陳 曉， 劉柳斜， 王海峰， 鄭 妍， 李來才

(四川師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，成都 610066)

1 引 言

Michael加成反應(yīng)是有機化學(xué)中非常重要高效的C-C和C-雜原子構(gòu)建反應(yīng)[1,2]. 該反應(yīng)是合成藥物,材料中間體及化工產(chǎn)品的重要反應(yīng)，因此Michael 加成反應(yīng)一直受到化學(xué)研究者的關(guān)注[3,4]. 吡唑環(huán)類化合物是一類重要的醫(yī)藥、農(nóng)藥、材料合成中間體, 一直以來備受制藥與合成工業(yè)青睞[5-8].吡唑類化合物的社會需求巨大，而如何快速、高效、經(jīng)濟 、環(huán)保的合成吡唑類化合物是相關(guān)研究的熱點之一. Fricero等人研究了吡唑雜環(huán)化合物的合成中間體5-三氟化硼吡唑鹽的合成和系列雜環(huán)合成反應(yīng)[9]. 最近，李玉峰等人通過肼、醛和丙炔酸甲酯三組分串聯(lián)反應(yīng)建立了一種高效的構(gòu)建吡唑類雜環(huán)的方法，其中由丙炔酸甲酯對亞胺進行Michael加成而形成的中間體產(chǎn)物是設(shè)計串聯(lián)式反應(yīng)構(gòu)建氮雜環(huán)的關(guān)鍵中間體[10]. 通過在氯化亞銅催化下，丙炔酸甲酯和亞胺進行Michael加成的方法形成吡唑合成中間體. 該反應(yīng)具有簡單，高效，原料價廉易得的特點.由于對于苯腙和丙炔酸甲酯發(fā)生Michael 加成反應(yīng)的機理研究還未見報道，為了解該反應(yīng)的本質(zhì)，本文采用密度泛函理論探討了苯腙和丙炔酸甲酯進行Michael 加成的微觀反應(yīng)機理. 由于理論計算方法一直以來都是對化學(xué)反應(yīng)微觀機理研究的有利工具， 我們課題組曾通過理論計算方法分別研究過Pt10團簇催化肉桂醛選擇加氫反應(yīng)和Rh的芳基化合物與含氮芳基鹵代物交叉偶聯(lián)反應(yīng)的相關(guān)機理，均得到了可信賴的結(jié)果[11,12]. 同樣本文希望通過理論計算方法對今后相關(guān)的學(xué)術(shù)研究提供可信的理論基礎(chǔ).

2 計算原理和方法

本文采用密度泛函理論[13-15](DFT)中的M05方法，在6-31+G(d) ( Cu采用贗勢基組 LanL2DZ)基組水平上，分析了反應(yīng)過程中的能量變化，探討了苯腙和丙炔酸甲酯發(fā)生Michael加成反應(yīng)的微觀反應(yīng)歷程. 反應(yīng)進程中的所有化合物均進行了全參數(shù)優(yōu)化和頻率計算，[16,17]以確定每個過渡態(tài)均有唯一虛頻. 通過頻率振動分析確認了中間體和過渡態(tài)的合理性, 內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo) (instrinsic reaction coordinate, IRC) 跟蹤計算對各個過渡態(tài)連接的對應(yīng)的反應(yīng)物和產(chǎn)物進行了確認; 通過自然鍵軌道(NBO)[18]理論分析了分子的軌道間相互作用, 為反應(yīng)的進一步進行提供了理論數(shù)據(jù). 理論計算壓強和溫度設(shè)置均為程序默認的1 atm和298.15 K. 理論計算均采用 Gaussian 09[19]程序包完成.

3 結(jié)果分析

本研究根據(jù)反應(yīng)可能發(fā)生的位點設(shè)計了兩條反應(yīng)通道I1和I2，分別對應(yīng)苯腙的N原子和C原子. 總共涉及4個過渡態(tài)，為確認相關(guān)過渡態(tài)的真實性，通過振動分析得到了各自唯一的虛頻率. 兩條反應(yīng)通道優(yōu)化的反應(yīng)物，中間體和過渡態(tài)的構(gòu)型見圖1.

3.1 反應(yīng)機理分析

苯腙與丙炔酸甲酯反應(yīng)活性位點主要在苯腙分子上的碳活性位點和氮活性位點. 因此在氯化亞銅催化下的苯腙與丙炔酸甲酯發(fā)生Michael加成反應(yīng)存在著兩種可能的路徑. 但這兩種反應(yīng)方式的起始物都是M1,中間體M1是由氯化銅和反應(yīng)物R1和R2絡(luò)合形成的. 中間體M1中Cu-N(1), Cu-C(2), Cu-C(3)的鍵長分別為0.2134 nm, 0.1989 nm, 0.2032 nm. 中間體M1中N(1)-N(2) 鍵長比反應(yīng)物R1增加了0.0015 nm, C(2)-C(3)鍵長比R2增加了0.0034 nm.軌道理論(NBO)分析可知在中間體M1中, BD(2)C(2)-C(3)→LP*(6)Cu二階穩(wěn)定化能E(2)為41.10 kcal/mol, LP(1)N(1)→LP*(5)Cu二階穩(wěn)定化能E(2)為131.96 kcal/mol, 表明它們之間存在軌道間的相互作用. 由表1中能量數(shù)據(jù)可以看出, 中間體M1的能量分別比R1和R2及催化劑CuCl的能量之和低45.32 kcal/mol，中間體M1易形成并能夠穩(wěn)定存在, 完成了催化活化過程.在反應(yīng)通道I1中由M1→TS1→M2, 中間體M1通過過渡態(tài)TS1形成中間體M2, 活化能為34.86 kcal/mol，是反應(yīng)的速控步驟. 在TS1中N(2)-H(2)和C(3)-H(2)的鍵長分別為0.1337 nm 和0.1276 nm. 表明化學(xué)鍵N(2)-H(2)正在斷裂而化學(xué)鍵 C(3)-H(2)正在形成, 即H(2)正在從N(2)向C(3)轉(zhuǎn)移.而C(2)-C(3)鍵長為0.1284 nm 比中間體M1的C(2)-C(3)增加了0.0038 nm,表明原來的炔鍵正在向烯鍵轉(zhuǎn)變.在中間體M2中和Cu-C(2)的鍵長是0.1933 nm, 比過渡態(tài)TS1減少了0.0033 nm, 而Cu-N(2) 鍵長為0.1953 nm，表明Cu-N(2)正在形成. 而C(3)-C(2)的鍵長為0.1344 nm比TS1中的鍵長增加了0.0060 nm 此時碳碳雙鍵已經(jīng)形成. 在接下來的M2→TS2→M3反應(yīng)過程中, 從M2到TS2, Cu-N(2)鍵長變長了0.0033 nm, Cu-C(2) 鍵長變短了0.0013 nm, C(2)-N(2)的鍵長是0.2267 nm. 這表示了C(2)-N(2)鍵正在形成.在中間體M3中C(2)-N(2)的鍵長是0.1351 nm, C(2)-C(3)的鍵長是0.1397 nm.它們與過渡態(tài)TS2相比分別減少了0.0916 nm和增加了0.0063 nm.

圖1 反應(yīng)路徑中各駐點的分子構(gòu)型圖(單位為nm)Fig. 1 Geometric parameters of the compounds (nm)

這意味著在中間體M3中C(2)-N(2)已經(jīng)形成，而原來的碳碳雙鍵向碳碳單鍵變化,相應(yīng)的Michael加成產(chǎn)物已經(jīng)形成. 在反應(yīng)通道I2中由M1→TS3→M4,在過渡態(tài)TS3中Cu-N(1) 和Cu-C(2)的鍵長分別為0.2786 nm和0.1932 nm. Cu-N(1) 鍵長比中間體M1中增加了0.0652 nm, Cu-C(2)的鍵長相比于M1而言減少了0.0057 nm.可以看出Cu-N(1) 鍵在逐漸斷裂. TS3中的C(1)-H(1)和H(1)-C(3)鍵長分別是0.1391 nm和0.1235 nm.表明H(1)正在從C(1)向C(3)遷移.而且TS3中的C(2)-C(3)鍵長也變長了0.0063 nm, M1中的炔鍵正在向烯鍵轉(zhuǎn)變. TS3中的N(1)-C(1)鍵長是0.1224 nm,比M1變短了0.0068 nm, 這預(yù)示著原來的碳氮雙鍵正在向三鍵變化. 在中間體M4中C(2)-C(3)鍵長比TS3增加了0.0045 nm，此時碳碳雙鍵已經(jīng)形成. M4中的Cu-N(1)鍵已經(jīng)斷裂，N(1)-C(1)鍵長為0.1168 nm，比TS3減少了0.0056 nm, 表明碳氮三鍵已經(jīng)形成. 在M4→TS4→M5變化過程中，TS4中C(1)-N(1)鍵長是0.1240 nm, 比M4增加了0.0072 nm, 預(yù)示著碳氮三鍵正在向碳氮雙鍵變化，C(1)-C(2)和Cu-C(1)的鍵長分別是0.2693 nm和0.1908 nm，表示C(1)-C(2)和Cu-C(1)正在成鍵. 在中間體M5中C(1)-N(1)鍵長是0.1304 nm，比過渡態(tài)TS4增加了0.0064 nm, 碳氮雙鍵已經(jīng)形成. C(1)-C(2)鍵長是0.1467 nm比TS4減少了0.1226 nm, C(1)-C(2)已經(jīng)成鍵. C(2)-C(3)鍵長是0.1386 nm增加了0.0045 nm，碳碳雙鍵向碳碳單鍵變化對應(yīng)的Michael加成產(chǎn)物已經(jīng)形成.

3.2 反應(yīng)過程能量分析

反應(yīng)路徑中各駐點能量E (a.u.)，相對能量Erel(kcal/mol) 及頻率v (cm-1)見表1. 由表1中能量數(shù)據(jù)可以看出, 反應(yīng)物(R1,R2)與催化劑CuCl結(jié)合形成中間體M1的過程, 能量降低了45.32 kcal/mol, 表明中間體M1能穩(wěn)定存在.在反應(yīng)通道I1中中間體M1通過過渡態(tài)TS1形成中間體M2的過程中活化能是34.86 kcal/mol,是反應(yīng)的速控步驟. 中間體M2通過過渡態(tài)TS2形成中間體M3的過程中活化能是6.17 kcal/mol. 在反應(yīng)通道I2中中間體M1通過過渡態(tài)TS3形成中間體M4的過程中活化能是41.94 kcal/mol,是反應(yīng)的速控步驟.中間體M4通過過渡態(tài)TS4形成中間體M5的過程中活化能是-1.13 kcal/mol. 通過對比兩條反應(yīng)路徑的活化能，表明反應(yīng)通道I1的活化能較低反應(yīng)更容易進行.

表1 反應(yīng)各駐點的能量E(a.u.)，相對能量Erel(kcal/mol) 及頻率v(cm-1)

Table 1 EnergiesE(a.u.), relative energiesErel(kcal/mol) and frequenciesv(cm-1) of the compounds in the reactions

PathSpeciesEErelvR1+R2+CuCl-1570.7255940—M1-1570.797811-45.32—TS1-1570.742266-10.46-1300.51I1M2-1570.757519-20.03—TS2-1570.747674-13.86-162.63M3-1570.847733-76.64—TS3-1570.730976-3.38-261.13I2M4-1570.763841-24.00—TS4-1570.763981-25.13-51.28M5-1570.851274-78.87—

圖2 反應(yīng)能級圖(單位為kcal/mol)Fig. 2 The schematic of energy levels (kcal/mol)

4 結(jié) 論

本文采用密度泛函理論中的M05方法對苯腙和丙炔酸甲酯在CuCl催化下發(fā)生Michael加成反應(yīng)機理進行了研究. 針對不同的反應(yīng)位點，我們設(shè)計了兩組反應(yīng)路徑I1和I2. 經(jīng)過對這兩組反應(yīng)路徑中由各個駐點相對能量分析，苯腙和丙炔酸甲酯在CuCl催化下，反應(yīng)通道I1控制步驟是M1→TS1→M2，活化能為34.86 kcal/mol, 反應(yīng)通道I2控制步驟是M1→TS3→M4，活化能為41.94 kcal/mol, 反應(yīng)通道I1所需活化能更低, 反應(yīng)能夠順利進行. 我們的研究結(jié)果從理論上解釋了苯腙和丙炔酸甲酯在CuCl催化下發(fā)生Michael加成反應(yīng)特征，解釋了實驗現(xiàn)象.