程中所有的反應物、中間體、過渡態和產物利用密度泛函理論的B3LYP方法，在6-31+G (d) 基組水平上(Rh和I采用了贗勢基組LanL2DZ)進行了結構優化，并在相同基組水平下對各構型進行了頻率計算.反應公式如下：

運用自然鍵軌道(NBO)方法分析了所有物質的軌道間相互作用[23].使用自洽反應場(SCRF)極化連續模型(IEF-PCM)模擬實驗所使用的二氧六環(dioxane)溶劑效應, 采用6-311++G (d, p) 基組水平對反應機理中各化合物均進行了全參數優化，并使用相同基組計算了氣相條件下的單點能.為了進一步的了解成鍵性質分析成鍵特征，采用AIM2000的程序包計算了對應的所有成鍵臨界點(BCP)和成環臨界點(RCP) 電荷密度，顯示分子中原子的屬性[24].所有計算均采用Gaussian09程序完成[25].

3 反應機理和能量分析

實驗報道中, 在反應條件篩選時使用的溶劑為二氧六環(dioxane), 因此在進行反應機理的理論研究時選用與實驗一致的dioxane作為溶劑.對在6-31+G(d) 基組下優化后的反應物、中間體、過渡態以及生成物的構型使用大基組6-311++G(d,p) 進行了單點能計算，氣相和溶劑化條件下通過計算所得能量(E)、相對能量(Erel)及過渡態頻率數值均已列于表1，能量(E)已包括零點能(ZPE)修正.

Scheme 1、2即為此偶聯反應可能存在的計算模擬過程圖，過程中還存在一個含炔烴的芳烴偶氮的芳基化交叉偶聯反應過程.將本文計算模擬出的可能的反應通道scheme1、2與文獻相比較[22]，可以看出本文與Ryo Shintani所推斷的反應過程相一致.整個偶聯反應過程中所涉及的所有反應、中間體、過渡態及產物的構型全部列于圖1及圖3中.

3.1 反應通道一

在推斷的反應通道一中，具體流程圖見Scheme1.Rh插入鹵素之間發生氧化加成反應，發生金屬轉移，促使芳基上的C與炔基上的C發生交叉偶聯，金屬繼續發生轉移，最后通過還原消除反應，催化劑順利脫落.

反應物Ra與Rh的化合物Ca發生反應后，Ca中的Rh原子插入反應物的苯環和I原子之間生成中間體IM1，體系的總能量降低了295.11 KJ/mol.IM1構型是穩定存在，催化劑的插入過程較易完成.

IM1經由過渡態TS1生成IM2，這是一個分子內的插入反應過程. 反應活化能為67.23 KJ/mol，是反應通道一的速控步驟.與IM1相比較，TS1中的Rh-C(3)鍵長增大了0.098 ?，Rh原子和C(1)原子之間的距離由2.180 ?減少至1.988 ?，C(2)原子和C(3)原子的距離由之前的2.214 ?減少至2.122 ?.Rh原子和C(3)原子有相互遠離的趨勢，而Rh-C(1)以及C(2)-C(3)已經微弱成鍵.TS1有且僅有一個虛頻為-404.49 cm-1.通過NBO分析，得到Rh-C(1) 的雙中心成鍵軌道上電子占據數為1.77815個，雙中心反鍵軌道電子占據數為0.34350個，也說明Rh-C(1) 已微弱成鍵.在中間體IM2中，C(2)-C(3)之間的鍵長和電荷密度分別為1.484 ?和0.269 a.u..C(2)與C(3)原子間的鍵長明顯縮短，電荷密度增大，C(2)-C(3)成鍵.Rh原子與C(3)原子距離增大，Rh-C(3)鍵斷開.通過TS1，實現了由Rh催化的芳基化交叉偶聯反應過程.接著IM2經過一個過渡態TS2生成中間體IM3，這是一個Rh原子轉移促使C-C偶聯發生的過程.IM2至TS2的反應活化能為64.93 KJ/mol.TS2的虛頻唯一，值為-245.04 cm-1，說明了此過渡態的真實存在.與IM2相比較，TS2中的C(1)原子與C(4)原子的鍵長由2.753 ?縮短至1.484 ?，且存在一個0.296 a.u.的鍵鞍點電荷密度，說明C(1)-C(4)已逐漸成鍵，達到C-C偶聯的效果.而通過對TS2的NBO分析，我們可以發現C(1)-C(4)的雙中心成鍵軌道上電子占據數為1.96634個，雙中心反鍵軌道電子占據數為0.04119個，也說明C(1)-C(4)已微弱成鍵.從TS2到IM3，體系能量降低了128.48 KJ/mol.與TS2相比較，C(1)-C(4)鍵長更短，成鍵更穩定；Rh原子與C(2)原子之間的距離由3.022 ?縮短至2.116 ?，逐漸成鍵.也就是說在C(1)與C(4)原子不斷靠攏的同時，Rh與I原子不斷朝C(2)方向靠近.通過對IM3的NBO分析，C(1)-C(4)鍵主要是SP-SP雜化軌道形成的σ鍵，電子占據數為1.96511個，由金屬Rh催化的C(1)-C(4)偶聯過程完成.

表1 反應各駐點的能量G(a.u.)、相對能量Grel(KJ·mol-1)及各過渡態頻率v(cm-1)

Table 1 The energies (E/a.u.), relative energies (Erel/KJ·mol-1) and frequencies (v/cm-1) of the compounds

SpeciesE(gas)/(a.u)E(gasrel)/(KJ·mol-1)E(sol.)/(a.u)E(solrel)/(kJmol-1)ν/(cm-1)Ra+Rb-1025.4042810.00-1025.4174030.00IM1-1025.516681-295.11-1025.525792-284.58TS1-1025.491075-227.88-1025.500681-218.65-404.49IM2-1025.557500-402.28-1025.566965-392.68TS2-1025.532772-337.35-1025.542761-329.13IM3-1025.581707-465.83-1025.591140-456.15-245.04IM4-1025.471693-176.99-1025.481827-169.15TS3-1025.427048-59.78-1025.438495-55.38-282.56IM5-1025.458622-142.67-1025.467834-132.41P1+P2-1025.504547-263.25-1025.486501-181.42

圖1 反應通道一中涉及的化合物的幾何優化構型：鍵長單位為?，電荷密度單位為a.u.Fig. 1 Optimized structures of the compounds of the channel 1：bond length in angstrom units, and charge density at the bond-forming critical point in atomic units

Scheme 1 反應通道一的微觀流程圖Scheme 1 The mechanism of the reaction channel 1

圖2 反應通道一的能級圖Fig. 2 Schematic of energy levels in the channel 1 of the reaction

接下來IM3脫去催化劑Rh，生成產物P1和P2，完成整個催化過程，開始新一輪的催化循環.產物P1中C(1)-C(4)之間的鍵長為1.477 ?，電荷密度為0.268 a.u.; C(1)-C(2)鍵長為1.361 ?，電荷密度為0.329 a.u.；C(2)-C(3)之間的鍵長和電荷密度分別為1.493 ?和0.265 a.u..最終，實現了產物的芳基化交叉偶聯以及C-C偶聯反應過程.與實驗結果相一致.

Rh(Ⅰ)催化下的Rh芳基化合物與含氮芳基鹵代物偶聯反應的催化循環過程一可能為：Ra+Ca →IM1 →TS1 →IM2 →TS2 →IM3→ P1+P2.反應通道一的速控步驟為IM1 →TS1 →IM2，反應活化能為67.23 KJ/mol.結合表1所列在相同基組水平上溶劑化條件下理論計算所得的能量數據，可知能量變化趨勢和氣相條件下是一致的.

3.2 反應通道二

因為Rh配合物容易與各種不飽和鍵發生加成，因此第二個可能存在的反應通道初始時是由Rh的芳基化合物直接插入反應物中不飽和的C-C鍵，反應具體流程圖見Scheme 2.

即反應物Ra與Rh化合物Ca發生反應后生成中間體IM4，體系能量降低284.58 KJ/mol.說明IM4的構型穩定存在，插入催化劑過程較容易完成.催化劑的插入過程完成，生成一個很穩定的Rh的烯基化合物.

接著中間體IM4經由過渡態TS3生成另一個穩定的中間體IM5，這是一個分子內的氧化加成反應過程.IM4至TS3的反應活化能為117.21 KJ/mol，是反應通道二的速控步驟.由過渡態TS3完成苯基的交叉偶聯到穩定狀態IM5，體系能量降低了82.89 KJ/mol.TS3的虛頻唯一，值為-282.56 cm-1，說明了此過渡態的真實存在.與IM4相比較，C(2)原子與C(3)原子的鍵長縮短，存在一個0.113a.u.的鍵鞍點電荷密度，說明C(2)-C(3)已逐漸偶聯.對TS3的NBO分析發現C(2)-C(3)的雙中心成鍵軌道上電子占據數為1.73685個，雙中心反鍵軌道電子占據數為0.25796個，該鍵相對能量為-0.46351 a.u.，也說明C(2)-C(3)已有成鍵趨勢.IM5與TS3相比較，C(2)-C(3)鍵的鍵長更短，成鍵更穩定，說明IM5是一個穩定存在的中間體.在Rh催化作用下，電子的躍遷和遷移導致苯環靠攏向炔基的另一端，完成芳基化的交叉偶聯反應過程.通過對IM5的NBO分析，C(2)-C(3)鍵主要是SP-SP雜化軌道形成的σ鍵，雙中心成鍵軌道上電子占據數為1.96460個，雙中心反鍵軌道電子占據數為0.04065個，該鍵相對能量為-0.62967 a.u..C(2)-C(3)穩定成鍵，Rh-C(3)斷開，由金屬Rh催化的C(2)-C(3)偶聯過程完成.接下來的反應步驟與反應通道一反應步驟趨于相同，IM5通過一個分子內的插入反應形成IM2，Rh原子直接插入鹵素與C原子之間形成一個新的Rh化合物.系統能量降低了259.61 KJ/mol，反應較易進行.IM2經過TS2生成IM3，IM3脫去催化劑Rh，生成產物P1和P2，完成催化過程，開始新一輪的催化循環.最終實現了產物的芳基化交叉偶聯以及C-C偶聯反應過程.與實驗結果相一致.Rh(Ⅰ)催化下的Rh芳基化合物與含氮芳基鹵代物偶聯反應的催化循環過程二可能為：Ra+Ca →IM4 →TS3 →IM5→IM2 →TS2 →IM3→ P1+P2.整個反應的速控步驟為IM4 →TS3 →IM5，反應活化能為117.21 KJ/mol.結合表1所列在相同基組水平上溶劑化條件下理論計算所得的能量數據，可知能量變化趨勢和氣相條件下是一致的.與反應通道二相比較，通道一的活化能更低，更容易發生，更容易清楚地體現整個偶聯反應的微觀過程.

圖3 反應通道二中涉及的化合物的幾何優化構型：鍵長單位為?，電荷密度單位為a.u.Fig. 3 Optimized structures of the compounds of the channel 2：bond length in angstrom units, and charge density at the bond-forming critical point in atomic units

Scheme 2 反應通道二的微觀流程圖Scheme 2 The mechanism of the reaction channel 2

圖4 反應通道二的能級圖Fig. 4 Schematic of energy levels in the channel 2 of the reaction

4 結 論

本文采用密度泛函理論(DFT)的B3LYP方法，在6-31+G(d) 基組水平上(Rh和I采用了贗勢基組LanL2DZ)研究了Rh芳基化合物與含氮芳基鹵代物偶聯反應的催化循環過程中的兩種可能存在的反應通道的微觀反應機理.同時使用自洽反應場(SCRF)極化連續模型(IEF-PCM)模擬實驗所使用的二氧六環(dioxane)溶劑效應, 采用6-311++G(d,p)基組水平對反應機理中各化合物均進行了全參數優化，并使用相同基組計算了氣相條件下的單點能.全文分析了此偶聯反應的兩種可能存在的反應通道，結論如下：(1)Rh(Ⅰ)在偶聯反應中是一種有效的催化劑.(2)Rh配合物作為催化劑的偶聯反應依然和其他的偶聯反應一樣遵循氧化加成—金屬配體轉移—還原消除，催化劑進入下一個循環這樣的合成步驟.(3)在溶劑化條件下反應能量變化趨勢和氣相條件下是一致的.(4)計算模擬出的微觀機理過程及所得結論與Ryo Shintani等的實驗推斷過程及實驗結論相符合.

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Theoretical investigation on the cross-coupling reaction mechanism of rhodium aromatic compounds with nitrogen-containing aryl halides

WANG Xiao-Lan, XU Ming-Yao, HU Qing-Qian, LI Lai-Cai

(College of Chemistry and Material Science, Sichuan Normal University, Chengdu 610066, China)

The cross-coupling reaction mechanism of rhodium aromatic compounds with nitrogen-containing aryl halides has been investigated by density functional theory (DFT). The geometries and the frequencies of reactants, intermediates, transition states, and products have been calculated at the B3LYP/6-31+G(d) level, and the LanL2DZ basis has been used as the extrabasis. The vibration analysis demonstrates that the authenticity of transition states, and the reaction processes are confirmed by the changes of charge density at bond-forming critical point analyzed by the atoms in molecules theory. In addition, the nature bond orbital has been used to discuss the bond nature and orbital interactions at the same level. Meanwhile, the single point energies of the reaction process in gas and solvent at 6-311++G(d,p) level have been individually investigated with higher precision. The results indicate that the reaction mechanism and the change trend of correspondence energy at two different levels are consistent. The result of the theory study agrees with the experimental data, it indicates that the Rh(Ⅰ) is an effective catalyst in this reaction.

Density functional theory; Aromatic compounds; Nitrogen-containing aryl halides; Rh(Ⅰ)-catalyze; Cross- coupling reaction; Reaction mechanism

103969/j.issn.1000-0364.2015.12.001

2014-11-06

四川師范大學重點資助項目

王曉嵐(1984—),女，助教，碩士，主要從事應用量子化學研究．E-mail: 29757739@qq.com

李來才. E-mail: lilcmail@163.com

O561.4

A

1000-0364(2015)06-0903-07