零价钯和苯甲酸共催化内炔烃氢胺化反应机理的理论研究

引用本文: 卞荣剑, 鲍晓光. 零价钯和苯甲酸共催化内炔烃氢胺化反应机理的理论研究[J]. 有机化学, 2017, 37(1): 190-195. doi: 10.6023/cjoc201607005 shu

Citation: Bian Rongjian, Bao Xiaoguang. Computational Insights into the Mechanism of Pd (0) and Ben-zoic Acid Co-Catalyzed Hydroamination of Internal Alkynes[J]. Chinese Journal of Organic Chemistry, 2017, 37(1): 190-195. doi: 10.6023/cjoc201607005 shu

零价钯和苯甲酸共催化内炔烃氢胺化反应机理的理论研究

卞荣剑 ,
鲍晓光 ^{*,
,}

苏州大学材料与化学化工学部苏州 215123

通讯作者: 鲍晓光, E-mail: xgbao@suda.edu.cn

基金项目:
国家自然科学基金 21302133

摘要: 通过密度泛函方法（DFT）研究了零价钯和苯甲酸共催化内炔烃氢胺化反应的机理.计算研究表明，文献中推测的通过苯甲酸的O-H键氧化加成到零价钯上形成钯氢中间体并不是启动该反应的有利途径.机理如下：在零价钯炔烃复合物上，苯甲酸可以通过质子转移到炔烃的途径得到二价烯基钯中间体，生成的羧酸根阴离子可以进一步辅助底物发生β-氢消除反应生成联烯中间体，随后在零价钯联烯复合物上，再次通过苯甲酸质子转移得到烯丙基钯中间体，最后胺亲核进攻烯丙基末端碳得到最终氢胺化产物.

关键词:

English

Computational Insights into the Mechanism of Pd (0) and Ben-zoic Acid Co-Catalyzed Hydroamination of Internal Alkynes

Bian Rongjian ,
Bao Xiaoguang ^{*,
,}

College of Chemistry, Chemical Engineering and Materials Science, Soochow University, Suzhou 215123

Corresponding author: Bao Xiaoguang, xgbao@suda.edu.cn

Received Date: 04 July 2016
Revised Date: 28 August 2016
Fund Project:
the National Natural Science Foundation of China

Abstract: Computational studies were carried out to investigate the detailed mechanism of Pd (0) and benzoic acid co-catalyzed hydroamination of internal alkynes.In the presence of the benzoic acid, the formation of a hydridopalladium intermediate via the oxidative addition (OA) of the O-H bond of benzoic acid into the Pd (0) complex center might not be a favorable reaction pathway to start the reaction.Instead, after the coordination of benzoic acid with the Pd (0)-alkyne complex, a proton transfer process from the acid to carbon of alkyne is found to be a favorable pathway, leading to the alkenyl (PhCOO) Pd (Ⅱ) intermediate.Next, the resulting alkenyl (PhCOO) Pd (Ⅱ) species would produce phenylallene intermediate via a β-H elimination step assisted by the formed benzoate anion.Subsequently, the benzoic acid might undergo a second proton step to the phenylallene intermediate to produce the π-allylpalladium species.Finally, the amine substrate could undergo a nucleophilic addition to the terminal carbon of the π-allylpalladium species to produce the hydroamination product.

Key words:

寻求简单高效并且绿色环保的构建碳氮键的方法具有重要的科学意义和工业应用价值.氢胺化反应(Hydroamination)是一类形式上将胺类化合物氮氢键“加成”到碳碳不饱和键的反应^[1].与传统碳氮键构建方法相比, 该方法具有原料简单易得、原子经济性高、简洁高效等优点.近二十年来, 不饱和烃与不同胺类的氢胺化反应得到了快速发展.端炔/内炔和胺/酰胺通过氢胺化反应可以合成相应的烯基胺(伯胺和端炔的氢胺化产物可以进一步转化为亚胺)^[2].烯烃的氢胺化和氢酰胺化可以分别生成相应的烷基胺和烷基酰胺^[3].分子内氢胺化和氢酰胺化的反应则广泛应用于含氮杂环的合成中^[4].由于烷基胺、烯胺、亚胺、含氮杂环化合物及相应的酰胺等含氮化合物在有机合成上有非常重要的应用, 因此氢胺化反应无论在学术科研领域还是在工业生产行业都引起了广泛关注.早期的氢胺化反应主要集中在Brønsted酸、稀土金属, 以及其他前过渡金属催化剂催化的反应^[5].由于后过渡金属催化剂有更广泛的官能团适用性以及对氧和水不敏感等优势, 近年来关于后过渡金属催化的氢胺化反应得到了快速的发展, 如金属Fe^[6], Co^[7], Ni^[8], Cu^[9], Zn^[10], Ru^[11], Rh^[12], Pd^[13], Ag^[14], Re^[15], Ir^[16], Pt^[17], Au^{[4b, 18]}等.但是精确控制这一类反应的区域选择性和立体选择性仍然非常具有挑战性.

图图式 1 文献提出的钯和羧酸共催化氢胺化反应的机理

Figure 图式 1. Proposed mechanism for the Pd (0)/carboxylic acid co-catalyzed hydroamination reaction in literature

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最近我们对于端炔二聚反应的机理研究提出了质子酸参与的质子转移到端炔的机理, 并详细讨论了端炔二聚区域选择性产生的原因^[22].在此研究基础上, 我们设想这一机理是否也适用于该氢胺化反应？鉴于目前对于钯/羧酸催化的氢胺化反应机理研究还很不充分, 是否必须先形成含有Pd-H键的中间体也值得商榷.本文将对零价钯和苯甲酸共催化内炔烃氢胺化反应机理进行理论研究, 探索区域选择性产生的原因, 揭示羧酸在反应体系中的作用.

文献中提到该反应会生成联烯中间体, 提出的反应机理如Scheme 1所示.羧酸首先在Pd (0)上氧化加成生成二价钯Pd-H物种, 随后Pd-H物种加成到炔烃叁键上生成烯基钯中间体.由于烯基钯中间体有β-H存在, 接下来发生β-H消除反应产生联烯中间体, 再发生一步羧酸在Pd (0)上氧化加成, 继而Pd-H键插入到联烯的末端, 生成烯丙基钯中间体, 最后胺亲核试剂进攻烯丙基钯末端的碳, 亲核试剂上的H同时转移到钯上, 最终得到烯丙基胺和Pd-H活性催化物种^[21a].

在众多催化体系中, 羧酸辅助的过渡金属催化氢胺化反应已经引起很多学者的重视.如镍催化的1, 3-二烯衍生物与烷基胺的氢胺化反应^[19], 钌催化的芳乙烯类化合物的反马氏加成氢胺化反应^[11b], 金催化的内炔与芳胺的氢胺化反应^[20]以及钯和铑催化形成烯丙基胺的氢胺化反应^[21]等. Yamamoto课题组^[21a]报道了使用零价钯Pd (PPh₃)₄和苯甲酸共同催化内炔烃和胺的氢胺化反应, 得到了在烯丙位发生胺化的产物, 该反应具有很好的区域选择性(Eq. 1).

1    计算方法

我们采用ωB97XD密度泛函方法^[23]进行理论研究.这种泛函考虑了长程作用和色散校正项, 可以很好地描述弱相互作用和键的断裂与形成^[24].计算模型中C、H、O、N、P原子使用6-31G (d, p)基组^[25], Pd原子使用的是LANL2DZ基组^[26].对反应势能面上的各驻点进行构型优化, 优化完成后会对该构型使用相同的基组和方法进行振动频率分析, 以确定优化得到的结构在势能面上是能量局域最低点(没有虚频)或者是过渡态(有且只有一个虚频), 同时得到该结构的热力学参数.通过内禀反应坐标(Intrinsic Reaction Coordinate)计算来确认所得到的过渡态.此外, 我们使用PCM溶剂化模型^[27]考虑溶剂化效应.溶剂化下单点能计算对Pd使用的是LANL2DZ赝势基组, 其他原子则使用了6-311++G (d, p)基组.本文讨论部分的Gibbs自由能是由溶剂化下单点能和气相Gibbs自由能的校正项相加所得到的.本文所有的计算都是通过Gaussian 09程序^[28]完成的.

2    结果与讨论

图2 苯甲酸通过质子转移到炔烃的反应途径得到烯丙基钯中间体的能量示意图

Figure 2. Energy profile for the proton transfer pathway, leading to the π-allylpalladium species Hydrogen atoms are omitted for clarity, except for involving in reactions. Bond lengths are shown in Å

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类似地, 在苯甲酸的存在下, 生成的联烯中间体可以进一步接受苯甲酸上的质子转移, 得到烯丙基钯中间体.经历的过渡态TS5显示了质子转移到联烯中间碳上的过程.其中O…H的距离延长到了1.35 Å, 与此同时C (2)…H的距离缩短到了1.39 Å, 该过程需要克服的自由能能垒是42.2 kJ/mol, 进而得到烯丙基钯中间体INT11.

生成的烯基钯中间体可以发生β-H消除反应得到联烯中间体.我们注意到形成的苯甲酸根配体可以和底物末端的甲基形成一个弱氢键作用.从INT8出发, 在苯甲酸根配体辅助脱氢的条件下得到联烯中间体, 并重新形成零价钯和苯甲酸复合物, 该过程的过渡态为TS4.理论计算得到的该途径需要克服的自由能能垒为70.6 kJ/mol.如果该烯基钯中间体直接在Pd上发生β-H消除生成联烯中间体而没有苯甲酸根的辅助作用, 理论计算得到的自由能能垒为98.6 kJ/mol.根据计算的结果可得, 苯甲酸根配体辅助β-H消除的途径更为有利.

接下来研究了苯甲酸上的质子转移到炔烃上的途径(图 2).在形成的复合物INT6中, 苯甲酸通过羰基氧与钯配位, 另外, INT6中羧酸的O-H基团与炔烃C (1)间的距离OH…C (1)为2.48 Å.羧酸上的质子转移到炔烃上的过渡态为TS3.在该过渡态结构中, O (1)…H键的距离延长到1.33 Å, 与此同时C (1)…H的距离缩短到1.42 Å.这一步骤的自由能能垒只有115.8 kJ/mol (相对于初始复合物INT0), 该反应路径能垒比苯甲酸O-H键在零价钯上发生氧化加成的路径低了大约46.0 kJ/ mol.另外, 该苯甲酸质子转移到炔烃上形成的中间体INT7放热38.9 kJ/mol, 在热力学上也是更为有利的.根据理论计算结果, 苯甲酸上的质子转移到炔烃上的途径无论是在热力学还是在动力学上都比苯甲酸O-H键在零价钯上发生氧化加成的路径更为有利.

中间体INT11会发生π电子离域化, 形成更为稳定的中间体INT12.随后, 亲核试剂苯胺有两种进攻烯丙基钯的方式(图 3), 分别为进攻烯丙基末端碳和进攻苯基苄位的碳, 得到两种区域选择性不同的胺化产物.对于亲核试剂苯胺进攻烯丙基末端碳的途径^[30], 该过程的过渡态如TS6所示, 其中O…H和N…C的距离分别缩短到1.77和2.13 Å, 与此同时Pd…O延长到2.25 Å.这一过程克服的自由能能垒为94.9 kJ/mol, 且反应放热4.2 kJ/mol.对于亲核试剂进攻苯基苄位碳的途径, 计算发现该过程的过渡态(TS7)能量略高于(4.2 kJ/mol进攻烯丙基末端碳的过渡态(TS6)能量.其中可能的原因为苯胺进攻烯丙基末端碳得到的中间体保持了共轭结构, 而进攻苄位则生成非共轭的结构.通过计算发现共轭结构产物比非共轭的结构产物能量低(热力学上稳定).由此, 我们可以得出苯胺进攻烯丙基末端碳的途径更为有利.碳氮成键后, 苯胺氮上的质子会转移到苯甲酸根上, 进而得到氢胺化产物并再次得到零价钯和苯甲酸.

使用双配位的(PPh₃)₂Pd (0)作为起始复合物INT0, 接下来底物(1-苯基-1-丙炔)和三苯基膦配体交换可以形成复合物INT1(图 1).首先, 我们研究了文献上提出的苯甲酸O-H键在零价钯上发生氧化加成, 生成Pd-H物种的反应模式^[29].该反应的过渡态结构(TS1)见图 1, 其中苯甲酸中的羰基氧和钯配位, 过渡态中的O…H键长增长到1.64 Å, 而Pd…H间距离缩短到1.57 Å.计算预测该反应的能垒为160.5 kJ/mol (相对于初始复合物INT0), 得到的钯氢物种(中间体INT3)在热力学上并不稳定.随后我们研究了Pd-H中间体上的氢加成到炔烃叁键上生成烯基钯中间体(INT5)的过程, 对应的过渡态为TS2, 该过程较易进行(图 1).

图3 胺亲核进攻烯丙基钯中间体到烯丙基胺化产物的能量示意图

Figure 3. Energy profiles for the nucleophilic addition of amine to the π-allylpalladium species to produce the hydroamination product Hydrogen atoms are omitted for clarity, except for involving in reactions. Bond lengths are shown in Å

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图1 苯甲酸O-H键在零价钯上发生氧化加成生成Pd-H物种反应路径的能量示意图

Figure 1. Energy profile for the oxidative addition of O-H bond of benzoic acid on Pd (0) leading to the Pd-H species Hydrogen atoms are omitted for clarity, except for involving in reactions. Bond lengths are shown in Å

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3    结论

辅助材料(Supporting Information)    苯甲酸O-H键直接在零价钯上发生氧化加成生成Pd-H物种的能量图, 烯基钯中间体直接在Pd上发生β-H消除生成联烯中间体的能量图, 以及胺从钯的异侧进攻烯丙基钯中间体末端碳的能量图.所有优化结构的笛卡尔坐标和能量.这些材料可以免费从本刊网站(http://sioc-journal.cn/)上下载.

我们通过理论计算详细研究了零价钯和苯甲酸共催化内炔烃氢胺化反应的机理.我们研究发现苯甲酸在零价钯复合物上发生氧化加成形成钯氢物种并不是一个启动该反应的有利途径.在零价钯炔烃复合物上, 苯甲酸可以通过质子转移到炔烃的途径得到烯基钯中间体D, 生成的苯甲酸根可以进一步辅助底物发生β-氢消除反应生成联烯中间体和苯甲酸F.随后, 在零价钯联烯复合物上, 苯甲酸再发生一次质子转移得到烯丙基钯中间体G, 最后亲核试剂胺进攻烯丙基末端碳, 并发生氢转移, 生成最终产物烯丙基胺, 并重新得到零价钯催化剂和苯甲酸(Scheme 2).另外, 该反应的区域选择性主要由产物的热力学性质决定.

图图式 2 零价钯和苯甲酸共催化内炔烃氢胺化反应的机理

Figure 图式 2. Proposed mechanism of Pd (0) and benzoic acid co-catalyzed hydroamination reaction

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29. [29]
  In the absence of the coordination of 1-phenyl-1-propyne, the oxidative addition of O-H bond of benzoic acid onto Pd (0) still has a very high energy barrier (see Figure S1).
30. [30]
  We also investigated the possibility of amine attack to the π-allylpalladium species from the other side to produce the hydroamination product. The located transition state (TS10), however, is 35.5 kJ/mol higher in energy than TS6, suggesting a disfavored pathway (see Figure S3).
图式 1 文献提出的钯和羧酸共催化氢胺化反应的机理

Scheme 1 Proposed mechanism for the Pd (0)/carboxylic acid co-catalyzed hydroamination reaction in literature

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图 1 苯甲酸O-H键在零价钯上发生氧化加成生成Pd-H物种反应路径的能量示意图

Figure 1 Energy profile for the oxidative addition of O-H bond of benzoic acid on Pd (0) leading to the Pd-H species Hydrogen atoms are omitted for clarity, except for involving in reactions. Bond lengths are shown in Å

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图 2 苯甲酸通过质子转移到炔烃的反应途径得到烯丙基钯中间体的能量示意图

Figure 2 Energy profile for the proton transfer pathway, leading to the π-allylpalladium species Hydrogen atoms are omitted for clarity, except for involving in reactions. Bond lengths are shown in Å

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图 3 胺亲核进攻烯丙基钯中间体到烯丙基胺化产物的能量示意图

Figure 3 Energy profiles for the nucleophilic addition of amine to the π-allylpalladium species to produce the hydroamination product Hydrogen atoms are omitted for clarity, except for involving in reactions. Bond lengths are shown in Å

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图式 2 零价钯和苯甲酸共催化内炔烃氢胺化反应的机理

Scheme 2 Proposed mechanism of Pd (0) and benzoic acid co-catalyzed hydroamination reaction

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