硫醚與2-甲基-1,5-己二烯反應的機理研究

李青益, 石 云, 劉國魁, 冷 霞, 李云志,韋瑤瑤, 王佳祺, 周慧敏, 周廣麗, 夏其英

(臨沂大學 化學化工學院,臨沂 276000)

1 引 言

硫醚類化合物是一些具有生物活性的分子以及天然產物的重要官能團，也是一些有機分子結構中的重要單元，其與烯烴的碳氫鍵加成反應的功能化產物是藥物、天然產物、功能材料的重要結構單元，該合成策略是實現功能化硫醚衍生物最直接有效的途徑，滿足最直接和原子經濟性的需求，符合綠色化學發展理念，一直以來都受到國內外有機合成化學家的高度關注[1]. 近幾年來稀土金屬配合物因其化學性質穩定、配位形式多樣、與雜原子配位能力強在催化共軛雙烯、非共軛雙烯、苯乙烯、和帶有雜原子官能化的烯烴的配位均聚及與其他單體的配位共聚反應中，體現出獨特的雜原子親和性、區域選擇性、非對映選擇性和立體選擇性[2，3]. 王等人采用了半夾層鈧催化劑，首次實現了醚和硫醚官能化的1，6-庚二烯的區域選擇性和高度立體規整的環聚合[4]. 侯召民等人報道在半夾層鈧烷基配合物作用下，可成功實現硫醚α-C(sp3)-H鍵對烯烴或者二烯烴的區域選擇性加成，原子利用率達到100%，該反應具有良好的區域選擇性及官能團兼容性，提供了一種新的方法高效制備官能化的硫醚[5]. 然而，其微觀反應機理尚不明確，這在一定程度上限制了相關催化體系的順利進展. 因此，本論文選取甲基戊基硫醚和2-甲基-1，5-己二烯分別作為硫醚小分子及非共軛二烯烴的代表，我們對此反應過程展開了詳細的理論研究，從而為深入了解該類碳氫活化反應及為相關催化體系的設計開發提供理論信息.

2 計算方法和模型

所有的計算均使用Gaussian 09程序[6]，幾何優化和頻率計算采用雜化交換相關密度泛函B3PW91[7]，優化過程中沒有使用任何對稱性或幾何約束限制. 對于非金屬C、H、N和S原子采用6-31G(d)基組，對于金屬Sc原子來說采用的是Stuttgart/Dresden 有效核勢(ECP)及其相應的基組[8]. 為了獲取更為精確的能量，采取包含弱相互作用的M06密度泛函方法[9]，同時使用更高水平的基組進行單點能計算，即對C、H、N和S等非金屬原子采用6-311+G(d，p)基組. 采取CPCM模型模擬甲苯(ε=2.37)的溶劑化效應[10]. 勢能面上的自由能包含在氣相計算中的校正值.

3 結果與討論

實驗表明，半夾心茂基稀土金屬鈧烷基配合物可以催化硫醚與2-甲基-1，5-己二烯進行碳氫加成反應生成環化產物.

圖1 鈧配合物催化硫醚與2-甲基-1，5-己二烯反應Fig. 1 The reaction of thioether with 2-methyl-1，5-hexadiene catalyzed by scandium complex

3.1 活性物種的生成

如圖2所示，首先甲基戊基硫醚(B)配位到陽離子型稀土金屬鈧配合物(A)上形成較穩定的配位絡合物C，進一步由σ鍵交換過渡態TS[C-D]發生硫醚甲基上的C-H鍵活化，生成氮氮二甲基鄰甲苯胺配位的三元環鈧金屬中間體D. 此過程需要克服的能壘為27.4 kcal/mol. 隨后D釋放出N，N-二甲基鄰甲苯胺F，從而形成三元環鈧金屬中心活性物種E.

圖2 鈧配合物催化硫醚與2-甲基-1，5-己二烯反應活性物種生成過程Fig.2 The formation of active species via the reaction of thioether and 2-methyl-1，5-hexadiene catalyzed by scandium complex

圖3 2-甲基-1，5-己二烯re/si-插入過程Fig. 3 There/si- insertion process of 2-methyl-1，5-hexadiene

圖4 2-甲基-1，5-己二烯分子內環化反應Fig. 4 Theintramolecular cyclization of 2-methyl-1，5-hexadiene

圖5 另一分子的戊基甲基硫醚的C-H鍵活化過程Fig. 5 The C-H bond activation of another pentyl methyl sulfide molecule

3.2 2-甲基-1，5-己二烯的插入過程

基于生成的活性物種E分別進行模擬計算比較了2-甲基-1，5-己二烯不同插入方式所需克服的能壘大小. 首先是B以6，5-的方式配位到活性物種E，形成相應的配合絡合物，經由過渡態形成穩定的金屬五元環中間體，此過程需克服12.8 kcal/mol的能壘，并釋放出7.4 kcal/mol能量. B以5，6-的方式配位插入需克服17.3 kcal/mol的能壘. 若B以1，2-方式進行插入，則需克服13.8 kcal/mol的能壘. 通過對比不同插入方式所形成的配位絡合物、過渡態及插入中間體的能量，發現采取6，5-插入方式所形成過渡態克服能壘最低，熱力學插入產物最為穩定.

3.3 2-甲基-1，5-己二烯的插入立體選擇性比較

烯烴的6，5插入可能會采取re-面插入或si-面插入. 根據不同插入面的選擇，進行模擬計算，結果如下圖所示. 當二烯烴以si方式形成配位絡合物H，隨后經由過渡態TS[H-J]需要克服的能壘為13.3 kcal/mol，最后形成五元環中間體J釋放能量5.0 kcal/mol.

表1 2-甲基-1，5-己二烯以不同方式插入陽離子活性物種的相對吉布斯自由能

對比發現兩種插入方式在形成配位絡合物時能量類似(-0.4 kcal/mol vs -0.2 kcal/mol)，由配位絡合物形成過渡態的過程中si-插入需要克服的能壘稍高(12.8 kcal/mol vs 13.3kcal/mol)，re面插入產物比si面插入多放能2.4 kcal/mol(-7.4 kcal/mol vs -5.0 kcal/mol)，更加穩定. 綜上所述，6-5-re-插入是第一分子碳碳雙鍵插入最為有利的反應路徑.

3.4 2-甲基-1，5-己二烯的分子內環化反應

基于穩定的中間體K，可以進行以分子內碳碳雙鍵配位，生成穩定的配位絡合物L，放能17.2 kcal/mol，隨后經歷過渡態TS[L-M]形成硫醚環化中間體M，較低的環化能壘(11.9 kcal/mol)及較高的熱力學穩定性(-17.4 kcal/mol)，表明閉環環化過程相對比較容易，可以快速完成.

3.5 另一分子的戊基甲基硫醚的C-H鍵活化過程

另一分子的硫醚(B)配位到中間體M上，形成配位絡合物N，并放能27.1 kcal/mol. 然后進一步通過硫醚甲基上的C-H鍵活化的過渡態TS[N-O]，生成新的硫醚烷基化產物配位的三元環中間體O，這一過程在整個反應過程中需要克服28.6 kcal/mol的活化能壘，耗能最大，為反應的速控步. 隨后釋放出相應烷基化硫醚環化產物P，再生活性物種E，E將會進入下一催化循環反應.

4 結 論

本文采用密度泛函理論對硫醚與2-甲基-1，5-己二烯環化反應機理進行了詳細的理論探究. 通過優化重要的中間體及過渡態，完成整個反應路徑勢能面，比較了反應過程活化過程和二烯烴的插入過程，探明了整個反應路徑是包含活性物種的生成、非共軛二烯烴的插入、碳氫活化三部分內容的催化循環. 其次由于非共軛己二烯由于兩個雙鍵的影響，插入模式會不同，計算模擬比較分析不同插入模式(1，2-插入，5，6-插入，6，5-插入)的難易程度，以及插入過程中的立體選擇性，發現其采用6-5-re-插入時需要克服的活化能壘最低，在反應時更為占優. 隨后中間體進行分子內碳碳雙鍵的插入完成關環反應. 最終是另一分子硫醚的C-H鍵活化，此過程需要克服的能壘最高，為該反應的速控步.